Разработка методологии и инструментальных средств структурного проектирования распределенных вычислительных систем с повышенной живучестью и достоверностью информации Сарыпбеков, Жаксыбек Сарыпбекович

Введение к работе

,-.-..--.: ' ;

І1і±і^л j

*"' Актуальность проблему. Одним из основных путей успешного решения проблем социального и экономического развития страны является информатизация общества на основе широкого применения средств вычислительной ТЄХНІШИ (СВГ) и информатики во всех сферах человеческой деятельности. Информатизация общества, прежде есого, предполагает создание инфраструктуры информатизации.Технической базой информационной инфраструктуры ЯВЛЯЮТСЯ ИНФОРМАЦИОННО - ВЫЧЯСДИТвЛЬНЫв СеТИ, Пид-

клоссом которых являются распределенные вычислительные системы
(РВС). РВС широко используются ігри решении таких сложных задач,
как управление ядерными реакторами,космическими объектами,обрэ-
ботка данных геофизических исследований, распознавание образов,
интеллектуальныі систем и др.Поэтому особо актуальной становится
проблема создания высокопроизводительных систем распределонной
обработки информации с повышенной имЕучестыэ и достоверностью
выходной информации. /

Большой.вклад в развитие тсооии и практики,создания вычислительных комплексов, систем и сетей внесли ученые Содружества Независимых Государств и ззрубеиных стран у ишгам, которых получен целый ряд фундзм'онтальшх решений по проектированиа.ро-ализацн' и исследовании вычислительных систем и сето.й.

Вместе с тем,практика показывает,'-.то проблеми разработки и создания РВС еще недостаточно"изучены. В частности, возникает необходимость комплексного решения проблемі стуктурнсго проектирования 'РВС с повышенной живучестью и достоверностью выходной информации, котсрі.е функідошіруют в сложны» условиях п реальном масштабе времени.Такой подход.з отличии от предшествующих работ, предполагает комплзкеное изучение и учет архитектурных особенностей построения и способов организации целостной те.аюлстии рас-пределешой (параллельной) обработки информации в РЗС пои разработке методов и средств интегральной оценки и обеспечения живучести и достоверности выходкой информации, анализа и синтеза структуры системы.

Актуальность работы подтверждается еще и тем, что данное научное исследован/е 'проводилось в соответствии с целевыми гро-гралмэми Н 5^5 от 30 с::тября 1935 года ГКН7 ГССР, 1. 10/18? от 12 м'ія 1903 года ГКБТИ СССР,СМ я АН KjcCCP по создании республикзя-ско.ч системы передачи данных и опытной 301 республиканской ш-

- л -

форугіїнонно-вичкслительчод сети как технической Рази инфраструк-* тури информатизации роспублики.а та^же ко хоздоговорным темам.

Цель дкссертаци и-раэраоотка методологических ослсг, методов ^тл инструментальных средств комплексного анализа и структурного проектирования РБС с повышенной швдчестью и достоверностью выходной информации, практическая реализация результатов теоритпческих исследований и их апробация при проектировании реальных систем.

В диссертации исследуются и разрабатываются следующие вопросы: " методологические основа и модели структурного проектирования РБС;

обобщенный показатель эффективности.(целостности) РЬС к метода комплексной оценки показателей устойчивости (производительности), достоверности информации к управляемости (живучести) ;

соцая модель жвуччсти сложных систем применительно к РВС, согласно которой разрабатываются методы и средства комплексной ' оценки и обсспзіения живучести РВС;

развитие принципов обеспечения достоверности информации и создание теоретических основ проектирования РВС с повышенной достоверностью выходной информации;

комплекс аналитических, оптимизационных и имитационньс. моделей и методов анализа и синтеза различных типов стуктур РВС с поЕыаэнной жиаучзстью и достоверностью информации;

инструментальные сродства структурного проектирования РВС по парамиграи зазучести и достоверности информации;

' модель параллечьяых (потокогнх) вычислений и архитектура высокопроизводительной распределенной потоковой вычислительной системы (РПБО) с погкшеїшой гибкостью и. живучестью, создание зкслеокментальной ЛВС с новым пріїнцнгом управления.

Методы исследования. Разработашшз модели и метода структурного прсзктігрования РВС с требуемымч значениями показателей живучести и достоверности информации базируются на игпольсозанпп совокупности методов математического программи-роваїсія, теории градов, теории массового обслуживания, теории принятия решена!, теории управления, теории формальных систем и искусственного интеллекта.

Научная новизна. Ноьыми научными результатам! работы являются разработка мэтодсдогии структурио-цэлостно-го подхода к. комплексному аналіпу и проег.тированию сложных систем,создания методов и інструментальних средств структурного

проектирования FBC с повышенной' живучесть» и достоверностью выходной информации на осново комплексного применения аналитических, оптимизационных и имитационных моделей. Принципиальный віиіад в развитии теорій распределенных вычислительных систем состоит в следующем:

I. Разработана ьовая методология структурного проектирования FBC по параметрам живучести и достоверности информации на основе структурно-целостного подхода (СЦП), заключающего в комплексном рассмотрешш проблем структурного и функционального проектирования. На основе предложенной методологии разработаны модель структурного проектирования PEG и модель информатизации республики Казахстан.

2. Предложен обобщенный показатель интегральней оценки
эффективности (целостности) РВС, раграбстанц метода комплексной
оценки таких качеств системі; как устойчивость (W-качостаа), упр
авляемость (Q-качества) и достоверность информации (Р-качества).

3. Предложена сб:дая модель комплексной оцешси и обеспече
ния хявучести РВС,согласно которой разработащ методы: оценки и
классификации текущего еестояния РВС после воздействия неблаго
приятных Факторов; пр>тнятия решений о реконфигурации структури и
изменении реумов функционирования системы; определения реаль
ной нагрузки и динамического перераспределения ее по именадимся
ресурсам.

4. Развиты изрестные и . сформулированы новые пргащкш
обеспечения достоверности информации в сложных системах примани-
телыю к РВС,которые в сочетании с концепцией структурішх олемен-
тое и их кластеров позволили разработать метода: комплексной
оценки досіэсерности правильного решения задачи в РВС; расчета
характеристик и выбора комплекса спосоооз повышения достоверности;
определение еффоктиьнол стратегии управления процессами обеспече
ния требуемого уровня достоверности выходной информации в РВС.

5. Разработан комплекс нових оптимизационных моделей и
комбинаторно-алгебраических методов с..'.;теза различных типов
структур РВС по паоглтрам живучести и достоверности информации
с учетом типов структурах элементов, обьемно-временішх характе
ристик и структур задач, топологии размещения и структур
распределении баз (банков) данных, реализуемых в системе.

6. Разработки демонстрационные образцы интерактивной системы аътсм-чта-.ации проектирования РВС (ИСАП РВС) к экспертной си^теь.ы оС.'.-опе'пшія живучести PL'С (ЭСОЖ РВС).

7. Разработана модель параллельных (потокових) вичислений на основе концепции абстрактных объектов (функциональных модулей), роализуадая иерархический принцип управления вычислительными процессам! на уровнях функциональных модулей и их операторов по готовності» данных. Предложена архитектур РПВС с повышенной живучелтыо, обеспечивающая комплексную реализзцич принципов: уни-версальнооть архитектуры; переменность структури; распределенность управления параллельными вычислениями.

Практическая ценность работы. Разработанные в диссертации научше и теоретические положения, метода и зредства могут быть использованы на этапах проектирования \сгя и эксплуатации РВС.Лушсциокируюисгї в условиях воздействия неблагоприятных факторов.Предложенный комплекс методов и инструментальных средств позволяет повисить качество структурною проектирования, эффективность динамического перераспределения и коллективного использования ресурсов РВС при неблагоприятных воздействиях путем полного учета реальных условий их функционирования.

Предложенная новая архитектура РПВС,реализованная нь уровне структурных ь функциональных схем отдельных устройств,системы Программирования к алгоритмов управления параллельными вычислительными процессами, может быть использоваться при создании высоко произзодательних вычислительных систем 'с повышенной живучестью. Отії результаты представляют практический интерес при создании ЭВМ новых поколений.

Реализация результатов работы. Основные результаты диссертации получены при выполнении научно-исследовательских работ в лаборатории "Вычислительные сети и системы передачи данных " Казахского политехнического института, проводимых в рамках выше указанных научных программ решения проблем информатизации республики Казахстан.

Разработанные инструментальные средства ИСАП РВС с интеллектуальными возможностями.^СОЖ РВС.ППП "Синтез"."Производительность", "Живучесть","Достоверності", "Нагрузка" и "Расписание", реализующий предложенные методо структурного проектирования РВС, были использованы при разработке концелциии и "Программы информатизации роспублики Казахстан в 1991-19Э5гт. и на гериод до 2005 года", при создании опытной зоны республиканской информационно-вычислитольной сети, Лкадемсети АН Республики Казахстан, ЛВС САПР

Результаты работы также внедрены в учебные программы по полгоїсгке инженерных кадров по специальностям 2201, 2204 и

2205 в Казахском политехническом институте .Внедрение результатов диссертации подтверждено соответствующими актами.

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Методология структурно-целостного подхода и модель структурного проектиров..шя системы позволяют обосновать итеративны? процесс поэтапного решения проблемы комплексного анализа и проектирования РБС по схеме "анализ-синтез-оценка".Это достигается путем реализаций на любом из этих этапов способов композиции и де-декомпозицгаї множества взаимосвязанных аналитических и оптимизационных моделей ош-сашп структурных, элементов и их кластеров, не нарушая целостности системы.

2. Обобщенный показатель целостности, включающий в себя критерий комплексной оценки устойчивости (Я-качества), управляемости (Q-качества) и цостозерностл (Р-качествэ) РВС, позволяет: учитывать архитектурные особенности их построения, способы организации структур и принципы управления распределенными вычислительными процессами; проводить сравнительный f аналіз различных вариантов построения системы. <

3. Обиая модель живучести, реализующая йтруктурно-целоотнып подход, позволяет выделить и математически формажзовать основные этапы решения проблемы комплексной оценки и обеспечения зкивучо-сти РВС с учетом структурша и функциональных изменений , происходящих в системе г,од воздействием неблагоприятных факторов.

4. Принципы обеспечения достоверности информации в СЛиЗКНЫХ системах применительно к РВС, основанные нэ реализации комплексного подхода к оптимизации процессов введения избыточностей, позволяют разработать методы и средства обеспечения требуемого уровня достоверности выходной информации РВС.

5. Математические модели, алгоритмы декомпозиции 7^ преобра-шш NP-полных задач синтеза сттзуктур РВС в классы Еычислитвлыго-распределителькых задач и задач целочисленного программирования с булевыми переменными, позволяют разработать комплекс комбинаторно-алгебраических методов, обеспечивающий получения решений отличгпщпся от оптимальных на 8-10 .

6. Создание инструментальных средеjb, реализующих в полной мере методологию структурного проектирования РВС, мохет быть осуществлено только путем создания интел^пектуа«ьшх систем, основанных на совместном использовании логических и опткмизацион--пых методов принятия решений.

Апробация работы. Основные положения дисгер-

- Q -

тащюнной. работы докладывались и обсуждались на следующих 48 совещаниях, конференциях и семинарах: Всэсошяые совещания-семинара ко управлению большими системами (Тбилиси - 1974, Алма-Ата - 1975, 19?8,19Я4); Всесоюзная Конференция "Методология и теория оптимального проектирования радиоэлектронных устройств и систем" U-taHCK-I&75}; Всесоюзный н/т семинар "Технические средства телеобработки информации в АСУ в р.м.в." (Москва-1976); Всесоюзная Конференция "Человеко-машинные обучающие системы" (Геленджик-1982); Всесоюзные школы-семинары "Распараллеливание обрабоиси информации" (Львов-1983, 1985,1987 и 1989)j Всесоюзное н/т совещание "Логико-алгебраические модели представления знаний в экономических, тегнических и организационных системах" (Ашхабад -1983); Всесоюзное н/т совещание "Автоматизация проектирования -микроэлектронной аппаратуры" (Владимир-1983); Всесоюзное н/т совещание " Создание и внедрение автоматизированных и АСУ ТП" (Алма-Ата-1983); Всесоюзные школы-семинары по вычислительным се-, тям (Моеква-1984, Алма-Ата-1988, Минск-1989, Ленииград-1990,Вини--ца-1991); Международный симпозиум "Двловне игры и имитационное моделирование" (Алма-Ата-1935); Всесоюзные совещания "Конвейерные вычислительные сиотеш" (Киев-1985 и 1983); Всесоюзные сове-щания-семинары по проблемам управления развитием систем (Сар^тов-1986, 1988); Всесоюзная конференция "Проблемы создания сетей ВЦКЛ и РАПБ в ГГ' (Москва-1987); Всесоюзная конференция "Проблемы создания АРМ м учрежденческих сетай в ГХ" (москва-1988)всесоюзная н/т конференция " Живучесть и реконфигурация информационно -вычислительных и управляющих систем" (мс жва-1988); Всесоюзная конференция " йзтоды синтеза типовых модульных СОД" (Кишинев-1988); !*екдунэродний симпозиум "Системы автоматизации проектирования систем управления " (Алш-Ата-1989); Всесоюзная н/т конференция " Качеств* информации" (Мосхва-1990); Всесоюзная к/т школа "Коше информационные технологии"(Одесса-1390); Всесоюзный н/п семинар "(интеллектуальное программное обеспечение ЭВМ" (Ростов-на-Дону-1930); Международная конференция "Локальные вычислительные сети" (Рига-1990); Всесоюзное совещание по распределенным вычислительным системам массового обслуживания (Душанбе-1991);Всесоюзная н/т конференция "Однородные вычислительные системы, структуры и среды" (Ыос7Ша-1Э91); Международная конференция "Высокопроизводительные ВС в управлении и научных исследованиях"(Алма-дта-1991); Международная конференция "Распределенные выччслительныесистемн" (Франция (Ренн)-1991) и др.

Публикаци и". По /теме диссертации опубликованы более 82 печатных трудов, е том числе 3 киши, 79 статей ц тезисов докладов на Международных, Всесоюзных и Республиканских симпозиумах, конференциях и се?яшарах.

Структура и объем работ ц. Диссертация состоит из введения,шести глав, заключения, списка литературы и приложения. Работ а содержит 346 страниц текста,68 рисунков, 15 таблиц и списка литературы из 458 нзимбзовашги.