автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.11, диссертация на тему:Разработка программного и математического обеспечения ЛВС функционально-ориентированных распределенных информационных систем

Московская Государственная Академия Приборостроения и

Информатики

СКВОРЦОВА ТАТЬЯНА ИВАНОВНА

Разработка программного и математического обеспечения ЛВС функционально-ориентированных распределенных информационных систем

05.13.11 - Математическое и программное обеспечение вычислительных машин, комплексов, систем и сетей

На правах рукописи

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва - 1998 г.

Оглавление

Введение................................................................. 4

Глава 1. Анализ особенностей построения и организации работы функционально ориентированных распределенных информационных систем................................................ 8

1.1. Особенности построения и функционирования функционально ориентированных распределенных информационных систем................................................... 8

1.2. Современные концепции и технологии построения распределенных информационных систем.............................. 13

1.2.1. Технология клиент-сервер............................. 16

1.2.1.1. Модель вычислений клиент-сервер........... 17

1.2.1.2. Особенности реализации технологии клиент-сервер....................................................... 20

1.2.2. Сетевые технологии.................................... 22

1.2.2.1. Архитектура сети................................. 22

1.2.2.2. Аппаратные средства и программное обеспечение сети.......................................... 23

1.2.2.3. Характеристики для оценки качества построения и функционирования сети................ 25

1.2.3. Технологии баз данных................................ 26

1.2.3.1. Технология организации баз данных........ 26

1.2.3.2. Администрирование базы данных............ 30

1.3. Задачи проектирования и построения системы......... 31

Выводы.................................................................. 33

2. Анализ процедур обработки запросов в

распределенных информационных системах...................... 35

2.1. Основные сведения о локальных вычислительных сетях............................................................................ 35

2.1.1. Структура локальных вычислительных сетей .... 35

2.1.1.1. Проводки локальных сетей..................... 36

2.1.1.2. Структурообразующее оборудование локальных вычислительных сетей..................... 41

2.1.1.3. Структурированные кабельные системы ... 46

2.1.2. Базовые структуры локальных вычислительных сетей....................50

2.2. Организация взаимодействия клиент-сервер в локальных вычислительных сетях....................................... 56

2.2.1. Вызов удаленных процедур......................................................58

2.3.Задачи анализа ЛВС при построении распределенных

информационных систем....................................................................................................60

Выводы..............................................................................................................................62

3. Математические модели для анализа и синтеза локальных вычислительных сетей распределенных информационных систем................................................................................................63

3.1. Общие положения..........................................................................................63

3.1.1. Моделирование структуры ЛВС..........................................63

3.1.2. Моделирование взаимодействия клиент-сервер . 65

3.2. Математические модели для анализа и синтеза структуры сети..............................................................................................................................66

3.2.1. Анализ структуры первого типа..........................................72

3.2.2. Анализ структуры второго типа..........................................74

3.2.3. Анализ структуры третьего типа........................................76

3.2.4. Задача синтеза структуры сети............................................78

3.2.4.1. Алгоритм синтеза структуры сети........................79

3.2.4.2. Пример..........................................................................................80

3.3. Анализ алгоритмов взаимодействия клиент - сервер .. 83

3.3.1. Математическая модель двухзвенной системы ... 83 3.3.1.1. Модель обслуживания запросов сервером . 85

3.3.2. Математическая модель трехзвенной системы ... 86

3.3.2.1. Анализ системы с конечным числом запросов............................................................................................................90

3.3.2.2. Анализ системы с бесконечным числом запросов..........................................................................................................94

Выводы 99

4. Практическая реализация разработанных методов и моделей................................................................................................................................................101

4.1. Информационная система лечебного учреждения............101

4.2. Опытно-экспериментальный стенд................................................104

Выводы....................................................................................................................................108

Заключение. Общие выводы по диссертации................................111

Литература..........................................................................................................................113

Введение

Интенсивное развитие аппаратных средств, системного и прикладного программного обеспечения вычислительных сетей, а также постоянное снижение цен на вычислительную технику обусловили широкое внедрение современных сетевых технологий обработки информации во многие сферы человеческой деятельности.

При этом большое внимание уделяется созданию специализированных систем, ориентированных на решение довольно узкого класса задач, связанных с обработкой специфических данных, применением специальных (узконаправленных) алгоритмов взаимодействия между элементами системы, специальных средств администрирования и управления, учитывающих особенности решаемых задач и специфику построения системы в каждом конкретном случае. Такой подход обеспечивает эффективное использование аппаратных и программных средств для решения специально отобранных задач. Подобные системы будем в дальнейшем называть функционально-ориентированными.

Таким образом наряду с известной тенденцией к интеграции разнородных локальных систем, наблюдается и тенденция к построению узкоспециализированных локальных информационных систем в максимальной степени, учитывающих особенности их функционирования и применения.

Следует отметить также, что в последние годы существенно повысился интерес к созданию информационных систем, обеспечивающих доступ к информации одновременно достаточно большому числу пользователей, обмен данными между компьютерами различных пользователей, параллельную работу компьютеров при решении отдельных задач и т. д. Подобные системы относятся к классу распределенных систем.

В связи с этим возникает актуальная проблема разработки методов и средств построения и анализа распределенных информационных систем, объединяющих разнородное программное (прикладное и системное) и техническое обеспечение и обеспечивающих эффективное решение функциональных и прикладных задач, требуемый сервис, соответствующий

прикладному назначению системы - функционально-ориентированных распределенных информационных систем.

Поскольку в данном случае функциональная ориентация создаваемой системы предусматривает соответствие требованиям по информационному взаимодействию между клиентами (обеспечение связи, доступ к разделяемым ресурсам и т.д.), то для построения и анализа подобных систем требуется определить специфику прикладных задач, особенности их применения и функционирования, которые оказывают основное влияние на качество работы систем и возможности их реализации.

К числу наиболее распространенных решений задачи построения функционально ориентированных распределенных информационных систем относятся решения, связанные с использованием локальных вычислительных сетей и баз данных.

Отличительной особенностью такой системы является наличие разнородного аппаратного и программного обеспечения (гетерогенность), что обуславливает необходимость применения таких информационных технологий и методов организации работы в системе, которые бы обеспечили пользователям простой доступ к информационным ресурсам независимо от аппаратной и программной платформ, на которых они установлены, а разработчикам прикладного программного обеспечения возможность его переносимости и запуска на различных платформах.

В настоящее время имеется эффективный подход к построению подобных систем, позволяющий удовлетворить запросы пользователей и потребности прикладных программистов - это использование технологии клиент-сервер.

Однако успешное и эффективное применение указанных информационных технологий требует разработки и обоснования методов организации взаимодействия между клиентами и серверами, составляющими распределенную систему, решения задач построения эффективно функционирующей локальной вычислительной сети и организации баз данных. При этом наряду с применением традиционных и известных подходов к решению данных задач необходимо создавать методы, учитывающие специфику конкретных систем.

Целью диссертационной работы является разработка математического и программного обеспечения для построения локальных вычислительных сетей функционально ориентированных

распределенных информационных систем на базе современных информационных технологий, обеспечивающих эффективное решение задач анализа:

характеристик локальных вычислительных сетей в зависимости от выбора их параметров;

- методов организации взаимодействия «клиент-сервер», путем создания математических моделей для их исследования и расчета, позволяющих проводить обоснованный выбор того или иного решения в зависимости от особенностей функционирования и сферы применения реальных систем подобного типа.

Методы исследования.

При разработке математических моделей и алгоритмов использовался следующий математический аппарат: теория графов, теория матриц, теория массового обслуживания, теория множеств. При создании программного обеспечения использованы операционные системы Unix и Windows 95, пакеты прикладных программ и язык программирования С.

На защиту выносятся следующие положения:

анализ методов построения функционально ориентированных распределенных информационных систем;

- анализ методов организации взаимодействия элементов системы (клиентов и серверов) в локальных вычислительных сетях, основанных на применении современных информационных технологий;

- математические модели для анализа и синтеза структуры локальной вычислительной сети функционально ориентированной информационной системы;

- математические модели для расчета характеристик системы при различных методах взаимодействия клиентов и серверов в локальной вычислительной сети, учитывающие особенности применяемых протоколов и исполнения запросов клиентов.

Научная новизна диссертации заключается в разработке математического обеспечения вычислительных сетей, состоящего в создании математических моделей исследования структуры локальных вычислительных сетей и методов организации взаимодействия клиент-сервер, учитывающих особенности функциональной ориентации создаваемой системы (направление и интенсивности информационных потоков между клиентами, требования по обеспечению доступа к разделяемым ресурсам,

требования к администрированию) и применяемых технических решений (типы проводки, параметры серверов, типы протоколов) для ее реализации.

Практическая значимость состоит разработке пригодных для использования на практике методов анализа и синтеза базовых структур локальных вычислительных сетей, методов организации взаимодействия клиентов и серверов, обеспечивающих расчет требуемых параметров создаваемой информационной системы, и подтверждается результатами применения разработанных методов, алгоритмов и программного обеспечения при создании реальных информационных систем, ориентированных на решение ряда специфических задач.

Результаты диссертационной работы были доложены и обсуждались на научно-технических конференциях.

Основные результаты диссертации опубликованы в трех печатных работах.

Структура диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав и списка литературы (95 наименования). Общий объем диссертации 118 страниц.

1. Анализ методов построения и организации работы функционально-ориентированных распределенных информационных систем

В этой главе приводится описание объекта исследования -функционально-ориентированной распределенной информационной системы. Определяется состав системы как совокупности аппаратных и программных средств, методы ее построения и проектирования. Приводятся данные об основных технологиях, применяемых в настоящее время при создании подобных систем.

1.1 Особенности построения и функционирования функционально-ориентированных распределенных информационных систем

Развитие средств и методов построения вычислительных сетй, методов создания сетевого системного и прикладного программного обеспечения обусловили широкое внедрение технологий распределенной обработки информации и создания автоматизированных информационных систем во многие сферы человеческой деятельности.

При этом большое внимание уделяется созданию специализированных систем, ориентированных на решение довольно узкого класса задач, связанных с обработкой специфических данных, применением специальных (узконаправленных) алгоритмов взаимодействия между элементами системы, специальных средств администрирования и управления, учитывающих особенности решаемых задач и специфику построения системы в каждом конкретном случае. Такой подход обеспечивает эффективное использование аппаратных и программных средств для решения специально отобранных задач. Подобные системы будем в дальнейшем называть функционально-ориентированными.

Таким образом наряду с известной тенденцией к интеграции разнородных локальных систем, наблюдается и тенденция к построению узкоспециализированных локальных систем в

максимальной степени, учитывающих особенности их функционирования и применения.

Следует отметить также, что в последние годы существенно повысился интерес к созданию информационных систем, обеспечивающих доступ к информации одновременно достаточно большому числу пользователей, обмен данными между компьютерами различных пользователей, параллельную работу компьютеров при решении отдельных задач и т. д. Подобные системы относятся к классу распределенных систем [2, 20,33].

В связи с этим возникает проблема разработки методов и средств построения и анализа распределенных информационных систем, объединяющих разнородное программное (прикладное и системное) и техническое обеспечение и обеспечивающих эффективное решение функциональных и прикладных задач, требуемый сервис, соответствующий прикладному назначению системы - функционально-ориентированных распределенных информационных систем.

Для построения и анализа подобных систем требуется определить специфику прикладных задач, особенности их применения и функционирования, которые оказывают основное влияние на качество работы систем и возможности их реализации.

К основным из таких особенностей присущих многим системам можно отнести следующие [40,57,65,72,77]:

- значительное увеличение размерности решаемых задач и сложности реализуемых алгоритмов обработки информации по сравнению с задачами, реализуемыми на автономных компьютерах;

наличие значительного числа слабосвязанных алгоритмов обработки информации;

необходимость координации работы отдельных программных модулей;

- территориальная разобщенность элементов системы и необходимость их информационной связи между собой;

- наличие общих информационных элементов для большого количества реализованных в системе программ;

- необходимость оперативного управления процессами обработки информации в системе;

- необходимость централизованного администрирования

системы;

- работа различных программ в различных масштабах реального времени;

- необходимость защиты информации в системе;

- применение разнообразных средств системного и прикладного программного обеспечения;

- наличие в системе различных аппаратных средств обработки информации.

Прокомментируем более подробно некоторые из перечисленных особенностей.

Большая размерность задач и слабая взаимосвязь отдельных алгоритмов и программ создают хорошие возможности для декомпозиции создаваемой системы и реализации ее в виде отдельных подсистем (практически это находит отражение при формировании структуры вычислительной сети, состоящей из отдельных подсетей). Однако при этом возникают проблемы с организацией взаимодействия между программами, исполняемыми в различных подсистемах, т.е. требуется определить технику и параметры взаимодействия (выделить клиентов и серверы, определить приоритеты обслуживания и т.д.)[16,23,38,61].

Территориальная распределенность рабочих мест системы может накладывать ограничения на прокладку и выбор типа линий связи, потребовать применения специального структурообразующего оборудования при создании локальной вычислительной сети [9,28,36,59].

Наличие разнообразных аппаратных и программных платформ (типы компьютеров, операционные системы и т.д.), применяемых в системе обусловлено невозможностью строить систему с «нуля» и сразу закупать все необходимые средства, поэтому данный факт предполагает