Введение к работе
Актуальность темы. Достижения современной науки и информационных технологий определили тенденции к широкому использованию распределенных информационных систем (РИС), требующих постоянного контроля состояния узлов и каналов связи в рамках систем мониторинга, функционирующих в реальном масштабе времени. Эффективность систем мониторинга связана с включением в структуру дополнительных модулей прогнозирования поведения РИС на уровне загрузки узлов и каналов связи, обеспечивающих принятие соответствующих решений.
Проблема использования эвристических оценок, основанных на вероятностных методах для решения задачи прогнозирования динамики потоков данных в РИС, в настоящее время является наиболее важной. Так как РИС реализуются практически во всех областях науки и техники, оптимизация их функционирования является важной практической задачей.
Пути ее решения связаны с разработкой алгоритмов оптимального управления потоками данных в РИС. Значительная часть существующих решений в настоящее время основывается на теории массового обслуживания, они являются сложными с вычислительной точки зрения, что оказывает существенное влияние на общую производительность системы. Альтернативой здесь выступают модели и алгоритмы, реализующие процесс прогнозирования динамики потоков данных на основе аппарата теории вероятностей.
Вопросы оптимизации управления распределенными информационными системами исследовались в работах В.Л. Бурковского, И.В. Ковалева, О.Я. Кравца, В.В. Кульбы, А.Д. Цвиркуна и других.
Однако следует отметить, что вопросам выбора архитектуры самой мониторинговой системы уделяется недостаточно внимания. Традиционно в этой области используется «плоская» или централизованная система мониторинга, однако подходы, базирующиеся в том числе на аппарате кластеризации, могут оказаться полезными при проектировании многоуровневых архитектур с учетом вычислительной сложности применяемых алгоритмов мониторинга и прогнозирования.
В качестве базовых критериев, связанных с повышением эффективности мониторинга распределенных систем, можно выделить следующие: максимизация средней скорости обработки потоков между модулями программных систем; минимизация задержек при обработке в реальном времени; обеспечение заданного уровня качества обслуживания.
Таким образом, актуальность темы диссертационной работы продиктована необходимостью повышения эффективности мониторинга состояния РИС на основе дальнейшего развития аппарата прогнозирования, базирующегося на рекурсивных байесовских оценках для обеспечения принятия решений, ориентированных на высокий уровень качества обслуживания в рамках распределенных информационных систем.
Работа выполнена в ФГБОУ ВО «Воронежский государственный технический университет» в рамках научного направления «Вычислительные комплексы и проблемно-ориентированные системы управления».
Цель и задачи исследования. Цель работы заключается в повышении качества обслуживания в РИС на основе разработки моделей и алгоритмов, обеспечивающих высокую эффективность функционирования систем мониторинга их состояния, основанных на методах структурно-функционального анализа, принятия решений, рекурсивных байесовских оценках. Для достижения цели в диссертационной работе необходимо решить следующие задачи:
разработать алгоритм реструктуризации системы мониторинга, учитывающий динамику потоков данных системы и базирующийся на структурно-функциональном анализе;
разработать формализованное описание прогнозирования состояния и времени обработки потоков данных в распределенных информационных системах на основе байесовского похода;
разработать формальный подход к иерархической декомпозиции структуры распределенной системы для распределения нагрузки программных узлов мониторинга;
осуществить алгоритмизацию процесса принятия решений в рамках работы сетевых процедур управления объектами;
провести численные эксперименты и осуществить анализ эффективности использования предложенных моделей и алгоритмов;
разработать архитектуру организации системы мониторинга и управления состоянием распределенной информационной системы для исследования эффективности предложенных подходов.
Методы исследования. В качестве теоретической и методологической основы диссертационного исследования использованы методы математического моделирования, оптимизации, объектно-ориентированного программирования, теория множеств, теория вероятностей и теория графов.
Тематика работы соответствует следующим пунктам паспорта специальности 05.13.01: п. 5. «Разработка специального математического и алгоритмического обеспечения систем анализа, оптимизации, управления, принятия решений и обработки информации», п. 9. «Разработка проблемно-ориентированных систем управления, принятия решений и оптимизации технических объектов», п. 11. «Методы и алгоритмы прогнозирования и оценки эффективности, качества и надежности сложных систем».
Научная новизна. В работе получены следующие результаты, отличающиеся научной новизной:
- адаптивный алгоритм принятия решений по реструктуризации систе
мы мониторинга, сочетающий в себе эвристический метод, который ограничи
вает поиск в определенных классах решений, с полным поиском в каждом клас
се для оптимальной структуры, и разделяющий сеть на некоторое число иде
альных подсетей одинакового размера;
алгоритмы анализа и прогнозирования состояния элементов распределенной информационной системы с использованием рекурсивного байесовского подхода, позволяющие осуществлять сетевое оценивание с помощью моделей сети, основанных на статических и динамических сетевых связях;
сетевая процедура прогнозирования доставки пакетов, построенная на основе минимизации квадратичной функции стоимости и обеспечивающая рационализацию управления сетевым объектом;
структура беспроводной сенсорной системы с виртуальной очередью в узлах, обеспечивающая ряд преимуществ по сравнению с аналогами за счет наличия общей очереди и пропускной способности узла для всех соседей, гарантии высокого качества обслуживания для каждого канала данных, а также упрощения анализа производительности;
двухуровневая модель сенсорных узлов, основанная на понятиях потоков и микропотоков и обеспечивающая гарантию таких параметров QoS, как длина очереди буфера, объем буфера, джиггер, задержка и эффективная пропускная способность;
структура элементов многоагентной системы мониторинга и прогнозирования, обладающая возможностью прогноза изменений параметров трафика и обеспечивающая наблюдение за изменениями значений трафика на всех сетевых интерфейсах носителя агента.
Практическая значимость. Программная реализация компонент системы мониторинга и управления состоянием распределенной информационной системы обеспечивает оперативное принятие решений по формированию и управлению нагрузкой РИС. Разработанные в диссертации модели и алгоритмы могут быть использованы для создания программного обеспечения, позволяющего повышать качество обслуживания в проектируемых, а также существующих информационных системах. На элементы программных средств получено свидетельство о государственной регистрации.
Реализация и внедрение результатов работы. Теоретические и практические результаты исследований, реализованные в виде программного комплекса мониторинга и управления состоянием распределенной информационной системы, получили внедрение в ООО "Новые информационные системы-21" (г. Воронеж).
Основные результаты внедрены в учебный процесс Воронежского государственного технического университета в рамках дисциплин: «Вычислительные машины, системы и сети», «Информационные сети и телекоммуникационные технологии», а также в рамках курсового и дипломного проектирования.
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на следующих конференциях: ХХ-й Международной открытой научно-практической конференции «Modern informatization problems in economics and safety» (США, 2015); Международных летних научных школах «Парадигма» (Варна, Болгария, 2015, 2016); Международной научной конференции «Advanced models and technologies in computer networks» (США, 2015); XII Международной научно-практической конференции «Современные
инструментальные системы, информационные технологии и инновации» (Курск, 2015); XXI-й Международной открытой научно-практической конференции «Modern informatization problems in the technological and telecommunication systems analysis and synthesis» (США, 2016); ХХП-й Международной открытой научно-практической конференции «Modern informatization problems in simulation and social technologies» (США, 2017), а также на научных семинарах кафедры Автоматизированных и вычислительных систем (2014-2017 гг.).
Публикации. По теме опубликованы 22 научные работы, отражающие основные положения исследования, в т.ч. 6 статей в журналах, рекомендованных ВАК РФ; 1 свидетельство о государственной регистрации программ для ЭВМ.
В работах, опубликованных в соавторстве и приведенных в автореферате, личный вклад соискателя состоит: в [1, 2] - алгоритмы и модели, позволяющие на основе рекурсивного байесовского подхода осуществлять сетевое оценивание; [4, 9] - сетевая процедура FPD, минимизирующая квадратичную функцию стоимости и обеспечивающая рационализацию управления объектом; [3, 11] -структура беспроводной сенсорной системы с виртуальной очередью в узлах; [12, 13, 16] - двухуровневая модель для сенсорных узлов, основанная на понятиях потоков; [6, 17, 20] - алгоритм конфигурирования системы мониторинга; [7, 15, 22] - структура элементов многоагентной системы мониторинга и прогнозирования; [8, 14, 21] - организация универсального программного комплекса распределенной информационной системы мониторинга.
Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы. Она содержит 119 страниц основного текста, 48 рисунков, 5 таблиц. Список библиографических источников включает 139 наименований.