автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.16, диссертация на тему:Разработка методов проектирования гетерогенных распределенных информационных систем регионального научного центра

ВВЕДЕНИЕ.

1. ЗАДАЧИ И МЕТОДЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ РАСПРЕДЕЛЕННЫХ ИНФОРМАЦИОННЫХ СИСТЕМ.

1.1 Общая характеристика РИС РНЦ и исследуемой проблемы.

1.2. Задачи и методы проектирования распределенных информационных систем.;.

1.2.1. Постановка задачи проектирования.

1.2.2. Задачи проектирования сети ЭВМ (транспортной подсистемы). 21 1.2.3 Задачи проектирования подсистемы представления и обработки.

1.3. Подходы и методы формального описания распределенных информационных систем.

1.3.1. Методы формального описания общей структуры РИС.

1.3.1.1. Представление РИС в виде многомерного комплекса структур.

1.3.1.2. Стратифицированная модель РИС.

1.3.1.3. Фреймовое представление архитектуры РИС.

1.3.1.4. Концептуальное моделирование предметной области.

1.3.2. Модели структурных компонентов РИС.

1.3.2.1. Модели функционально-алгоритмической структуры.

1.3.2.2. Модели топологической структуры РИС.

1.4 Выводы

2. КОНЦЕПТУАЛЬНАЯ МОДЕЛЬ ПРЕДМЕТНОЙ ОБЛАСТИ И МОДЕЛИ

СТРУКТУР РИС.

2.1 Характеристика проблематики.

2.2 Концептуальная модель предметной области.

2.2.1 Схема модели.

2.2.2 Модель атрибутов.

2.2.3 Отношения объектов модели.

2.2.4 Система целей информационной системы.

2.3 Модель РИС как исполняющей системы.

2.3.1 Модель функциональной структуры РИС.

2.3.1.1. Декомпозиция объекта "РИС".

2.3.1.2. Отношения и атрибуты объектов.

2.3.2. Модель топологической структуры.

2.3.3. Соответствия на множествах объектов функциональной и топологической структур.

2.3.4. Дополнительные атрибуты и отношения.

2.4. Выводы.

3. МЕТОДИКА ПРОЕКТИРОВАНИЯ РИС.

3.1 Задача проектирования архитектуры гетерогенной РИС.

3.1.1 Формирование множества необходимых типов сервисов.

3.1.2 Задача поиска оптимального варианта реализации.

3.1.3 Критерии выбора варианта реализации.

3.1.3.1 Стоимость варианта.

3.1.3.2 Показатель надежности системы.

3.1.3.3 Коэффициент функциональности.

3.1.3.4 Межсетевой трафик в каналах передачи данных.

3.1.4 Алгоритмы решения задач выбора оптимального варианта.

3.1.4.1. Общая схема решения.

3.1.4.2. Правило построения дерева вариантов.

3.1.4.3. Задача минимизации стоимости.

3.1.4.4. Задача максимизации надежности.

3.1.4.5. Задача максимизации функциональности.

3.2 Проектирование функциональной и топологической структур РИС.

3.3. Выводы.

4. ПРАКТИЧЕСКАЯ РЕАЛИЗАЦИЯ РЕЗУЛЬТАТОВ РАБОТЫ.

4.1. Программная система поддержки проектирования гетерогенных РИС.

4.1.1. Структура системы.

4.1.2. Инструментальные средства и принципы разработки системы.

4.1.3. Описание интерфейса и принципов работы с программной системой.

4.2. Распределенная информационная система Кольского научного центра.

4.2.1. Предыстория развития информационной системы КНЦ.

4.2.2. Задача проектирования РИС КНЦ.

4.2.2.1. Исходные данные.

4.2.2.2. Результаты проектирования.

4.2.3. Подключение РИС КНЦ к Internet.

4.3. Выводы.-.

Актуальность проблемы.

В работе рассматриваются задачи проектирования распределенных информационных систем регионального научного центра (РИС РНЦ). Необходимость повышения эффективности научных исследований путем их всесторонней информационной поддержки является причиной широкого распространения систем подобного класса.

РИС РНЦ характеризуются следующими структурными свойствами. Системы строятся на базе информационно-вычислительных сетей ЭВМ. Базовыми компонентами их топологической структуры являются локальные вычислительные сети (ЛВС) и отдельные компьютеры, при этом по степени их территориальной рассредоточенности РИС РНЦ может быть отнесена к классу систем масштаба предприятия. Функциональная структура системы образуется современными стандартными программно-аппаратными средствами построения сетей ЭВМ. Одним из ключевых структурных свойств РИС РНЦ является их архитектурная неоднородность, являющаяся следствием неоднородности и изменчивости во времени целей, выставляемых перед системой. Последнее характерно для рассматриваемой предметной области (научные исследования), где цели и задачи исследований, направленных на получение нового научного результата, повторяются редко. Кроме того, архитектурная неоднородность также возникает при развитии существующих РИС и при интеграции отдельных информационных систем, базирующихся на различных сетевых архитектурах.

Структурная сложность РИС РНЦ, их высокая, относительно ЛВС, территориальная рассредоточенность и архитектурная неоднородность существенно ограничивают возможности применения при их создании, модернизации и развитии инженерного подхода, когда используется одна сетевая архитектура, а построение РИС производится в соответствии с готовыми технологическими спецификациями. Возникающие при построении и развитии гетерогенных распределенных информационных систем задачи интеграции неоднородных архитектурных компонентов требуют использования соответствующих моделей и методов проектирования, позволяющих создавать системы, удовлетворяющие заданным требованиям к их функциональным, эксплуатационным, и другим характеристикам.

В соответствии с общей технологией системного проектирования, процесс проектирования РИС разделяется на три основных этапа:

1) формулирование целей системы и постановка задач проектирования;

2) разработка архитектуры системы;

3) программно-аппаратная реализация архитектурных компонент.

Методы решения задач первого этапа основываются на некотором формальном описании предметной области, в результате которого с помощью единой спецификационной конструкции, служащей интерфейсным блоком, формулируются задачи для следующего этапа проектирования. Обзор существующих методов проектирования РИС показал, что 'используемые в них модели предметной области и спецификационные конструкции формулируются в терминах обработки информации. При этом имеется достаточно жесткая привязка результатов моделирования к характеру целей и задач. Принимая во внимание особенности данной предметной области (научные исследования), рассмотренные ранее, можно заключить, что является актуальной задача разработки способа формализованного представления знаний о целях, объектах и структуре информационного обеспечения, устойчивого, в определенном смысле, к вариативности целей и задач, выставляемых перед системой.

Методы реализации дальнейших этапов проектирования должны опираться на некоторую модель архитектуры проектируемой системы. При этом используемая модель определяет формальные постановки и методы решения отдельных задач проектирования, вычислительные модели параметров системы. Существующие методы проектирования распределенных информационных систем опираются на модели архитектур РИС, где центральное место занимают хост-ЭВМ, а основным распределяемым ресурсом полагаются их вычислительные мощности. С другой стороны, современные информационные системы и, в частности, РИС РНЦ имеют архитектуру, основанную на ЛВС с установленными в них информационными серверами. В качестве разделяемых ресурсов при этом выступают различные сервисы, представляющие информацию в разнообразных форматах и режимах.

Таким образом, также являются актуальными задачи разработки формальных моделей структур РИС, учитывающих их современные архитектурные особенности, методов определения параметров проектирования РИС, формальной постановки и разработки алгоритмов решения частных оптимизационных задач проектирования.

Целью. диссертационной работы является разработка моделей и методов

• ✓ проектирования гетерогенных РИС регионального научного центра.

Основные задачи решаемые в работе.

1) Формализация представления знаний о целях, объектах и структуре информационного обеспечения научно-организационной деятельности.

2) Разработка формальных моделей структур РИС.

3) Разработка вычислительных моделей параметров проектирования РИС.

4) Формальная постановка и разработка алгоритмов решения частных оптимизационных задач проектирования.

Используемые методы.

Для решения поставленных в работе задач используются методы системного анализа, элементы теории множеств, теории графов, теории надежности систем, математического программирования.

Научная новизна.

В работе решены следующие важные научно-технические задачи:

1) На основе известных методов концептуального моделирования предметной области разработан способ формализованного представления знаний об объектах, структуре и целенаправленности информационных процессов научно-организационной деятельности, обеспечивающий в условиях нестационарности выставляемых • перед системой целей формальную постановку задач проектирования архитектуры РИС, удовлетворяющей заданным требованиям.

2) Разработаны модели функциональной и топологической структур РИС, отражающие состав современных архитектур информационно-вычислительных сетей ЭВМ. Структура функциональной модели соответствует наиболее распространенной в настоящее время схеме информационного взаимодействия "клиент-сервер", что позволяет применять ее в качестве модели синтеза РИС, базирующихся на типовых (стандартных) программно-аппаратных средствах.

3) Разработаны вычислительные модели параметров проектирования РИС. К последним относятся стоимость установки и сопровождения, надежность, функциональные возможности, величины межсетевых потоков данных. Модели позволяют определять значения параметров с точностью, достаточной для решения задачи выбора субоптимального варианта реализации системы, удовлетворяющего заданным критериям.

4) На основе разработанных моделей предложены формальные постановки оптимизационных задач проектирования архитектур гетерогенных РИС. Разработаны основанные на методе ветвей и границ алгоритмы их решения, определяющие правила построения дерева вариантов и отсечения неперспективных ветвей.

5) Разработанные модели и методы в целом образуют методику проектирования гетерогенных распределенных информационных систем регионального научного центра, охватывающую ранние, наименее изученные с точки зрения формализации и алгоритмизации этапы проектирования.

На защиту выносятся следующие результаты.

1) Модели функциональной и топологической структур РИС, отражающие особенности их современных архитектур.

2) Методы определения параметров проектирования, применимые для решения практических задач выбора варианта реализации системы.

3) Формальные постановки и алгоритмы решения частных оптимизационных задач проектирования.

4) Методика проектирования РИС, позволяющая решать задачу построения архитектур гетерогенных распределенных информационных систем, удовлетворяющих заданным критериям.

Практическая значимость.

Основу работы составляют результаты исследований, проводимых по планам научно-исследовательских работ Института информатики и математического моделирования технологических процессов Кольского научного центра РАН в период с 1994 по 1998 г. "Структурно-алгоритмическая организация и прораммноаппаратные средства региональных информационных систем", "Проблемно ориентированные региональные информационные системы (Севера России)". На основе полученных результатов разработана структура и реализованы программно-технические элементы распределенной информационной системы КНЦ РАН с подключением к глобальной сети Internet.

Реализация и внедрение результатов.

Основные теоретические положения и практические результаты работы были использованы при выполнении работ по проектированию и реализации распределенной информационной системы КНЦ РАН, в плановых НИР лаборатории региональных информационных систем ИИММ КНЦ РАН, работах в рамках Федеральной целевой программы "Интеграция" (per. №83, направление 2.1).

Апробация работы.

Основные положения и некоторые результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на Международной конференции "International Conference on Informatics and Control" (С-Петербург, 1997г.), Международной научно-технической конференции "Актуальные проблемы анализа и обеспечения надежности и качества приборов, устройств и систем" (Пенза, 1998), Международной конференции "On Advanced Technology in Environmental and Natural Resources" (Рованиемй, Финляндия, 1998), региональной конференции "Информационные технологии в региональном развитии" (Апатиты, 1999).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 11 работ.

Структура и объем диссертации.

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы (65 наименований), имеет общий объем 110 машинописных страниц, содержит 20 рисунков и 4 таблицы.

4.3. Выводы

1) Система поддержки проектирования гетерогенных РИС 'CADIS' позволяет частично автоматизировать процесс построения субоптимальных неоднородных архитектур распределенных информационных систем путем автоматической генерации и расчета параметров вариантов реализации. Система представляет результаты расчета в удобном для пользователя виде, что облегчает окончательный выбор варианта реализации гетерогенной РИС.

2) Распределенная информационная, система КНЦ является характерным примером РИС с неоднородной архитектурой. Использование разработанных методов позволило проводить выбор субоптимальных архитектурных решений при ее построении и на отдельных этапах развития.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Совокупность разработанных моделей и методов в целом образуют методику проектирования РИС РНЦ, охватывающую ранние, слабо формализованные этапы. В отличие от существующих, данная методика ориентирована на построение РИС, удовлетворяющих современным архитектурным требованиям и включает в себя следующие особенности:

1) Метод реализации начальных этапов проектирования, ориентированный на предметные области с неоднородными, меняющимися во времени целями и задачами.

2) Модели топологической и функциональной структур РИС, отражающие особенности их современных архитектур, формальное описание варианта реализации системы и основанные на них вычислительные модели параметров проектирования.

3) Формальные постановки и алгоритмы решения частных оптимизационных задач проектирования.

В работе полученьг следующие результаты:

1) Разработана концептуальная модель системы информационного обеспечения научно-организационной деятельности, сформулированная в терминах предоставления и потребления ресурсов, что позволяет получать на ее основе формальные постановки задач проектирования архитектуры гетерогенной РИС, базирующейся на современных программно-аппаратных средствах построения информационно-вычислительных сетей.

2) Разработаны модели функциональной и топодогической структур РИС как системы исполнительных средств. Модели отражают структурные особенности современных распределенных информационных систем и могут быть использованы в качестве моделей синтеза архитектур гетерогенных РИС.

3) Разработаны вычислительные модели параметров проектирования РИС, необходимых для решения задач выбора субоптимального варианта реализации системы при принятых допущениях. Модели позволяют определять значения параметров с точностью, достаточной для решения задачи выбора предпочтительной альтернативы.

4) Сформулированы основные частные оптимизационные задачи проектирования. Предложены методы и разработаны итерационные алгоритмы их решения, приводящие к результату за конечное число шагов.

5) На основе разработанных моделей и методов создана инструментальная программная система поддержки проектирования гетерогенных РИС, автоматизирующая процесс построения субоптимальных неоднородных архитектур распределенных информационных систем путем автоматической генерации и анализа вариантов реализации системы.

1. Алавидзе М.В., Бакурадзе Д.В., Заболотский В.П., Сугак В.П. Система показателей, критериев качества и эффективности функционирования вычислительных сетей// В сб. Вопросы прикладной информатики. - СПб., 1993 С. 28-37.

2. Артамонов Г.Т., Тюрин В.Д. Топология сетей ЭВМ и.многопроцессорных систем. M.: Радио и связь, 1991. - 248 е.: ил:

3. Архитектура, протоколы и тестирование открытых информационных сетей. Толковый словарь/ В.Ф. Баумгарт, СЛ. Волкова, A.B. Гнедовский и др.; Под ред. Э.АЛкубайтиса. М.: Финансы и статистика, 1989. - 192 с.

4. Балыбердин В.А. Оценка и оптимизация характеристик систем обработки данных. -М.: Радио и связь, 1987. -176 е.: ил.

5. Бесслер Р., Дойч А. Проектирование сетей связи: Справочник: Пер. с нем. -M.: Радио и связь, 1988. 272 е.: ил.

6. Бородин Ю.С. и др. Паскаль для персональных компьютеров: Справ. Пособие. Мн.: Выш. шк., 1991. - 365 е.: ил.

7. Бояринов А.И., Кафаров В.В. Методы оптимизации в химической технологии. -М.: Химия, 1975. 576 с.

8. Бржезовский A.B., Жаков В.И., Путилов В.А., Фильчаков В.В. Синтез моделей вычислительного эксперимента. Спб.: Наука, 1992. - 231 с.

9. Вейцман К. Распределенные системы мини- и микро- ЭВМ. М.: Финансы и статистика, 1983. - 382 с.

10. Горохов A.B. Разработка интеллектуальной системы интерактивного синтеза методик физико-химического анализа: Дисс. на соиск. уч. ст. к.т.н. -Апатиты, 1995. С. 52-56.

11. Турин H.H. Проблемы создания и развития операционной обстановки вычислительной системы коллективного пользования.// Использование технических и программных средств для создания неоднородных вычислительных сетей. М.: НИИСЭИАУ, 1985. - С. 15 -30.

12. Джеффри Д. Шенк Технология клиент-сервер и ее приложения: Пер. с англ. М.: Лори, 1995.

13. Дубов Ю.А., Травкин С.И., Якимец В.Н. Многокрйтериальные модели формирования и выбора вариантов систем. -М.: Наука, 1986. 296 с.

14. Жожикашвили В.А., Вишневский В.М. Сети массового обслуживания. Теория и применение к сетям ЭВМ. М.: Радио и связь, 1988. -192с.: ил.

15. Игнатьев М.Б., Путилов В.А., Смольков Г.Я. Модели и системы управления комплексными исследованиями. М.: Наука, 1986. - С.231.

16. Каган Б.М. Электронные вычислительные машины и системы. М.: Энергоатомиздат, 1991. - 592 е.: ил.

17. Казанский Д.Л. Формализованное представление работы предприятия// Сети и системы связи, №3,1998. С. 52.

18. Калашников В.В. и др. Нить Ариадны в лабиринте моделирования. М.: Наука, 1993.

19. Клейнрок Л. Коммуникационные сети (стохастические потоки и задержки сообщений): Пер. с англ. М.: Наука, 1970, - 256 с.

20. Коршунов Ю.М. Математические основы кибернетики. М.: Энергия, 1972.-376 е., ил.

21. Котомин А.Б., Путилов В.А. Проблемы развития информационной инфраструктуры региональных социально-экономических систем Севера России// Вычислительный эксперимент в задачах прогнозирования. -Апатиты, 1994. С. 7-22.

22. Кузнецов О.П., Адельсон-Вельский Г.М. Дискретцая математика для инженера. М.: Энергоатомиздат, 1988. - 480 е., ил.

23. Кузьмин И.А., Путилов В.А., Фильчаков В.В. Распределенная обработка информации в научных исследованиях. Л.: Наука, 1991. 304 с.

24. Литвинов В.В. Математическое обеспечение проектирования вычислительных систем'и сетей. К.: "Техшка", 1982. - 176 е.: ил.

25. Логическое проектирование сетевых информационных систем на базе мини-ЭВМ / В.В.Пирогов, А.Е.Алашеев, П.А.Гришанов, и др. Рига: Зинатне, 1987. 267 с.

26. Ложе И. Информационные системы. Методы и средства: Пер. с фр. -М.: Мир, 1979.-632 е.: ил.

27. Ляшенко И.Н., Карагодова Е.А., Черникова Н.В., Шор Н.З. Линейное и нелинейное программирование. Издательское объединение "Вигца школа", 1975, 372 с.

28. Максименков A.B., Селезнев М.Л. Основы проектирования информационно-вычислительных систем и сетей ЭВМ. М.: Радио и связь, 1991. -320 е.: ил.

29. Мартин Дж, Вычислительные сети и распределенная обработка данных: Пер. с англ. М. Финансы и статистика, 1985. - 256 с.

30. Месарович М., Мако Д., Такахара И. Теория многоуровневых иерархических систем: Пер. с англ. М.: Мир, 1973. -342 с.

31. Месарович М., Такахара И. Общая теория систем: математические основы: Пер. с англ. М.: Мир, 1977. 311 с.

32. Мигулян Ю.П., Путилов В.А., Шишаев М.Г. Информационная система Баренц-региона: состояние и перспективы.// Информациойные технологии и вычислительные системы, №3,1996г. -С. 17-21.

33. Моисеев H.H., Иванилов Ю.П., Столярова Е.М: Методы оптимизации. -М.: Наука, 1978.-351 с.

34. Молта Д. Консолидация информационно-вычислительных ресурсов// Сети и системы связи, №3, 1998, С.52.

35. Основы построения больших информационно-вычислительных сетей. Под общей ред. Д.Г. Жимерина и В.И.Максименко. М.: Статистика, 1976, -296 е., ил.

36. Осуга С. Обработка знаний: Пер. с япон. М.: Мир, 1989. - 293 е., ил.

37. Перегудов Ф.И., Тарасенко Ф.П. Введение в системный анализ: Учеб. пособие для вузов. -М.: Высш. шк., 1989. 367 е.: ил.

38. Протоколы информационно-вычислительных сетей: Справочник/ С.А. Аничкин, С.А. Белов, А.П. Кулешова. М.: Радио и связь, 1990. - 504 е.: ил.

39. Селезнев М.Л. Информационно-вычислителльные системы и их эффективность. -М.: Радио и связь, 1986. -104 е., ил.

40. Соловьев A.B. Формализация описания протокольно-интерфейсного взаимодействия в информационно-вычислительных сетях// Распределенные системы передачи и обработки информации. -М. 1986. С. 18-26.

41. Стандарты по локальным вычислительным сетям: Справочник/ В.К. Щербо, В.М. Киреичев, С.И. Самойленко. -М: Радио и связь, 1990. 304 е.: ил.

42. Структурно-алгоритмическая организация и программно-аппаратные средства региональных информационных систем (тема 10-91-2306). Отчет по НИР за 1991- 1995 годы. Рук. Сиговцев Г.С. Апатиты, 1995.

43. Теллес М. Borland С++ Builder: библиотека программиста. СПб: ПитерКом, 1998. - 512 е.: ил.

44. Тресков Ю.П., Василенко С.И. Использование ЛВС в системе управления научно-организационной деятельностью: Сообщения по программному обеспечению ВЦ РАН. М.: Вычислительный центр РАН, 1992. - 20 с.

45. Фрэнк Г., Фриш И. Сети, связь и потоки: Пер. с англ. М.: Связь, 1978. -448 е.: ил.

46. Хаусли Т. Системы передачи и телеобработки данных. Пер. с англ. М.: Радио и связь, 1994. - 456 е., ил.

47. Холл М. Комбинаторика. М.: Мир, 1970. - 424 с.

48. Червоный A.A., Лукьященко В.И., Котин Л.В. Надежность сложных систем. М: Машиностроение, 1976. - 288 с.

49. Шишаев М.Г. Логическая модель в задаче проектирования распределенных информационных систем.// Системы ийформационной поддержки регионального развития. Апатиты, изд. Петр.ГУ, 1998. С. 14-19.

50. Шишаев М.Г. Логическая модель распределенной информационной системы.// Актуальные проблемы анализа и обеспечения надежности и качества приборов, устройств и систем. Сб. докл. научн. конф. -Пенза: Изд. Пенз.гос.техн.ун-та, 1998. С. 89 - 91.

51. Шишаев М.Г., Мигулян И.Ю. Информационная система КНЦ: про-блема удаленного доступа. Препринт. Апатиты, изд. КНЦ РАН, 1997. 33 с.

52. Шишаев М.Г. Обобщенная функционально-алгоритмическая структура распределенной ИС.// Информационные технологии поддержки принятия решений. Апатиты, изд.'КНЦ РАН, 1998. С. 55-63.

53. Шишаев М.Г. Построение IP-сетей в неоднородной коммуникационной среде.// Системы информационной поддержки регионального развития. Апатиты, изд. Петр.ГУ, 1998. С. 99 - 104.

54. Шишаев М.Г. Производительность интерсети.// Интеллектуальные инструментальные средства вычислительного эксперимента. Апатиты, изд. КНЦ РАН, 1997. С.146-152.

55. Якубайтис Э.А. Архитектура вычислительных сетей. М.: Статистика, 1980.-279 е., ил.

56. Якубайтис Э.А. Информационно-вычислительные сети. М.: Финансы и статистика, 1984. - 232 е., ил.

57. Якубайтис Э.А. Открытые информационные сети. М.: Радио и связь, 1991.-208 е.: ил.

58. Ямпольский В.З., Комагоров В.П., Солдатов В.Н. Моделирование сетей передачи и обработки информации. Новосибирск: Наука, 1986. -136с.

59. Янбых Г.Ф., Эттингер Б.Я. Методы анализа и синтеза сетей ЭВМ. Л.: Энергия, 1980.-95 с.

60. Chappel L.A., Hakes D.E. Novell's Guide to NetWare LAN Analysis. -Novell Press. -1994. -693p.

61. J.F.Sowa, J.A.Zachman. Extending and Formalizing the Framework for Information Systems Architecture// IBM System Journal. #3,1992, P.590-616.

62. Matveev P.I., Óleynik A.G., Shishaev M.G. Information Support of Regional Management Applying GIS-Technologies and Distributed Data Bases// International Conference on Informatics and Control Proceedings. SPIIRAS, St.Petersburg, Russia, 1997.

63. Shishaev M.G. Logic Model to Building Enterprise-wide Non-homogeneous Information Network// On Advanced Technology in Environmental and Natural Resources/ сб. докл. научн. конф. .-Рованиеми, Финляндия, 1998. -http://www.metla.fi/event/rt98.