автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.10, диссертация на тему:Структурная и параметрическая адаптация в развивающейся компьютерной сети управления техническим вузом

■"л О :' - \ 1 1

и й

На правах руношои

КОШКИНА Ольга Александровна

СТРУКТУРНАЯ I ПАРАЫЕТШЧЕСКАЯ АДАПТАЦИЯ В РАЗВИВАЩЕЙ'СЯ КШПШГЕЕНОЙ СЕТИ УПРАВЛЕНИЙ ТЕХНИЧЕСКИМ ВУЗОМ

Специальность 05;13.10 - Управление в социальных и экономических системах

АВТОРЕФЕРАТ

диооартации на соиокаяке учено! степени кандидата технических наук

Воронеж - 1998

Работа выполнена в Воронежском государственно» техническом университете

Научный руководитель

Официальные оппоненты:

кандидат технических Е1аук, доцент Юрасов В.Г.

доктор технических наук Пиголин В.М.

кандидат технических наук Сумин В.И.

Ведущая организация Воронежски! региональный центр

информатизации

Защита состоится 4 декабря 1998 г. в часов в

конференц-зале на заседании диссертационного совета Д 063.81.02 Воронеиского государственного технического университета по адресу: 394026 Воронеж, Московские просп.,14.

С диссертацией модно ознакомиться в библиотеке Воронежского государственного технического университета

Автореферат разослан "_"_ноября_1998 г.

Ученый секретарь диссертационного совета Д 063.81.02 х ¿л. Львович Я.Е.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность теш. Новая компьютерная цивилизация на ваших глазах стремительно проникает во все облаоти чвловечвокой деятельности. Возникает воемириая сеть компьютерных технологий: электронные издательства, интерактивные информационные службы, электронные ймлетвки новоогей, индустрия баз данных, службы телетематики, видеотекст и компьютерная передача изображений, автоматизированные завода и электронные учреждения.

Разнообразие компьютерных систем и электронных информационных услуг многократно возросло за последние 10 лет и продолжает Еопрерывно увеличиваться. Постоянно совершенствуются юпявваа :. элементы новых информационных технологий - компьютеры, базы данных, телекоммуникации, интерактивные интерфейсы вваимодейогвия человека о компьютером.

Многообразие задач управления вузом' приводит к постоянной^ развитию компьютерных сетей, обеспечивающих их решение. Такое развитие связано с подключением новых ЭВМ, изменением конфигурации локальных вычислительных сетей, интеграции локальных подсио-тен.Каздое изменение приводит к динажнчеоким процессам показателей в фиктивности функционирования сети к онихеняю их уровня. Для поддержания стабильного уровня показателей развивающейся компьютерной сети управления требуется включать а отруктуру промежуточные уровни обработки и передачи информации, переотрукту-рнровать топологию входящих в сеть локальных вычислительных систем, изменить параметры серверов. Такие меры позволяют провести адаптацию сети, таким образом, актуальность темы определяется необходимостью разработки методов моделирования и рационального выбора при структурной и параметрической адаптации развивающейся компьютерной сети управления вузом.

Работа выполнена в соответствии о межвузовской комплексной научно-технической программой 12.11 "Перспективные информационные технологи в высшей школе в рамках одного из основных научных направлений Воронежского государственного технического университета "САПР и системы автоматизации производства".

Цель и задачи исследования. Целью диссертации является разработка комплекоа моделей и алгоритмов структурной и параметрической адаптации развивающейся компьютерной сети технического вyäa, обеспечивающего эффективное уцравлепже образовательного учреждения как социальной системы.

Для достижения поставленной цеди необходимо ресшть следующие основные задачи:

анализ задач управления технячеышд вузом на базе хоыпъютер-ных сетей и обоснование требований к вузовским информационно-те-лекоммуникациоинш структурам как разЕявамцкыся сжсгеыам;

разработка оптимизационных моделей и алгоритмов структурной адаптации дата рационального выбора вариантов развития компьютерной сети на коипонентнон и топологической уровнях;

формирование динамической модели показателей эффективности принятая упращенчеоЕЕХ решэннй на ооновэ информационно! оистеш. вуЗа к ее использование в режиме имитационного эксперимента при адаптивном выборе граничных параметров функционирования развивающейся сети»

реализация разработанных моделей я алгоритмов для повышения эффективности многоуровневой системы уаравления Воронежским государственным технический университетом в условиях развивающейся компьютерной сети.

Методы исследования. Решение аадач проводилось о использованием методов имитационного моделирования, адаптивных методов, теория распознавания образов, иатема плоского программирования. Достоверность теоретических нсследованзгй подтверждена результатами раапюацни моделей, алгоритмов при решении практических задач развиваюцайся компьютерной сети управления тохвическим вузом.

Научная новизна. В диссертация получены следящие ооновныз результата, характеризующиеся научной новизной:

оптимизационная модель структурной адаптации компьютерной сети на компонентном уровне, позволяющая свеоти проблему перераспределения задач управления при введении новых серверов к минимизации линейного функционала на целочисленных векторах при линейных ограничениях и обвопечивапдая аффективное решение на базе алгоритма рандомизированного поиска;

алгоритм структурной адаптации топологической древовидной компьютерной сети управления по минимальной стоимости при ограничениях на максимальный трафик, отличающийся двухфазной процедурой подключения узлов новых подграфов развивающейся системы управления вузом к "центральному" узлу;

алгоритмическая схема формирования математической модели динамического процесса изменения показателей развивающейся сети в зависимости от ступенчатых изменений загрузки новыми задачами управления, обеспечивающая выбор структуры переходной функции, 'определения ее коэффициентов в сочетании с верификационными процедурами;

адаптивно-имитационная процедура выбора граничных режимов перехода к новой структуре развивающейся сети, отличающаяся математическими приемами параметрической адаптации на основе вероятностной оценки чувствительности выходных параметров по динамической модели к случайным изменениям внешних воздействий.

Практическая ценность работы заключается в следующем: разработана структура вузовской информационно-вычислительной сети (на базе ВГТ7);

разработаны модели и алгоритмы для повышения эффективности многоуровневой системы управления ВГГУ в условиях развивающейся компьютерной сети;

разработаны оптимизационные модели и алгоритмы структурной адаптации для рационального выбора вариантов развития компьютерной сети на компонентном и топологическом уровнях.

Реализация результатов работы. Научные результаты разработок, изложенные в диссертации, внедрены в методические рекомендации и указания по выполнению лабораторных работ, курсовое и дипломное проектирование по курсу "ЭВМ и переферийные устройства" специальности 051312 "Системы автоматизированного проектирования" и по нурсу "ЗВМ и системы" специальности 071900 "Информационные системы".

Апробация работы. Результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на Всероссийском совещании-семинаре "Математическое обеспечение информационных технологий в технике, образовании и медицине"* (Воронеж, 1996,1997); Всероссийском совещании-семинаре "Высокие технологии в технике, медицине и

образовании" (Воронеж, 1996,1997,1998); Всероссийском совещании-семинаре "Высокие технологии в региональной информатике" (Воронеж, 1998).

Публикашзд. Основные результаты диссертации нашли свое отражение в 8 опубликованных работах.

Структура и объем работы. Диссертация составляет 120 с. и состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литуратуры из 85 наименований, приложения, содержит 19 рисунков и 5 таблиц.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность работы диссертации, ее новизна, сформулированы цель и задачи исследования.

Первая глава посвящена анализу характеристикам задач управления л особенностям развития компьютерных сетей в высшей школе, рассмотрена постановка и решение задач адаптивного управления применительно к МИСУ.

В настоящее время в системе выспей школы происходит внедрение новейших средств телекоммуникаций в образование и научные исследования.

Эффективность функционирования компьютерных сетей как развивающихся систем, определяется возможностью структурной и параметрической адаптации. Для того, чтобы определить основные направления в решении этих задач, рассматриваются компьютерные сети управления техническим вузом как многоуровневые иерархические системы управления (МИСУ).

Рассматривается постановка и решение задач параметрической адаптации (адаптивного управления) применительно к МИСУ о числом уровней иерархии больше двух. При рассмотрении П-уровневых систем оптимизации считаем, что влияние возмущений полностью определено некоторой моделью (может быть и вероятноотной), так что система в целом работает в заданных условиях. Общая часть и частные задачи, на основе которых ищется решение, являются задачами параметрической оптимизации.

Воспользовавшись целевыми свойствами многоуровневой системы, определяем стратегию координации и процедуры управления при решении общей задачи оптимизации. Решение указанной задачи возможно на основе определения совокупности двухуровневых систем, вложенных в исходную.

Введем вложенную двухуровневую систему /2 -го уровня сложности. В этом случае координирующий элемент Сс уровня /2 исходной структуры представляет собой координирующий элемент Сс второго уровня двухуровневой структуры. Координирующие элементы .,/ = I..... Га / , (/2-1)-го уровня исходной структуры являются управляющими элементами первого уровня вложенной двухуровневой системы. В качестве управляемых подпроцессов для управляющих элементов С,1-(У ; у = I.....Кг-/ вложенной двухуровневой системы выступают объединенные подпроцессы /-*л• /у , равные последовательному объединению исходных подпроцеосов , находящихся в подчинении управляющего элемента С/г-^у^ иоходной системы. Очевидно подпроцессов • будет столько, сколько тлеется подсистем С а-о, / - /, ■ /*-/, т.е. При этом выходы объединенных подпроцессов Аг-/Ту совпадают с выходами Уг реального подпроцесса /2- , если получен последовательным объединением подпроцессов от /¡7 до /" включительно. Указанное также справедливо и для связующих сигналов и Ар (¿.^ и совокупности управляющих сигналов относящихся к .подпроцессу Рл-/,/ .

\il-I.L , И'аЧА.

Г, . —тг

УнЛг, Мл-</пч

'о™'. 0 ■ ^ ' о г 1 Ц;<.'*-<

1:1-1,] = I О = У

УыА-1

х

Рис.1. К построению стратегий координации а многоуровневой иерархической структуре. Эквивалентная двухуровневая структура Л- -го уровня сложности

Тогда в соответствии с целевыми свойствами для вложенной двухуровневой системы (рисД) существуют целевая функция уровневые частные целевые функции . ^ и

смежная функция V;-, • которые определяют отображение

б

где , £ - вектор управляющих сигналов для объединенно-

го подпроцесса

Аналогично можно определить семейство вложенных двухуровневых систем (П--1)-го уровня сложности, последовательно для семейства вложенных двухуровневых систем 1-го уровня сложности.

Таким образом, учитывая, что существует последовательность уровневых целевых функций, соответствующих семействам вложенных двухуровневых систем того или иного уровня сложности, то возможно осуществление управления в рамках МИСУ на основании принципов координации для двухуровневых систем. Вопросы структурной адаптации в МИСУ сводятся к выбору количества подсистем на каждом уровне иерархии.

На основании проведенного анализа сформулированы цели и задачи исследования.

Во второй главе разработан принцип рационального выбора новых компонентов сети (распределение) задач по вычислительным серверам сети ЭВМ). В качестве кибернетико-математжческих исследований в применении к рассматриваемому социальному объекту предложен алгоритм структурной адаптации древовидной топологической структуры с ограничениями типа минимальной стоимости.

Задача распределения заявок по серверам сети может быть поставлена следующим образом.

Современная сеть технического вуза включает подсеть базовых вычислительных серверов, на которые замкнуты локальные вычислительные сети подразделения вуза. Эта сеть имеет множество компьютеров Я и множество задач X , которые предполагается выполнить в сети, цусть А состоит из Л серверов, а X - из Щ независимых друг от друга задач.

Для каждого сервера О-и Я задана доступная мощность, измеряемая в вычислительных операциях в сутки. В соответствии с множеством Л имеется вектор р , Рп) доступных вычисли-

тельных ресурсов всей сети. Пусть стоимость единицы ресурса одинакова по всем серверам множества А и что каждые два сервера 0,1 и ¿¿у обмениваются между собой по одному кратчайшему маршруту длиной Г^ .

В качестве меры длины маршрута будет определяться не физическое расстояние по каналам связи, а среднее время передачи пакета данных между узлами С и J . Время передачи Лу берется в секундах. В соответствии с множеством Л существует квадратная матрица И~ // // ранга времен передачи пакетов между узлами. По всем задачам множества X существует вектор :1т) требуемых ресурсов.

По каждой задаче Хь£ X дан вектор Ъ\ ~(2 7с, -, Кп)> определяющий интенсивность обмена (байт/сут.) задачи „"С с каждым сервером множества А . По всей совокупности задач имеет прямоугольную матрицу V" размера Я7 */1 , составленную из векторов '¿С, •/ ^ с ГП . Кавдую зада^цг множества X можно выполнять на любом одном сервере множества, т.е. распараллеливание задач недопустимо.

Пусть в сети передачи данных мевду серверами нет каких-либо ограничений на пропускную способность каналов связи и процессов передачи данных.

Необходимо сформироватз, такое распределение уд , для которого время передачи данных абонентами и задачами будет минимальным.

При изложенных допущениях задача распределения математически формулируется следующим образом.

Даны множества. Л и X ,. предоставленные соответственно кортежами

где р _ векТор допустимых вычислительных ресурсов;

¡1 - матрица времен,передачи данных между серверами;

2 - матрица интенсивности обмена задач с серверами.

Требуется найти такое отображение $ Л > чтобы

(I)

О при о SZJ

закреплена ли задача -Х^ , за серве-

ром ,

h ' '

' Ч

I. ^filXi^dj (2)

О, в противном л I 1Л 1

«п

при условии ¿Г ~Z-L hij ^ Pj для всех Q.C- А .

Очевидно, что такая постановка также позволяет минимизировать ai (fi) .

Приведена одна из возможных числовых интерпретаций такой постановки.

Представим вектор Z в виде ГП -мерного вектора-столбца,

Z = ( ^ ] ' где ¿--t ~ oc5t>eM вычислений для задачи JCi . Тогда функцию J> можно представить характеристической функцией (матрицей) И ее графика, т.е. /Jr//htj//, t ■■,

Скалярное произведение векторов /// Z ~ 2L fc/'Z, равно

используемому объему ресурса сервера , а произведение /ъ. с.

(матричное)

представляет собой вектор Sy ~ Jt

компонент которого равен интенсивности обмена мевду серверами ¿2^' и CLj . Определим в векторе Sj\, S'ij - О при <> -J . Квадратную матрицу ранга /2 значений Scj обозначим о .

Суммарный поток мевду серверами есть функция распределения

J>

• (3)

где 2// - вектор-столбец матрицы [/, а суммарный поток мевду задачами и абонентами не зависит от распределения уЗ

/п

Л- ; (4)

Тогда

¿w - ¿îZxj £ »** *

»z

(5)

В качестве кибернетико-математических исследований в применении к рассматриваемому социальному объекту предложен алгоритм структурной адаптации древовидной топологической структуры сети. В работе рассмотрен алгоритм Исау-Вильямса ¿'/УОР t в котором "центральный" узел фиксируется под номером I и считается, что пропускные способности всех ветвей равны с{ .

Особенностью предлагаемого алгоритма является изменение порядка подключения узлов к "центральному" и учет дополнительной экономии ст подключения узлов между собой, а не к "центральному". Вводится величина экономии от подключения узла I к узлу у вместо подключения к "центральному" узлу:

Третья глава посащена формированию динамической модели показателей эффективности функционирования сети и адаптивному выбору параметров на основе этой модели.

Многоуровнввость информационно-телекоммуникационной сети (КТС) приводит к постоянному изменению ее состава за счет подключения новы:: абонентов и промежуточных узлов. Фактически, это означает ступенчатое изменение загрузки сети дополнительными информационными массивами

I г/ £<о

ЬМ- ¡'¿'их,. 1« (6)

под влиянием воздействия (6) показатели ИТС меняются по следующему закону

! У/к

где V/* (к) - изменение J -го показателя под влиянием А. -го воздействия ступенчатого типа, /г, Г, Т - параметры описания. (7), которые являются функциями величины внешнего воздействия А/. »

Под влиянием внешнего воздействия Х(Ь) , все компоненты которого меняются по ступенчатому закону, закон изменения показателей определяется выражением.

К". (в)

Построение математической модели процесса функционирования ИТС складывается из следующих этапов;

а) проведения однофакторного или много^акторного эксперимента по изучению изменений определяющих показателей под ступенчатым воздействием внешних факторов;

б) формирования математической модели по полученным в процессе исследования временным рядам процесса $ункцконкровавкя ИТС графическим методом.

Анализ результатов эксперимента проводятся с помощью следующих статистических оценок. При верификации прогнозов динамического процесса вычисляются дисперсии .1)/ и соответственно доя интервалов £^/2 а 6, 6 ].

Если J)> !д] < , где - табличный критерий

Фишера, то построенные модели пригодны для прогнозирования временных изменений показателей ИТС. В противном случае увеличиваем время эксперимента и исключаем источники неоднородности.

Далее при"наличии математического описания процесса функционирования ИТС технического вуза выбираем граничные раис.ш на основе адаптивно-имитационного подхода я реиавм задачу параметрической адаптации, т.е. определяем граничные редимы внешних воздействий Ху (]' = £п) , при которых нарушается работоспособность КГС.

Дла имитационного выбора граничных режимов используем стохастический подход, совмещенный с некоторыми эвристическими предположениями, связанными с оценкой чувствительности определяющих выходных параметров к изменениям вниишю: воздействий.

Классификацию определяющих выходных параметров проводим с применением адаптивных процедур по критерию стабильно с та функционирования ИТС

V А: -- № ~ * — ' (9)

где А - номер временного интервала;

у* - текущее значение определяющего выходного параметра.

Ранжирование внешних воздействий (с целью выбора оптимальной последовательности), определение значений внешних факторов проводим с использованием тек же процедур по критерию поддержания работоспособности в граничной области

УСг, ¿.) = (¡А у) ^ ^г, (ю)

где ~ граничное значение определяющего выходного

параметра.

Классификация определяющих выходных параметров основывается на определенна параметра, характеризующегося наибольшей чувствительностью к изменении внешних воздействий на данном временном интервале. Для алгоритмического воплощения задачи классификации рассмотрим работу алгоритма, состоящего из двух частей;

1) генерирование случайной величины в еоответстзии_с распределением вероятностных оценок значимости РУс /¿= и выбора параметра в соответствии с ее реализацией;

2) настройки вероятностной оценки значимости РУг по признаку наибольшой чувствительности.

При покоординатном поиске внутренним параметром алгоритма является номер координаты С . Далее проводим рандомизацию параметра (- , т.е. считаем, что - некоторая дискретная величина, имеющая следующее распределение:

С, | £_; 2 I . '•* 1 ^

~~РУ~~\ РкГ"Г РУг ! ••• I А*»'

Для того, чтобы вотислить очередное значение . нахо-

дим значение сдлайного числа ^ , равномерно распределенного на интервале /0,1 ] . _3атем сравниваем J . Есла %<РУ{ , то г.' - I; если $ > РУ/ , то сравниваем у7 с РУ / /н: ; и если РУ,гР'У- , то С = 2 и т.д.

Для поиска гранячннх режимов внешних воздействий -Ху , по наиболее чувствительному определяющему выходному параметру применяем двухуровневый алгоритм. Первый уровень реализуем с помощью случайной модификации Гаусса-Зейделя

- 12

где еЛ- / - очередное^ -ое испытательное внешнее воздействие, принимающее дискретные значения; ьАу - значение очередного рабочего интервала; /С - номер интервала в начальный момент А ~ I; у - номер испытательного внешнего воздействия, принимающий значения от I до /? . ^

Второй уровень позволяет проводить настройКУ интервала Л, адаптивно с использованием правила локальною улучшения

(I»

Далее настройку вероятностных оценок значимости РЛу {у? ¿7?), привлечения координат к поиску, производим слодующш образом. Если на А- -ом интервале реализация ^ -у§ , то в соответствии с (II), (12) осуществляется изменение испытательного внв1шего воздействия Ху и определится величина наиболее чувствительного выходного параметра . Посл| этого рассчитываем вероятностна оценку значимости Р^у

пул - _Р^Л ' (13)

при УСЛОЕИИ РХ; =а I,

■ А У

где РХ, - вероятностная оценка значимости в интервале 0,1 ; - величина очередного рабочего интервала; А - номер интервала в-рабочий момент «= I; ^ - номер испытательного внешнего воздействия,

принимающий значения от I до /I .

у А.

Выбор величины рабочего интервала 6-у производим адаптивно с использованием правила локального улучшения

где ус гр - граничные значения определяющего выходного параметра.

Структурная схема алгоритма выбора граничных режимов функционирования ИГС изображена на рис.2.

Использование двухуровневого алгоритма (13), (14) приводит к тому, чю поиск границы /> -го внешнего воздействия осуществляется дс тех пор, позса определяющие выходные параметры находятся в области допустимых значений.

Изложенный адаптивный подход к выбору граничных режимов позволяет путем проведения имитационного эксперимента определить:

1) структуру граничных состояний ИТС;

2) граничные ретшаы функционирования ИТС.

Б четвертой главе рассмотрены принципы формирования корпоративной информационно-вычислительной сети вуза, разработана структура вузовской информационно-вычислительной сета (ИБС).

Структура ИБС представляет собой многоуровневую сеть, узлами которой я&аяются отдельные автоматизированные рабочие места, а каадый уровень объединяется узлами структурных подразделений вуза, В ИБС сети Еуза зцделены два основных комплекса: учебный и административно-хозяйственный, в свою очередь в последнем выделены три подкомплекса: "Кадры-ПФО-Зарплата", "Бухгалтерские задачи", удаленные АРМа ("Ректорат", "Кафедра" и т.д.), которые обмениваются лнформацигй через модельную связь и электронную почту университета. Учебный комплекс включает в себя АРМ "Деканет",, "Учебное правление", "Подготовительный факультет", "Приемная комиссия", "Военный стол". Между АРМ предусматривается связь по информации, осуществляемой обменом файлами, нередавао-МЫ№ по модемной связи.

Цель создания ИБС университета- обеспечение высокого качества и оперативности управления подразделениями и службами, совершенствование документооборота, снижение затрат на сбор, корректировку и передачи информации за счет использования новых информационных технологий, обеспечение возможности подключения к региональным и мировым информационным системам, создание собственных банков данных.

Основными результатами работа являются следующие:

I. Дан анализ характеристикам задач управления и особенностям развития компьютерных сетей в высшей школе. Были определены этапы проектирования вузовских информационно-вычислительных сетей на практике.

Рис.2. Структурная схема алгоритма выбора граничных режимов функционирования ИТС

2. Предложена постановка и решение задач параметрической адаптации (адаптивного управления) применительно к ШОУ.

3. Разработан и предложен унифицированный алгоритм структурной адаптации древовидной топологической структур« с ограничениями типа минимальной стоимости, который показал лучшие результаты по сравнению с существующими.

4. Разработаны оптимизационные модели и алгоритмы структурной адаптации для рационального выбора вариантов развития компьютерной сети на компонентном и топологическом уровнях.

5. Сфоргяярована динамическая модель показателей эффективности принятия управлокческих решений на основе информационной системы вуаа и ее использование в режиме имитационного эксперимента иря адаптивном экборе гранлчных параметров функционирования развивающейся сети.

6. Разработаны »toi ели и алгоритмы для повышения эффективности многоуровневой системы управления ВГГУ в условиях развивающейся компьютерной сети.

7. Проведен анализ информационных и вычислительных ресурсов технического университета.

8. Разработана структура вузовской ИВС на базе АРМ. Она позволяет предоставить цифровой сети единую транспортную платформу, обеспечить заибодее эффективны?/ образом использование широкопаюсных цифровых каналов для передачи непрерывных и дкез^етных информационных потоков.

9. Результаты розгаботок внедрены в методические указания и рекомендации по выполнению лабораторных работ, курсовое и дипломное проектирование по курсу "ЭВМ и переферийныо устройства" специальности 05I3I2 ''САПР", "ЭВМ и системы" специальности

071900 "Информационные системы".

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ ОПУБЛИКОВАНО В СЛЕДУЮЩИХ РАБОТАХ:

I. Кошкина O.A., ¡Срасов В.Г. Математическое моделирование процесса функционирования информационно-телекоммуникационной сети технического вузп // Высокие технологии в технике, медицине и образовании: Медвуз, сб. научн. тр. Воронеж: ВГГУ, 1996. 4.1. С. 80-88.

2. Кошкина O.A. Методы моделирования и рационального выбора при адаптации информационно-телекоммуникационной сети технического вуза // Математическое обеспечение информационных технологий

в технике, образовании и медицине: Тез.докл.Всерос. совещ.-сеы. - Воронеж: ВПУ, 1996. 4.2. C.I59.

3. Кошкина O.A., Юрасов В.Г. Построенке динамической модели инфорглационно-телекоммуникационной сети технического вуза /У Математическое обеспечение информационных технологий в технике, образовании и медицине: Тез.докл.Всерос. совещ.-свм. - Воронеж: ВГГУ, 1996. 4.2. С.160.

4. Кошкина O.A., Юрасов В.Г. Принцип распределения, задач по вычислительным серверам сети ЭВМ // Высокие технологии в технике, медицине к образовании: Межвуз. сб.науч.тр. Воронеж: В1ТУ, 1997. 4.1. С.189-195.

5. Кошкина O.A., Юрасов В.Г. Рациональный выбор компонентов вычислительной сети технического вуза // Математическое: обеспечение информационных технологий в технике, образовании и медицине : Тез.докл.Всерос.совещ.-сем. - Воронеж: ВГГУ, 19971 Ч.,2.

С.ПО.

6. Кошкина O.A., Юрасов В.Г. Проектирование информавдонно-телекомвд-никационной сети технического вуза в условиях информатизации высшего образования // Высокие технологии в технике, медицине и образовании: Межвуз.сб.науч.тр. Воронеж: ВИ'У, 1997. Ч.З. С.82-85.

7. Кошкина O.A. Особенности структурной адаптации компьютерной системы управления вузом, как многопрофильной иерархической системой // Высокие технологии в региональной информатике: Тез. докл.Всерос. совещ.-сем. - Воронеж; ВГГУ, 1998. 4.2. С.171.

8. Кошкина O.A., Юрасов В.Г. Адаптивно-имитационный выбор граничных режимов функционирования информационно-телекоммуникационной сети // Высокие технологии в техника, медицине и образовании: Межвуз.сб.науч.тр. Воронеж: ВГГУ, 1998. 4.2. C.L24-T34.

Воронежский государственный технический университет

На правах рукописи

Кошкина Ольге Александровна

Специальность 05.13.10 "Управление в социальных и экономических системах"

Диссертация на соискание ученой степени

кандидата технических наук

Научный руководитель: к.т.н., доцент Юрасов Владислав Георгиевич

Воронеж-1998.

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ ..................................................................................................4

1. Пут® повышения эффективности функционирования развивающихся компьютерных сетей управления вузами ..................9

1.1. Характеристика задач управления и особенности развития компьютерных сетей в высшей школе.......................................................14

1.2. Требования к эффективности функционирования компьютерных сетей как развивающихся систем...............................................................21

1.3. Цель и задачи исследования................................................................31

Выводы первой главы.................................................................................31

2. Структурная адаптация в развивающихся компьютерных сетях управления....................,„„„„.„.„„.,.„„.............................33

2.1. Характеристика компонентов компьютерной сети, обеспечивающих структурную адаптацию..................................................................... 33

2.2. Рациональный выбор новых компонентов сети................................48

2.3. Адаптация топологической структуры сети......................................57

Выводы второй главы.................................................................................64

3. Параметрическая адаитащшм в ршвмвдаощмхсм сетах управления ............................................................................................... 66

3.1. Формирование динамической модели показателей эффективности функционирования сети...................................................................66

3.2. Идентификация параметров модели...................................................71

3.3. Адаптивный выбор параметров на основе имитационной динамической модели.........................................................................................76

Выводы третьей главы................................................................................89

4. Анализ методов структурной и параметрической адаптации по результатам внедрения.......................................

90

4.1. Формирование информационной среды вуза.....................................91

4.2. Формирование телекоммуникационной сети вуза.............................97

4.3. Структура информационно-вычислительной сети ВГТУ..................99

Выводы четвертой главы...........................................................................106

ЗАКЛЮЧЕНИЕ .......................................................................................107

ЛИТЕРАТУРА 9990999999999999999999949Ф9 »99999 е999ФФ9Ф»9в499999999999Ф99999999ФФ99999999*99999999«9 в»« 109

ПРИЛОЖЕНИЕ г9фф999фф9ф*ффф9фф9е999ффф9ф9ф9ф9ф»ф0фэффе99ефф9»9ф9ффффф«999ф$ф9ф9в99фффф9ффффф9фффф9е> 118

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы. Новая компьютерная цивилизация на наших глазах стремительно проникает во все области человеческой деятельности. Возникает всемирная сеть компьютерных технологий: электронные издательства, интерактивные информационные службы, электронные бюллетени новостей, индустрия баз данных, службы телетематики, видеотекст и компьютерная передача изображений, автоматизированные заводы и электронные учреждения.

Разнообразие компьютерных систем и электронных информационных услуг многократно возросло за последние 10 лет и продолжает непрерывно увеличиваться. Постоянно совершенствуются ключевые элементы новых информационных технологий - компьютеры, базы данных, телекоммуникации, интерактивные интерфейсы взаимодействия человека х компьютером.

Роль электронных коммуникаций в этом ряду технологических достижений XX века исключительно важна, поскольку именно связь передачи данных и взаимодействие компьютерных систем обеспечивают конечный интегральный эффект от всей суммы компьютерных технологий.

Мнообразие задач управления вузом приводит к постоянному развитию компьютерных сетей, обеспечивающих их решение. Такое развитие связано с подключением новых ЭВМ, изменением конфигурации локальных вычислительных сетей, интеграции локальных подсистем. Каждое изменение приводит к динамическим процессам показателей эффективное ти функционирования сегги и снижению их уровня. Для поддержания стабильного уровня показателей развивающейся компьютерной сети управ-

ления требуется включать в структуру промежуточные уровни обработки и передачи информации, переструктурировать топологию входящих в сеть локальных вычислительных систем, изменить параметры серверов. Такие меры позволяют провести адаптацию сети. Таким образом, актуальность темы определяется необходимостью разработки новых методов моделирования и рационального выбора При структурной и параметрической адаптации развивающейся компьютерной сети управления вузом.

Работа выполнена в соответствии с межвузовской научно-технической программой 12.11 "Перспективные информационные технологии в высшей школе" в рамках одного из основных научных направлений Воронежского государственного техгнического университета "САПР и системы автоматизации производства".

Цепь работы и задачи исследования. Целью работы является разработка комплекса моделей и алгоритмов структурной и параметрической адаптации развивающейся компьютерной сети технического вуза, обеспечивающего эффективное управление образовательного учреждения как социальной системы.

Достижение поставленной цели предполагает решение следующих

задач:

1) анализ задач управления техническим вузом на базе компьютерных сетей и обоснование требований к вузовским информационно-телекоммуникационным структурам как развивающимся системам;

2) разработка оптимизационных моделей и алгоритмов структурной адаптации для рационального выбора вариантов развития компьютерной сети на компонентном и топологическом уровнях;

3) формирование динамической модели показателей эффективности принятия управленческих решений на основе информационной системы

вуза и ее использование в режиме иммитационного эксперимента при адаптивном выборе граничных параметров функционирования развивающейся сети;

4) реализация разработанных моделей и алгоритмов для повышения эффективности многоуровневой системы управления Воронежским государственным техническим университетом в условиях развивающейся компьютерной сети.

Методы исследования. Решение задач проводилось с использованием методов имитационного моделирования, адаптивных методов, теории распознавания образов, математического программирования. Достоверность теоретических исследований подтверждена результатами реализации моделей, алгоритмов и программ при решении практических задач развивающейся компьютерной сети управления техническим вузом.

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

® оптимизационная модель структурной адаптации компьютерной сети на компонентном уровне, позволяющая свести проблему перераспределения задач управления при введении новых серверов к минимизации линейного функционала на целочисленных векторах при линейных ограничениях и обеспечивающая эффективное решение на базе алгоритма рандомизированного поиска;

® алгоритм структурной адаптации топологической древовидной компьютерной сети управления по минимальной стоимости при ограничениях на максимальный трафик, отличающийся двухфазной процедурой подключения узлов новых подграфов развивающейся системы управления вузом к "центральному" узлу;

• алгоритмическая схема формирования математической модели динамического процесса изменения показателей развивающейся сети в зависимости от ступенчатых изменений загрузки новыми задачами управления, обеспечивающая выбор структуры переходной функции, определения ее коэффициентов в сочетании с верификационными процедурами;

® адаптивно-иммитационная процедура выбора граничных режимов перехода к новой структуре развивающейся сети, отличающаяся математическими приемами параметрической адаптации на основе вероятностной оценки чувстительности выходных параметров по динамической модели к случайным изменениям внешних воздействий.

Практическая ценность работы заключается в следующем: «разработана структура вузовской информационно-вычислительной сети ( на базе ВГТУ );

«разработаны модели и алгоритмы для повышения эффективности МИСУ ВГТУ в условиях развивающейся компьютерной сети;

©разработаны оптимизационные модели и алгоритмы структурной адаптации для рационального выбора вариантов развития компьютерной сети на компонентном и топологическом уровнях.

Реализация результатов работы. Научные результаты работы разработок, изложенные в диссертации, внедрены в методические рекомендации и указания по выполнению лабораторных работ, курсовое и дипломное проектирование по курсу " ЭВМ и переферийные устройства" специальности 220300 "САПР" и по курсу " ЭВМ и системы" специальности 071900 "Информационные системы"

Апробация работы. Результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на Всероссийском совещании-семинаре " Высокие технологии в технике, образовании и медицине", Воронеж,1997; Всерос-

сийском совещании-семинаре " Высокие технологии в региональной информатике", Воронеж, 1998; Всероссийском совещании-семинаре " Математическое обеспечение информационных технологий в технике, образовании и медицине", Воронеж, 1996,1997,1998гг.

Публикации. Основные результаты диссертации нашли свое отражение в 8 опубликованных работах,

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения,списка литературы из 80 наименований , приложения на 120 е., содержит 19 рисунков и 5 таблиц.

В 1 главе рассмотрены пути повышения эффективности функционирования развивающихся компьютерных сетей управления вузами. Дана характеристика задачам управления и особенностям развития коипьютер-ных сетей в высшей школе.

Во 2 главе рассмотрена структурная адаптация в развивающихся компьютерных сетях управления. В частности, дана характеристика компонентов компьютерной сети, обеспечивающих структурную адаптацию, рассмотрены аппаратные средства комплектования сетей. Разработан принцип рационального выбора новых компонентов сети (распределение задач по вычислительным серверам сети ЭВМ), что позволяет прозрачно использовать вычислительные ресурсы сети для решения задач управления в социальной сфере( в частности управления вузом). В качестве ки-бернетико-математических исследований в применении к рассматриваемому социальному объекту предложен алгоритм структурной адаптации древовидной топологической структуры с ограничениями типа минимальной стоимости.

В главе 3 разработаны научные основы нового метода совершенствования управления экономикой учреждения в сфере высшего образо-

вания. В частности, выявлена роль информационного обмена между различными подразделениями высшего учебного заведения. Представленный метод позволяет оптимальным образом распределить ресурс пропускной способности сети передачи данных учреждения, позволяя тем самым увеличить эффективность учебного процесса, что, в конечном счете является одной из основных задач системы высшего образования.

В 4 главе рассмотрены принципы формирования корпоративной информационно-вычислительной сети вуза, проведен анализ информационных и вычислительных ресурсов технического университета, разработана структура вузовской информационно-вычислительной сети.

Глава 1. Пути повышения эффективности функционирования развивающихся компьютерных сетей управления вузами

Процессы развития вычислительных сетей идут последние 15 лег в общем направлении:

• сетевые технологии постоянно совершенствуются, производительность и надежность передачи данных быстро возрастают, базовые технологии стандартизируются и сопрягаются;

• разнообразие вычислительных сетей, создаваемых во всех отраслях промышленности, образовании, здравоохранении, культуры и туризма, непрерывно растет. Несколько тысяч ВС обслуживают в настоящее время бизнес, науку, производство, транспорт и многие другие сферы деятельности человека;

• персональные компьютеры с каждым годом делают все более и более доступными ресурсы и услуги ВС:

а) в домашних условиях для отдыха, самообразования, информационного сервиса;

б) на транспорте ( автомобилях, самолетах, поездах) и деловых поездках;

в) в школах, техникумах и вузах;

г) на производстве и разнообразных пунктах обслуживания населения.

Зарубежные компьютерные сети ушли в своем развитии далеко вперед. Владение суммой технологий коммуникаций становится решающим фактором успеха в бизнесе, производстве, банковском деле.

Значение телекоммуникаций и вычислительных сетей для будущего науки, техники, производства, образования, медицины трудно переоценить. Мир компьютеров и телекоммуникаций сегодня настолько велик, разнообразен и динамичен в своем развитии, что умение пользоваться языком электронных коммуникаций становится важнейшим элементом человеческой культуры [ 3 ].

Сегодня важнейшей задачей для науки, техники, бизнеса и образования нашей страны является пониманием законов развития Мира Вычислительных сетей, правила цивилизованного общения с этим миром и вхождения в мировые процессы интеграции вычислительных сетей.

Мир вычислительных сетей - это сотни и тысячи информационных вычислительных сетей, возникших и быстро развивающихся в последние 20 лет.

Компьютерные ресурсы (машины, программы, базы данных, принтеры, графопостроители и тому подобное), разбросанные по всему миру и разделенные границами стран, континентов, ведомств и административных ассоциаций, начинают интенсивно взаимодействовать и объединяться с целью наилучшего использования компьютерных и информационных ресурсов [ 22 ].

Сетевые вычислительные услуги

Различают два вида главных услуг:

® компьютеризированная межперсональная коммуникация (КМК) (обмен сообщениями, электронные бюллетени новостей, телеконференции и тд.);

• услуги доступа к (разделяемым) ресурсам (УДР) (доступ к базам данных, управление и передача файлов, удаленный запуск и решение задач и т.п.).

Компьютеризированные межперсональные коммуникации

Электронная почта (ЭП) - наиболее распространенная служба (КМК). Существует три функциональные разновидности ЭП:

1. Простая ЭП (один-один)

2. Почтовые списки (один-ко многим)

3. Телеконференция (многие-ко многим)

Простая ЭП обеспечивает: а) отправку написанных сообщений; б) посылку сообщения по нужному адресу; в) получение сообщения с некоторой задержкой; г) проверку получения адресатом сообщения.

Почтовые списки обеспечивают: а) организацию службы подписки; б) ведение списка рассылки; в) автоматическую посылку сообщения по всем адресам списка.

Телеконференции обеспечивают: а) классификацию сообщений и пользователей по темам (секциям) конференции; б) развитый диалоговый интерфейс для оперативного общения пользователей; в) ведение архива сообщений и гибкий доступ к архиву.

Системы электронных бюллетеней (DDS-bulletin board sustems) представляют собой одну из простых реализаций телеконференции - од-нохостовую систему. Примерами такой службы являются USENET ( национальная сеть супер ЭВМ США), сеть FidoNet ( сеть персональных компьютеров, работающих под MS-DOS). Известная коммерческая служба - CompuServe.

Служы доступа к разделяемым ресурсам

Большинство вычислительных сетей (ARPANET, CYCLADES, академ сеть, LA.SNET и др.) создавались с главной целью - предоставление набора У ДР. Различают две разновидности УДР: интерактивный УДР и

пакетные У ДР. Рассмотрим интерактивные услуги как более типичные и важные.

Удаленный терминальный доступ (Remote Login). Сеть используется для доступа с терминала или ПЭВМ к удаленной ЭВМ через процедуру включения (login). Сетевая услуга чаще всего используется для удаленного запуска программ (заданий), интерактивного доступа к базам данных, ввода и вывода данных в сетевом режиме.

Передача файла (File Transfer). Услуга доступа к файловой системе удаленной ЭВМ и выполнения различных операций (удалить, переименовать, скопировать, переслать по сети).

Удаленный вызов процедур (Remote Procedure Call). Возможность вызова функции на языке программирования. Выполнаяется в удаленной ЭВМ без повторного терминального доступа. Чаще всего применяется на локальных или высокосростных сетях.

Распределенная файловая система (Distributed File System). Доступ к файлам, размещенным в узлах сети, организуется общей файловой системой вычислительной сети. На каждой узловой ЭВМ доступ к локальным и сетевым файлам поддерживается единообразно.

Блокирование удаленных файлов (Remote File Locking). Хотя в некоторых сетевых файловых системах эта функция предоставляется как стандартная, в ряде ВС она осуществляется отдельно. Услуга позволяет закрыть файлы от совместного доступа или для определенных групп пользователей.

Удаленный доступ к устройствам ( Remote Device Access). Услуга сетевого использования таких устройств как принтеры, ма�