Обоснование и разработка инструментария на основе модифицированных макро Е-сетей для исследования сложных программно-аппаратных комплексов Корнильев, Кирилл Геннадьевич

Введение к работе

2:.::.Ц

Актуальность темы. Расширение масштабов применения ЭВМ . и систем на их основе приводит к концентрации больших объемов . данных и процессов их обработки в рамках одной технической системы. Крупномасштабные системы обработки данных создаются на основе комплексирования средств вычислительной техники, что приводит к усложнению вычислительных систем, как совокупности тесно взаимосвязанных друг с другом компонентов. Особенно это относится к таким областям применения как управление производством, технологическим оборудованием, особенно гибкими производственными системами, применение вычислительной техники в научньк исследованиях, в том числе для автоматизации сложных физических объектов (СФО), таких как ускорители, установки типа ТОК/МАК и пр. Все аналогичные объекты характеризуются:

длительными сроками создания и эксплуатации;

высокой стоимостью;

постоянным развитием и модификациями;

регулярной переналадкой, связанной с адаптацией объекта к .'.'. условиям конкретных применений.

Ядро системы управления подобными объектами представляет г собой многопроцессорную систему, многомашинный комплекс, локальную вычислительную сеть (ЛВС) и т.п., т.е. некоторый сложный программно-аппаратный комплекс (СПАК), на который распро-:. страняются характеристики, приведенные выше для самого объекта управления. Под термином СПАК в работе понимается система управления некоторым объектом или ее часть, представляющая собой сложную систему согласно теории систем. СПАК как сложная система, возникает при рассмотрении подавляющего большинства задач определения качества управления, актуальность которых не вызывает сомнения в силу перечисленных характерных особенностей как самого объекта управления, так и СПАК. В первую очередь к ним относятся высокая стоимость и постоянное развитие комплекса. Единственным доступным методом исследования СПАК на ранних этапах его разработки является метод моделирования. Этот метод доминирует и на этапе эксплуатации при возможных переналадках и модификациях СПАК, т.к. возможность проведения натурных экспериментов нередко бывает существенно ог-

раничена из-за соображений стоимости или безопасности, например, для исследования внештатных режимов работы (Ж). Характерные для СПАК регулярные модификации и переналадки на различные режимы работы обусловливают регулярный характер решение соответствующих задач на основе моделирования, что делает необходимым обеспечение эффективности таких исследований. Данная работа посвящена решению актуальной задачи создания инструментария для исследования СПАК, обеспечивающего эффективность таких исследований.

Целью работы является создание методики и инструментальных программных средств для ее поддеряки, обеспечивающих эффективность исследования функционирования СПАК. Данный инструментарий позволяет:

описывать модели в терминах единого базиса абстракций, удобного для представления СПАК;

проводить декомпозицию моделей исследуемого комплекса на подсистемы и обоснованно формировать на этой основе состав банка моделей подсистем;

обеспечивать эффективность исследования СПАК за счет снижени суммарных временных затрат на подготовку программных моделей

При разработке данного инструментария были решены следующие задачи:

выбор единого концептуального подхода и базиса абстракций для описания моделей СПАК;

создание методики проведения декомпозиции моделируемого объекта на подсистема и обоснование на этой основе состава банка моделей подсистем с применением математического и инженерного подходов;

обоснование необходимости и проведение модификации выбранного базиса абстракций, что позволило ликвидировать обнаруженную избыточность базиса, повысить его однородность и эргономичность;

обоснование состава семантики языка для описания моделей в терминах модифицированного базиса абстракций;

реализация комплекса программных средств поддержки предложенной методики и использование его для исследования разрабатываемой ЛВС с «маркерным методом доступа к среде передачи информации.

4І -. '

Методы исследования. В качестве аппарата теоретических исследований использованы теория сетей Петри, теория математического программирования, теория формальных языков, теория имитационного моделирования. При разработке комплекса программных ср'едств использовались теория трансляции и методы системного программирования.

Научная новизна заключается в разработке нового инструментария для эффективного исследования функционирования СПАК на всех этапах его хсизненного цикла за счет снижения суммарных сроков подготовки программных моделей. Новыми являются решения задач, возникших при разработке инструментария: разработанный математичзский и инженерный подходы к проведению декомпозиции моделей исследуемого объекта и определения на этой основе состава банка моделей подсистем; доказательство избыточности выразительных средств аппарата Е-сетей; разработанный новый аппарат модифицированных Е-сетей и основанный на" нем аппарат модифицированных макро Е-сетей; обоснование состава семантики языка описания моделей в терминах модифицированных макро Е-сетей.

Практическая ценность и внедрение результатов работы. На-основании разработанной методики создан комплекс программных средств для моделирования параллельных систем (КОМПАС), предназначенный для исследования динамики работы СПАК и функционирующий на ЕС ЭВМ в' разделе оперативной памяти не менее 600 кБ под управлением ОС режимов MYT, SV5 , IKS . Разработанный инструментарий был внедрен в институте физики высоких энергий-(Ш5Э) и использован при исследовании ЛВС с маркерным методом доступа к моноканалу и предоставлением транспортных услуг пользователю на этапе ее создания, что позволило обосновать ряд проектных решений для сети. Использование инструментария подтвердило его эффективность и направленность на снижение сроков создания изделия. Инструментальные средства были также внедрены в учебный процесс и составили основу лабораторного практикума по курсу "Сети ЭВМ" на факультете "Кибернетика" в Московском инженерно-физическом институте.

Использование инструментария при исследовании разрабатываемой в ИФВЭ ЛВС позволило:

1. обоснованно выбрать из 5 альтернативных вариантов механизм передачи кадров различных приоритетов, управляемый 7 параметрами и вьщать рекомендации по настройке параметров протокола на конкретные условия работы ЛВС и ее конфигурацию;

2. обосновать экономически целесообразную максимальную скорость передачи информации по моноканалу, радную 5 кібит/с;

3. провести исследование средств взаимодействия абонентских систем с транспортными сетевыми станциями, в частности, определить накладные временные расходы на функционирование протокола (6...aS от времени, затраченного на передачу "полезной" информации);

4. исследовать возможность применения аппаратуры ЛВС в системах сбора данных с физических экспериментальных установок и определить характеристики таких применений (20...30 терминальных источников информации с суммарным информационным потоком порядка 0,5 Мбайт/с);

5. провести исследование характеристик функционирования ЛВС в конфигурации, необходимой для её применения в составе системы управления инжекционным каналом ускорительно-накопительного комплекса, что позволило определить технические характеристики используемых аппаратных средств сети и провести настройку параметров протокола для этой задачи.

Апробация. Основные выводы.и результаты диссертационной работы докладывались на Всесоюзной конференции по автоматизации проектирования систем планирования и управления (Звенигород, 1987 г.), на ТУ Всесоюзном совещании "Надежность, живучесть и безопасность автоматизированных комплексов" (Суздаль, 1988 г.), на Всесоюзной школе "Автоматизация и эффективность научных исследований" (Протвино, 1987 г.), на II Всесоюзном школе-семинаре "Проблемы передачи данных в информационно-вычислительных сетях" (Суздаль, 1988 г.), на XXXII научно-технической конференции МИШ (Москва, 1987 г.).

На защиту выносится новый подход к исследованию сложных программно-аппаратных комплексов методом имитационного моделирования на основе модифицированных макро Е-сетей, т.е. обоснование и разработка соответствующего инструментария, а именно: -

- выбор в качестве единого базиса абстракций для пред- і
ставлення моделей функционирования СПЖ аппарата Е-сетей;

- разработанные математический и инженерный подходы к

; проведению декомпозиции моделей исследуемого комплекса и оп-
: ределению на этой основе состава банка моделей подсистем;
| ' - доказательство избыточности выразительнее средств вы
бранного базиса абстракций;
і , - - предложенный новый аппарат модифицированных Е-сетей и
'. основанный на нем аппарат модифицированных макро Е-сетей, ис-
j ключшацие обнаруженную избыточность и повышающие однородность
і аппарата и удобство представления моделей СПЖ;
\ - обоснование состава семантики языка описания моделей

CILAK в терминах модифицированных макро Е-сетей и разработка собственно языковмх средств для системы моделирования;

- разработка программного обеспечения комплекса програм-

мнкх средств для моделирования параллельных систем (КОМПАС) и

, формулирование методики использования разработанных инструмен-І тальных средств для исследования СПАК.

; Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, : шести глав, заключения, списка литературы и приложения; содер-! жит 194 страницы, в том числе 35 рисунков, 3 таблицы и 103 на-| именования библиографии.

| . СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Задачи .исследования СПАК возникают на различных этапах его жизненного цикла от научно-исследовательских работ до эксплуатации. Содержание задач определяется этими этапами. Как уже было отмечено, эффективным методом решения таких задач выступает моделирование.

Формулирование целей моделирования для каждой отдельной задачи исследования СПАК на каждом этапе его жизненного цикла и последовательные проработка и выполнение всех этапов работ по моделированию с использованием вычислительных средств приводит к большим затратам времени. В работе реализуется комплексный подход к моделированию по вертикали и горизонтали (по этапам жизненного цикла и по задачам исследования СПАК на каждом этапе). При таком подходе для решения задач исследования строится ансамбль моделей, базирующихся на едином концеп-

.? .

j туальном подходе, основанном на определенном базисе абстрак- !

! ций. Единственность базиса абстракций позволяет накапливать

і опыт исследования СПАК в естественной форме банка моделей под-! систем комплекса. Такой подход обеспечивает снижение сроков ' построения математической и создания и отладки программной модели за счет имеющихся в банке моделей подсистем. Именно этот '

: факт и обеспечивает существенное повышение эффективности ис- .

; следований, т.к. данные этапы отнимают большую часть времени :

; на решение той или иной задачи моделирования. Все задачи по исследованию СПАК могут быть разделены на 2 большие группы: '

; I) определение временных характеристик функционирования комп-;
лекса или его компонентов; ;

2) определение возможных состояний системы, их достижимости, ^! допустимости и т.п.

, Для решения задач из первой группы используется широкий спектр математических аппаратов синхронного типа, а для решения за- . дач из второй группы используются асинхронные математические і схемы типа "условие-событие" (это сети Петри, ингибиторные , сети и др.). К настоящему времени в рамках теории аппаратов типа "условие-событие" разработан подход к решению задач из I второй группы на основе преобразования модели объекта в тер- |

минах синхронного аппарата типа "условие-событие" в модель j асинхронного типа и разработан инструментарий, обеспечивающий эффективную поддержку предложенного подхода. Поэтому вопрос реализации единого концептуального подхода к решению задач исследования СПАК был сведен к его организации для решения '

задач определения временных характеристик, и поиск необходи-

і мого аппарата синхронного, типа проводился в работе среди ап- j паратов типа "условие-событие". В работе был проведен анализ і ; характерных особенностей СПАК на примерах систем управления I ¹ СФО и их компонентов, что позволило уточнить требования к ба-| зису абстракций. Проведенный анализ различных«математических !

схем привел к выбору аппарата Е-сетей, т.к.: j

6. Е-сети были созданы для моделирования вычислительных сие- ! тем; |

7. к настоящему времени существует математическая проработка | вопроса перехода от Е-сетей к ингибиторным сетям и разра- ! ботан инструментарий для решения задач достижимости опре- j

_; J±i_ : „„. _., . _ I

j деленных состояний системы, поиска тупиковых ситуаций и :

j т.п.; '_-.'.

| 3) в работе показана соизмеримость размерностей моделей СПАК ;

| в терминах макро. Е-сетей и агрегатов, которые, как отмеча-, ется в литературе, являются обобщением различных способов \ структуризации систем;

; 4) Е-сети обеспечивают наглядное графическое отображение в подели параллельных процессов. В рамках данной работы был проведен анализ свойств аппа-

^: лирущей системой. Этот факт был установлен сравнением Е-сетей со счетчкковыми автоматами, которые равномощны машинам Тыорин-

\ га. С этой целью в рамках данной работы было сформулировано и доказано утверждение о том, что произвольный счетчиковый автомат может быть смоделирован некоторой конечной помеченной Е-сетью. Это утверждение имеет важное следствие о том, что

^: такой автомат может быть смоделирован Е-сетью, принадлежащей классу сетей , для которого характерны:

; I) отсутствие непериферийных решающих позиций;

! 2) отсутствие неопределенного состояния периферийных решающих

і позиций.

і В рамках данной работы было сформулировано и доказано еще од-

\ но утверждение, согласно которому любой рекурсивно-перечисли-

; мый язык монет быть порожден помеченной Е-сетью как префикс-

;. нкЯ или терминальный язык сети. Это утверждение имеет ряд ; следствий, суть которых состоит в эквивалентности меаду собой |

. по вьфазительной мощности класса всевозможных Е-сетей, класса ' Е-сетей и машин Тьюринга, т.е. доказана избыточность наличия у Е-сетей непериферийных решающих позиций и неопреде-. ленного состояния периферийных решающих позиций и предлагает-' ся строить модель СПАК, не используя эти избыточные средства, т.к. отказ от них дает существенное упрощение алгоритма функционирования переходов Е-сети, моделирующих события в исследуемом объекте, что позволяет существенно упростить организацию и повысить эффективность инструментальных средств, моделирующих функционирование Е-сетей класса .

_ю.

Проведенная формализация позволяет подойти вплотную к : ,\ I решению задачи построения банка моделей подсистем. При реше- \ \ нии этой задачи возникают две взаимоувязанные проблемы: : ; I) проведение декомпозиции на подсистемы эффективный способом, ! чтобы при решении задач исследования существенная часть | модели строилась на основе моделей, хранящихся в банке; ; '. 2) построение интерфейса между моделями подсистем так, чтобы! замена или изменение одной из них не приводила бы к необходимости внесения модификаций в другие. Основой для рас- : суждений при решении этих проблем были: существование в ' силу доказанных утверждений гипотетической Е-сети Е, отра-! жающей все наши знания об исследуемом СПАК; формализация '. процесса построения модели для решения конкретной задачи исследования из множества задач ⁴f = { ^,} как частично-" определенного отображения 3 ^из декартова произведения .: класса Е-сетей ' и множества задач исследования Цг в класс Е-сетей С'( : с'* Ч-+' , 'E^=S(E, /*)) ;' ]

проведение взаимного сравнения Е-сетевых моделей Еа. для ''.

і . * !

решения различных задач исследования на основе совпадения их \

структуры. Проведенные в работе математические построения по-' : зволили свести проблему декомпозиции к решению ряда задач целочисленного линейного программирования, определяющих множество. . . граничных позиций, разделяющих модели на отдельные сегменты, : а проблему построения интерфейса к регламентации физического J смысла и масштаба числовых значений описателей, передаваемое : через граничные поещии маркеров. Множество элементарных і блоков для построения банка моделе'й подсистем получается как ;. ! объединение уникальных фрагментов Е-сетевых моделей и супер-| позиции из получаемых при решении'задач линейного программи- j рования разбиений инвариантных частей, т.е. при создании <5ан-| I ка моделей подсистем первоначально формируется его основа -интерфейс между элементарными блоками,после чего происходит j постепенное наполнение банка отдельными подсистемами, необ-І ходимыми для решения той или иной задачи.

Вместе с тем, в работе показана неэффективность строгого .'

\ математического подхода к построению структуры банка моделей j

подсистем, определяемая большим объемом вычислительных работ j

и замкнутостью круга задач исследования. Это послужило при- I

чиной создания инженерного подхода к построению структуры
банка, основанного на возможности работы над моделью коллек
тива программистов. Формирование разбиения на подсистемы и вы
работка мезшодульного интерфейса в модели производится на ос
нове операций с агрегированным орграфом АГ, вершины которого
представляют собой подсистемы объекта, а дуги - связи между
ними. Этот подход носит итерационный характер и основан на
нулевом приближении разбиения АГ, выполняемого аналитиком
системы, на детальной проработке интерфейсов отдельных под
систем соответствующими специалистами и на автоматизирован
ном контроле на непротиворечивость предложенного межмодульно
го интерфейса. ; ,' ..'.''..'. . '
" После проведения декомпозиции модели в работе рассматри
ваются вопросы-построения моделей отдельных подсистем СПЖ.

Доказанная избыточность классических Е-сетей привела к возможности изменения аксиоматикив определении Е-сетей из класса ' за счет исключения из определения множеств периферийных и решающих позиций и процедурного задания правил запуска переходов. В силу доказанной равномощности класса Е-сетей и класса всевозможных F-сетей предлагается сети, заданные новым, определением,называть модифицированными Е-сетями: '

Е=(Р,Т,Мо, С) - модифицированная Е-сеть;

Р= pi »> Р<ч"і Ф ф - множество позиций;

Т= *._{х э} ..._t t^? ф> - множество переходов;

Ч ^{= (H}d*»^т Ч ^ р* * РҐ) " - ^пєр^єхд і

Nj = ($ , Иj ^ - элементарная сеть tj ;

процедуры "fc; : '

tTf t; ^ - времени задержки;

р:^с - проверки условия срабатьшания;

j5j^w - смены разметки;

M₀=MCP}(_t - начальная разметка сети;

С ^=сь І Ье6>}- - множество внешних переменных. Однако,'модели сложные систем, представленные в терминах Е-сетей обладают слишком большой размерностью и сложностью для восприятия и исследования. Составление моделей значительно упрощается если ряд часто встречающихся подсетей выделяется в качестве макроэлементов: макропозиций и макропереходов.

Такие сети принято называть макро Е-сетями. В работе показано преимущество перехода на макро уровень от модифицированных Е-сетей в отличие от классических. При этом снимается ограничение на число входов-выходов переходов и возникают позиции-накопители ограниченной емкости с различными дисциплинами обслуживания. С целью обеспечения возможности построения и эффективного использования банка моделей подсистем в модифицированные макро Е-сети были-добавлены два новых типа позиций, организующих межсегментные связи в модели и проведена трехуровневая структуризация множества внешних переменных (глобальные переменные модели, локальные переменные сегмента модели, локальные переменные перехода сети). Итак, в качестве базиса абстракций для построения моделей подсистем СПАК в работе обоснованно выбраны модифицированные макро Е-сети.

Для выбора с целью адаптации к базису абстракций одного из существующих в настоящее, время свыше 500 языков моделиро- і вания, либо для обоснования необходимости создания новой системы моделирования в работе определяется отношение данного базиса к семантическим свойствам языков моделирования. Анализ семантики моделирующих систем проводился в работе на основе подхода, предложенного Киндлером.

Сетевой подход к моделированию, присущий системам типа "условие-событие". в рамках которого развивается аппарат сетей Петри и, в частности, аппарат Е-сетей, а также предложенное определение модифицированных макро Е-сетей определяют се- , мантический подход, состоящий в представлении системы как сети "активностей" через которые движутся "транзакты". Такой подход имеет место в языках типа ТА по Киндлеру. Более деталь- ный анализ, проведенный в данной работе, показал, что семантический подход к модифицированным макро Е-сетям приводит к характеристике семантики ЇА_Е , т.е. языка ориентированного на сети элементарных "активностей" и допускающего наличие "транзактов". Элементарная "активность" не содержит специфических операторов планирования, а состоит из операторов процедурного типа. Операторы планирования, в которых сосредоточены вычисления, характерные для языков моделирования, порождаются в таких языках косвенно, в данном случае в соответствии с алгоритмом функционирования перехода модифицированной макро 12

Е-сетч.

Организация выполнения операторов планирования, пусть даже пороядаемьк косвенно, называетсясистемой гаанирования языка модрлирования. В работе показано, что,- в соответствии с введенным определением модифицированной макро Е-сети, систему планирования языка описания таких .зетей можно рассматривать как императивную В-систему планирования. Такие системы проще и эффективнее и потому более предпочтительны. В-системой удалось воспользоваться, т.к. в предложенном базисе абстракций исключаются операторы планирования интеррогативного типа ("жди выполнения условия X").

В то же время в работе обоснована нецелесообразность ограничения выразительных средств языка только средствами описания Е-сетевых моделей (семантика ТА_е ). В работе был проведен анализ причин, побуждающих к выходу за рамки такой семантики и к использованию дополнительных инструментальных средств. Исходя из этих причин был обоснован способ реализации этих дополнительных средств как средств планирования событий с семантикой А ТТ , которая характеризует языки ориентированные на элементарные "транзакты" с наличием в системе "псевдоактивностей".

Т.о. инструментальные средства исследования СПАК должны описываться на языке моделирования с композиционной семантикой ТА_С * А*ТТе с императивной В-системой'планирования или на языке с семантикой, объемлющей данную.

Анализ существующих систем имитационного гэдёлирования с использованием систематизированных Киндлером характеристик семантики свыше 350 языков моделирования, а также специализированных средств для исследования Е-сетей показал отсутствие языков с такой композиционной семантикой, что обусловило проведение поиска подходящих средств среди языков с семантикой, объемлющей данную. В работе показано, что единственной объемлющей семантикой является семантика типа Т языков, ориентированных на транзакты. Проведенный сравнительный анализ затрат на создание новых средств и использование одного из.существующих языков типа Т показал их сравнимость, а простота создания счетчика времени в виде императивной В-системы планирования окончательно подтвердила необходимость создания специаль-

них инструментальных средств для'моделирования в терминах мо-!
дифицированных макро Е-сетей. |

На основании полученных в работе и изложенных выше теоре_т тических результатов были сформулированы требования к созда- j ваемым инструментальным средствам исследования СПАК. На осно-; ве этих требований был разработан комплекс программных сред- ; ств для моделирования параллельных систем (КОМПАС), предназ- : каченный для исследования динамики работы СПАК. Программное обеспечение КОМПАСа (15500 строк кода) реализовано на языках і PL/I (85%) и Ассемблер (15), функционирует на ЕС ЭВМ под управлением ОС режимов MVT, SV5 и TKS в разделе оперативной памяти не менее 600 кБ.

Интерфейс пользователя с системой моделирования обеспечивается специально разработанным языком КОМПАСа с характеристикой семантпш ТА_Е-*-Д*ТТ_Е . К основным возможностям языка относятся:

описание графа модифицированной йакро Е-сети;

описание работы ее примитивов в процедурной форме;

модульность описания моделей (отдельно транслируемые сегменты графа модифицированной макро Е-сети носят название ' подмоделей); :

- возможность создания и использования банка моделей подсистем.
На основании функциональных возможностей КОМПАСа и проработан
ных теоретических положений были сформулированы этапы методи-',
ки применения КОМПАСа для исследования . СПАК. На основе спис
ка задач исследования и информации о разрабатываемом комплек-j
се осуществляется декомпозиция на подсистемы и построение !
межмодульного интерфейса в модели с использованием предложен-I
ного инженерного подхода. Этот интерфейс является основой для<
создания наращиваемого банка моделей подсистем. При решении '
очередной задачи разрабатываются модели только для тех под
систем, для которых либо отсутствует соответствующая модель _;
в банке, либо имеющаяся там модель не удовлетворяет пользо- \
вателя по тем или иным причинам. Методика достаточно тради- j
ционна, новизна состоит в способах реализации отдельных эта- !

ПОВ. :

Разработанный инструментарий был внедрен в ИШВЭ и использован для обоснования ряда проектных решений создаваемой ЛВС j

14 ^j . 1.

I с маркерным методом доступа к моноканалу, ориентированной на I ^: применение в технологических зданиях системы управления уско-' | рителыю-накопительного комплекса первой ступени. Наличие вер4 тикального членения системы' на уровни сетевого обеспечения | ; согласно эталонной модели взаимодействия открытых систем и

горизонтального членения на отдельные узлы ЛВС, а также ана- '
лиз свойств исследуемого объекта и задачи исследования сети

: обусловили соответствующую декомпозицию на подсистемы, при ! которой один уровень сетевого обеспечения в отдельном узле :

сети представляет собой подмодель. Для решения поставленных

. задач исследования были разработаны необходимые модели под- '

. систем. Благодаря использованию инструментария сроки создания і

и отладки программных моделей удалось снизить примерно в два

раза. Результаты, полученные при решении задач исследования

; ЛВС, освещены выше в разделе "практическая ценность и внедре- : ' ние результатов работы". Для оценки адекватности моделирова- ] \ ния был проведен измерительный эксперимент на эксперименталь- ! і ном комплексе из двух канальных процессоров сети и микроЭВМ "Кронос" и проведено моделиролание сетевых средств в соответствующей конфигурации. Сравнение результатов моделирования и измерений по критерию Колмогорова-Смирнова показало их хорошую согласуемое^.