автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.13, диссертация на тему:Реализация технологии сетевого коллективного доступа к средам моделирования

оио

На правах рукописи

Иванов Дмитрий Игоревич

Реализация технологии сетевого коллективного доступа к средам моделирования

Специальность 05.13.13 — Телекоммуникационные системы и компьютерные сети

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

0 2 АПР2Г

Санкт-Петербург - 2008

003466258

Работа выполнена на кафедре «Радиотехника и телекоммуникации». Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Санкт-Петербургский государственный политехнический университет»

Научный руководитель: Заслуженный деятель науки РФ,

доктор технических наук, профессор

Цикин Игорь Анатольевич

д.т.н., профессор Санкт-Петербургского государственного технического университета Болдырев Юрий Яковлевич

к.т.н., доцент Санкт-Петербургского государственного университета телекоммуникаций им. проф. М.А. Бонч-Бруевича Гольдштейн Александр Борисович

ГОУ ВПО Санкт-Петербургский государственный электротехнический университет «ЛЭТИ»

Официальные оппоненты:

Ведущая организация:

Защита состоится «23» апреля 2009 года в •/б часов на заседании диссертационного совета Д 212.229.22 при ГОУ ВПО «Санкт-Петербургский государственный политехнический университет» по адресу: 195251, г. Санкт-Петербург, ул. Политехническая, д. 29.

С диссертацией можно ознакомиться в фундаментальной библиотеке ГОУ ВПО «Санкт-Петербургский государственный политехнический университет»

Автореферат разослан:

: №01 ¡#8

Ученый секретарь диссертационного совета, кандидат технических наук, профессор

Иванов А. А.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы

В настоящее время как в научных исследованиях, так и при использовании современных технологий электронного обучения широко применяются методы компьютерного моделирования физических процессов и явлений. Эта эффективная процедура дает возможность целостного изучения поведения наиболее сложных систем как реально существующих, так и создаваемых для проверки теоретических гипотез.

Сетевая среда позволяет реализовать новые сервисы при решении задач компьютерного моделирования, что расширяет возможности в области коллективного использования моделей. При этом сама модель, устанавливаемая на сервере приложений, может быть исполнена при помощи различных сред проектирования, в том числе и при помощи языков программирования общего назначения.

Большой интерес представляет также ситуация, когда на сервере установлена специализированная среда моделирования, причем размещение такой среды в ПК пользователя может оказаться затруднительным. При этом сами по себе модели могут быть достаточно простыми, так что их создание вполне возможно в режиме сетевого удаленного доступа (режиме удаленного программирования). Подобная ситуация, например, является типичной при использовании технологий дистанционного обучения. Реализация такого режима, так же как и собственно работа с моделями при коллективном доступе к ним, может проводиться как в рамках \УЕВ-технологай, так технологий терминального доступа.

Рассмотрение всех возможных классов задач, решаемых методами компьютерного моделирования, в контексте организации и применения сетевого доступа является достаточно сложным. С точки зрения организации сетевого доступа большой интерес представляют задачи, требующие для их решения достаточно продолжительных вычислительных процедур, что бывает затруднительно реализовать на ПК пользователя.

В качестве примера таких задач можно выделить моделирование процессов обработки сигналов в системах телекоммуникаций, включая и задачи статистического синтеза оптимальных алгоритмов такой обработки. Характерной чертой таких моделей зачастую является то, что существенную долю в этих задачах носит имитационная составляющая, основанная на

использовании метода статистических испытаний, каждое из которых может представляться набором достаточно простых вычислительных процедур, но с большим числом повторений.

Представляет интерес рассмотреть как различные способы реализации сетевого доступа к компьютерным моделям, так и оценить базовые показатели качества их работы, на основании которых можно будет сделать выводы о целесообразности применения той или иной технологии применительно к определенному классу моделей.

Целью диссертационной работы является разработка эффективных методов коллективного сетевого доступа как к ресурсоемким моделям, созданным при помощи универсальных языков программирования, так и к специализированным средам моделирования в режиме удаленного программирования.

Для достижения обозначенной цели решаются следующие основные задачи:

1. Исследование методов удаленного доступа к ресурсоемким моделям, созданным на базе универсальных сред разработки, и программная реализация такого доступа, учитывающая особенности решаемой задачи (применительно к имитационному моделированию телекоммуникационной системы радиомониторинга).

2. Исследование методов сокращения времени обслуживания на базе механизма кэширования при удаленном доступе к ресурсоемким моделям, созданным на базе универсальных сред разработки.

3. Исследование путей реализации режима удаленного программирования на базе специализированных сред моделирования (на примере программного комплекса МАТЬАВ).

4. Моделирование поведения базовых показателей качества обслуживания с ростом нагрузки на систему доступа.

5. Выработка рекомендаций по выбору технологии удаленного сетевого доступа к компьютерным моделям, создаваемым в различных средах.

Научная новизна

1. Предложен и обоснован метод организации сетевого доступа на основе \^ЕВ-технологии к компьютерным моделям, созданным на базе универсальных сред разработки, а также разработаны рекомендации по адаптации таких моделей к сетевому использованию.

2. Предложен и обоснован метод получения диапазонов нечувствительности компонентов вектора входных параметров при настройке механизма кэширования в рамках рассмотренного класса моделей.

3. Предложено программное решение системы доступа к специализированной среде моделирования МАТЬАВ.

4. Создана имитационная модель разработанной системы сетевого доступа, использующая в качестве параметров результаты реальных экспериментов и позволяющая прогнозировать поведение системы в широком диапазоне изменения условий загрузки сервера.

Положения, выносимые на защиту

1. Разработанные программные решения позволяют реализовать на основе ШЕВ-технологии коллективный сетевой доступа к моделям, созданным на базе универсальной среды разработки, что способствует минимизации требований к пропускной способности каналов доступа и программному обеспечению ПК пользователя. При этом предложенная методика учета специфики рассматриваемого целевого класса задач позволяет повысить эффективность работы с моделями за счет рационального выбора параметров программы механизма кэширования.

2. Предложенная имитационная модель системы сетевого доступа, учитывающая особенности многопользовательского режима и использующая в качестве параметров результаты реальных экспериментов, позволяет прогнозировать поведение системы в широком диапазоне изменения условий загрузки сервера.

3. Применительно к моделям, интерфейс которых не требует высокой интерактивности в процессе решения задачи и может быть сведен к числовым векторам входных и выходных параметров, использование предложенного в работе ШЕВ-доступа обеспечивает экономию ресурсов сервера на порядок по сравнению со случаем использования служб терминала.

4. Предложенный способ модификации базового инструментария специализированной среды моделирования МАТЬАВ позволяет реализовать режим удаленного программирования на базе \¥ЕВ-доступа.

Практическая ценность

На основе результатов, полученных в работе, создана система коллективного сетевого доступа к компьютерным моделям, оформленная в

виде законченного программно-аппаратного решения и реализованная как в реальном учебном процессе с широким использованием методов электронного обучения, так и при организации удаленного доступа к имитационным моделям телекоммуникационных систем радиомониторинга.

Апробация работы

Основные результаты работы докладывались на конференциях:

1. IV Международная научно-техническая конференция «Компьютерное моделирование 2003», Санкт-Петербург, 2003.

2. XI Всероссийская научно-методическая конференция «Телематика 2004», Санкт-Петербург, 2004.

3. VI Международная научно-техническая конференция «Компьютерное моделирование 2005», Санкт-Петербург, 2005.

4. XII Всероссийская научно-методическая конференция «Телематика 2005», Санкт-Петербург, 2005.

5. X Всероссийская конференция по проблемам науки и высшей школы «Фундаментальные исследования в технических университетах», Санкт-Петербург, 2006.

6. XIII Международная научно-методическая конференция «Высокие интеллектуальные технологии и инновации в образовательно-научной деятельности», Санкт-Петербург, 2006.

7. VIII Международная научно-техническая конференция «Компьютерное моделирование 2007», Санкт-Петербург, 2007.

8. XIV Всероссийская научно-методическая конференция «Телематика 2007», Санкт-Петербург, 2007.

Публикации

Общее число опубликованных работ по теме диссертации -13, из них: статей - 4; тезисов докладов на научно-технических конференциях и в сборниках научно-методических трудов - 9.

Структура и объем работы

Диссертация включает введение, четыре главы, заключение и список литературы. Материалы работы изложены на 122 страницах, содержат 29 рисунка и 2 таблицы. Список литературы состоит из 73 наименований.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

В первой главе проведен обзор сервисов сетевого доступа к компьютерным моделям. Рассмотрены особенности решения задач методами компьютерного моделирования в сетевой среде в условиях многопоточного режима. Выбран и обоснован целевой класс имитационных моделей, описывающих работу телекоммуникационных систем радиомониторинга удаленных объектов. Рассмотрены проблемы реализации сетевого доступа к серверам приложений, включая перспективы реализации режима удаленного программирования. Сформулированы цель и задачи исследования.

Вторая глава посвящена системе удаленного доступа к моделям, созданным на базе универсальных сред разработки, под которыми подразумевается такие программные пакеты, как Borland С++ Builder, Delphi и т.д. Как правило, при создании моделей в таких средах разработчик имеет большую гибкость в реализации подходов описания тех или иных функциональных особенностей данной модели.

Типичным примером требовательных к быстродействию задач являются модели, предусматривающие проведение многочисленных статистических испытаний. В работе сделан акцент на модели телекоммуникационных систем, в частности рассмотрен пример радиосистемы передачи тревожных извещений (СПТИ) и ее составных блоков.

В общем случае модель является типовым компьютерным приложением, исполненном в виде законченного исполняющего файла и набора необходимых модулей. В качестве практической демонстрации организации сетевого доступа к обозначенному типу моделей рассмотрен пример приложения статистического моделирования информационного обмена между модемами системы распределенного мониторинга. Несмотря на сравнительную простоту, этот пример позволяет продемонстрировать базовые подходы реализации системы удаленного доступа к подобным моделям, а также выявить особенности использования таких моделей в сетевой среде.

На основе этого приложения рассмотрен принцип сетевого доступа как на базе WEB-технологий, так и на базе служб терминала. Предложена реализация управляющего программного блока сервера приложений на базе WEB-технологий, а также описывается реализация входящего в состав комплекса коммуникационного шлюза. В результате сформирована система удаленного

доступа, работа пользователя с которой осуществляется посредством стандартного интернет-браузера.

Методом натурных испытаний проводится анализ эффективности разработанного способа удаленного доступа. Одним из основных параметров является среднее время обслуживания одной заявки на моделирование от удаленного пользователя. В работе приводятся соответствующие зависимости как по этому, так и по другим параметрам. В качестве одной из наиболее интересных из них можно привести зависимость, отображающую оценку длительности процесса моделирования ¡ср для каждой задачи при заданной

Из полученной зависимости видно, что при низкой интенсивности (к = 1) сервер успевает обработать заявку на моделирование еще до того, как поступит следующая заявка.

При повышении

интенсивности {к = 3; 8) наблюдается соответственно и рост среднего времени выполнения с выходом характеристики в насыщение, что соответствует ситуации, когда при данной интенсивности сервер обрабатывает постоянное число задач, а поступление новой задачи сопровождается завершением другой, ранее запущенной задачи. Для предотвращения ситуации, когда сервер испытывает перегрузки (к = 20) необходимо ограничивать максимальное число подключений, тем самым и ограничивается возможность запуска большого числа задач в параллельном режиме.

Сокращение времени обслуживания происходит при использовании кэширования результатов вычислений, сохраняя результаты уже проведенных экспериментов с определенными параметрами модели. В работе рассматривается аналитическое описание поведения системы кэширования в динамике с целью оценки изменения среднего времени выполнения каждой последующей задачи. Так, например, для третьей и четвертой по поряди задачи среднее время выполнения приближенно можно представить как:

интенсивности к потока заявок (рис. 1).

ВС- 100

Рис. 1. Средняя длительность одного процесса моделирования при заданной интенсивности поступления заявок.

Г3=Г0(1-2Р2-Р22) Т4=Т0(\-ЗР2+ЗР22),

где То - время, которое система потратит на решение одной задачи без использования механизма кэширования; Р2 - вероятность обнаружения в кэше решения для второй задачи.

Результаты испытаний модифицированной системы с использованием механизма кэширования для указанной выше модели информационного обмена отображены на рис. 2. Как видно из рис. 2, при возрастании интенсивности потока заявок с некоторого момента использование механизма кэширования начинает благоприятным образом сказываться на среднем времени выполнения. Однако при больших значениях интенсивности (к = 20) скорость поступления заявок может оказаться много больше, чем время их обработки.

Далее, на примере рассматриваемой в работе модели СПТИ, предлагается методика аналитического определения диапазонов нечувствительности компонентов вектора входных параметров, которые

определяются допустимой

погрешностью получения искомых характеристик моделируемой системы.

В качестве основной характеристики рассматривается вероятность недоставки извещения Рнед за время, не превышающее заданного Тдост, причем недоставка извещения связана с тем, что информационные пакеты, передаваемые объектовыми станциями (ОС) на центральную станцию (ЦС) в СПТИ, могут перекрываться во времени с информационными пакетами любых других ОС (коллизии пакетов) данной системы. При зафиксированной недоставке извещения от данной ОС производится повторная передача через случайный промежуток времени ¡„овт: =2/с+/0+Д/,

где /с - длительность пакета; 10 - средний интервал повторений; А/ - случайная величина, равномерно распределенная на интервале (-гд; /д).

Рис. 2. Динамика длительности одного процесса моделирования при заданной интенсивности.

Величина Ртд может быть приближенно представлена:

где

Рм = Р(Р + 0)м 1 - вероятность недоставки извещения одной ОС;

<2 = =-^— - вероятность того, что информационный пакет, повторно гд

переданный данной ОС на ЦС, вновь перекрывается во времени с информационным пакетом любой другой станции (повторная коллизия); Т

А/==522- + 1 - среднее число сигналов, отправленных одной ОС на ЦС, /0 + 2

при условии, что сообщение данной ОС не было доставлено за время Тдоап, N■1

Р =-- - вероятность того, что информационный пакет, переданный

1-ЛГ-1 Г

данной ОС на ЦС, перекрывается во времени с информационным пакетом любой другой станции;

Т =—■ Т-Ь-- т---

Л / ' ' 1 ' с 'с 'с

Ы-число объектовых станций; Т - интервал мониторинга.

Представляющей практический интерес

является область значений вероятности недоставки Рнед = 10"3... 10"', при этом важным является именно порядок этой величины. Поэтому погрешность получаемого значения

некоторой величины Ря 10"" может находиться в допустимых пределах ±£-10"", где е = 3...5. На рис. 3 представлена одна из зависидюстей Ршд от N при фиксированном значении других параметров функционирования (Г =7200, Гдост = 240, 20), причем указанной выше области допустимых погрешностей

получения Ртд соответствует зона нечувствительности АЫ ~ 50. Таким

10

Ряеа вблизи

Рис. 3. Пример определения зоны нечувствительности.

образом, при представляющем практический интерес диапазоне Рнед = 10"3... Ю'1 общий интервал значений N лежит в пределах 750...650, и при AN = 50 получаем всего два интервала нечувствительности.

Далее рассматривается реализация системы доступа на базе служб терминала. Терминальный доступ осуществляется не непосредственно к самой модели, а к среде удаленной операционной системы, в рамках которой можно запускать приложения-модели. Дополнительная вычислительная нагрузка, обусловленная поддержанием виртуальных рабочих столов, соответствующим образом отразилась на среднем времени выполнения задачи моделирования, а также отмечен существенный рост утилизации оперативной памяти сервера. Сделан вывод о нецелесообразности использования служб терминала для моделей подобного рода.

В третьей главе рассмотрены вопросы реализации режима сетевого доступа к специализированной среде моделирования на примере MATLAB. Для таких сред с практической точки зрения интересен режим удаленного программирования. Рассматривается встроенный в среду MATLAB инструментарий для осуществления сетевого доступа к среде на базе WEB-технологий (MATLAB WEB Server, MWS). Одним из главных его ограничений является то, что пользователь лишен возможности самостоятельно разрабатывать MATLAB приложения

Тем не менее, была найдена возможность организовать режим удаленного программирования, лишь несколько дополнив уже существующий базис. Схематичное изображение принципа взаимодействия блоков модифицированной системы приведено на рис. 4.

Рис. 4. Модифицированная схема взаимодействия блоков системы на базе МЭДЗ.

Интерфейсная среда пользователя реализуется классическими методами WEB-программирования. Однако и в таком случае использование концепции, навязываемой архитектоникой MWS, приводит к существенно нерациональному использованию вычислительных средств сервера. Также отсутствует механизм контроля работы MWS как такового, что при определенных обстоятельствах может привести к отказу работы всего севера в целом.

Предлагаемое решение этой проблемы на базе COM (Component Object Model — модель компонентных объектов) для реализации сервиса удаленного доступа предполагает полный отказ от MWS, и, по сути, производится полная его замена самостоятельно разработанным приложением. В таком случае появляется возможность реализовать программный шлюз между ядром MATLAB и WEB-сервером, учитывая специфику работы сервиса, что затруднительно было сделать, используя MWS. При этом основная концепция построения системы остается такой же, как и при реализации системы на базе MWS, за тем лишь исключением, что компоненты MWS замещаются специально разработанными подпрограммами. В работе приводится оценка среднего времени обслуживания в условиях коллективного доступа к среде MATLAB через разработанную систему.

Была также рассмотрена система сетевого доступа к МАТЪАВ на базе служб терминала. В таком режиме пользователь получает полный доступ ко всем возможностям и расширениям среды, включая 8нш1лпк, чего не может предоставить \¥ЕВ-технологии. В этом случае каждый пользователь запускает свой независимый от других пользователей экземпляр среды МАТЪАВ в рамках виртуального рабочего стола. В данном случае использование служб терминала можно считать рациональным.

Четвертая глава посвящена имитационному моделированию коллективного сетевого доступа к серверу приложений с целью оценки поведения разработанных систем в различных условиях. Разработанная модель коллективного сетевого доступа учитывает параметры, полученные в ходе ранее проведенных натурных испытаний, что обеспечивает ее актуальность. Модель представляется как набор вложенных циклов и таймеров, которые в общем случае характеризуют определенные этапы «жизни» поступившего на сервер задания. Каждое из заданий выполняется в рамках так называемого виртуального машинного времени, которое совпадает с реальным временем выполнения в условиях наличия лишь одной вычислительной процедуры. Это время разбивается на элементарные временные интервалы, которые

значительно (в десятки и сотни раз) короче продолжительности исполнения задания. Когда в процессе выполнения одного задания возникает новое задание, ход виртуального машинного времени в зоне перекрытия соответствующим образом замедляется.

В качестве параметра, который инкапсулирует в себе все накладные расходы на параллельное выполнение вычислительных процедур, вводится так называемый коэффициент замедления, который определяется как отношение времени выполнения задачи при наличии N параллельных процессов к времени выполнения той же задачи при выполнении единственного процесса.

В результате модель отражает ситуацию, когда на сервер на интервале Т в случайные моменты времени с равномерным распределением вероятностей

Рис. 5. Среднее время обслуживания (Техе)в условиях коллективного доступа N пользователей на интервале Т с равномерным распределением, А^ЕВ-доступ.

поступают заявки на вычисления от N пользователей, а оценивается среднее время обработки вычислительной процедуры (7^). В качестве Т принято Т = 10

Ти при этом величина Т1 выбирается порядка 10 сек (на основе оценки в Главе 2). Полученная характеристика (для Г; = 12 сек) представлена на рис. 5.

Аналогичным образом получены результаты применительно к системе доступа на базе служб терминала, используя при этом в качестве симулируемой вычислительной

программы приложение, созданное также при помощи универсальной среды разработки (рис. 6).

Предложенная имитационная

модель системы сетевого доступа, учитывающая особенности

многопользовательского режима и использующая в качестве параметров результаты реальных экспериментов, позволяет прогнозировать поведение системы в широком диапазоне изменения условий загрузки сервера.

Результаты моделирования системы доступа на базе \^ЕВ-технологий показали динамику роста среднего времени обслуживания при случайном равномерном распределении моментов инициирования вычислительных процедур, что позволяет оценить систему в условиях, приближенным к реальным. Сравнение метода >\Т}В-доступа и служб терминала для моделей, созданных на базе универсальной среды разработки, показало возрастание практически на порядок вычислительных требований последних. Таким образом, использование служб терминала для организации сетевого доступа к рассматриваемому в работе классу моделей можно считать нецелесообразным, если приложение-модель обладает достаточно простым пользовательским интерфейсом.

Т = 10 тх

Рис. 6. Среднее время обслуживания в условиях коллективного доступа N пользователей на интервале Т с равномерным распределением, службы терминала.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1. Разработаны программные решения, позволяющие реализовать инвариантный способ коллективного сетевого доступа при помощи ^УЕВ-технологий к моделям, созданным на базе универсальной среды разработки.

14

2. Показано, что применение предложенного механизма кэширования результатов предыдущих заявок может на порядок понизить время обслуживания при решении рассматриваемых в работе задач. Предлагаемая методика позволяет выбрать параметры настройки программы кэширования, исходя из критерия допустимой погрешности определения вектора выходных параметров.

3. Применительно к моделям, интерфейс которых достаточно прост и может быть сведен к числовым векторам входных и выходных параметров, не требуя высокой интерактивности в процессе решения задачи, показано, что использование \¥ЕВ-доступа обеспечивает экономию ресурсов сервера почти на порядок по сравнению со случаем использования служб терминала. Если же интерфейс модели сложен или используется трудно адаптируемая к сетевому использованию среда моделирования, целесообразно применять сервисы на базе служб терминала, однако в этом случае существенно возрастают требования как к производительности сервера, так и к пропускной способность каналов доступа.

4. Реализован сетевой коллективный доступ к имитационной модели СПТИ, при этом настройка механизма кэширования была осуществлена по предложенной методике на базе приближенных аналитических зависимостей, описывающих поведение параметров функционирования данной СПТИ.

5. Рассмотренный вариант сетевого доступа к специализированной среде моделирования на примере МАТЬАВ продемонстрировал ограничения встроенного в среду инструментария по организации сетевого доступа на базе \¥ЕВ-технологий. Предложенный режим удаленного программирования как на базе этого инструментария, так и на базе модифицированных его вариантов, позволяет обойти ограничения среды по сетевому доступу.

6. Предложенная имитационная модель системы сетевого доступа, учитывающая особенности многопользовательского режима и использующая в качестве параметров результаты реальных экспериментов, позволяет прогнозировать поведение системы в широком диапазоне изменения условий загрузки сервера. Таким образом, модель позволяет оценить среднее время выполнения одной вычислительной задачи из расчета на одного пользователя с учетом вида распределения случайных моментов времени поступления заявок на сервер, а также с учетом различной их интенсивности.

Основные материалы диссертации опубликованы в следующих работах

1. Иванов Д.И., Цикнн И.А. Сетевая реализация стохастических моделей радиотехнических устройств // Известия вузов России. Радиоэлектроника. - 2006. - ЛЪЗ. - С. 34-41.

2. Иванов Д.И., Цнкин И.А. Реализация режима удаленного программирования в специализированной среде моделирования МАТ1АВ // Информационные технологии. - 2008. - Л» 11. - С. 23-27.

3. Иванов Д.И., Цикнн И.А. Удаленный сетевой доступ к специализированной среде моделирования // Научно-технические ведомости СПбГПУ. - 2007. - №4. - Т. 2.- С. 7-12.

4. Иванов Д.И., Цикнн И.А. Режим удаленного программирования в специализированной среде моделирования МАТЬАВ на базе служб терминала // Труды СПбГПУ. Радиотехника, электроника, информационные технологии. — 2008. - №507. - С. 59-62.

5. Д.И.Иванов, И.А.Цикин. Сетевой удаленный доступ к компьютерньм моделям // Компьютерное моделирование 2003: Труды IV Международной научно-технической конференции 2003 г. Санкт-Петербург. - СПб.: «Нестор», 2003. - С. 417-418.

6. Д.И.Иванов, И.А.Цикин. Универсальные клиент-серверные реализации математических моделей физических явлений и процессов // Телематика 2004: Тезисы докладов XI Всероссийской научно-методической конференции 2004 г. Санкт-Петербург. - СПб.: Изд-во Политехнического университета, 2004. - С. 479-480.

7. Иванов Д.И., Цикин И.А. Снижение времени обслуживания при многопользовательском удаленном сетевом доступе к компьютерным моделям // Телематика 2005: Труды XII Всероссийской научно-методической конференции 2005 г. Санкт-Петербург. - Т. 2. - СПб.: Изд-во Политехнического университета, 2005. - С. 505-506.

8. Иванов Д.И., Цикин И.А. Повышение эффективности универсальных клиент-серверных реализаций математических моделей физических явлений и процессов // Компьютерное моделирование 2005: Труды VI Международной научно-технической конференции 28 июня - 2 июля 2005 г. Санкт-Петербург. - СПб.: «Нестор», 2005. - С. 589-591.

9. Иванов Д.И., Цикин И. А. Сетевая реализация компьютерных моделей при большом объеме статистических испытаний // Наукоемкие технологии образования: Межвузовский сборник научно-методических трудов. - №9. - СПб.: Изд-во Политехнического университета, 2006. - С. 102-103.

Ю.Иванов Д.И., Цикин И. А. Сетевая реализация компьютерных моделей при большом объеме статистических испытаний. // Высокие интеллектуальные технологии и инновации в образовательно-научной деятельности: Материалы XIII Международной научно-методической конференции. Т. 1. 16 - 17 февраля 2006 г. Санкт-Петербург. - СПб.: Изд-во Политехи, ун-та, 2006. - С. 117-118.

П.Иванов Д.И., Цикин И.А., Харитонов И.В., Варгаузин В.В. Разработка технологии удаленного коллективного доступа к средам моделирования. // Фундаментальные исследования в технических университетах: Материалы X Всероссийской конференции по проблемам науки и высшей школы 18-19 мая 2006 года, Санкт-Петербург. - СПб.: Изд-во Политехи, ун-та, 2006. - С. 179-180.

12.Иванов Д.И., Харитонов И.В., Цикин И.А. Реализация режима удаленного сетевого доступа к среде MATLAB без использования модуля MWS // Телематика 2007: Труды XIV Всероссийской научно-методической конференции 2007 Санкт-Петербург. - Т. 1. - СПб.: Изд-во Политехнического университета, 2007. - С. 198.

1 З.Иванов Д.И., Цикин И.А., Харитонов И.В., Варгаузин В.А. Разработка технологии удаленного сетевого доступа к специализированной среде моделирования // Компьютерное моделирование 2007: Труды VI Международной научно-технической конференции 26-27 июня 2007 г. Санкт-Петербург. - СПб.: «Нестор», 2007. - С. 107-108.

Лицензия ЛР № 020593 от 07.08.97

Подписано в печать 13.03.2009. Формат 60x84/16. Усл. печ. л. 1,125 Уч.-изд. л.). 125. Тираж 100. Заказ 071.

Отпечатано с готового оригинал-макета, предоставленного автором, в типографии Издательства Политехнического университета. 195251, Санкт-Петербург, Политехническая ул., 29.

Введение.

ГЛАВА 1. СЕРВИСЫ СЕТЕВОГО ДОСТУПА К КОМПЬЮТЕРНЫМ МОДЕЛЯМ.

1.1. Особенности решения задач методом компьютерного моделирования в сетевой среде.

1.2. Особенности проектирования и использования моделей в сетевой среде.

1.3. Концепция реализации многопоточного режима.

1.4. Удаленный доступ к серверам приложений.

1.5. Удаленное программирование.

1.6. Службы терминала.

1.7. Целевой класс моделей.

1.8. Формулировка целей и задач исследования.

ГЛАВА 2. СИСТЕМА УДАЛЕННОГО ДОСТУПА К МОДЕЛЯМ, СОЗДАННЫМ НА БАЗЕ УНИВЕРСАЛЬНЫХ СРЕД

ПРОГРАММИРОВАНИЯ.

2.1. Создание модели в универсальной среде программирования.

2.2. Имитационное моделирование СПТИ как пример вычислительной задачи

2.3. Программная реализация модели обнаружения ошибочных пакетов.

2.4. Реализация управляющего блока сервера моделей на базе WEB-технологий.

2.5. Реализация коммуникационного шлюза.

2.6. Анализ эффективности разработанного способа удаленного доступа на базе WEB-технологий.

2.7. Метод сокращения времени обслуживания на базе алгоритмов кэширования.

2.8. Сетевой доступ на базе служб терминала и оценка базовых показателей качества обслуживания.:.

Выводы.

ГЛАВА 3. РЕАЛИЗАЦИЯ РЕЖИМА СЕТЕВОГО ДОСТУПА К СПЕЦИАЛИЗИРОВАННОЙ СРЕДЕ МОДЕЛИРОВАНИЯ.

3.1. Удаленное программирование на базе MATLAB WEB Server.

3.2. Реализация режима удаленного программирования на базе MATLAB WEB Server.

3.3. Удаленное программирования на базе MATLAB СОМ и его реализация.

3.4. Параметры качества обслуживания при использовании WEB-доступа к специализированной среде моделирования.

3.5. Терминальный доступ к специализированной среде моделирования на примере MATLAB.

Выводы.

ГЛАВА 4. МОДЕЛИРОВАНИЕ КОЛЛЕКТИВНОГО СЕТЕВОГО ДОСТУПА К СЕРВЕРУ ПРИЛОЖЕНИЙ.

4.1. Имитационная модель коллективного сетевого доступа.

4.2. Результаты моделирования системы сетевого доступа на базе WEB-технологий.

4.3. Результаты моделирования системы сетевого доступа на базе служб терминала.

Выводы.

В настоящее время как в научных исследованиях, так и при использовании современных технологий электронного обучения широко применяются методы компьютерного моделирования физических процессов и явлений. Эта эффективная процедура дает возможность целостного изучения поведения наиболее- сложных систем как реально существующих, так и создаваемых для проверки теоретических гипотез.

Сетевая среда позволяет реализовать новые сервисы при решении задач компьютерного моделирования, что расширяет возможности в области коллективного использования моделей. При этом сама модель, устанавливаемая на сервере приложений, может быть исполнена при помощи различных сред проектирования, в том числе и при помощи языков программирования общего назначения.

Большой интерес представляет также ситуация, когда на сервере установлена специализированная среда моделирования, причем размещение такой среды в ПК пользователя может оказаться затруднительным. При этом сами по себе модели могут быть достаточно простыми, так что их создание вполне возможно в режиме сетевого удаленного доступа (режиме удаленного программирования). Подобная ситуация, например, является типичной при использовании технологий дистанционного обучения. Реализация такого режима, так же как и собственно работа с моделями при коллективном доступе к ним, может проводиться как в рамках WEB-тexнoлoгий, так технологий терминального доступа.

Рассмотрение всех возможных классов задач, решаемых методами компьютерного моделирования, в контексте организации и применения сетевого доступа является достаточно сложным. С точки зрения организации сетевого доступа большой интерес представляют задачи, требующие для их решения достаточно продолжительных вычислительных процедур, что бывает затруднительно реализовать на ПК пользователя.

В качестве примера таких задач можно выделить моделирование процессов обработки сигналов в системах телекоммуникаций, включая и задачи статистического синтеза оптимальных алгоритмов такой обработки. Характерной чертой таких моделей зачастую является то, что существенную долю в этих задачах носит имитационная составляющая, основанная на использовании метода статистических испытаний, каждое из которых может представляться набором достаточно простых вычислительных процедур, но с большим числом повторений.

Представляет интерес рассмотреть как различные способы реализации сетевого доступа к компьютерным моделям, так и оценить базовые показатели качества их работы, на основании которых можно будет сделать выводы о целесообразности применения той или иной технологии применительно к определенному классу моделей.

Целью диссертационной работы является разработка эффективных методов коллективного сетевого доступа как к ресурсоемким моделям, созданным при помощи универсальных языков программирования, так и к специализированным средам моделирования в режиме удаленного программирования.

Для достижения обозначенной цели решаются следующие основные задачи:

1. Исследование методов удаленного доступа к ресурсоемким моделям, созданным на базе универсальных сред разработки, и программная реализация такого доступа, учитывающая особенности решаемой задачи (применительно к имитационному моделированию телекоммуникационной системы радиомониторинга).

2. Исследование методов сокращения времени обслуживания на базе механизма кэширования при удаленном доступе к ресурсоемким моделям, созданным на базе универсальных сред разработки.

3. Исследование путей реализации режима удаленного программирования на базе специализированных сред моделирования (на примере программного комплекса МАТЪАВ).

4. Моделирование поведения базовых показателей качества обслуживания с ростом нагрузки на систему доступа.

5. Выработка рекомендаций по выбору технологии удаленного сетевого доступа к компьютерным моделям, создаваемым в различных средах.

Структура диссертации

Диссертация включает введение, четыре главы, заключение и список литературы.

Выводы

Предложенная имитационная модель системы сетевого доступа, учитывающая особенности многопользовательского режима и использующая в качестве параметров результаты реальных экспериментов, позволяет прогнозировать поведение системы в широком диапазоне изменения условий загрузки сервера.

Результаты моделирования системы доступа на базе \¥ЕВ-технологий показали динамику роста среднего времени обслуживания при равномерном распределении случайных моментов инициирования вычислительных процедур, что позволяет оценить систему в условиях, приближенным к реальным. Сравнение методов Д¥ЕВ-доступа и служб терминала для моделей, созданных на базе универсальной среды разработки, показало возрастание практически на порядок вычислительных требований, предъявляемых этими службами. Таким образом, использование служб терминала для организации сетевого доступа к моделям, созданным в универсальной среде разработки и относящимся к рассматриваемому целевому классу моделей, можно считать нецелесообразным, если приложение-модель обладает достаточно простым пользовательским интерфейсом.

Заключение

Основные научные и практические результаты проделанной работы следующие:

1. Разработаны программные решения, позволяющие реализовать инвариантный способ коллективного сетевого доступа при помощи \VEB-технологий к моделям, созданным на базе универсальной среды разработки.

2. Показано, что применение предложенного механизма кэширования результатов предыдущих заявок может на порядок понизить время обслуживания при решении рассматриваемых в работе задач. Предлагаемая методика позволяет выбрать параметры настройки программы кэширования, исходя из критерия допустимой погрешности определения вектора выходных параметров.

3. Применительно к моделям, интерфейс которых достаточно прост и может быть сведен к числовым векторам входных и выходных параметров, не требуя высокой интерактивности в процессе решения задачи, показано, что использование \¥ЕВ-доступа обеспечивает экономию ресурсов сервера почти на порядок по сравнению со случаем использования служб терминала. Если же интерфейс модели сложен или используется трудно адаптируемая к сетевому использованию среда моделирования, целесообразно применять сервисы на базе служб терминала, однако в этом случае существенно возрастают требования как к производительности сервера, так и к пропускной способность каналов доступа.

4. Реализован сетевой коллективный доступ к имитационной модели СПТИ, при этом настройка механизма кэширования была осуществлена по предложенной методике на базе приближенных аналитических зависимостей, описывающих поведение параметров функционирования данной СПТИ.

5. Рассмотренный вариант сетевого доступа к специализированной среде моделирования на примере МАТЬАВ продемонстрировал ограничения встроенного в среду инструментария по организации сетевого доступа на базе \УЕВ-технологий. Предложенный режим удаленного программирования как на базе этого инструментария, так и на базе модифицированных его вариантов, позволяет обойти ограничения среды по сетевому доступу.

6. Предложенная имитационная модель системы сетевого доступа, учитывающая особенности многопользовательского режима и использующая в качестве параметров результаты реальных экспериментов, позволяет прогнозировать поведение системы в широком диапазоне изменения условий загрузки сервера. Таким образом, модель позволяет оценить среднее время выполнения одной вычислительной задачи из расчета на одного пользователя с учетом вида распределения случайных моментов времени поступления заявок на сервер, а также с учетом различной их интенсивности.

1. Вентцель Е.С., Овчаров JI.A., Теория случайных процессов и ее инженерные приложения, М.: Издательский центр "Академия", 2003.

2. Кудряшов Д.А., Цикин И.А., Исследование эффективности метода циклической избыточности при информационном обмене в системах мониторинга удаленных объектов, XXXII Неделя науки СПбГПУ, Материалы межвузовской научной конференции, 2003 год.

3. Болдырев Ю.Я., Нечуятов А. А. «Опыт применения компьютерных технологий инженерного анализа и проектирования при решении сложных проектно-конструкторских задач » // Международная Научная Конференция. И-Б-М. МОСКВА. 19-21 июня 2007 г. С. 87-88.

4. Луговской В.И., Синявский К.С., Гааб В.И, Математическое моделирование. М.: Наука, 1997. - 356 с.

5. Владимир Линдваль, Геннадий Щербаков, Юрий Евдокимов, Lab VIEW для радиоинженера. От виртуальной модели до реального прибора. Издательство "ДМК Пресс", 2007 г. 400 стр.

6. Hunt B.R., Matlab. Официальный учебный курс Кембриджского университета, Издательство "Триумф", 2008 г., 352 стр.

7. Евгений Алексеев, Оксана Чеснокова, Matlab 7, Издательство "НТ Пресс", 2006 г. 464 стр.

8. Кетков А., Кетков Ю., Шульц М., MATLAB 7. Программирование, численные методы, Издательство "BHV-Санкт-Петербург", 2005 г. 752 стр.

9. Дьяконов В. П., MATLAB 6.5 SP 1/7.0 + Simulink 5/6 в математике и моделировании, Издательство "Солон-пресс", 2005 г. 576 стр.

10. O.Apache для профессионалов. / П. Уэйнрайт: Nó Name, 2001. 496 с.

11. С.Д.Кургалин, В.В.Расхожев, Система удаленного доступа к параллельному компьютерному кластеру, труды XI Всероссийскойнаучно-методической конференции "Телематика'2004", СПб 2004.

12. Microsoft Corporation. Принципы проектирования и разработки программного обеспечения. Учебный курс MCSD. /Пер. с англ. 2-е изд., испр. - М: Издательско-торговый дом "Русская Редакция", 2002. - 736 стр.: ил.

13. Альманах программиста, том III: Платформа 2003, Windows 2003 сервер, IIS 6.0, Office, System. /Сост. Ю.Е.Купцевич. M.: Издательско-торговый дом "Русская Редакция", 2003.

14. Microsoft Corporation. Межсетевое взаимодействие. Ресурсы Microsoft Windows 2000 Server. /Пер, с англ. М.: Издательско-торговый дом "Русская Редакция*, 2002. - 736 е.: ил.

15. Microsoft Corporation. Распределенные системы. Книга 1. Ресурсы Microsoft Windows 2000 Server. /Пер, с англ. М.: Издательско-торговый дом "Русская Редакция", 2001. - 864 е.: ил.

16. Borland С++ Builder 6. Разработка приложений баз данных. / Послед Б.С.: ДиаСофт.

17. С++ Builder 6: справочное пособие. Книга 1. Язык С++. / Архангельский А.Я.: Питер, 2004. 544 с.

18. С++ Builder 6: Справочное пособие: Книга 2: Классы и компоненты. / Архангельский А.Я.: Питер, 2004. 528 с.

19. Qt. Профессиональное программирование на С++ / Шлее М.: BHV-Санкт-Петербург, 2005. 544 с.

20. Искусство программирования на С++. / Шилдт Г.: BHV-Санкт-Петербург, 2005. 474 с.

21. Объектно-ориентированный подход: Java .Net С++ Издание 2. / Вайсфелд М.: КУДИЦ-ОБРАЗ, 2005. 336 с.

22. Основные концепции структур данных и реализация в С++ (+ Web-сервер). / Кен Браунси: Вильяме.

23. Microsoft Corporation. Разработка инфраструктуры сетевых служб

24. Microsoft Windows 2000. Учебный курс MCSE. /Пер. с англ. M: Издательско-торговый дом "Русская Редакция", 2001. - 992 стр.: ил.

25. Microsoft Corporation. Управление сетевой средой Microsoft Windows 2000. Учебный курс MCSA/MCSE. /Пер. с англ. М.: Издательско-торговый дом "Русская Редакция". 2003. - 896 стр.: ил.

26. В.Г. Олифер, Н.А. Олифер. Компьютерные сети: Принципы, технологии, протоколы.

27. Фролов А.В., Фролов Г.В. Базы данных в Интернете: практическое руководство по созданию Web-приложений с базами данных. Изд. 2-ое, испр. - М.: Издательско-торговый дом "Русская Редакция", 2000. - 448 е.: ил.

28. HTML в действии. 1-е издание. / Б. Морис СПб: Питер, 1997.

29. Вильямсон X. Универсальный Dynamic HTML. Библиотека программиста. СПб.: Питер, 2001. - 304 е.: ил.

30. Web-протоколы. Теория и практика. / Кришнамурти Б., Рексфорд Дж.: Бином.

31. Интернет-программирование. / Шапошников И.В.: No Name, 2000. 224 с.31 .Уроки Web-мастера. Технология и инструменты. Практическое пособие. / Гультяев А.К., Машин В.А.: КОРОНА принт, 2004. 448 с.

32. Т. Кристиансен, Н. Торкингтон, Perl. СБб.: Питер, 2000. 726 с.

33. Уильям Р. Станек. Internet Information Services 5.0. Справочник администратора. /Пер. с англ. М.: Издательско-торговый дом "Русская Редак- ция*, 2002. - 464 е.: ил.

34. Рихтер Дж. Windows для профессионалов: создание эффективных Win32-приложений с учетом специфики 64-разрядной версии Windows. /Пер, с англ. 4-е изд. - СПб: Питер; М.: Издательско- торговый дом "Русская Редакция", 2004. - 749 е.: ил.

35. Ханикат Дж. Знакомство с Microsoft Windows Server 2003. /Пер. с англ.

36. M.: Издательско-торговый дом "Русская Редакция", 2003. 464 е.: ил.

37. Microsoft Windows и Internet. / Сокольский M.: Майор.

38. Безопасность в Windows ХР. Готовые решения сложных задач защиты компьютеров. / Крис Вебер, Гэри Бадур: DiaSoft.

39. Бернард Трич. Microsoft Windows Server 2003. Службы терминала. ISBN 5-7163-0119-3, 2006 год. 688 с.

40. Кудряшов Д.А., Цикин И.А. Вероятностно-временные характеристики двунаправленной радиосистемы передачи тревожных извещений.// Научно-технические ведомости СПбГПУ. Информатика. Телекоммуникации. Управление. 2008. - 5. - С. 41 - 45.

41. JavaScript. Подробное руководство, 4-е издание. / Флэнаган Д.: Символ-Плюс, 2004. 955 с.

42. Валентин Томашевский, Имитационное моделирование в среде GPSS, Издательство "Бестселлер", 2003 г. 416 стр.

43. Рыжиков Ю.И., Имитационное моделирование: Теория и технологии, Издательство "Альтекс-А", 2004 г. 380 стр.

44. Александр Бражник, Имитационное моделирование: возможности GPSS World, Издательство "Реноме", 2006 г. 440 стр.

45. В.Д.Далека, А.С.Деревянко, О.Г.Кравец, Л.Е.Тимановская. Модели и структуры данных. Учебное пособие. / Харьков:ХГПУ, 2000. 241с.

46. Вигерс Карл. Разработка требований к программному обеспечению. /Пер, с англ. М.: Издательско-торговый дом "Русская Редакция", 2004. -576с.: ил.

47. Stig Bakken, Egon Schmid и др Руководство по РНР (на английском и русском языках). Сборник. /Группа документирования РНР, 1997 2003.

48. Александр Мазуркевич, Дмитрий Еловой. РНР: настольная книга программиста /Мн.: Новое знание, 2003. 480 е.: ил.

49. Аргерих JI. и др. Профессиональное РНР программирование, 2-е издание. Пер. с англ. - СПб: Символ-Плюс, 2003. - 1048 е., ил.

50. Конноллн, Томас, Бегг, Карелии. Базы данных. Проектирование, реализация и сопровождение. Теория и практика. 3-е издание.: Пер. с англ. М.: Издательский дом "Вильяме", 2003. - 1440 с. : ил. - Парал. тит. англ.

51. Райордан Р. Основы реляционных баз данных. /Пер, с англ. М.: Издательско-торговый дом "Русская Редакция", 2001. - 384 е.: ил.

52. Гурвиц Майкл, Мак-Кейб Лора. Использование Macromedia Flash MX. Специальное издание.: Пер. с англ. М.: Издательский дом Вильяме,2003. 704 е.: ил. - Парал. тит. англ.

53. Microsoft Corporation. Microsoft Internet Security and Acceleration Server 2000. Учебный курс MCSE/Пер. с англ. 2-е изд., испр. - М.: Издательско-торговый дом "Русская Редакция", 2003. - 400 стр.: ил.

54. TCP/IP. Архитектура, протоколы, реализация. / С. Фейт: No Name, 2003. -448 с.

55. TCP/IP. Семейство протоколов передачи данных в сетях компьютеров. / Остерлох X.: ДиаСофт.

56. TCP/IP. Сетевое администрирование, 3-е издание. / Хант К.: Символ-Плюс.

57. Основы построения телекоммуникационных систем и сетей. Учебник для вузов. / Крухмалев В.В.: Горячая линия-Телеком, 2004. 510 с.

58. Сетевые операционные системы. / Олифер В.Г., Олифер Н.А.: No Name,2004. 544 с.

59. Сетевые распределенные вычисления. Достижения и проблемы. / Мак К. Гофф: КУДИЦ-ОБРАЗ, 2005. 320 с.

60. CSS: каскадные таблицы стилей. Библиотека профессионала, 2-е издание. / Кейт Шенгили-Робертс: Вильяме.

61. MCSE: Проектирование безопасности сетей Windows 2000. Учебное руководство. MCSE. Экзамен 70-220. / Г.Гованус и др.: No Name, 2001. -704 с.6¡.Безопасность IIS: Справочник профессионала. / Джост М., Кобб М.: No Name, 2004. 527 с.

62. Приемы программирования в C++Builder. / Архангельский: Бином, 2004. -650 с.

63. Программирование на BORLAND С++ для профессионалов. / Шилд Г.: ACT.

64. Радиотехнические системы передачи информации: учеб. пособие для ВУЗов / В.А. Борисов, В.В. Калмыков, Я.М. Ковальчук и др.; под ред. В.В. Калмыков. М.: Радио и связь, 1990. - 304 с.65 .http ://www.ergeal.ru/archive/cs/Smell/datlink.htm

65. А.Я. Архангельский. Программирование в C++Builder 6. М.: ЗАО «Издательство БИНОМ», 2002. - 1152 с.67.http://www.msdn.microsoft.com

66. Бранденбау Д., JavaScript: сборник рецептов. СПб.: Питер, 2000. - 416 с.

67. Ал Вильяме, Системное программирование в Windows 2000 для профессионалов. СПб.: Питер, 2000. - 272 с.

68. А. Вишневский, Сетевые технологии Windows 2000 для профессионалов. СПб.: Питер, 2000. - 592 с.

69. Ари Каплан, Мортен Ш. Нильсен, Windows 2000 изнутри. М.: ДМК, 2000. - 400 с.

70. А. Шевель, Д. Лаурет, Опыт построения вычислительного кластера, Открытые системы, #11/2001.73 .Павел Храмцов, Лабиринт Internet, ООО «Электроинформ» 1995.