Содержание к диссертации
ВВЕДЕНИЕ 2
1 АНАЛИЗ МОДЕЛЕЙ И МЕТОДОВ УПРАВЛЕНИЯ ДАННЫМИ В АВТОМАТИЗИРОВАННЫХ
СИСТЕМАХ ОПЕРАТИВНОГО УПРАВЛЕНИЯ ВОЕННОЙ СВЯЗЬЮ 10
1 1 СИСТЕМЫ ОПЕРАТИВНОГО УПРАВЛЕНИЯ ВОЕННОЙ СВЯЗЬЮ, СТРУКТУРА И ФУНКЦИИ АВТОМАТИЗИРОВАННЫХ
СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ ВОЕННОЙ СВЯЗЬЮ (АСУС) 10
1.2 АНАЛИЗ СУЩЕСТВУЮЩИХ МОДЕЛЕЙ ДАННЫХ ДЛЯ УПРАВЛЕНИЯ СВЯЗЬЮ 19
1.3 АНАЛИЗ СУЩЕСТВУЮЩИХ АРХИТЕКТУРНЫХ РЕШЕНИЙ В ОБЛАСТИ ПРОГРАММНОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ УПРАВЛЕНИЯ ДАННЫМИ В АСУ С 27
1.4 АНАЛИЗ СОВРЕМЕННЫХ ТЕНДЕНЦИЙ В ОБЛАСТИ ПРОГРАММНОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ УПРАВЛЕНИЯ ДАННЫМИ 29
Выводы К ГЛАВЕ 1 36
II РАЗРАБОТКА МОДЕЛЕЙ СТАТИКИ И ДИНАМИКИ ДАННЫХ ДЛЯ УПРАВЛЕНИЯ СВЯЗЬЮ 38
2.1 ПОСТРОЕНИЕ ОБЩЕЙ МАТЕМАТИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ УПРАВЛЕНИЯ СВЯЗЬЮ НА ОСНОВЕ СОСТОЯНИЙ, СОБЫТИЙ И ЧИСЛЕННЫХ ОЦЕНОК 39
2.2 РАСШИРЕНИЯ СВОЙСТВ МОДЕЛИ ENTITY-RELATIONSHIP 46
2.3 РАЗРАБОТКА РАСШИРЕННОЙ МОДЕЛИ ENTITY-RELATIONSHIP ДЛЯ ЗАДАЧ УПРАВЛЕНИЯ СВЯЗЬЮ 49
2.4 ИССЛЕДОВАНИЕ СВОЙСТВ ОБЪЕКТНО-РЕЛЯЦИОННОЙ МОДЕЛИ ДАННЫХ НА ОСНОВЕ РАСШИРЕННОЙ МОДЕЛИ ENTITY-RELATIONSHIP 60
2.5 ПОСТРОЕНИЕ КОНЦЕПТУАЛЬНОЙ МОДЕЛИ СИСТЕМЫ СВЯЗИ С УЧЕТОМ ТОЧЕК КОНТРОЛЯ 63
2.6 ПОСТРОЕНИЕ КОНЦЕПТУАЛЬНОЙ МОДЕЛИ РЕЗУЛЬТАТОВ ПЛАНИРОВАНИЯ 68
Выводы к ГЛАВЕ II 75
III РАЗРАБОТКА АРХИТЕКТУРНЫХ РЕШЕНИЙ ПРОГРАММНОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ
УПРАВЛЕНИЯ ДАННЫМИ В АСУС 77
3.1 КРАТКИЙ АНАЛИЗ РАСПРЕДЕЛЕННЫХ АРХИТЕКТУР, ОБЕСПЕЧИВАЮЩИХ ИНТЕРОПЕРАБЕЛЬНОЕ ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ 78
3.2 ОБЩАЯ АРХИТЕКТУРА ОПЕРАЦИОННОГО ЯДРА АСУС в КАЧЕСТВЕ САМОСТОЯТЕЛЬНОЙ ПОДСИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ ДАННЫМИ 84
3.3 АРХИТЕКТУРА И ИНТЕРФЕЙСЫ ТРАНСПОРТНОГО УРОВНЯ ЯДРА НА ОСНОВЕ КЛИЕНТ-КЛАСТЕРНОЙ МОДЕЛИ 87
3.4 АРХИТЕКТУРА и ИНТЕРФЕЙСЫ СЕРВЕРНОГО УРОВНЯ ЯДРА 101
ВЫВОДЫ К ГЛАВЕ III 114
IV РЕЗУЛЬТАТЫ РЕАЛИЗАЦИИ ПРОГРАММНОГО КОМПЛЕКСА ОПЕРАЦИОННОГО ЯДРА 116
4.1 СОСТАВ ПРОГРАММНОГО КОМПЛЕКСА 116
4.2 СРЕДСТВА РАЗРАБОТКИ и ПОДДЕРЖКИ ПРОГРАММНОГО КОМПЛЕКСА 117
4.3 РЕЛЯЦИОННАЯ БАЗА ДАННЫХ по СИСТЕМЕ связи 118
4.4 ПРОГРАММНЫЙ МОДУЛЬ СЕТЕВОГО АГЕНТА 119
4.5 ПРОГРАММНЫЙ МОДУЛЬ СЕРВЕРА БАЗЫ ДАННЫХ 125
4.6 ВСПОМОГАТЕЛЬНЫЕ ПРОГРАММНЫЕ МОДУЛИ и БАЗА ДАННЫХ ПРОТОКОЛИРОВАНИЯ 131
Выводы К ГЛАВЕ IV 133
V РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЙ ПРОВЕРКИ И ВНЕДРЕНИЯ ОПЫТНОГО ОБРАЗЦА АСУС НА ОСНОВЕ ПРОГРАММНОГО КОМПЛЕКСА ОПЕРАЦИОННОГО ЯДРА 135
5.1 СХЕМА опытного ОБРАЗЦА АСУС 135
5.2 СОСТАВ РЕШАЕМЫХ ЗАДАЧ 137
5.3 ПРИМЕР ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ ПРИКЛАДНЫХ ЗАДАЧ ОПЫТНОГО ОБРАЗЦА АСУС С ПРОГРАММНЫМ КОМПЛЕКСОМ ОПЕРАЦИОННОГО ЯДРА 139
Выводы К ГЛАВЕ V 144
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 145
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 147
ПРИЛОЖЕНИЕ I. СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ АВТОРОМ СОКРАЩЕНИЙ 149
ПРИЛОЖЕНИЕ II ТЕХНИЧЕСКОЕ ОПИСАНИЕ СОСТАВА ТАБЛИЦ БАЗЫ ДАННЫХ ПО СИСТЕМЕ СВЯЗИ 151
Введение к работе
Надежность и качество связи является одним из важнейших показателей боеготовности войск в современных условиях. На фоне возросшего объема передаваемой по сетям связи информации и все более строгих требований к оперативности управления войсками, и военной связью в частности, растет влияние автоматизированных систем управления связью (АСУС) на качество оперативного управления военной связью.
При разработке программного обеспечения (ПО), ориентированного не управление связью, решение обычно сводится к построению информационной системы (ИС) или автоматизированной системы управления связью, включающей в себя ИС на основе баз(ы) данных (БД). По оценкам американских экспертов, в США применение программных комплексов АСУС с использованием БД позволило сократить ежегодные расходы на управление связью на 20% [4]. Не менее важными показателями являются сокращение длительности процессов управления (например, время сбора информации в больших системах связи сокращается с 1-3 минут до нескольких секунд), а также повышение качества связи благодаря более эффективному управлению [4, 5, 6, 59, 60]. Последние два показателя являются наиболее существенными для систем военной связи, функционирующих в боевых условиях [9. 10]. Разработки программного обеспечения для военных АСУС в нашей стране [9] ведутся около 30 лет. Создание действующих систем относится к концу 1980-х - началу 1990-х годов. Разработчики неизбежно сталкиваются со сложностями при формализации процессов оперативного управления, что вызывает необходимость жесткого компромисса между гибкостью автоматизации и степенью ее погружения в реальные управленческие процессы. Разрешение этой дилеммы происходит зачастую не в пользу гибкости. Как следствие этого факта, создаваемые системы часто несовместимы между собой, а составляющие их программные средства и системные архитектурные решения не подлежат повторному использованию или реинжинирингу.
Однако, как показывает анализ формальных основ оперативного управления, принципов, опыта и требований к его автоматизации, возможна разработка базового программного обеспечения АСУС, которое облегчало бы создание на его основе систем автоматизации, обладающих повышенными свойствами гибкости и адекватности требованиям управления. Так, неотъемлемой компонентой программных комплексов АСУС на основе баз данных является ПО управления данными, обеспечивающее хранение, актуальность и целостность данных, а также доступ к этим данным других программных средств. В связи с ростом требований к качеству такого ПО, современные мировые тенденции в области его разработки направлены на создание открытых, интероперабельных, легко масштабируемых и реконфигурируемых архитектур программного обеспечения [23, 27, 34, 35, 38, 39, 45, 49, 50, 51], с повышенной готовностью серверного обеспечения [34, 46, 63].
Актуальным является создание ПО управления данными автоматизированных систем управления связью на основе таких архитектур программного обеспечения, которые поддерживали бы масштабируемость, реконфигурируемость, готовность системы и интероперабельность ее компонентов. Для нашей страны решение этой задачи позволит не только обновить и улучшить технически устаревшие системы, но и создать решения или прототипы для массового применения, которые в настоящий момент отсутствуют. Исследования в этой области ведутся несколькими крупными научно-исследовательскими институтами связи Санкт-Петербурга, Москвы, Пензы и Воронежа [9].
Состояние проблемы. Вопросы исследования моделей и методов управления данными в программных комплексах систем управления состоят в построении т.н. рабочей модели данных как совокупности моделей статики и динамики данных, а также архитектуры и интерфейсов ПО управления данными. В текущих опытных разработках [9] программных комплексов АСУС для построения рабочих моделей данных используется ER-подход с последующим переходом к реляционной модели данных (РМД), а в качестве архитектурных решений при разработке ПО - расширяемые архитектуры типа «файл-сервер» с фрагментированнымн реляционными БД, пришедшие на смену архитектурам с локальным доступом к данным. В отдельных теоретических работах [9.3] используются модели клиент-серверного доступа в глобальных (в т.ч. неоднородных) сетях, однако эти работы, по-видимому, далеки от практического воплощения [9].
Цель работы и методы исследований. Целью настоящей работы является исследование и реализация моделей и методов управления данными для программных комплексов АСУС, направленных на построение предметно-специфического ПО управления данными в качестве самостоятельной подсистемы, включающей в себя базу данных и ряд программных средств и обладающей следующими свойствами:
• Логическая централизованное , устанавливаемая в целях более эффективного поддержания целостности совместно используемых данных;
• Более полный, по сравнению с существующими решениями, учет особенностей предметной области и возможностей средств управления при разработке методов хранения и обработки данных; в частности, разработка новых, более адекватных, концептуальных моделей, учитывающих иерархические структуры и фазу автоматического контроля в управлении связью;
• Масштабирование реализуемой модели доступа к данным до географически распределенных сетей, в соответствии с перспективами развития программных комплексов АСУС;
• Поддержка открытых внешних интерфейсов с прикладными программами АСУС на основе единой интерфейсной модели для повышения их интероперабельности в пределах систем данного класса, что должно привести к снижению стоимости реинжиниринга прикладных программ и/или стоимости реконфигурации программных комплексов АСУС в целом;
• Повышенная готовность серверного обеспечения на основе организации кластерных структур.
Разрабатываемое в настоящей работе программное обеспечение является базовым для прикладных задач АСУС в аспекте их доступа к совместно используемым данным, хотя бы потому, что инкапсулирует в себе эти данные.
В ходе теоретических исследований и инженерных разработок автором использовался аппарат теории множеств, математического анализа, исчисления предикатов, логико-лингвистические методы с применением формальной диаграммной техники (ER-диаграммы, SDL-диаграммы). При реализации и экспериментальной проверке автором были использованы средства объектно-ориентированного языка программирования C++, формальные средства определения данных в реляционной модели, средства языка запросов к реляционным базам данных SQL-92, а также объектно-ориентированного языка определения интерфейсов COM IDL.
На защиту выносятся результаты, включающие построение модели процесса управления, расширенной модели entity-relationship, концептуальных моделей системы связи и результатов планирования, разработку архитектур и интерфейсов соответствующего программного обеспечения, реализацию программного комплекса, а также его внедрение и экспериментальную проверку.
Научная новизна. В настоящей работе получены следующие новые результаты:
• В результате проведенных исследований построена абстрактная модель процесса управления связью, представляющая его в виде взаимодействия между объектом управления, системой управления и внешним миром на основе состояний, событий и численных оценок, и описывающая таким образом характер использования и взаимосвязь между моделями этих объектов.
• Исследована известная модель entity-relationship и построено ее расширение, обладающее новыми объектно-ориентированными свойствами. • Исследована и формализована новая концептуальная модель системы связи в качестве объекта управления, более полно отражающая ее структурные особенности и учитывающая возможности автоматического контроля.
• Исследована и формализована универсальная концептуальная модель результирующих данных планирования связи.
• Создана модель сетевого взаимодействия "клиент-кластер", основанная на понятии соединения в однородной сети и обеспечивающая организацию и управление кластерами серверных процессов для повышения их готовности.
• Разработана архитектура ПО управления данными в виде четырехуровневой распределенной системы клиент-серверного типа с открытыми внешними интерфейсами и поддержкой кластеров серверных процессов средствами промежуточного слоя.
• Осуществлена реализация и экспериментальная проверка программного комплекса, соответствующего разработанной архитектуре и инкапсулирующего разработанные концептуальные модели на основе реляционной БД.
Практическая ценность результатов работы. Результаты, полученные автором в настоящей работе, открывают ряд новых возможностей для разработчиков баз данных и программного обеспечения, а именно:
• Возможность более эффективной формализации концептуальных моделей в рамках ER-подхода благодаря новым свойствам разработанной расширенной модели entity-relationship.
• Возможность использования кластерной технологии на уровне отдельных приложений, позволяющей частично заменять или дополнять собой промышленные решения, как правило выполненные на уровне операционных платформ, и обладающей достоинствами легкости реализации, настройки и переносимости.
• Возможность использования, разработанных концептуальных моделей, а также созданного программного комплекса, или его архитектуры в качестве прототипа, для разработки и внедрения различных АСУС на различных узлах связи, как оборонных, так и другого назначения.
Реализация результатов. Теоретические и инженерные результаты данной работы нашли свое воплощение в программном комплексе (ПК) управления данными, созданном для АСУС пункта управления связью и Центрального узла связи Главного Штаба объединенных Войск ПВО и ВВС РФ. Программный комплекс называется операционным ядром АСУС, представляет собой указанную выше четырехуровневую систему и реализует разработанные модели и методы управления данными. Данный ПК разработан лично автором, причем создание прикладных программ, взаимодействующих с ПК, велось как самим автором, так и под его руководством. Опытно-конструкторская разработка выполнялась во Всесоюзном институте волоконно-оптических систем связи и обработки информации, г.Москва, и к настоящему времени прошла внедрение, что подтверждено соответствующим актом.
Краткое содержание работы по главам:
В первой главе исследуются особенности требований к ПО управления данными АСУС в условиях роста требований к современным системам связи, детализируется содержание вопросов разработки такого ПО. анализируются мировые тенденции в этих вопросах и существующие подходы к их решению в области автоматизации управления связью. Отмечается, что нерешенными в рамках указанной актуальной задачи остаются следующие основные проблемы:
1. Метод проектирования рабочей модели данных, основанный на формализации концептуальной модели при помощи ER-подхода и переходе к схемам отношений в РМД. недостаточно эффективен в данной предметной области по сравнению с объектно-реляционными подходами.
2. В рабочую модель данных не закладывается формальная взаимосвязь между объектом управления, процессом управления и исходными данными, полученными на этапе планирования.
3. Отсутствуют инженерные решения по организации архитектуры ПО управления данными АСУС на основе парадигмы «клиент-сервер» с логической централизацией данных.
4. Существующие архитектурные решения ПО не обеспечивают масштабируемость и реконфигурируемость ПК АСУС в степени, необходимой для создания универсальных систем такого класса или их прототипов для применения на различных пунктах управления связью.
5. Известные решения по отказоустойчивости серверного обеспечения основаны на архитектуре СМ ЭВМ. в настоящее время устаревшей.
На этой основе ставится задача построения ПО управления данными АСУС в качестве самостоятельной подсистемы, реализующей требуемую полноту рабочей модели данных на основе централизованной, масштабируемой и реконфигурируемой распределенной архитектуры с открытыми внешними интерфейсами и поддержкой кластеров на внутреннем уровне.
Во второй главе проводится построение теоретических моделей, являющихся основой рабочей модели данных. Строится обобщенная модель процесса управления связью на основе состояний, событий и численных оценок, определяющая формальный процесс управления как взаимодействие между моделями объекта управления, системы управления и внешнего мира. Модель допускает количественные интерпретации благодаря введенным численным оценкам стоимости, адекватности и целевой функции управления.
Далее проводится построение расширенной модели entity-relationship. Анализируются свойства, входящие в современное обобщенное понятие "расширенной модели entity-relationship" , затем проводится формальное построение модели с дальнейшим расширением свойств. Построенный в результате формализм позволяет учитывать иерархии наследования как для сущностей, так и для связей, множественное наследование, защиту от наследования, абстрактные объекты, расширяет понятия кардинальности и обязательности связей, слабой сущности, поддерживает встроенную глобальную идентифицируемость и полиморфизм на основе позднего связывания. Таким образом, модель обладает объектно-ориентированными свойствами, однако не рассматривает методы объектов.
На основе построенной расширенной ER-модели и с учетом обобщенной модели процесса управления строится концептуальная модель системы связи с учетом контрольных точек и универсальным атрибутом состояния объекта, а также концептуальная модель результатов планирования, интегрирующая различные документы планирования связи в форме сценариев переходов состояний.
В третьей главе исследуются инженерные подходы и решения, направленные на создание программного обеспечения, реализующего модели, полученные во второй главе, и обладающего системными свойствами, сформулированными в составе постановки задачи. Анализируются современные распределенные архитектуры ПО: DCE, CORBA 2.0 и DCOM, обеспечивающие масштабируемость и реконфигурируемость систем на основе открытого интероперабельного взаимодействия. На основе этого анализа, а также анализа особенностей предметной области, проведенного в главе I, делается вывод о целесообразности разработки многоуровневой архитектуры клиент-серверного типа с промежуточным слоем, обеспечивающим организацию кластерных структур, и внешними интерфейсами, отвечающими распространенным спецификациям, применяемым в открытых системах.
Далее проводится исследование и разработка общей архитектуры ПО управления данными АСУС в виде так называемого операционного ядра (ОЯ) в функциональном и распределенном аспектах. Архитектура ОЯ разрабатывается на основе модели из 4 уровней: уровня СУБД (представленного промышленной СУБД), серверного, транспортного и агентского, причем дополнительным уровнем архитектуры АСУС является прикладной, включающий в себя приложения, использующие ОЯ.
Следующие параграфы посвящены детализации архитектуры и интерфейсов транспортного и серверного уровней. На транспортном уровне, с использованием модели однородной сети с клиент-серверными соединениями разрабатывается модель, поддерживающая кластеры серверов на основе введения понятий кластера как множества серверов, соединений «клиент-кластер», как множества клиент-серверных соединений, и «сервер-сервер». Соответствующая модель взаимодействия разрабатывается на основе обмена пакетами по соединениям указанного типа и воплощается в архитектуре с объектами и интерфейсами, отвечающей спецификации СОМ.
В рамках описания архитектуры серверного уровня приводятся диаграммы процессов с учетом кластерной архитектуры, методы доступа к хранимым данным и их обработки, основанные на полученных во II главе моделях и включающие в себя множественно-навигационные операции выборки данных типа SELECT-FETCH с последующим преобразованием в объекты и множественные операции модификаций типа INSERT, UPDATE, DELETE с использованием оптимизируемых скриптов, а также описание объектов внутреннего состояния и управления ими. в том числе основные алгоритмы динамической диагностики системы связи. Также описываются принципы протоколов пакетного интерфейса сервера для взаимодействия с верхними уровнями архитектуры и внутри кластера.
Четвертая глава посвящена результатам реализации программного комплекса операционного ядра. Описывается состав программного комплекса, назначение и основные характеристики входящих в него программных средств и баз данных, указываются применявшиеся средства разработки, отладки и поддержки программного комплекса.
Далее описываются функции и структура реализации модулей: реляционная структура БД по системе связи, структура объектов и полное описание интерфейсов программного модуля сетевого агента, реализующего транспортный уровень, приемы реализации основного алгоритма работы и методов доступа к данным программного модуля сервера БД (реализующего серверный уровень), а также описание его пакетного интерфейса, наконец, назначение и функции вспомогательных программных модулей и полная структура БД протоколирования. Делается вывод о реализации всех уровей архитектуры ОЯ, за исключением агентского, который не является существенным для функциональной полноты реализации.
В пятой главе описываются результаты экспериметнальной проверки и внедрения разработанного ПК в качестве основы для опытного образца АСУС. Приводится общая схема реализованной АСУС с указанием задействованных пунктов управления. Проводится краткий анализ роли и характера использования разработанного автором ПК в полном составе задач. решаемых системой автоматизации. Демонстрируется сценарий взаимодействия в АСУС между ПК операционного ядра, прикладными программами оперативного управления и должностными лицами при отработке аварийной ситуации, как одного из важнейших контуров процесса оперативного управления связью. По представленным результатам делается вывод о соответствии реализованного программного обеспечения поставленной задаче.
Опубликование и апробация результатов работы. Результаты, представленные в данной диссертационной работе, докладывались и обсуждались на VI международной конференции «Актуальные проблемы информатики» (Минск, 1998), научной сессии МИФИ 99, I международной конференции по компьютерным наукам и информационным технологиям CSIT99 (Москва. 1999). По результатам опубликованы тезисы докладов на конференциях Минск 98, Сочи 98, МИФИ 99, МИФИ 2000, а также расширенные тезисы докладов на конференциях CSIT99 (Москва), BIS 2000 (Познань), CSIT 2000 (Уфа) и статья в журнале "Приборы и системы управления (№9. 1998). I Анализ моделей и методов управления данными в автоматизированных системах оперативного управления военной связью
Программное обеспечение (ПО) управления данными для автоматизированных систем управления связью (АСУС) включает в себя программные средства, используемые для хранения данных, используемых в АСУС, поддержания их актуальности и целостности, а также для обеспечения доступа к этим данным других программных средств АСУС. Таким образом, ПО управления данными в АСУС как правило представляет собой систему предметно-специфического управления базой(ами) данных, обычно включающую в себя СУБД общего назначения, собственно базу(ы) данных и (опционально) предметно-ориентированные программные средства.
В первых трех пунктах настоящей главы исследуются особенности требований к ПО управления данными АСУС в условиях роста требований к современным системам связи, детализируется содержание вопросов разработки такого ПО, анализируются существующие подходы к решению этих вопросов в системах автоматизации управления связью, выделяются проблемы, остающиеся нерешенными.
Далее проводится краткий анализ современных достижений и тенденций в моделях и методах управления данными, касающихся проблемы разработки такого программного обеспечения для АСУС. На основании анализа требований к этому ПО, существующих решений и современных тенденций в этой области делается вывод об актуальности разработки нового поколения ПО управления данными АСУС, а также о целесообразности применения в ходе такой разработки новых моделей данных и архитектурных решений.
