Содержание к диссертации
ВВЕДЕНИЕ 4
ГЛАВА 1. РАСПРЕДЕЛЕННЫЕ ИНФОРМАЦИОННО-УПРАВЛЯЮЩРГЕ СИСТЕМЫ КАК ОБЪЕКТ ИССЛЕДОВАНИЯ И ПРОЕКТИРОВАНИЯ... 10
ПРОИЗВОДИТЕЛЬНОСТЬ, НАДЕЖНОСТЬ И МАСШТАБИРУЕМОСТЬ РАСПРЕДЕЛЕННЫХ ИУС 12
МОДЕЛЬ УРОВНЕЙ РИУС, ОБЩАЯ АРХИТЕКТУРА 14
ПОДХОДЫ К ПРОЕКТИРОВАНИЮ РИУС 18
ИСПОЛЬЗОВАНИЕ РАСПРЕДЕЛЕННЫХ БАЗ ДАННЫХ 18
РАСПРЕДЕЛЕНИЕ НА УРОВНЕ ОБРАБОТКИ, ПРОТОКОЛ RPC 25
ОБЪЕКТНО-ОРИЕНТИРОВАННЫЕ МЕТОДЫ ПОСТРОЕНИЯ РИУС 27
ЯЗЫК JAVA И ТЕХНОЛОГИЯ RMI 31
СЕМАНТИЧЕСКИ ИНТЕРОПЕРАБЕЛЬНЫЕ РИУС 32
1.4. АРХИТЕКТУРА УПРАВЛЕНИЯ ОБЪЕКТАМИ (ОМА) 33
ОБЪЕКТНАЯ МОДЕЛЬ ЯДРА ; 33
ОБЩАЯ АРХИТЕКТУРА ОБЪЕКТНЫХ БРОКЕРОВ (CORBA) 34
ОБЪЕКТНЫЕ СЕРВИСЫ 37
ОБЩИЕ СРЕДСТВА 38
1.5. РЕАЛИЗАЦИИ CORBA 41
ГЛАВА 2. МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ РАСПРЕДЕЛЕННОЙ
ОБЪЕКТНОЙ ИНФОРМАЦИОННОЙ СИСТЕМЫ 44
ФОРМАЛИЗАЦИЯ СТРУКТУРЫ РИУС, ХАРАКТЕРИСТИКИ ЭЛЕМЕНТОВ МОДЕЛИ 45
ОПРЕДЕЛЕНИЕ СРЕДНЕГО ВРЕМЕНИ ОБСЛУЖИВАНИЯ 49
ОБЩИЙ ВИД ЗАВИСИМОСТИ 49
ОПРЕДЕЛЕНИЕ ЗАДЕРЖЕК ВИРТУАЛЬНОЙ ПАМЯТИ 52
ЗАДЕРЖКИ СИСТЕМЫ СЕТЕВЫХ КОММУНИКАЦИЙ 57
ЗАДЕРЖКИ ВНЕШНИХ УСТРОЙСТВ 60
ОПРЕДЕЛЕНИЕ ЗАГРУЗКИ ПРОЦЕССОРОВ 61
ОБОБЩЕННЫЙ АЛГОРИТМ РАСЧЕТА 63
2.3. ФОРМИРОВАНИЕ МОДЕЛИ РИУС 65
ОПРЕДЕЛЕНИЯ ИНТЕРФЕЙСОВ 65
ОТНОШЕНИЯ МЕЖДУ ОБЪЕКТАМИ 69
ФИЗИЧЕСКАЯ РЕАЛИЗАЦИЯ ОБЪЕКТОВ 71
ПОТОКОВЫЕ МОДЕЛИ 72
ФАБРИКИ ОБЪЕКТОВ 74
СХЕМЫ РЕПЛИКАЦИЙ 75
КРИТИЧЕСКИЕ СЕКЦИИ 77
ПАРАЛЛЕЛЬНАЯ ОБРАБОТКА ЗАЯВОК 78
ГЛАВА 3. МЕТОД ФОРМИРОВАНИЯ КОНФИГУРАЦИИ И
УПРАВЛЕНИЯ РАСПРЕДЕЛЕННОЙ ОБЪЕКТНОЙ
ИНФОРМАЦИОННОЙ СИСТЕМОЙ 81
ЗАДАЧА ВЫБОРА КОНФИГУРАЦИИ РИУС 82
ИССЛЕДОВАНИЕ ЦЕЛЕВОЙ ФУНКЦИИ 85
МЕТОДЫ РЕШЕНИЯ ЗАДАЧ ГРУППИРОВКИ И КОНФИГУРИРОВАНИЯ 87
ГЕНЕТИЧЕСКИЕ АЛГОРИТМЫ, ПРИМЕНЕНИЕ К ЗАДАЧЕ ВЫБОРА КОНФИГУРАЦИИ 89
3.3Л. ОБЩАЯ СТРУКТУРА ГЕНЕТИЧЕСКОГО АЛГОРИТМА 90
КОДИРОВАНИЕ ВАРИАНТОВ . 93
КРИТЕРИИ ОСТАНОВА И ВЫЖИВАЕМОСТИ 95
ОПЕРАЦИЯ СЕЛЕКЦИИ 95
ОПЕРАЦИЯ МУТАЦИИ 97
ФОРМИРОВАНИЕ НАЧАЛЬНОЙ ПОПУЛЯЦИИ 97
ФУНКЦИЯ ШТРАФОВ 98
3.4. СТАТИСТИЧЕСКОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ АЛГОРИТМА ВЫБОРА
КОНФИГУРАЦИИ РИУС 100
ПАРАМЕТРЫ АЛГОРИТМА 100
ВЛИЯНИЕ ПАРАМЕТРОВ МОДЕЛИ РИУС НА РАБОТУ АЛГОРИТМА 102
УСТОЙЧИВОСТЬ АЛГОРИТМА ВЫБОРА КОНФИГУРАЦИИ... 104
УПРАВЛЕНИЕ КОНФИГУРАЦИЕЙ РАСПРЕДЕЛЕННОЙ ОБЪЕКТНОЙ ИНФОРМАЦИОННОЙ СИСТЕМЫ 108
3.6.1. ОПЕРАЦИИ ИЗМЕНЕНИЯ КОНФИГУРАЦИИ 111
3.6.2 ФОРМИРОВАНИЕ ПЛАНА ПЕРЕКОНФИГУРИРОВАНИЯ.... 113
ГЛАВА 4. ПРОГРАММНОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ СИСТЕМЫ
ФОРМИРОВАНИЯ КОНФИГУРАЦИИ И УПРАВЛЕНИЯ
РАСПРЕДЕЛЕННОЙ ОБЪЕКТНОЙ ИНФОРМАЦИОННОЙ СИСТЕМОЙ
115
ОБЩАЯ АРХИТЕКТУРА СФКУ РИУС 115
ИНТЕРФЕЙСЫ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ КОМПОНЕНТ 122
СХЕМЫ БАЗЫ ДАННЫХ ДЛЯ ХРАНЕНИЯ МОДЕЛИ РИУС 129
ЯЗЫК ОПРЕДЕЛЕНИЯ КОНФИГУРАЦИЙ 132
ЯЗЫК УПРАВЛЕНИЯ КОНФИГУРАЦИЕЙ 137
УНИВЕРСАЛЬНАЯ КОНСОЛЬ АДМИНИСТРАТОРА 139
АГЕНТЫ СБОРА СТАТИСТИЧЕСКОЙ ИНФОРМАЦИИ 141
ПРИМЕР ФОРМИРОВАНИЯ КОНФИГУРАЦИИ 142
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 148
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 150
ПРИЛОЖЕНИЯ 164
Введение к работе
Современные информационно-управляющие системы (ИУС)
отличаются постоянным увеличением охватываемых сфер человеческой
деятельности, ростом сложности проектирования и разработки,
необходимостью интеграции различных, часто несовместимых,
программных и аппаратных архитектур. Особенно остро стоит проблема
обеспечения эффективного масштабирования ИУС путем распределения
составляющих её компонент на множестве универсальных компьютеров,
обеспечивая тем самым плавный рост производительности и стоимости.
[135] Задачи построения гетерогенных, масштабируемых распределенных
систем совместно с использованием объектно-ориентированных методов
привели к созданию нескольких объектных моделей, архитектур ИУС и
средств их поддержки [41,144,145], позволяющих разрабатывать и
обеспечивать функционирование распределенных объектно-
ориентированных информационно-управляющих систем (далее РИУС). Одной из таких архитектур, наиболее развитой в настоящее время является Архитектура Управления Объектами (ОМА) [133] и, в её рамках Общая Архитектура Объектных Брокеров (CORBA) [144].
Системы, построенные в соответствии с данными методами, представляют собой совокупности большого числа объектов, взаимодействующих с помощью сообщений, и находящихся между собой в отношениях различных типов. Определение отношений и сценариев взаимодействия происходит на этапе проектирования и разработки системы и может значительно изменяться в течение функционирования как вследствие изменений в системе, так и вследствие постоянного расширения новыми функциональными возможностями. Сложные совокупности объектов, составляющих прикладной уровень обработки РИУС, нуждаются в эффективном управлении по различным параметрам. Одним из важнейших параметров является конфигурация [135] (configuratio -
5 расположение (лат.)) - вариант отображения логических структур объектов
системы на физическую структуру вычислительных средств. Для
управления этим параметром необходимы методы автоматизированного
выбора конфигурации, т.е. методы определения размещения объектов
системы на имеющихся вычислительных узлах, обеспечивающие
наибольшую производительность. Решение этой задачи необходимо
производить как при планировании и начальной установке системы, так и в
процессе эксплуатации. Применение методов автоматизированного
формирования конфигурации на этапе проектирования системы позволило
бы получать близкую к оптимальной структурную объектную модель
системы благодаря возможности раннего обнаружения узких мест. Такие
методы могут помочь также планировать меры по обеспечению
дублирования и синхронизации объектов с целью повышения
отказоустойчивости системы и балансировки нагрузки.
Для выполнения синтеза рациональной конфигурации и для разработки средств управления РИУС необходимы методы анализа, позволяющие оценивать различные варианты размещения объектов. Изменение конфигурации РИУС является также нетривиальной задачей, требующей разработки соответствующих методов. Вопросам анализа и оптимизации вычислительных систем посвящены работы многих отечественных и зарубежных ученых, таких как: СВ. Назаров [68,75], И.Н. Альянах [73], О.И.Авен [1,2], Н.Н. Турин [1,2], Я.А. Коган [1], Л.Б. Богуславский, А.И. Ляхов [ 15,16,17] и др. Методам построения распределенных информационно-управляющих систем, базирующихся на объектно-ориентированных моделях, посвящены работы Л.А. Калиниченко [21,56,57,58,59,72], В.П. Иванникова [52], К.В. Дышлевого [47], В.И. Задорожного, Д.К.Шмидта, С.Виноски, Д.Суда [135-142] и др.
Поскольку объектно-ориентрованные методы при построении РИУС применяются сравнительно недавно, то в настоящее время отсутствуют методы и, поддерживающие их, средства для решения задач анализа и
автоматизированного конфигурирования в отношении РИУС построенных по спецификациям CORBA, что существенно отражается на широте использования этой передовой и перспективной технологии. Существующие реализации моделей распределенных объектов обеспечивают лишь разработку объектов системы и их взаимодействие во время выполнения. С точки зрения управления конфигурацией, в лучшем случае, обеспечивается лишь мониторинг некоторых параметров системы.
В этой связи, проблема разработки метода формировния конфигурации и средств для управления распределенных объектных информационных систем представляется весьма актуальной.
Целью диссертационной работы является разработка методов анализа, синтеза и управления конфигурацией распределенной информационно-управляющей системы, построенной в соответствии со спецификациями CORBA и программно-алгоритмическая реализация таких методов.
В соответствии с этим в диссертации ставятся и решаются следующие основные задачи:
Анализ современного состояния проблемы управления и автоматизированного синтеза конфигураций распределенных ИУС, выявить особенности применения архитектуры CORBA в построении управляемых, масштабируемых ИУС.
Формализация основных структурных элементов распределенной объектной информационной системы.
Вывод ряда аналитических соотношений для расчета оценок показателей производительности распределенной ИУС, построенной в соответствии с объектными спецификациями CORBA.
Постановка задачи выбора конфигурации распределенной ИУС.
Разработка метода выбора конфигурации распределенной ИУС по критерию минимизации среднего времени обслуживания заявки. Построение алгоритма, реализующего данный метод.
Разработка метода управления конфигурацией распределенной ИУС.
7 7. Разработка структуры и интерфейсов взаимодействия компонент
подсистемы управления конфигурацией. Реализация алгоритмов
функционирования программных модулей подсистемы.
Объектом исследования настоящей диссертации является территориально распределенная, гетерогенная информационно-управляющая система (РИУС). Предмет исследования - конфигурация РИУС, построенной в соответствии со спецификациями брокеров объектных заявок CORBA.
В качестве методов исследования в работе использовались методы теории систем массового обслуживания, теории вероятностей и математической статистики, теории множеств, исследования операций, идеи и методы теории генетических алгоритмов, а так же методы разработки программного обеспечения в среде объектных брокеров (ORB).
Научная новизна результатов работы состоит в следующем:
Впервые предложен формализованный комплексный подход к моделированию распределенных объектных ИУС построенных в соответствии со спецификациями CORBА.
Разработана математическая модель распределенной объектной ИУС для определения количественных оценок производительности различных конфигураций.
Предложен и реализован метод управления конфигурацией распределенной ИУС на основе языка определения конфигураций (ЯОК) и языка управления конфигурацией (ЯУК).
Разработан метод формирования конфигурации распределенной объектной ИУС.
Практическая ценность результатов диссертации заключается в следующем:
1. Разработаны архитектура подсистемы управления конфигурацией, структуры данных для хранения модели распределенной ИС в БД и
8 интерфейсы взаимодействия компонент подсистемы управления
конфигурацией.
Разработаны программные реализации компонент, реализующих выбор конфигурации на основе использования методов генетических алгоритмов.
Даны практические рекомендации по выбору параметров работы алгоритма для обеспечения наилучшего решения.
Создааны программные реализации модулей, реализующих управление конфигурацией на основе разработанных языков определения и управления конфигурацией.
Разработаны методы и реализованы программные компоненты для управления распределенной объектной ИУС на базе универсальной консоли с расширяемыми способами представления информации о модели РИУС.
Методика и программные реализации для анализа распределенных ИУС и выработки рациональных конфигураций внедрена на следующих предприятиях: Информационно-вычислительный центр Вологодского отделения Северной железной дороги; Коммерческий банк «Традиция»; ОАО «Электросвязь», что подтверждено соответствующими актами о внедрении.
Результаты диссертации используются в учебном процессе в Вологодском государственном техническом университете в курсе «Информационное обеспечение систем управления» для специальности 210100 - управление и информатика в технических системах.
Диссертация состоит из четырех глав, заключения, библиографического списка и приложений. В первой главе приводится обзор методов построения распределенных информационных систем, приводится разработанная эталонная модель уровней РИУС, на базе которой показываются особенности различных архитектур. Кратко описывается архитектура управления объектами, предложенная OMG,
9 определяется место разрабатываемых методов и средств в её рамках.
Рассматриваются некоторые реализации архитектуры объектных брокеров
и средства управления РИУС в их составе. Вторая глава посвящена анализу
структуры РИУС и получению аналитических соотношений для
определения характеристик производительности различных конфигураций.
В третьей главе разрабатывается метод и алгоритм автоматизированного
синтеза конфигурации РИУС, приводятся характеристики полученного
алгоритма. Разрабатывается метод управления конфигурацией РИУС. В
четвертой главе описываются программные реализации разработанных
методов синтеза и управления конфигурацией РИУС. В приложении
приведены листинги программных модулей системы управления
конфигурацией, IDL определения объектов, структуры реляционных баз
данных для хранения модели РИУС, акты о внедрении результатов
диссертационной работы.
