Введение к работе
Актуальность вопросов повышения эффективности применения автоматизированных систем управления (АСУ) на предприятии обусловлена ростом объёмов и цены хранимой информации, повышенными требованиями к оперативности и надёжности обработки данных, масштабами современных информационных систем. Эффективность применения информационных систем на прямую зависит от существующей ИТ-инфраструктуры предприятия. Основными требованиями к вычислительной инфраструктуре в настоящее время является надежность, производительность и способность адаптироваться к меняющимся задачам. Перечисленным требованиям в наибольшей степени удовлетворяют высокопроизводительные центры хранения и обработки информации (ЦХИ), обеспечивающие непрерывную работу информационных систем, а также имеющие относительно невысокую стоимость хранения информации. Создание ЦХИ оптимизирует также затраты на эксплуатацию занимаемых вычислительным оборудованием помещений и на обслуживающий персонал. Применение ЦХИ на предприятии является эффективным решением построения ИТ-инфраструктуры. В зависимости от задач предприятия и сложности его ИТ-инфраструктуры возможно построение ЦХИ требуемых размеров и надежности. Всё это подчёркивает актуальность разработки математического и программного обеспечения задачи выбора числа и мест размещения ЦХИ, особенно, в случае использования распределённых компьютерных сетей.
Известные математические постановки задач о размещении представляют собой частные случаи классических задач теории графов – «задачи о р-медиане» и «задачи о р-центрах», а также «задач о назначении», для решения которых, как правило, используются алгоритмы, основанные на идеях метода ветвей и границ. Этим задачам посвящён ряд работ таких авторов, как: S.L. Hakimi, H. Noltermeier, J. Spoerhose, Н. Кристофидес, В.Л. Береснев, Э.Х. Гимади, В.Т. Дементьев, Е.В. Алексеева, Ю.А. Кочетов, Г.Г. Забудский и другие.
В постановке применительно к компьютерным сетям в целях оптимизации информационно-вычислительного процесса (ИВП) наиболее известные подходы к решению подобных задач рассмотрены в работах О.Г. Алексеева, В.Д. Киселева, О.В. Есикова, И.В. Сергиенко, А.А. Корбута, Ю.Ю. Финкельштейна, Г.Ф. Янбых, Б.А. Столярова и других авторов.
Тем не менее, остаётся немало сложностей в разработке математических моделей и программ решения задач, обеспечивающих заданные требования к надёжности и оперативности, а также снижение стоимости современной АСУ предприятия, построенной на базе распределённых компьютерных сетей (КС). Сложность подчёркивается ещё и тем, что к алгоритму и программе решения задачи в ряде случаев может предъявляться требование обеспечения возможности выполнения в реальном масштабе времени.
Таким образом, для организации эффективного способа информационного обслуживания пользователей в распределенной КС необходимо наряду с другими вопросами решать достаточно сложную задачу оптимального выбора числа и мест размещения ЦХИ (файловых серверов, серверов приложений, серверов прикладных сетевых служб, серверов баз данных) в узлах КС. В совокупности эти задачи относятся к задачам оптимизации ИВП в распределенных компьютерных сетях.
Исходя из этого, научной задачей, решаемой в диссертационной работе, является разработка математических моделей и алгоритмов оптимизации ИВП путём оптимального размещения ЦХИ в узлах распределённой компьютерной сети.
Объектом исследования являются распределённые компьютерные сети АСУ предприятия.
Предметом исследования являются математические модели и алгоритмы размещения ЦХИ в компьютерной сети АСУ предприятия.
Целью диссертационной работы является повышение качества ИВП в распределённой компьютерной сети за счёт разработки математического и программного обеспечения задач оптимального размещения ЦХИ на основе анализа информационного взаимодействия между объектами АСУ и требований к показателям качества ИВП, а также применения новых информационных технологий с учётом перспективных направлений совершенствования современных АСУ.
Поставленная цель достигается путем решения следующего комплекса взаимосвязанных задач:
анализ факторов, влияющих на эффективность информационных процессов в современной АСУ предприятия;
разработка методики оптимизации ИВП в распределённой КС;
разработка математических моделей, методов и алгоритмов оптимального размещения ЦХИ в распределенной КС;
разработка имитационной модели для оценки параметров информационного процесса в компьютерной сети и программного средства для экспериментального исследования разработанных методов и алгоритмов.
Методы исследований. В основу работы положены методы исследования операций, имитационного моделирования, элементы теории графов, элементы теории вероятностей и математической статистики.
На защиту выносятся следующие новые научные результаты:
-
Методика формирования ИВП, основанная на оптимизации размещения ЦХИ в распределённой компьютерной сети.
-
Математические модели оптимизации числа и мест размещения ЦХИ в компьютерной сети, основанные на классических задачах из теории графов о р-центрах и p-медиане с учётом введения дополнительных ограничений для обеспечения заданных требований по оперативности и надежности представления информации.
-
Подход к решению задачи выбора числа и мест размещения ЦХИ в узлах компьютерной сети по критерию максимума интенсивности поступления запросов на информационное обслуживание, основанный на сведении её к задаче о покрытии, а также метод и алгоритм решения задачи выбора ЦХИ по критерию минимума суммарного времени на обслуживание информационных запросов в сети, использующий дихотомический поиск решения с проверкой по дополнительным ограничениям.
-
Имитационная модель на языке GPSS для оценки параметров компьютерной сети, построенная по модульному принципу, а также программное средство, позволяющее автоматизировать процесс экспериментального исследования эффективности методов решения задач выбора ЦХИ на различных наборах случайных исходных данных.
Достоверность научных результатов подтверждена корректным применением используемого математического аппарата, а также согласованностью результатов теоретического расчёта с данными, полученными в ходе экспериментов с применением имитационной модели, а также в ходе решения практических задачи выбора ЦХИ. Работоспособность предложенных алгоритмов была подтверждена сравнением результатов «ручного» расчёта по контрольным исходным данным с результатами, полученными с помощью разработанного программного средства.
Практическая значимость работы заключается в том, что предложенные методика, модели и алгоритмы могут быть использованы для оптимизации ИВП как при совершенствовании существующих, так и при разработке новых АСУ предприятия. Практическая ценность результатов работы подтверждается их применением в ходе обоснования ЦХИ для конкретного предприятия. Алгоритмы доведены до рабочих программ и в силу своей общности позволяют решать широкий круг научно-технических задач.
Внедрение результатов работы. Результаты работы использовались в процессе обоснования выбора и размещения ЦХИ в корпоративной сети предприятия (ООО «ТехЛэнд-Автоматизация», г. Москва, «ООО «Компания ДИЛАЙН», г. Москва, ООО «ТЕКСТИЛЬ СЕРВИС», г. Камышин Волгоградской области), а также внедрены в НИР, выполненной в Тульском региональном отделении МОО АИО. Программа оптимального размещения ЦХИ включена в состав программного обеспечения АСУ предприятия ООО «ТехЛэнд-Автоматизация», г. Москва, получено «Свидетельство о регистрации программы ЭВМ».
Ряд теоретических результатов внедрены в учебный процессе ГОУ ВПО «Тульский государственный университет», а также Тульского филиала ОРАГС.
Апробация работы. Материалы диссертации докладывались, обсуждались и одобрены на межрегиональных и внутривузовских научных и научно-практических конференциях (Тула - 2005, 2007, 2011 г.г.), а также на международных конференциях (Москва – 1999 г., Волгоград – 2006 г., Тула – 2011 г., Омск – 2011 г.).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 15 печатных работ в различных научных изданиях, в том числе, в журналах, входящих в перечень ВАК, рекомендованных для публикации результатов диссертационных исследований.
Структура и объём работы. Диссертационная работа состоит из введения, трёх глав, заключения, изложенных на 159 страницах машинописного текста, содержит 27 рисунков, 28 таблиц, список используемой литературы из 77 наименований, а также 4 приложения.
