Введение к работе
Актуальность темы исследований. В последнее время большое внимание уделяется проблемам использования вычислительных сетей как больших вычислительных систем (ВС), предназначенных для решения крупномасштабных задач. Связанная с подобной проблемой технология метакомпьютинга обычно определяется как использование вычислительных ресурсов различной мощности, доступных посредством телекоммуникационной среды. Метакомпьютер при этом определяется как виртуальный компьютер, динамически организуемый из территориально распределенных ресурсов. В состав метакомпьютерной системы (МКС) могут входить как простые персональные компьютеры, так и мощные кластерные и массивно-параллельные системы. Концепции метакомпьютера в наибольшей степени удовлетворяет, например, международный проект Grid.
Метакомпьютерная система может быть создана как гибридный «облачный» сервис, взаимодействующий с пользовательскими машинами. Она должна обладать способностью динамически изменять свою конфигурацию: отдельные компьютеры могут выходить из строя или отказывать клиенту в предоставлении вычислительной услуги, кроме того, ее конфигурация должна динамически настраиваться на решение конкретной крупномасштабной задачи.
Метакомпьютерным, кластерным, облачным и другим технологиям распределенного программирования посвящены работы В. В. Воеводина, Вл. В. Воеводина, В. Н. Коваленко, Д. А. Корягина, А. С. Антонова, G. Andrews, C. Catlett, L. Smarr, C. Hewitt, P. Dave, J. Dongarra, D. Gelernter,
A. Tanenbaum, M. van Steen, N. T. Karonis, C. Hughes, T. Hughes,
J. McCarthy, P. Fingar, G. Reese, T. Chou, A. Wohl, H. Deitel и др.
Создание и исследование математического и программного обеспечения облачных сервисов и МКС являются трудоемкими теоретическими и практическими задачами. Недостатком существующих систем подобного типа является их ориентированность преимущественно на информационный обмен и хранение данных и недостаточная гибкость при реконфигурациях. Вычислительные ресурсы при этом используются недостаточно эффективно. Поэтому целесообразно расширить функциональные возможности и повысить эффективность мобильных метакомпьютерных систем как облачных сервисов нового вида за счет внедрения мультиагентного подхода к программированию и связанных с ним новых методов логического управления процессами и ресурсами.
Агентно-ориентированные технологии исследовались в работах
Т. А. Гавриловой, В. Ф. Хорошевского, В. И. Городецкого, В. Б. Тарасова, А. Н. Швецова, M. Wooldridge, Y. Shoham, D. Lange, M. Oshima,
F. L. Bellifemine, T. Tao, G. Samaras, E. Pitoura, F. Zambonelli, L. Leonardi,
P. Ciancarini и др. Однако во многих работах изучались преимущественно антропоморфные свойства агентов и уделялось недостаточное внимание агентно-ориентированному программированию как научной дисциплине. Недостаточное внимание уделялось также и использованию формальных подходов к согласованному проектированию программного обеспечения и системной архитектуры агентно-ориентированных метакомпьютерных систем (АО МКС) с учетом особенностей использования агентов как мобильных вычислительных элементов.
Методологической основой данной диссертационной работы являются работы В. М. Глушкова, А. Н. Мальцева, Д. А. Поспелова, Н. П. Вашкевича, В. А. Горбатова, В. Г. Лазарева, Г. С. Плесневича, С. С. Лаврова,
С. А. Юдицкого, В. Е. Котова, А. С. Нариньяни, В. Б. Тарасова, В. Е. Кузнецова, Х. Уэно, М. Исидзука, A. Thayse, P. Gribomont, Y. Gurevich,
D. Gelernter, M. Minsky, H. Levesque и др.
Сложность проблемы интеграции метакомпьютерных, облачных и агентно-ориентированных технологий обработки данных определяет основную проблемную ситуацию в проектировании математического и программного обеспечения агентно-ориентированных метакомпьютерных систем, поэтому задача разработки и исследования методов и программных средств АО МКС является актуальной и практически значимой.
Целью исследования является повышение эффективности проектирования и расширение функциональных возможностей АО МКС за счет создаваемых методов и программных средств логического управления на основе декларативных и процедурных моделей представления знаний.
Поставленная цель достигается решением следующих задач:
- анализ существующих методов и программных средств для организации функционирования и расширения функциональных возможностей МКС, обоснование концепции системной архитектуры метакомпьютеров;
- разработка метода логического управления глобальными вычислительными процессами в МКС на основе знаний о функциональной архитектуре и при учете специфики программного обеспечения;
- разработка метода синтеза системной архитектуры МКС, позволяющего учитывать изменяющиеся структурные и функциональные связи между основными компонентами в процессе функционирования системы;
- разработка моделей асинхронного логического управления вычислительными процессами, ресурсами и очередями в АО МКС, основанных на организации согласованных взаимодействий в коллективе агентов;
- создание инструментальных программных средств, языка формальных спецификаций и методики проектирования систем логического управления в АО МКС;
- разработка, реализация и экспериментальное исследование вариантов агентно-ориентированных метакомпьютерных приложений для обработки данных.
Объектом исследования являются программные средства для организации вычислительных процессов в агентно-ориентированных метакомпьютерных системах.
Предметом исследования являются методы логического управления процессами и ресурсами в агентно-ориентированных метакомпьютерных системах.
В ходе работы над диссертацией были использованы следующие методы исследований: методы анализа алгоритмов, теории множеств, теории графов, математической логики, объектно-ориентированного и агентно-ориентированного программирования в сетях, методы и модели искусственного интеллекта.
Научная новизна работы заключается в следующем.
1. Предложена и обоснована новая концепция системной архитектуры МКС класса «земля – облако», которая, в отличие от известных, основана на интеграции агентно-ориентированных, метакомпьютерных и облачных сетевых технологий, что за счет перераспределения информационных потоков обеспечивает повышение производительности и расширение функциональных возможностей по обработке данных в вычислительных сетях.
2. Предложен декларативно-процедурный метод логического управления вычислительными процессами в АО МКС, основанный на интеграции декларативных и процедурных моделей представления знаний о функциональной архитектуре данных систем, а также основанные на нем новые графовые модели вычислительных процессов, позволяющие, в отличие от известных, реализовать концепцию согласования процессов через разделяемое агентами, «облачными» и «земными» сервисами информационное пространство, вследствие чего обеспечиваются повышение уровня параллельности, производительности и расширение функциональных возможностей системы.
3. Предложен основанный на новой формальной модели метод синтеза системной архитектуры АО МКС, отличающийся согласованностью с предложенными вычислительными моделями на уровне систем продукционных правил и позволяющий проектировать новую логическую структуру системы, упростить структурные и функциональные связи между основными компонентами посредством использования базы знаний; при реализации данного метода, в отличие от других, операционную среду формируют сами агенты различных типов с учетом собственной мобильности и внутрисистемных взаимодействий.
4. Предложены модели асинхронного логического управления вычислительными процессами, ресурсами и очередями в АО МКС, предназначенных для распределенной обработки данных, отличающиеся от известных моделей возможностью непосредственной программной интерпретации, что ведет к сокращению сроков проектирования и повышает эффективность реализации согласованных взаимодействий и синхронизации в коллективе агентов, разделяющих общую распределенную базу знаний о функционировании АО МКС и ее логической архитектуре.
Практическую значимость работы составляют разработанные инструментальные программные средства и частные методики проектирования систем логического управления в АО МКС с интенсивно используемой базой знаний; разработанные, практически реализованные и экспериментально исследованные варианты агентно-ориентированных метакомпьютерных приложений для обработки данных, основанные на согласованных взаимодействиях в коллективе мобильных агентов; язык спецификации декларативно-процедурных программ промежуточного уровня для АО МКС с развитой информационной системой, используемой в качестве ядра.
На защиту выносятся:
1. Обоснование концепции системной архитектуры МКС класса «земля – облако».
2. Декларативно-процедурный метод логического управления вычислительными процессами в АО МКС.
3. Новая формальная модель и основанный на ней метод синтеза системной архитектуры АО МКС, согласованный с предложенными вычислительными моделями на уровне модифицированных систем продукционных правил.
4. Модели асинхронного логического управления вычислительными процессами, ресурсами и очередями в АО МКС для распределенной обработки данных, предназначенные для создания управляющих программ.
5. Инструментальные программные средства, язык формальных спецификаций декларативно-процедурных программ промежуточного уровня и методика проектирования систем логического управления процессами в АО МКС.
Реализация результатов работы. Теоретические и практические результаты работы использованы при выполнении следующих НИР, выполненных на кафедре «Вычислительная техника» в Пензенском государственном университете: «Теория, методы и средства организации систем параллельной и распределенной обработки информации на основе использования моделей недетерминированных автоматов» (2006-2009, № гос. рег. 0120.0 502707); проект № 2.1.2/4257 «Разработка комплекса формальных моделей и их трансформация для проектирования распределенных информационно-управляющих систем промышленной автоматики» аналитической ведомственной целевой программы «Развитие научного потенциала высшей школы (2009–2010)», «Высокопроизводительные вычислительные системы и сети: методы и средства проектирования» (2006-2010); внедрены на промышленном предприятии ОАО НПП «Рубин» а также используются в учебном процессе Пензенского государственного университета, что подтверждено соответствующими актами о внедрении.
Достоверность научных положений, выводов и практических рекомендаций, сформулированных в диссертации, обеспечивается использованием различных методов исследования, адекватных предмету, цели и задачам работы, разработкой действующих программ (в том числе подтвержденных свидетельством об официальной регистрации), подтверждается экспериментами с созданными автором АО МКС для обработки данных, результатами практического использования предложенных в диссертации методов и средств, актами об использовании и внедрении результатов работы, а также апробацией работы на международных конференциях.
Автор работы является лауреатом Всероссийского конкурса выпускных квалификационных работ по специальностям 010503 «Математическое обеспечение и администрирование информационных систем» и 230105 «Программное обеспечение вычислительной техники и автоматизированных систем».
Апробация работы. Основные положения диссертации докладывались на VIII и IX международных научно-технических конференциях «Новые информационные технологии и системы» (Пенза, 2008, 2010), на международных научно-технических конференциях «Современные информационные технологии» (Пенза, 2008, 2009), на IX и X международных научно-технических конференциях «Проблемы информатики в образовании, управлении, экономике и технике» (Пенза, 2009, 2010), на V Международной научно-технической конференции «Аналитические и численные методы моделирования естественнонаучных и социальных проблем» (Пенза, 2010), на ежегодных научно-технических конференциях профессорско-преподавательского состава Пензенского государственного университета (Пенза, ПГУ, 2008–2011).
Публикации. По теме диссертационной работы опубликовано
17 печатных работ, из них четыре – в журналах, входящих в перечень ВАК РФ. Зарегистрирован программный продукт в Объединенном фонде электронных ресурсов «Наука и образование». Результаты диссертации отражены также в трех отчетах о НИР, выполненных в Пензенском государственном университете.
Все результаты, составляющие содержание диссертации, получены диссертантом самостоятельно. Работы [1, 16] опубликованы в соавторстве с научным руководителем, которому принадлежат разработка концепции решаемой проблемы и постановка задачи исследования. В зарегистрированном программном продукте (работа [18], выполненная в соавторстве) диссертантом разработаны общая концепция, формы представления, алгоритмы и программы выполнения продукционно-процедурных правил, описанные
в приложении А диссертации. Все программное обеспечение АО МКС,
описанное в приложениях Б и В, разработано диссертантом самостоятельно.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы из 171 наименования и четырех приложений. Основное содержание диссертации включает текст и 58 рисунков с общим объемом 205 с. Список литературы и приложения занимают 42 с.
