автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.14, диссертация на тему:Разработка моделей и программного обеспечения распределенной информационной системы

ВОРОНЕЖСКАЯ ВЫСШАЯ ШКОЛА МВД РОССИИ ВОРОНЕЖСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

На правах рукописи

Мачтаков Сергей Геннадьевич

РАЗРАБОТКА МОДЕЛЕЙ И ПРОГРАММНОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ РАСПРЕДЕЛЕННОЙ ИНФОРМАЦИОННОЙ СИСТЕМЫ

Специальность 05.13.14 - системы обработки информации

и управления

ДИССЕРТАЦИЯ

на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель заслуженный работник высшей школы РФ, академик МАИ, доктор технических наук, профессор C.B.Бухарин

Научный консультант доктор технических наук, профессор 0. Я. Кравец

Воронеж - 1998

- г -

СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ

АБД - автоматизированный банк данных

АРМ - автоматизированное рабочее место

ВВШ - Воронежская высшая школа МВД России

ИВР - информационно-вычислительная работа

ИВС - информационно-вычислительная сеть

ИП - информационный поток

ИС - специализированная информационная система

КД - концентратор данных (HUB)

КС - канал связи

ЛИВС - локальная информационно-вычислительная система

ЛС - линия связи

МАСД - модифицированный алгоритм синтеза древовидных сетей

МСЗ - минимум суммарных затрат

ОБСОД - одноуровневая базовая сеть обмена данных

ОРР - область равноэкономичных решений

ПС - пропускная способность

РИВС - распределенная информационно-вычислительная система

СПД - сеть передачи данных

УС - узел связи

УУС - устройство управления сетью

ЭПЗ - экстремальная поисковая (переборная) задача

HUB - см. КД

ОГЛАВЛЕНИЕ

Введение 5

Глава 1. Проблемы управления распределенными информационными

системами в правоохранительной сфере И

1.1. Анализ методов построения специализированных информационных систем 13

1.2. Методы синтеза топологической структуры многоточечных двухуровневых сетей 22

1.3. Методы синтеза топологической структуры многоуровневых сетей 31

1.4. Постановка задач работы 36

Глава 2. Структурно-стоимостная оптимизация информационных

сетей 37

2.1. Алгоритм оптимального выбора топологической структуры 38

2.2. Синтез иерархических информационных систем с концентраторами 47

2. 3. Анализ интеграции и развития системы с учетом

фактора неопределенности 55

2. 4. Выводы 66

Глава 3. Программно-алгоритмическое обеспечение подсистемы

структурно-стоимостной оптимизации 68

3.1. Алгоритмы синтеза древовидной топологии 68

3.2. Реализация алгоритма синтеза систем с концентраторами 75

3.3. Алгоритм синтеза развивающихся сетевых систем 82

3.4. Выводы 93

Глава 4. Моделирование и аппаратно-структурный синтез распределенной информационной системы на примере ВВШ

МВД России 95

4.1. Особенности построения распределенной информационной системы ВВШ МВД России 95

4.2. Создание локальных вычислительных сетей, обеспечивающих функционирование подразделений 101

4.3. Синтез информационно-вычислительной сети 116

4.4. Выводы 138

Заключение 140

Список использованных источников 142

Приложения

155

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы. В соответствии с принятыми в России концепциями информатизации общества цель информатизации состоит в глобальной рационализации интеллектуальной деятельности за счет использования новейших информационных технологий. Этой цели должна служить создаваемая в Воронежской высшей школе (ВВШ) МВД России распределенная информационная система, предназначенная для автоматизации учебных и управленческих процессов школы.

При создании подобных распределенных информационных систем основное внимание следует уделять управлению потоками информации в них. Поскольку подобные системы могут создаваться для выполнения различных задач, специфичность передаваемой в них информации определяет специальные требования к архитектуре информационной сети. Поэтому актуальна задача оптимального построения ее архитектуры.

Системы распределенной обработки данных в сетях ЭВМ на сегодня представляют собой одну из наиболее прогрессивных форм организации средств вычислительной техники. Поскольку распределенные системы с полным основанием можно отнести к большим системам, то очевидно, что велики число и сложность проблем, возникающих при их моделировании, проектировании и реализации. В настоящее время компьютерные системы, как правило, могут без каких-либо проблем создаваться на базе доступных серийно производимых компонентов программного и технического обеспечения. Однако широкий ассортимент таких компонентов существенно затрудняют выбор оптимального метода в каждом конкретном случае независимо от того, желает ли пользователь развивать существующую систему или создавать ее зано-

во. Наконец, важной с практической точки зрения является задача анализа и синтеза варианта топологической структуры создаваемой информационно-вычислительной системы, обеспечивающего наилучший эффект.

Таким образом, актуальность темы исследования продиктована необходимостью создания средств синтеза и анализа, обеспечивающих выбор рациональных вариантов структуры распределенной информационной системы.

Тематика диссертационной работы связана с реализацией концепции информатизации образовательных учреждений МВД России, типового проекта комплексной компьютеризации образовательного учреждения МВД России (утверждены приказом Министра МВД России N362 от 5 июля 1996 г.).

Целью работы является разработка и научное обоснование методов синтеза структуры распределенной информационной системы на базе алгоритмических, программных и технических средств и современных информационных технологий.

Исходя из данной цели, в работе определены следующие задачи исследования:

создание оптимизационных моделей для решения задач структурно-стоимостной оптимизации на проектном этапе;

разработка эффективных алгоритмов синтеза структуры двух- и многоуровневых информационных систем;

создание методов анализа динамических задач синтеза структур развивающихся информационных вычислительных сетей;

реализация программной системы синтеза структур многоуровневых сетей;

осуществление проектного этапа синтеза информационно-вычислительной сети ВВШ МВД России на базе разработанных методов и алгоритмов.

Методы исследования. В работе использованы методы системного анализа, имитационного моделирования, теории вероятностей и математической статистики, массового обслуживания, дискретного программирования.

Научная новизна. В диссертации получены следующие результаты, характеризующиеся научной новизной:

созданы алгоритмы структурно-стоимостной оптимизации двухуровневых распределенных систем, обеспечивающие построение близких к оптимальным топологий сети;

разработаны аналитические модели задач синтеза структуры многоуровневых распределенных систем, отличающиеся введением узлов концентрации с разноскоростными каналами связи;

предложены методы синтеза многоуровневых сетей, характеризующиеся двухшаговой схемой размещения средств концентрации и преобразования топологической структуры;

предложены методы анализа динамических задач синтеза структуры развивающихся информационно-вычислительных сетей, учитывающие прогноз динамики роста потребности в информационно-вычислительных ресурсах;

разработан алгоритм проектирования развивающейся вычислительной сети на основе организационно-технических и финансово-экономи-

ческих ограничений, учитывающий изменяющиеся во времени параметры и ограничения.

Практическая ценность работы состоит в следующем: разработан программно-алгоритмический комплекс субоптимального синтеза структуры двухуровневых древовидных сетей, позволяющий проектировать информационно-вычислительные системы уровня учреждения и выше;

предложен модифицированный алгоритм структурного синтеза систем с концентраторами и разработана детализированная схема его реализации, обеспечивающая по сравнению со стандартными большую эффективность и учитывающая неплоскостность размещения связываемых объектов, а также усложнение физического соединения по координате 1 с использованием специальной метрики;

реализован проектный этап синтеза информационно-вычислительной сети ВВШ МВД России на базе разработанных методов и алгоритмов.

Реализация и внедрение результатов работы. Основные результаты диссертации реализованы в ВВШ МВД России при создании распределенной информационной системы специализированного учебного заведения, в АО НПК(о) "Энергия" при разработке коммуникационной подсистемы управления, в ведомственных отделах охраны (в Управлении вневедомственной охраны при МВД Республики Коми, отделе вневедомственной охраны при Ашинском ГОВД) при создании информационно-поисковых систем, что подтверждено соответствующими актами внедрения. Элементы диссертационного исследования зарегистрированы в ГОСФАП РосКЦ ИТО.

Апробация работы. Основные результаты работы докладывались и обсуждались на Всероссийской научно-практической конференции по новым информационным технологиям в образовании "Черноземье-95", Воронеж, 1995; Всероссийской конференции "Повышение помехоустойчивости систем технических средств охраны", Воронеж, 1995; II Международной конференции "Алгебраические, вероятностные, геометрические, комбинаторные и функциональные методы в теории чисел", Воронеж, 1995; научно-практической конференции ВВШ МВД России, Воронеж, 1995; X научно-технической отраслевой конференции "Состояние и пути повышения надежности видеомагнитофонов", Воронеж, 1996; II Международной научно-технической конференции "Новые информационные технологии и системы", Пенза, 1996; I и II Республиканских электронных научных конференциях "Современные проблемы информатизации", Воронеж, 1996-97; а также на научных семинарах кафедры ABC ВГТУ.

Публикации. По результатам исследований опубликовано 20 печатных работ.

Структура и объем работы. Работа состоит из введения, четырех глав, заключения, перечня библиографических источников и приложений. Она изложена на 141 страницах машинописного текста, содержит 25 рисунков, 9 таблиц. Библиографический список содержит 110 наименований. Приложения на 56 страницах, содержат 10 рисунков, 2 таблицы.

Содержание работы. В первой главе анализируется общая постановка задач синтеза структуры распределенных информационных систем

и существующие методы решения. Обосновывается необходимость исследования алгоритмов синтеза структуры многоуровневых статических и развивающихся систем. Формулируется и обосновывается актуальность и цель работы.

Вторая глава содержит аналитические модели задач синтеза топологической структуры многоуровневых распределенных систем, а также постановку динамических задач структурного синтеза развивающихся информационно-вычислительных сетей, учитывающих прогноз динамики роста потребности в информационно-вычислительных ресурсах. Важной особенностью моделей и задач является учет специфики информатизации специализированного учебного заведения.

Третья глава посвящена описанию программно-алгоритмических средств реализации нового метода синтеза структуры двухуровневых древовидных сетей; модифицированного алгоритма и детализированной схемы структурного синтеза систем с концентраторами, а также методов решения задачи синтеза развивающихся сетей ЭВМ, сравнение которых с традиционными показало большую эффективность.

В четвертой главе на примере построения распределенной информационной системы Воронежской высшей школой МВД России представлены разработанные программные средства синтеза структуры пространственно распределенных вычислительных сетей с концентрирующими узлами, а также формулируются рекомендации по применению разработанной системы для решения ряда практических задач. Динамизм организационно-технического развития ВВШ обуславливает перспективность дальнейших исследований по данной тематике.

В заключении формулируются научные и практические результаты диссертационного исследования.

- И -

ГЛАВА 1. ПРОБЛЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ РАСПРЕДЕЛЕННЫМИ ИНФОРМАЦИОННЫМИ СИСТЕМАМИ В ПРАВООХРАНИТЕЛЬНОЙ СФЕРЕ

С начала 90-х годов Россия переживает период бурных перемен общественного сознания. Смещаются понятия, возрастает острота социальных, правовых, культурных, экономических проблем. В Указе Президента Российской Федерации от 11 июля 1991 г. N1 "О первоочередных мерах по развитию образования в РСФСР" провозглашена приоритетность сферы образования для развития интеллектуального, культурного и экономического потенциала России. Приказом министра МВД России от 5 июля 1996 г. N 362 утверждена "Концепция информатизации образовательных учреждений МВД России" и план ее реализации. Концепция представляет собой систему положений, определяющих основные цели, задачи, принципы и направления информатизации всех уровней системы высшего и среднего образования учебных заведений МВД России.

Учитывая сложность проблемы и важность ее своевременного разрешения, в Концепции нашли отражение принципы единства ближних и дальних целей, а также, понимание того, что информатизация учебных заведений является одним из важнейших элементов информатизации МВД России [43], повышения качественного уровня работы правоохранительных органов в целом. Анализ развития передовых в экономическом отношении стран показывает, что информатизация ведомственной системы образования является одним из ключевых условий, определяющих последующее ускоренное развитие культуры, технологии и научных исследований в самом ведомстве, а как итог для правоохранительной сферы - повышение правовой защищенности граждан.

В настоящее время в органах внутренних дел внедряются аппаратно-программные комплексы и системы, в которых объединяются специальные технические средства сбора, передачи и приема оперативной информации, ее кодирования, защиты от несанкционированного доступа, обработки и хранения информации, генерации отчетной служебной информации. Активно ведутся работы [83] по созданию единой информационной сети МВД России.

Одной из ключевых задач информатизации учебных заведений МВД России, согласно Концепции, является применение высокопроизводительных ЭВМ и объединение их в локальные и распределенные вычислительные сети. Подход к созданию информационных систем с существенной распределенностью, при котором создание и размещение объектов сети осуществлялось в соответствии с субъективными факторами, в настоящее время неприемлем, т.к. это снижает эффективность функционирования сети и не учитывает перспективные потребности ее развития.

Оснащенность учебных заведений МВД России средствами вычислительной техники, программным обеспечением, терминальным оборудованием, телекоммуникационными средствами и другой информационной и специальной техникой является одной из основных проблем информатизации. Средства на приобретение подобного оборудования и программного обеспечения, как правило, выделяются не разово, а периодически, в зависимости от финансового состояния страны (а, следовательно, и министерства). Этот фактор обуславливает необходимость поэтапного планирования создания таких распределенных информационных систем.

1.1. Анализ методов построения специализированных информационных систем

Характерной чертой развития современного общества является интенсификация обмена и обработки информации. Системы обработки и распределения информации приобретают новое значение, становясь неотъемлемой частью всей информационной жизни общества.

Одной из прогрессивных форм применения ЭВМ является коллективное использование вычислительной техники. Вычислительный центр коллективного пользования (ВЦ), оснащенный высокопроизводительными ЭВМ, работающими в режиме удаленной пакетной обработки данных, разделения времени, диалоговом, позволяет обслуживать одновременно много предприятий, учреждений и организаций, являющихся абонентами этого ВЦ. Вместо дорогостоящих ЭВМ абоненты такого центра оснащаются сравнительно простыми и дешевыми терминальными устройствами, которые позволяют дистанционно решать задачи на ЭВМ ВЦ. При этом расходы на решение задач в таких ВЦ с учетом стоимости терминальных устройств и аренды каналов связи (КС) оказываются в 2-3 раза ниже расходов, которые несли бы эти организации при создании и эксплуатации собственных индивидуальных ВЦ.

Более высокой организационной формой применения ЭВМ является создание сетей ЭВМ, в которых выделяются три класса устройств:

1) терминалы, посредством которых абоненты обращаются к сети за получением необходимых информационно-вычислительных ресурсов;

2) сеть передачи данных (СПД), включающая узлы связи (УС) и линии связи (ЛС);

3) локальные информационно-вычислительные системы (ЛИВС), где сосредоточены информационно-вычислительные ресурсы сети.

Такие сети ЭВМ, обладая всеми достоинствами ВЦ, имеют и дополнительные преи�