автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.06, диссертация на тему:Разработка метода и алгоритмов оптимизации размещения информационных ресурсов при проектировании и развитии автоматизированных систем управления на базе локальных вычислительных систем ПЭВМ (на примере АСУ металлургическими предприятиями)

РГ6 ОД МОСКОВСКИЙ ОРДЕНА ОКТЯБРЬСКОЙ РЕВОЛЮЦИИ _ 7 И ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ

I •;:V1»I !,. .

ИНСТИТУТ СТАЛИ И СПЛАВОВ

На правах рукописи

ШАТАЛОВ Владимир Сергеевич

РАЗРАБОТКА МЕТОДА И АЛГОРИТМОВ ОПТИМИЗАЦИИ РАЗМЕЩЕНИЯ ИНФОРМАЦИОННЫХ РЕСУРСОВ ПРИ ПРОЕКТИРОВАНИИ И РАЗВИТИИ АВТОМАТИЗИРОВАННЫХ СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ НА БАЗЕ ЛОКАЛЬНЫ: ВЫЧИСЛИТЕЛЬНЫХ СЕТЕЙ ПЭВМ (на примере АСУ металлургическими предприятиями)

Специальность 05.13.06 - "Автоматизированные системы управления"

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва - 1993

Работа выполнена в Московском ордена Октябрьской Революции ордена Трудового Красного Знамени института стали и сплавов.

Научный руководитель: кандидат технических наук, доцент А. И. ГЛАДКОВ.

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор Емельянов Н.Е. кандидат технических наук, доц. Чухман В. Н.

Ведущая организация: ГИВЦмет Центринформ, г. Москва.

Защита диссертации состоится

2-_ хддз ]

в час. УО мин. на заседании Специализированного сове'

Д. 053.08.07 Московского института стали и сплавов по адрес; 117936, Москва, ГСП-1, Ленинский проспект, 4.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МИСиС.

Справки по телефону: 237-84-45.

Автореферат разослан "2.4" _ 1993 г.

Ученый секретарь Специализированного совета, кандидат технических наук, доцент

Л. Г. СЕРГЕЕ

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. В качестве одной из основных задач экономического и социального развития страны на современном этапе является задача совершенствования управления на базе использования информационно-вычислительных систем с применением новых информационных технологий.

Современное производство - сложная система, состоящая из тысяч элементов и связей, от количества которых зависит общее количество собираемой, обрабатываемой и передаваемой информации. Одними из самых сложных объектов управления в народном хозяйстве считаются металлургические предприятия, характерными особенностями которых являются высокая степень концентрации производства, территориальная распределенность и материально-информационная зависимость функциональных подразделений, большое число технологических процессов, режимов работы, а также непрерывный рост состава задач оперативного управления.

Важным условием совершенствования управления на металлургических предприятиях является повышение качества функционирования АСУП за счет эффективного обслуживания информационных ресурсов (ИР) предприятия, под которыми в работе понимаются различные сведения, представленные в форме файлов баз данных, участвующие в решении функциональных задач управления.

Создавшиеся условия управления металлургическими предприятиями привели к тому, что централизованное использование средств вычислительной техники для такого класса территориально-распределенных объектов, как металлургические предприятия, вошло в противоречие с требованиями оперативной и эффективной доставки информации пользователям АСУП.

В этих условиях проблема поиска оптимальной организации ИР, рационального сочетания централизованных и децентрализованныз структур хранения и обслуживания информации, привели к необходимости создания АСУП металлургичискими предприятиями, построении: по принципу распределенной обработки данных с использованием комбинированных информационных структур на базе локальных вычислительных сетей (ЛВС), узлами которых является рабочие станции (места решения задач) и файлсерверы (места хранения и обслуживание файлов общего пользования), оснащенные персональными ЭВМ (ПЭВМ).

Наиболее сложной, трудоемкой и актуальной проблемой при проектировании АСУП на базе ЛВС ПЭВМ является пересмотр устоявшихс: технологий обслуживания, выбор мест хранения и обработки И1 предприятия с учетом новых информационно-технологических возмож ностей, предоставляемых ЛВС ПЭВМ.

Целью работы является решение задачи разработки эффективны; методов размещения ИР в ЛВС ПЭВМ объектов управления (цехов других функциональных подразделений), обеспечивающих, на основ анализа информационных потоков предприятия, минимальные информа ционные нагрузки на сеть при решении всего состава функциональны задач (ФЗ) пользователей и позволяющих для каждого типа сетей ис пользовать минимально необходимое аппаратно-программное обеспече ние. Это, в свою очередь, позволяет получить существенную эконо мню затрат на реализацию системы.

В работе произведена разработка метода и алгоритмов размеще ния ИР в ЛВС ПЭВМ, позволяющих при наличии минимальной исходно информации об аппаратно-программном обеспечении объекта управле ния определить эффективные места размещения ИР, состав файлсерве ров и технические требования к станциям и другим аппаратным сред ствам ЛВС ПЭВМ. Для достижения указанной цели необходимо:

- провести анализ способов хранения и обработки информации в АСУ металлургическими предприятиями;

- дать оценку использования различных типов файлсерверов при решении задач АСУП;

- разработать методику и алгоритмы определения оптимальной схемы размещения файлов данных и их копий по станциям ЛВС ПЭВМ;

- разработать алгоритмы поиска минимально-необходимого количества файлсерверов различного типа, обеспечивающих хранение оригинальных файлов данных ЛВС ПЭВМ;

- разработать алгоритм определения максимально возможного количества бездисковых рабочих станций ЛВС.

Методы исследования. В работе используются принципы системного проектирования АСУ, методы теории множеств, теории графов, комбинаторного анализа, дискретного и системного программирования, регрессионного анализа.

Проведены экспериментальные исследования изменения размера суммарного сетевого информационного трафика (потока сообщений в сети), а также трафика, приходящегося на одну рабочую станцию сети при выполнении серий тестов по обслуживанию баз данных, одинаковых по логической структуре и количеству записей, но отличающихся длиной записи. Эти исследования проводились в ЛВС типа ETHERNET с выделенным файлсервером на базе ПЭВМ PC/AT и различным числом сетевых рабочих станций на базе ПЭВМ класса PC/XT для нескольких сетевых СУБД.

Проверка эффективности разработанных методов и алгоритмов оптимизации размещения ИР в ЛВС ПЭВМ осуществлялась при проектировании Узбекского металлургического завода (г. Бекабад, 1991 г. ), экспериментальной ЛВС и опытно-промышленного полигона ЛВС ПЭВМ Института Бизнеса и Менеджмента металлургии (г. Москва,

1991-1992 гг. ).

Научная новизна результатов, выдвигаемых в диссертации, за! ломается в следующем:

- разработана методика и алгоритм проектирования информащ онного обеспечения ЛВС ПЭВМ при минимальных требованиях к иcxo^ ной информации объекта управления;

- разработаны методы и алгоритмы расчета характеристик I для сетевой технологии обслуживания;

- разработан алгоритм оптимизации размещения ИР объекта у1 равления в ЛВС ПЭВМ инвариантного к ее аппаратно-программн< реализации;

- разработан алгоритм оптимизации определения состава бе: дисковых рабочих станций ЛВС ПЭВМ, и получена оценка объемов ди< ковой памяти сетевых станций;

- разработан алгоритм определения минимально-необходимо состава файлсерверов различного типа ЛВС ПЭВМ.

боты доведены до уровня конкретных методик, вычислительных алг ритмов и инструментального комплекса программ, которые могут бы использованы как при проектировании новых ЛВС так и развитии у действующих.

Использование полученных методик, алгоритмов и инструме тального комплекса программ позволяет:

- выработать наиболее рациональную схему размещения ИР в ЛЕ ПЭВМ в условиях оперативного доступа;

- повысить эффективность и надежность обслуживания инфор» ционных запросов пользователей;

- снизить технические требования к используемому сетевс аппаратно-программному обеспечению;

Научные положения диссертационной р

- модифицировать схемы размещения ИР при развитии ЛВС ПЭВМ, с учетом ее новых условий функционирования.

Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались на научном семинаре кафедры автоматизированных систем управления Московского института стали и сплавов, на научном семинаре кафедры энергетики, вычислительной техники и автоматизации металлургических предприятий Института Бизнеса и Менеджмента металлургии, на II Всесоюзном совещании по интегрированным системам управления (г. Суздаль, 1986 г. ), на III Всесоюзной конференции "Автоматизация производства систем программирования" (г. Таллинн, 1986 г. ), на 44-й Научной конференции студентов и молодых ученых Московского института стали и сплавов (г. Москва, 1990 г.), на конференции "Новая информационная технология и локальные сети ЭВМ" (г. Киев, 1991 г. ), на Международном Российско-Американском семинаре "Использование стандартных программных средств в сетях ПЭВМ" (г. Москва, 1992 г. ).

Публикации. По теме диссертационной работы опубликовано 13 печатных работ.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, трех глав и заключения, списка литературы, включающего 138 наименований, и приложений. Общий объем работы составляет 176 страниц, в том числе 18 рисунков, 23 таблицы и 3 приложения.

ЛОКАЛЬНАЯ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНАЯ СЕТЬ - НЕОБХОДИМОЕ УСЛОВИЕ ЭФФЕКТИВНОГО ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ИНФОРМАЦИОННЫХ РЕСУРСОВ В АСУП

В основе проектирования любой информационной системы лежит стремление к снижению информационных обменов между местами хранения и обработки информации.

Поэтому в диссертационной работе в качестве одного из показателей эффективности функционирования ЛВС ПЭВМ рассматривается суммарный информационный трафик, представляющий собой сумму информационных потоков, возникающих при решении всего состава ФЗ на сетевых рабочих станциях.

ЛВС ПЭВМ представляют собой совокупность ПЭВМ, соединенных общим каналом для передачи данных, которая занимает ограниченную территорию (предприятие, здание, цех, подразделение) и обеспечивают совместное использование информационных, программных, аппаратных и коммуникационных ресурсов.

Оснащение рабочих мест ПЭВМ на предприятиях отрасли привело к стремительному росту автоматизированных рабочих мест (АРМ) и необходимости организации их информационной взаимосвязи в рамках решения задач АСУП. Использование ЛВС в этих целях обеспечивает:

- автоматический режим обмена информацией между АРМ-ами, не зависящий от человека и повышающий надежность информационного обмена;

- большую скорость передачи информации, а следовательно, повышение уровня оперативности управления;

- возможность совместного использования информационных ресурсов АРМ-ов, что ведет к существенному снижению объемов дублирования в информационных потоках системы управления;

- снижение требований к аппаратному и программному обеспечению АРМ-ов вследствие перераспределения ИР в сети и устранения избыточного дублирования.

Результаты опроса сотрудников отделов АСУ и ВЦ металлургических предприятий подтверждают тенденцию роста количества ЛВС и количества сетевых станций (число которых планируется увеличить до 30, а в некоторых случаях до 50-100). На некоторых предприя-

тиях наблюдается тенденция к использованию дешевых бездисковых рабочих станций на базе ПЭВМ типа PC/XT. Однако анализ аппаратно-программных реализаций ЛВС ПЭВМ и принципов размещения информации на металлургических предприятиях свидетельствует о необходимости разработки эффективных методов размещения информации в сетях.

ПРИНЦИПЫ РАЗМЕЩЕНИЯ ИНФОРМАЦИОННОГО РЕСУРСА В ЛОКАЛЬНОЙ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНОЙ СЕТИ

Одной из ключевых проблем при создании территориально-распределенных баз данных (ТРБД) является размещение данных. Объектом размещения обычно выступают отдельные базы или фрагменты БД (реальные или проектируемые), которые будем называть файлами.

Размещение файлов влияет на такие важнейшие параметры ТРБД как объемы хранимых и обновляемых данных, интенсивность потоков информации, быстродействие и надежность системы в целом.

Важную роль в решении задачи размещения ИР в ЛВС играет степень централизации информации, в соответствии с уровнем которой выделяют следующие основные структуры: централизованные, децентрализованные, комбинированные. Каждая структура обладает определенными преимуществами и недостатками. Особое место среди них занимает комбинированная структура, котороя позволяет:

- уменьшить общесистемную информацию за счет централизованного ее хранения в центральном узле сети:

- уменьшить необоснованное дублирование информации и контролировать его в необходимых случаях;

- управлять размещением и перемещением ИР и вести статистические наблюдения за их использованием в ЛВС;

- разместить ИР вышедшего из строя узла на другой (имеющий

резерв памяти).

Комбинированные ТР структуры получают самое широкое распространение в АСУ большими предприятиями, как металлургические.

Дублирование информации присуще любым системам, однако оно приводит к дополнительным затратам на хранение, передачу и обработку информации, усложнению информационных потоков и существенно затрудняет управление системой вследствие противоречивости, недостоверности, несопоставимости хранимых и передаваемых данных.

Однако при проектировании информационных систем следует преследовать цель не полного исключения дублирования, а создание эффективных систем, в которых дублирование обосновано соответствующими технико-экономическими расчетами. Поэтому избыточность информации в территориально- распределенных системах должна быть не обязательно минимальной, а в общем случае оптимальной.

РАЗРАБОТКА МЕТОДОВ И АЛГОРИТМОВ ОПТИМИЗИЦИИ РАЗМЕЩЕНИЯ ИНФОРМАЦИОННЫХ РЕСУРСОВ В ЛОКАЛЬНЫХ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНЫХ СЕТЯХ ПЭВМ

На решение задачи проектирования и развития ЛВС ПЭВМ предприятия оказывает влияние большое количество факторов, выбор которых представляет собой самостоятельные подзадачи, которые можно объединить в группы по трем основным направлениям: проектирование технического обеспечения ЛВС; проектирование информационного обеспечения ЛВС; проектирование программного обеспечения ЛВС.

Проектирование сетевого информационного обеспечения невозможно без анализа информационных потоков, направлений их движения, характеристик элементов, составляющих эти информационные потоки, условий хранения и обслуживания ИР.

В качестве оценки объемов информационных потоков можно вое-

пользоваться несколькими подходами.

Один из них основан на предположении, что для рассматриваемой ЛВС ПЭВМ считаются известными входящие в нее АРМ-ы вместе с составом ФЗ. В этом случае предполагается, что каждая ФЗ выполняется на рабочих станциях ЛВС ПЭВМ и в результате своего решения формирует конечный или промежуточный результат в форме файлов данных. Считается, что ФЗ имеют естественное разделение по составу и объему реализуемых функций управления, проявляющихся в специализации людей. Это позволяет определить размеры и направления информационных потоков объекта управления.

Идея второго подхода заключается в том, что все потенциальные пользователи ЛВС ПЭВМ делятся на несколько групп, каждая из которых вносит свою информационную нагрузку на сеть и определяется степенью использования ЛВС и количеством пользователей. Именно на базе этих характеристик осуществляется экспертная оценка информационной нагрузки на сеть.

От качества решения задачи проектирования информационного обеспечения ЛВС ПЭВМ непосредственно зависит эффективность функционирования сети в целом (степень загрузки сети, надежность, быстродействие, стоимость) и уровень требований, предъявляемых к выбору сетевого аппаратно-программного обеспечения.

В общей постановке задачи рассматривается ЛВС ПЭВМ, состоящая из множества сетевых станций Б^Мэ | 1=1, К5>, на базе которых созданы АРМ-ы и между ними распределено множество ФЗ управления ^ГЛГр и их схема распределения по рабочим станциям сети описана матрицей г=(г | 1=1, К3, j=l,Кт>.

Каждая из ФЗ в процессе своего решения использует или обновляет определенный состав файлов из множества оригинальных файлов сети Р^ИГ | ч=1, Кр}, места размещения которых в ЛВС заранее не-

известны и описываются матрицей Х=(х1()| 1=1, К3. я=1, К.р).

Существующие информационные зависисмости между множеством ФЗ и файлов описываются отдельно для процедур использования и обновления данных соответственно матрицами 1=1, Кт, я=1,Кр) и Ы=(н^| 1=1, К.т, я=1. , а также матрицей взаимозависисмостей файлов Н=(ЬЧХ| я,х=1, к , я*х) на уровне логических структур (при наличии общих данных).

Для определения информационных потоков со стороны каждого АРМ-а ЛВС среди прочих характеристик системы в рассмотрении участвуют такие показатели файлов и ФЗ как: размер файла (V4), зависящий от длины (Ьч) и максимально возможного количесвта записей файла (Б4); частота решения ФЗ Также используются показатели, определяющие степень участия конкретного файла при обслуживании его ФЗ, к которым относятся: частота использования /обновления/ файла ФЗ (а ); доля файла, используемого /обновляемого/ ФЗ коэффициент "активности" использования /обновления/ файла при решении ФЗ (у ); коэффициент доступа к записям

иЯ

файла ^ ).

Для расчета величины суммарного информационного трафика ЛВС ПЭВМ предлагается использовать следующую формулу:

Ф = к- У Р1 (1)

1 = 1

где К5 - количество всех станций ЛВС;

Р1- информационный объем сообщений, возникающий при передаче файлов, участвующих при решении всех ФЗ на 1-ой рабочей станции;

к - коэффициент относительного увеличения сетевого трафика за счет служебной информации в пакетах передачи, повторных передач, использования программных средств пользователей и развития состава ФЗ АСУП.

При анализе информационных потоков их следует рассматривать

-lino отношение к процедурам использования и обновления:

Р1 = Р| + P¿ (2)

где pj - информационный объем сообщений, возникающий при передаче входных файлов, отсутствующих на i-ой сетевой рабочей станции и используемых для решения ее ФЗ;

P¿ - информационный объем сообщений, возникающий при обновлении выходных файлов, размещенных на других станциях сети, в результате решения всех ФЗ на i-ой рабочей станции ЛВС.

В частном случае, для ЛВС ПЭВМ с центральзованной структурой хранения файлов общего пользования на одном выделенном файлсерве-ре (на отдельной ПЭВМ), величина Pj будет принимать максимальное значение, а величина P¿ - минимальное значение. Однако, необязательно сумма этих величин будет иметь минимальное значение.

Все файлы сети разделим на два типа - локальные и удаленные, тип которых устанавливается по отношению к рабочей станции решения ФЗ. Наличие локальных копий файлов на сетевой рабочей станции, с одной стороны, сп обствует снижению суммарного трафика ЛВС при операциях чтения ,нных из файлов, а с другой стороны, ведет к его увеличению при обновлении локальных копий файлов со стороны ФЗ других сетевых станций.

Величина Pj определяется количеством ФЗ, размещенных на i-ой рабочей сетевой станции и характеристиками файлов, чьи копии используются при решении ФЗ данной станции, но отсутствуют на ее

жестком диске. Эта величина рассчитывается по формуле:

Кр кт

PÍ = Y Г [г, 'Z, ,-Plj4(l-x, )1 (3)

1 q=l J=1L J4 iJ iq J

где p1Jq - информационный объем сообщений, вызываемый при использовании q-ro файла j-ой ФЗ на i-ой рабочей станции ЛВС.

Величина Р1-'4 расчитывается по следующей формуле:

Рич=уч.р (а у А ) (4)

^ич ич ^ч Jч

где 0 - коэффициент использования /обновления/ я~го файла при решении ,]-ой ФЗ на 1-ой рабочей станции ЛВС.

Величина Р^ складывается из: информационных объемов сообщений, возникающих при обновлении оригинальных файлов на файлсерве-рах; информационных объемов сообщений, возникающих при обновлении копий оригинальных файлов на рабочих станциях; информационных объемов сообщений, возникающих при обновлении взаимозависимых

оригинальных файлов и их копий в ЛВС и расчитывается по формуле: к, к,. кг

0 .¿Л Л а|Д "Ч

т

К_ К

+

У

где р1-14- информационный объем сообщений, вызываемый обновлением Я~го файла в результате решения ,)-ой ФЗ на 1-ой рабочей станции.

Таким образом формула расчета суммарного информационного объема сообщений, возникающего при решении всего множества ФЗ ЛВС выглядит следующим образом:

Кд Кр К^

Рг= Т Т У и, .Гг. -р1 ,,ч(1-х1 ) + с 1 ■ 1 ч4п .¿Д 14

Кд Кр Кд

к, -р1-»4 У Гх + у (ь -р^а-ы. ) Ух (6)

^ аЬ I "Ч I ЧУ ЛУ ез1

8|5Е?

В полученной формуле определены или могут быть расчитаны все величины за исключением х - элементов матрицы размещения ориги-

8 Ч

нальных файлов общего пользования и их копий (X) в ЛВС. Именно эти величины и являются искомыми.

Для решения задачи размещения информационных ресурсов ЛВС ПЭВМ предлагается использовать поэтапный подход.

На первом этапе решается задача определения состава ориги-

нальных файлов, имеющих копии и места их размещения в реально действующих (задача Nia) или проектируемых (задача N16) ЛВС ПЭВМ.

Отличительной особенностью этих задач являются ограничения на дисковую память сетевых станций. В первом случае они задаются явно для каждой станции, а во втором определяются в результате решения задачи с учетом ограничения стоимости на хранение информации. Важным следствием второй задачи является определение состава дешевых бездисковых сетевых рабочих станций.

На втором этапе решается задача (N2) определения минимально-необходимого состава файлсерверов ЛВС ПЭВМ на базе полученной схемы размещения файлов и их копий в сети, описанной матрицей X.

В результате решения всей задачи на двух этапах определяется состав оригинальных файлов, для которых эффективно иметь копии в ЛВС; станции размещения оригинальных файлов и их копий; состав станций, выполняющих функции файлсерверов ЛВС; состав бездисковых рабочих станций.

Таким образом задача размещения ИР в ЛВС ПЭВМ формулируется следующим образом:

Требуется определить такую схему размещения файлов и их копий в ЛВС ПЭВМ, при которой Ф —» min и выполняются следующие

ограничения: >

1. j>lq* 1. q=mç (7)

где Vj - максимальный размер памяти жесткого диска на i-ой станции ЛВС.

Тк

3. р* = -Р— i Рк (9)

ГЪ уК

FS

где PpS~ коэффициент информационной нагрузки на k-ый файлсервер;

Тр - сетевой трафик, проходящий через к-ый файлсервер ЛВС;

Ур - эффективная скорость обработки данных центральным про-

ГБ {к ГБ

цессором к-го файлсервера.

В общем случае величина Рк находится в интервале от О до 1, но, желательно, во избежании образования больших очередей информационных запросов на обслуживание файлсервером, чтобы она не превышала 0. 7.

4. С- V V, ^ С, (10)

1 и

где С^ - максимально допустимая стоимость хранения информации на всех станций ЛВС;

С - средняя стоимость хранения информации на сетевой станции. Она вычисляется исходя из стоимости и объема внешних дисков ПЭВМ.

Поставленная задача относится к задачам линейного целочисленного программирования с булевыми переменными и решается стандартными методами.

Основным объектом исследования задачи определения минимально-необходимого количества файлсерверов ЛВС является матрица размещения оригинальных файлов и их копий (X), элементами которой являются 0 и 1, всилу чего она относится к классу (0,1)-матриц и сводится к задаче нахождения минимальной "ширины" (0,1(-матрицы. Для ее решения предлагается использовать пошаговый алгоритм целенаправленного перебора. При этом любое решение достигается за п шагов, где п - количество сетевых станций (КБ>.

ВЫБОР СХЕМЫ РАЗМЕЩЕНИЯ ИНФОРМАЦИОННЫХ РЕСУРСОВ ДЛЯ РАЗНЫХ КОНФИГУРАЦИИ ЛВС ПЭВМ

Наряду с описанными выше постановками задачи размещения ИР в ЛВС ПЭВМ большой интерес представляют две ее модификации: задача

(N3) размещения информационного ресурса в ЛВС ПЭВМ с одним выделенным файлсервером и задача (N4) размещения ИР в ЛВС ПЭВМ с неоднородным по количесту и типу составом файлсерверов.

В предлагаемой постановке задачи N3 для обеспечения полноты обслуживания всех ФЗ ЛВС считается, что все оригинальные файлы общего пользования размещаются на выделенном файлсервере и для них выполняется условие:

хЬч - 1 . (11)

где Ь - идентификатор выделенного файлсервера ЛВС.

Для выделенного файлсервера величины Р^ и Р^ равны нулю, однако возникает дополнительная информационная нагрузка на сеть (ДРС) из-за принудительного обновления оригинальных файлов на дисковом пространстве выделеннного файлсервера, которая расчитывается по формуле:

к5 -

ДРС = Г5* У"Т[г. , Пи, .Р1-»",] (12)

Л -I

В данной задаче размер матрицы X увеличивается на одну строку, соответствующую выделенному файлсерверу, состоящую из единиц.

Таким образом, с учетом новых условий получена новая формула расчета суммарного информационного объема сообщений, имеющая линейную зависимость относительно неизвествных паременных (X), в силу чего новая постановка относится к тому же классу задач, что и предыдущая и для ее решения подходят аналогичные методы и алгоритмы.

Задача размещения ИР в ЛВС с неоднородным по количеству и типу составом файлсерверов отличается от предыдущей постановки тем, что в начальный момент не известно количество выделенных файлсерверов, участвующих в размещении и обслуживании ИР. Основными причинами, приводящими к использованию нескольких файлсерве-

ров в ЛВС, по сравнению с одним, при решении ФЗ АСУП являются:

- жесткое ограничение на сетевую внешнюю дисковую память одного файлсервера;

- большая информационная загрузка файлсервера (коэффициент загрузки > 70'/.), при которой эффективность работы всей сети резко снижается;

- повышение надежности и устойчивости ЛВС.

Сложность задачи N4 заключается в том, что выделенный и невыделенный файлсерверы обладают разными характеристиками (преимуществами) и требованиями к их аппаратно-программному обеспечению.

Задачу проектирования ЛВС ПЭВМ с несколькими файлсерверами можно рассматривать как развитие задачи с одним файлсервером, когда хотя бы один из перечисленных выше факторов (причин) выходит за допустимые рамки ограничений. По отношению к выбранному нами критерию несколько выделенных файлсерверов можно рассматривать как один (гипотетически огромный) файлсервер ЛВС.

Это предположение справедливо ввиду того, что снижение суммарного сетевого информационного трафика можно добиться только перераспределением отдельных файлов с файлсервера (файлсерверов) на рабочие станции решения ФЗ АСУП.

Дублирование или перераспределение файлов по нескольким файлсерверам ЛВС ПЭВМ не приводит к снижению суммарного информационного трафика.

Поэтому полученное решение можно улучшить используя другой показатель, например, стоимость.

Для этого в рассмотрение вводятся новые дополнительные условия на стоимостные затраты:

Св - средняя стоимость ПЭВМ (сетевой станции) под выделенный файлсервер без учета стоимости дисковой памяти;

С - средняя стоимость дисковой памяти; Сод - средняя стоимость одной (уникальной) версии СОС; См - средняя стоимость затрат на подключение ПЭВМ к ЛВС и ее эксплуатацию.

В новой постановке на основе полученной на предыдущих этапах решения задачи схемы размещения файлов, в виде матрицы X, определяется множество невыделенных и ={э? | 1=1,К ) и выделенных

п 1 ' п

э^ | 1^} файлсерверов ЛВС, максимальное количество последних расчитывается по формуле:

К -С -С -V,,

V л- ПОЗПаг цо|

~ -С +С +СИ

з оз N

где Ур - общий объем файлов общего пользования ЛВС.

В качестве нового критерия в данной постановке используется минимум дополнительных стоимостных затрат на установку и эксплу-

атацию файлсерверов, расчитываемых по формуле:

к Kd

Ст = С -yns" +y[s'J(C +с -V) ] (14)

г. osi = i jfri J

где

С = С + С + С„ (15)

d s 03 N

К

если 1-ый невыделенный сервер

будет выпонять свои функции , 1=1, К (16)

в противном случае п

где К - количество невыделенных файлсерверов в ЛВС. Оно является

результатом решения задачи N2.

Q, если в сеть вводится

j-ый выделенный сервер , j=l,К (17)

.0, в противном случае

где - количество выделенных файлсерверов в ЛВС.

Таким образом математическая постановка задачи N4 формулируется следующим образом:

Требуется найти такое рациональное сочетание невыделенных и выделенных файлсерверов ЛВС ПЭВМ, при котором Cj. —> min и выпол-

няются следующие ограничения:

<1« 1 П«1 1 '

2. V,, 5 Г , аеи, (19) к

3" 1 ' ЧеГь (20)

где К = К + К, (21)

п а

В результате решения задачи N4 определяется оптимальный состав невыделенных (и ) и выделенных (и<1) файлсерверов ЛВС ПЭВМ, который обеспечивает минимальные стоимостные затраты на хранеш.с и обслуживание ИР общего пользования. Задача решается методами аналогичными для предыдущей задачи.

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ И ПРОГРАММНАЯ РЕАЛИЗАЦИЯ

Для проведения экспериментов была разботана методика их проведении. а также составлена программа на языке манипулирования данны! (ЯМД) СУБД FOXBASE.

В проводимых экспериментах изучалось поведение размеров сетевого трафика рабочих станций и суммарного информационного трафика ЛВС ПЭВМ в различных условиях.

При обработке результатов экспериментов определялись следующие основные показатели функционирования ЛВС ПЭВМ:

- средняя величина информационного сетевого трафика, приходящаяся на одну рабочую станцию ЛВС ПЭВМ и характер ее поведения при увеличении количества станций сети;

- средняя величина суммарного информационного сетевого трафика ЛВС ПЭВМ и тенденции ее роста, в зависимости от количества одновременно решаемых ФЗ.

Основными выводами экспериментальных исследований являются:

- изменение размера суммарного сетевого информационного трафика проходило по линейному закону от значений сетевого трафика одновременно работающий рабочих станций ЛВС и поддается апрокси-мации с большой мерой достоверности;

- перемещение индексного файла с файлсервера ЛВС на рабочую станцию позволяет достичь значительной эффективности в снижении сетевого трафика как по отношению к одной рабочей станции так и сети в целом (от 8 до 10 раз);

- после перемещения индексного файла на рабочую станцию характер линейной зависимости суммарного сетевого трафика от сетевых трафиков рабочих станций не изменился;

- экспериментально подтверждена эффективность копирования файлов (при обязательном анализе их характеристик) на рабочие станции ЛВС ПЭВМ для обеспечения снижения размера сетевого трафика, по отношению к одной станции, и суммарному сетевому трафику.

Полученные результаты является ярким свидетельством поиска эффективны]: путей снижения сетевого трафика за счет рационального перемещения файлов по узлам ЛВС ПЭВМ (рис. 1).

Кроме того, были получены дополнительные экспериментальные результаты, представляющие практический интерес:

- размер среднего сетевого трафика для СУБД F0XBASE+ и FOXPRO/LAN, приходящегося на одну рабочую станцию практически не изменялся с увеличением количества одновременно работающих станций;

- СУБД FOXPRO/LAN превосходит СУБД F0XBASE+ по эффективности передачи информации в ЛВС ПЭВМ при работе в одинаковых условиях в 5. 5 раза;

- размер сетевого трафика при процедуре корректировки файла

Т.

(пакеты, тыс. шт. )

120 -110 • 100 90 80 • 70 • 60 50 ■ 40 ■ 30 20 10

0

Рис. 1.

Кол-во станций

Влияние места размещения индексного файла на величину суммарного информационного трафика ЛВС ПЭВМ при чтении БД размером 100б записей (длиной и в СУБД ГОХРИОМАИ а. б - Ь=1024 байта; в, г - Ь=512 байт;

а, в - индексный Файл на файлсервере;

б, г - индексный файл на рабочей станции.

вырос по отношение к процедуре чтения по клочу пропорциональн количеству одновременно участвующих рабочих станций в среднем 2.5-2.7 раза. Этот результат показывает, что процедура корректи роваки данных одна из самых информационно емких операций и Э1 обстоятельство необходимо учитывать при решении вопроса синхрон» зации информации при проектировании распределенных БД;

- чтение реляционно связанных БД увеличивает размер сетевого трафика в среднем в 1.7 раза по сравнению с доступом к БД с длиной записи вдвое большей.

Практическая ценность проведенных экспериментальных исследований состоит в том, что они позволили выявить тенденции изменения суммарного сетевого трафика ЛВС ПЭВМ в условиях действия различных факторов. Полученные результаты дают возможность построения предиктора (прогноза) поведения информационных нагрузок для различных конфигураций ЛВС ПЭВМ, что позволит точнее подойти к вопросу выборы сетевых технических средств.

Согласно сформулированным постановкам и алгоритмам решения задачи размещения ИР в ЛВС ПЭВМ был разработан программный комплекс, технологическая схема которого представлена на рис. 2.

Рис. 2. Схема программной реализации задачи размещения информационного ресурса в ЛВС ПЭВМ

В программный комплекс вошли как стандартные программы (Math for Windows и Lindo), так и разработки автора, обеспечивающие интерфейсные функции между разными программными средами, определение минимально-необходимого количества файлсерверов ЛВС и формирование результатов решения.

Методика, алгоритмы и программное обеспечение использовались при проектировании информационного обеспечения ЛВС ПЭВМ Узбекского металлургического завода. Доля в общем экономическом эффекте от внедрения ЛВС на заводе, полученныя за счет использования программного комплекса, подтверждена соответствующим актом и составляет 140000 рублей в год в ценах 1991 года.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

1. Проведен анализ использования структур хранения и обработки ИР в АСУ металлургическими предприятиями и предложена методика проектирования информационного обеспечения АСУП на базе ЛВС ПЭВМ в части распределения сетевых ИР.

2. Дана общая постановка задачи размещения ИР в ЛВС ПЭВМ на основе критерия минимизации размера суммарного сетевого информационного трафика при условии ограничений на стоимость хранения информации.

3. Разработаны методы решения задачи рационального размещения оригинальных файлов общего пользования и их копий по станциям сети, задачи определения минимально необходимого количества файл-серверов ЛВС ПЭВМ, задачи определения рационального сочетания файлсерверов разного типа.

4. Разработаны постановка и алгоритм решения задачи размеще-

ния ИР, в результате которого определяется размещение оригинальных файлов общего пользования и их копий на множестве сетевых станций.

5. Разработаны постановка и алгоритм минимально- необходимого количества файлсерверов ЛВС ПЭВМ для размещения и обслуживания файлов общего пользования.

6. Разработаны постановка и алгоритм решения задачи размещения файлов общего пользования для ЛВС ПЭВМ с одним выделенным файлсервером.

7. Разработаны постановка и алгоритмрешения задачи размещения ИР для ЛВС ПЭВМ с различным сочетанием типов и количества файлсерверов.

Основные результаты диссертационной работы опубликованы в следующих работах:

1. Шаталов B.C. Анализ использования различных типов серверов в локальных вычислительных сетях при решении задач АСУП // Принципы проектирования систем управления промышленными предприятиями. Сб. научн. тр. / Под ред. А. Г. Дьячко. - Москва, 1992. -С. 116-123.

2. Гладков А.И., Мельник Л.Н., Шаталов В. С. Размещение информационного ресурса в локальных вычислительных сетях с одним выделенным файлсервером // Принципы проектирования систем управления промышленными предприятиями. Сб. научн. тр. / Под ред. А. Г. Дьячко - Москва, 1992. -С. 88-97.

3. Гладков А. И. , Лаптев Н. И. , Мельник Л. Н. , Шаталов В. С. Использование локальных вычислительных сетей в АСУ металлургическими предприятиями. // Принципы проектирования систем управления промышленными предприятиями. Сб. научи. тр. / Под ред.

А. Г. Дьячко. - Москва, 1992. - С. 59-66.

4. Разработка алгоритмического и программного обеспечения построения инфологической модели как базы проектирования АСУ. Арлазаров Е. В., Карманов И. 0., Шаталов В. С. и др. //Тр. ин-та/МИСиС. Вопросы прикладного системного анализа в металлургии. -М. : Металлургия, 1991. - С. 95-101.

5. Методология программирования функциональных задач АСУ. Арлазаров Е. В., Карманов И. 0., Шаталов В. С. и др. //Тр. ин-та/МИСиС. Вопросы прикладного системного анализа в металлургии. -М. : Металлургия, 1991. С. 110-118.

6. Арлазаров Е. В.. Карманов И. 0., Лаптев Н. И., Шаталов В. С. Методология программирования функциональных подсистем АСУП (на примере подсистемы АСУ МИСиС "СЕССИЯ")//Тр. ин-та/МИСиС. Математическое моделирование. - М.: Металлургия, 1990. - С. 106-112.

7. Один из путей проектирования АСУП с использованием СУБД ИНЕС. Демьяновский А. П., Арлазаров Е. В., Шаталов В. С. и др. //Тр. ин-та/МИСиС. Математическое моделирование. - М.: Металлургия, 1990. - С. 106-112.

8. Гладков А. И., Алексеев А. А., Лаптев Н. И., Шаталов В. С. Сетевые технические средства NetWare 286 // Метод, разработка. -М. : ЦИПКмет, 1990. - 211 с.

9. Алексеев А. А., Лаптев Н. И., Шаталов В. С. Технические средства локальных вычислительных сетей NetWare 286 / Под ред. А. И. Гладкова. - М.: МПКЦ "Конус". 1991. - 216 с.

10. Алексеев А. А., Лаптев Н.И., Шаталов В. С. Работа в сети NetWare 286 /Под ред. А.И. Гладкова. - М. : МПКЦ "Конус", 1991. -190 с.

11. Арлазаров Е. В., Балясов В.А., Карманов И.О., Лаптев Н. И., Шаталов В.С. Математическое обеспечение для проектирования

диалоговых систем АСУ// III Всесоюзная конференция "Автоматизация производства систем программирования": Тез. докл. - -Таллинн, 1986. - С. 18-20.

12. Лаптев Н.И., Шаталов B.C. Принципы построения нерегла-ментированного запроса к данным в АСУ// 44-я Научная конференция студентов и молодых ученых Московского института стали и сплавов: Тез. докл. - М., 1990. - С. 24-25.

13. Лаптев Н. И., Шаталов B.C. Концепция разработки автоматизированных средств формирования технического задания на функциональные системы АСУ с использованием инфологической модели// 44-я Научная конференция студентов и молодых ученых Московского института стали исплавов: Тез. докл. - М., 1990. - С. 22-23.