Введение к работе
Актуальность проблемы. Одной из ключевых характеристик информатизации современное общества является псе более широкое проникновение распределенной я вар&лясльвсй обработки информации, использование распределенных систем различного назвачейая, включая локальные и территориальные информационно - вычислительные сети (ИВС). Последние годы отмечены существенным прогрессом в этом направлении, связанным с повышением скорости передачи информации, появлением принципиально новых телекоммуникационных услуг, включая использованием технологии мультимедиа, внедрениям распределенных систем практически во ctyepu пеательности общества. Все это предъявляет высочайшие требования к характеристикам ИВС и особгнпо к их наде/.;ности а производительности. В то же время важнейшие характеристики IJBC во многом определяются свойствами используемых них протоколов - правил взаимодействия между удаленными частями ИВС. Особую роль здесь играют свойства логической корректности, т.е. отсутствие логических ошибок типа тупикозых состоитй, изпревзвояитсяыдах вдапов, переполнений и др. Дело в том, что ошиСкп такого рода яе мзгут быть обнаружены и» этшах тсстярсва-няя и отладки, а только па равном этагэ логического проектирозгшиа. Более того такой анализ протоколов иа логическую корректность ьомго*яи только с пспользоалп;:ем формальных методов и, кьх показывает опыт, соответствующих автоматизированных средств. Таким образом проблема состоим в создьияи формальных методов Конструирования протоколов ИВС, обладающих свойствами логической корректности.
Решение этой проблемы происходит как мо пути развития сбишх теорий параллельных распределенных систем, так а во цути их приложений к специфической области коммуникационных протокплов. Значительный теоретический вклад в этой областе связм с вмеяамя Р.Мпяаера., К.Петри, Ч.Хоар». Ряд существенных результатов, связанных как с фундаментальаими, тал и прикладными проблемами, вкесея отечествеавыиа вселггкйатглямв: О.Л .Баадмая, В.И.Вэршавскиы, Ю.Г.Карпздыы, В.Е.Котозія«, В.Г.Ла*арезым, Е.ЇЇ.Пийль, С.А.Юдицким.
Следует, однако, отметить, что вочтв вез кмекнаяеея результаты а области описания и аналаза протоадлоа р&еяреаглгинда систем применимы только к системами небольшого размера. Когда жерачь заходит о системах реальной сложности, эти метслы, в массе стогЭ бгед?рук>щпяся s?A востроетзга и анализе множества достижимых еостояяв»., у_к« ьа яриыгвдаш нз-їа эксдотеициально-го і>оста числа еостоіпиЯ. В го же вреаи практичесхаа патрсбаость трй&у-ет дальнейшего раззитн» ярото&олоя. Большїгнство ййгааьзуемых протоколов многофункциональны и состой hs мвожйетяз составлагогаий - яедпротокелоа, фаз, процедур. Более того, созрекеквыв ИВС функционируют уже в соответствии с мпогоуроымвыкя иерархически оргаякзовшїтй системами протоколов. Прочно вгаяло в обиход понятие архитектуры взаимодействия - системы
правая, согзшагшй, тврмЕаьз длд.Евстросявя мпогурйааезых систем протоколах Для проікта;жгадвіг такая састсм в настоящее »рєми еэ существует достаточно уйэваэтваркгепьгсдх Методов. Tax стацпарткые средства, оппсааая протоколов LOTOS и Estclie, рю{>гсїазошг s Маадународцой оргаикзавпа со " стаядартвм№ш» хоть u шявошаот СЕвда^адарогогъ протоколы любов стєвева споааіостя, но л» едасрияг средств, с&слечагажядах их яопгеесгсую хорреат-шсть. Рынгяке этой кробиещд цоз&южш do суш создашга иошюзадаонйлышх ьгетодсс разработав, т.е. ішикив, казмишзднх cxf «яь сложные протокелыша конструкции из бокго простых состайлжоада, обаекгчизая при атом ногаческу» корректность результЕруккавЗ системи."
Эти обстоятельства ссдяе1«аьстиук>т сЗ актуальности проблемы созддвия иомпозикаояальных ьгехадмз врое8твроаакая проишаясз реальной сложности и ыногоуровзезых евстш вротоггадоз.
Связь с плашмя отраслей каук и аареякого хозяйства. Представленные в диссертация всезкдавдвя'прззздаяасо а рамках сяздузсашх ирограьга:
1. В ра&асах ваучЕо^вссЕэдааатеяьсйзх тем Идетвтута евтог-ытиха и продес-
сов управленца ЯВО РАН:
а "Азэтоыатиааиая даучиых вееяедозглшй на неоднородней вичвепатеяыюй
сети", N гос.регастрйциз 8105537 * "Разработка метод» всеяедовашаї и ирограмьшия средсто ягформацяса-
ко - вычислительных секи", Н госрд-Естразди О1.86.0107742; в "йсследагкака и разработка мгтад» анализа, н евптгза протоколов сетей
ЭВМ", N госрогястрадші Ш.9.10016815.
-
В рамках конкурсного иаучко-веслешв-атеяьского проекта отделения информатике, вычаспитеяъвак техяякк п ЕВтоиатизашш АН "Система аатоматс-эировавпой разработки протокслоз сетей ЭВМ".
-
В рамках яроскта Россвйш>го. феяда фуцйомеятаяьянк исследований "Основы хошкиицисвальпоа теорш сетей Петро", грант 95-ШЗ-17372.
D указаяных НИР аатор принимал участии р качества руководителя я от-ветствеаного исполватедя.
Цепь работы. Целью дассертгшззшкй работы явязотся создашге формальных моделей и методов разработки сложных ывогофушадашальных протокоаов и многоуровневых систем протоколов обладающих свойством логической корректности.
Длї достиікенм указанной пелл в работе решаются следующие задача:
-
Разработка методологяческюс прапцнпоя проектирования логической структуры ИВС.
-
Развитие композицнональтах средств в сетях Петри, позволяющих использовать их в качестве формального аппарата для построения компози-циональяых методов проектировьияя протоколов.
-
Разработка формальных мгделей и методов проектировали» мультипрото-еолыеых коммуішкациоЕиих модулей я кер&рхическкх систем протоколов, обладающих свойствами логячссісєн корректности.
-
Разработка формальных моделей п методов проектирован!;» логически корректных ьшогофушсдаоп&л&иых протоколов, используя в качестве исходных даапых протокольные процедуры.
-
Разработка методов спедгфйкадии п анализа корректности протокольных процедур.
-
Разра&отка версия автоматизироваяноЗ системы, поддерживающей ком-позЕцисиалыше методи проехтггрозания протоколов и мкогурсзпсвих систем протоколов.
7. Применение а экспериментальная nposepKa разрабат&шгых !:етодоэ и an- .
' толаткзироймшой снсте.чы для спецификации и проектирования логиче
ской структуры коммувт'.кацаоннсго оборудования для реальных И ВС.
Методи исследования базируйте! на использовании методов тееркч сетей Потри, методов anreCpaawecistx теорий параллельных процесса», элеиептоа общей аЛгеСри, теории множеств и др.
Научная новизна работхд. Основным научных» результатом работы являете* создание тсоретзгческлх основ разработка протоколов, предстазлгюздпх собой совокупность формальных моделе?! и методов н&целетшых на поддержку процесса прс-ектпрования логической структуры ИВ С и распределенных систем различлого назначения. Научила иовпзпа состоит в том, что разработанные методы поддерживают весь пкхл разработки логической структуры начиная «т разреботки элементарных s^peuenyp передачи іагіюіх и кончая иерархической системо;'? протоколов, оСессгчнгаа пря этом свойства корректности. Все методы базируютег ва едзтой форыаяымЗ основе - сетях Петри, что сбесвечлвгет их копцецтугльвое единство, повыйдет адгкЕатаость предметней области и по-зволгет использовать мощный арсепал моделей, методов я средств теории сетей Петри.
й диссертации бьіла получены следующие осяожыс шучяие результаты:
-
На оспепе анализа структуры ЙВС были разработаны и обоснованы методологические пркшошы Тароектирозалкя логической структуры ИВС, заключающиеся в разбиения логической структуры и методов еэ проекти-роязляя «аурагча комлоіинноявльиостя.
-
Разработано базовое исчисление сетей Петри, являющееся основой для построения ко!тожкиопа.чьаихі«тсйк» рвурайоткп протоколов. Введено новое попятив t- н s - точеї доступа к сстя Петри, формализующих инфер-
:-3''-
нацию о способах композиции сетей Петра как с помощью мест, так и с помощью переходе».
3. Разработан аппарат сетевых объектов, рредиазяаченный для поддержки
процесса разработки логической структури ПВО па системном уровне
комшомшоиалыюстя и обеспечивающий корректную разработку иерар
хических систем протоколов. В частности:
(а) введено ксаое понятие сетевого объекта, как сета Петрн с t-точками
доступа, позволяющего описывать одновременность логических дей
ствия и явно специфицировать направления взаимодействия объекта;
(б) введено привила хомпозшцяк сетепых объектов, позволяющее строить
сложные првтокодьиые конфигурации из более простых и исследовать
кг свойства;
(в) на основе понятия сетевого объекта определены основные понятия
. теории протоколов - протокола и сервиса, свойство логической кор
ректности протокола как соответствие протокола предоставляемому
сервису.
(г) предложено правило иерархической композиций, лоэволяккиее стро
ить иерархические системы протоколов а обеспгчиваюшее коррект
ность результирующей системы,
4. Введено исчисление протокольних процедур, обеспечивающее процгес кор
ректной разработки протокольных сЗъектоз. В частности:
(а) введено повес понятие протокольной процедуры как сети Петри с I-
и е- точками доступа, позволяющее специфицировать протокольные
составляющие;
(б) введены правила композиции протокольных процедур, позволяющие.
строить корректные протокольные объекты.
Практическая ценность работы. Предложенные и работе методы 'имеют четко выраженную практическую напразлениость и предназначаются для разработки протоколов рсальиоЗ сложности в протокольных систем различных телекомыункк&цвхшпых модулей 1ЇВС. Эти методы обеспечивают важное свойство логической корректности, т.е.стрэгое соответствие функционирования модуля требуемым сиедифяхацкга. Э частности, это гараятирует отсутствие логических некорректностей типа тугшшаых состояний, непроизводительных циклов, переполнений буферов я др. В свою очередь, что повышает надежность U эффективности функционировании ИВС в целом, предотвращая от возникновения большого класса неисправностей и сбоев.
Концептуальное единство разработанных методов, обусловь ./пае использованием сливой формальной основы, композициоиального подхода позволяет реализовать их в рамках единого технологического комплекса. Использование аппарата сетей Петри на протяжения всего цикла разработки логической структуры позволяет визуализировать все технологические операции, что делает методы привлекательными для широкого крута разработчиков - протокольных инженеров.
Разработанная яа основе предложенных методов версия автоматизированной системы проектирования протоколов предвазп&чеза для автоматизации всех операций, возникающих в процессе разработки протоколов. Бе использование существенно сокращает сроки производства протоколов, уменьшает труиоем- ' кость процесса проектирования, избавляет разработчиков от рутипноя работы, позволяя им концентрироваться на более творческих аспектах проектирования логической структуры ЙВС.
Предложеякка кемпозгцзопаяьвые методы использовались в процессе логического проектирования подсистемы передачи давних - мультяпротокольЕого коммуникационного модуля, фушевионвруютего одновременно в соответствии с набором различных протоколов (Х.25/3, IIDLC, BSC, ВМО п др.), который в настоящее spews эксплуатируется в автоматизвровшшой системе сбора, передачи п распростраяенля гвдрометеоийформапжи Госгмдромета (СПД "ПОГОДА").
Методические материалы диссертация использовались в учебном процессе 'на квфелре автоматизация- научных исследований Московского физико - технического института пря ДВО РАИ.
Апробация работы. Основные паучпиэ п практические результаты работы докладывались н обсуждались ва следующих международных я отечествеввых конференциях я семинарах:
а). 'Международных конференциях: Международная конференция "Параллельные архитектуры и языки а Европе (PARLE'93)" (Мкдахея, Германия, 1593); Международная школа-семиигр "Формальные модели параллельных вычислений" (Телави, 1989); Международная конференция "Технология программирования 90-х" (Киез, 1991); Международная конференция "Приложения а теория сетей Петри", (Шеффилд,. Англия, 1992); Международные научные совещания по проекту CALIBAN программы ESPRIT (Ньюкастл, Англия, 1993, Сарагоса, Испания, 1S94); Международная конференция "Локальные вычислительные сети (ЛОКСЕТЬ'90)" (Рига, 1990); Международная конференция "Параллельные компьютерные тсхвологна" (Новосибирск, 1991); Международный симпозиум "Иовзйшне технологии и автоматизация производства (ETFA'94)" (Темо, Япония, 1994);
б). Всесоюзных конференциях, школах н семинарах: Всесоюзные конференции "Вычнслительпыв сети коммутация пакетов (КОМПАК)" (Рига, 1983,1985, 1987,19S9); Всесоюзная конференции "Локальные вычислительные сети (ЛОК-СБТЬ)" (Рпга, 1S88); Всесоюзные школы-семинары по вычислительным се-
tsm (Владивосток, 1989; Вашшпа, 1981; Звенигород, 1983; Рига, 1S86; Одесса, 1987, Ллма - Ата, 19SS, Минск, 19S9, Алма Ата, 1902); Всесоюзная конференция "Формальные модели параллельных вычислений" (Новосибирск, 1987); Всесоюзная конференция "Территориальные неоднородные ниформационяо -вычислительны* системы* (Новосибирск,' 1988); Всесоюзный снмяоэиум "Сети Петри в их приложения" (Новосибирск, 1983); Всесоюзные конференции Технология программирования" (Киев, 1986, 1990); XXIX школа-семинар им. М.А.Гдврилова "Логическое управление е распределённых системах" (Москва, 19S7), Дальневосточная математическая школа (Находка, 1987,1983,1989,1994) и др.;
в). На семинарах "и коллоквиумах Швейцарского федерального института технологий (Цюрих, 1992); университетов Эдинбурга, Coppas.( Великобритания, 1993); Аахеаа и Халдесхавма (Германия, 1993), Айзу (Япояхя, 1994);
г). На семинарах Вычислительного центр» СО РАН, Института автоматика и процессов управлення ДВО РАН в 1933-1993 гг.
Публикации результатов работы.' По материалам диссертации опубликовано 43 печатных работы *
Структура и объём райоты. Диссертация состоит из введения, восьми глав, заключения, списка литературы в приложений. Основное содержание составляет 241 сграиацу,' в том числе 122 иллюстрация. Описок литературы вхлюч&ет 257 наименований.
