Введение к работе
Актуальность темы. Проблемы производительности вычислительных систем (ВС) исследуются с 70-х годов прошлого столетия и, хотя получены основательные методические и теоретические результаты, далеко не все вопросы, возникающие в практической реализации методик оценки быстродействия сложных систем управления являются успешно разрешенными.
Большой вклад в развитие методов оценки производительности вычислительных систем внесли такие ученые как Авен О.И., Гурин Н.И., Коган Я.А., Велихов Е.П., Кузнецов Н.А., Вишневский В.М., Петрова И.Ю., зарубежные ученые Байцер Б., Феррари Д., Клейнрок Л. и другие.
Основные причины, снижающие качество и эффективность оценки производительности вычислительных комплексов (ВК) в процессе полигонных испытаний:
недостаточная проработка теоретических основ построения и функционирования ВС;
необоснованность подходов к выбору факторов, влияющих на производительность системы и диапазонов их изменения;
слабая связь проводимых экспериментов с аналитическим моделированием ВС и прямыми измерениями сетевого трафика испытываемой информационно-измерительной и управляющей системы (ИИУС) в условиях реальной загрузки;
отсутствие системного подхода к обоснованию и разработке методики опытно – теоретического исследования производительности распределенных вычислительных систем;
несоответствие существующих формулировок требований тактико-техническому заданию ( ТТЗ) к быстродействию ВК ИИУС, целям и задачам исследования их производительности.
Имеющиеся работы в области моделирования систем массового обслуживания носят обобщенный характер и не учитывают специфики полигонных испытаний ИИУС специального назначения, структурная схема которой представлена на рис.1. Фрагмент ИИУС представлен на рис.2.
До настоящего времени оценка производительности ВК производилась после изготовления опытного образца по окончании этапа полигонных испытаний с привлечением большого количества наземных и воздушных средств. Не редки были случаи, когда готовое изделие уже по окончании государственных испытаний, оказывалось, по производительности не удовлетворяет предъявленным в ТТЗ заказчиком требованиям. Подобная практика побудила автора разработать опытно-теоретический метод оценки производительности ВК ИИУС. Суть опытно-теоретического метода заключается в том, что на этапе эскизного проектирования изделия по разработанным автором аналитически моделям просчитываются основные параметры, заданные в ТТЗ заказчиком.
Рис.1 Информационно-измерительная и управляющая система
специального назначения.
С учетом расчетных параметров изготавливается опытный образец изделия (ООИ). После изготовления ООИ, он проверяется в натурных экспериментах по предлагаемой автором методике для получения более точных значений параметров, т.к. вероятностное моделирование сетевых процессов протекающих в ВК ИИУС при обработке информационных потоков, позволяет получать приближенные прогнозные оценки основных показателей производительности ООИ, но только экспериментальное подтверждение может считаться критерием истины. Данный метод отличается от существующих тем, что на этапе эскизного проектирования разработчик изделия может получить прогнозные оценки основных параметров производительности проектируемого изделия. Этот метод дает выигрыш и по времени и по финансам, позволяя экономить сотни миллионов рублей, кроме того снижает риски разработчику от изготовления некондиционного изделия.
Эффективное управление вычислительным комплексом, его модернизация невозможны без определения качества функционирования, одной из составляющих которого является оценка производительности ВК. Преодоление указанных трудностей позволяет в процессе испытаний качественно оценивать быстродействие ВК, соответствие конструкторских решений требованиям ТТЗ к разрабатываемой ИИУС, объему и спектру решаемых задач.
Рис.2 Фрагмент информационно-измерительной и управляющей системы.
Исследования, посвященные оценке производительности вычислительного комплекса информационно-измерительной и управляющей системы специального назначения на этапе эскизного проектирования, в целях повышения качества процесса полигонных испытаний, являются актуальными.
Объектом исследования является методика определения быстродействия пространственно-распределенных вычислительных комплексов современных специализированных ИИУС реального времени в условиях полигонных испытаний сложных систем.
Предмет исследования – свойства, составные части этой методики, направленные на определение и числовое выражение критериев производительности вычислительных сетей разрабатываемых и перспективных ИИУС на основе предложенного опытно-теоретического метода.
Цель и задачи исследования. Целью диссертационной работы является повышение эффективности системы полигонных испытаний и исследований, существующих и перспективных образцов специализированных ИИУС жестко регламентированного режима реального времени на основе разработки научно-методического аппарата адекватной оценки производительности вычислительных комплексов специализированных ИИУС, построенных на основе вычислительных сетей.
Для достижения поставленной цели в диссертационной работе осуществляется решение следующих задач:
-
Анализ существующих методов оценки производительности вычислительных ресурсов ИИУС специального назначения в полигонных испытаниях и исследованиях сложных систем.
-
Выбор и обоснование показателей производительности вычислительной сети специализированной ИИУС.
-
Обоснование и разработка метода оценки производительности вычислительной сети опытно-теоретическим методом на основе анализа свойств сетевых процессов, моделирования взаимодействия элементов сети и измерения сетевого трафика. Разработка аналитических моделей для последующего их использования на этапе эскизного проектирования ВС ИИУС.
-
Разработка модели экспериментального исследования производительности ВК, методическая разработка технологии измерений сетевого трафика и интерпретации полученных результатов.
Методы исследования. В работе использовались методы и рекомендации теории вероятностей, теории случайных процессов, теории массового обслуживания и системного анализа.
На защиту выносятся следующие положения:
1. Методология оценки производительности вычислительного комплекса сетевой архитектуры сложных систем на этапе эскизного проектирования адекватный программной реализации современных информационно-измерительных и управляющих систем специального назначения.
2. Метод оценки производительности сети вычислительного комплекса на основе преобразования графа сложной структуры в последовательность графов типовой структуры.
3. Методика использования многофункциональных анализаторов сетевых протоколов для программного и информационного обеспечения процессов отработки испытаний образцов информационно-измерительных и управляющих систем специального назначения.
4. Рекомендации по совершенствованию вычислительной сети на основе метода предварительной оценки производительности вычислительного комплекса и по результатам испытаний ИИУС.
Научная новизна.
-
Предлагается методология оценки производительности ВК сетевой архитектуры сложных систем на этапе эскизного проектирования, адекватная аппаратно – программной реализации современных специализированных ИИУС, отличающаяся от известных тем, что:
выполнение программ должно гарантированно выполняться в заданное время (цикл);
достаточно высокий процент операций передачи данных для взаимодействующих ИИУС и элементов самой ИИУС.
-
Для пространственно-распределенной сети разработан метод оценки производительности ВК на основе преобразования графа сложной структуры в последовательность графов типовой структуры.
-
Предложены методики использования многофункциональных анализаторов сетевых протоколов для программного и информационного обеспечения процессов отработки и испытаний опытных образцов ИИУС.
-
На основе метода оценки производительности ВК сетевой архитектуры и результатов испытаний даны рекомендации по совершенствованию ВК ИИУС.
Практическая ценность работы:
-
Предложенный научно-методический аппарат позволяет разработать методики исследования эффективности функционирования аппаратно-программных средств ВК ИИУС и оценки производительности ВК.
-
Исследование свойств информационного трафика, циркулирующего в сети ВК позволяет весьма оперативно отслеживать влияние изменений, вносимых разработчиком в специализированное программное обеспечение ИИУС в ходе полигонных испытаний, оценивать готовность изделия и сокращать сроки внедрения на фоне минимизации финансовых затрат, а в целом – повысить эффективность испытаний сложных систем.
Личный вклад автора
Предложенные в диссертации методики, подходы и алгоритмы оценки производительности ВК ИИУС специального назначения разработаны лично автором.
Апробация научных результатов. Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на Международных научных (научно-практических) конференциях АСТИНТЕХ-2010 (Астрахань), ИНФО-2010 (Москва-Сочи) и в ходе согласования методик оценки соответствия производительности вычислительной сети технологии Fast Ethernet требованиям вычислительного процесса реального времени КИМУ–2000 в рамках ОКР.
Публикации. Основные положения диссертации опубликованы в Межвузовских сборниках научных статей «Известия ВолгГТУ», серия «Актуальные проблемы управления, вычислительной техники и информатики в технических системах», трудах 708 НИИЦ и 4 ГЦМП МО РФ.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы и приложений. Основное содержание диссертационной работы изложено на 130 страницах машинописного текста, иллюстрированного 15 рисунками и 10 таблицами.
