Содержание к диссертации
Введение
I. Цели и задачи исследования 16
1.1. Принципы создания современных САПР 16
1.2. Классификация САПР 19
1.2.1. Классические и интеллектуальные САПР 19
1.2.2. САПР основанные на формализованных методах 21
1.2.3. САПР функционального назначения 23
1.2.4. Специализированные САПР 24
1.2.5. Классификация по технической организации САПР 25
1.2.6. САПР основанные на САРЕ концепции 26
1.3. Информационные технологии в САПР и CALS -технологии 29
1.4. Пути развития САПР в новом тысячелетии 33
1.5. Выводы и рекомендации 36
II. Использование моделей PC и их компонентов в разработке РСАПР 38
2.1. Основные положения теории распределенных систем 38
2.1.1. Проблемы отказоустойчивых распределенных систем 38
2.1.2. Исследование протоколов взаимодействия процессных групп в PC. 41
2.2. Интеграция приложений — новая промышленная парадигма 47
2.3. Агентный подход в разработке распределенных систем 50
2.3.1, Основы распределенного искусственного интеллекта 51
2.4. Использование распределенных вычислений в задачах САПР 54
2.4.1. Постановка задачи распределенных вычислений 54
2.4.2. Методы разбиения задачи на подзадачи 58
2.5. Анализ архитектур распределенных систем 63
2.5.1. Роль тонких клиентов в распределенных приложениях 63
2.5.2. Архитектура клиент-сервер 64
2.5.3. Трехзвенная архитектура на основе технологии CORBA 67
2.5.4. Web-ориентированная архитектура 70
2.6. Анализ технологии удаленного вызова 72
2.7. Анализ типов коммуникации 73
2.8. Анализ методов передачи информации 77
2.8.1. Четырехуровневая модель TCP/IP 77
2.8.2. Обзор принципов работы HTTP 79
2.8.3. Обмен информацией через сокеты (Sockets) 81
2.9. Выводы и рекомендации 84
III. Разработка распределенных архитектур САПР 85
3.1. Разработка двухуровневой клиент-серверной архитектуры САПР 85
3.1.1. Организация процесса сетевых вычислений 85
3.1.2. Взаимодействие агентов сервера NetCAD 89
3.2. Оптимизация работы приложений в глобальной сети 94
3.3. Разработка трехуровневой клиент-серверной архитектуры на основе CORBA 97
3.4. Расчет эффективности распределенных CORBA-приложений 104
3.5. Разработка Web-ориентированной архитектуры САПР 111
3.5.1. Основные требования к Web-ориентированной архитектуре 111
3.5.2. Основные компоненты и модули WebCAD 112
3.5.3. Основные подходы в реализации архитектуры WebCAD 114
3.5.4. Функции основных модулей WebCAD 116
3.5.5. Анализ технологий разработки Web-серверных приложений 119
3.5.6. Решение проблем, связанных с клиентским интерфейсом 1 20
3.5.7. Выбор механизмов передачи сообщений 1 21
3.5.8. Принцип взаимодействия компонентов архитектуры WebCAD 122
3.6. Выводы и рекомендации 1 24
VI. Экспериментальные исследования разработанных архитектур 126
4.1. Расчет эффективности распределенных вычислений на базе NetCAD... 126
4.2. Расчет необходимой пропускной способности глобальной сети 135
4.3. Определение эффективности CORBA-приложений 140
4.4. Сравнение характеристик WebCAD с другими системами группового проектирования 144
4.5. Определение совокупной сложности распределенных приложений 146
4.6. Выводы и рекомендации 149
Заключение 151
Литература 154
Приложения 168
- Информационные технологии в САПР и CALS -технологии
- Использование распределенных вычислений в задачах САПР
- Разработка трехуровневой клиент-серверной архитектуры на основе CORBA
- Сравнение характеристик WebCAD с другими системами группового проектирования
Введение к работе
Словосочетания "автоматизированное проектирование" и "CAD-системы" уже прочно вошли в лексикон конструкторских и технологических бюро предприятий. Технологии САПР охватывают ключевые направления развития и функционирования современного предприятия. От виртуального проектирования САПР выросли до уровня высоких технологий, с помощью которых стало возможно не только трехмерное моделирование, но и подготовка и выпуск чертежи о-конструкторс кой документации любого профиля, технологическая подготовка производства, организация на предприятии интегрированной среды управления инженерным документооборотом [3,15,22,138,143,160,168].
Реальностью стали автоматизированные участки и цеха, в которых производством на всех стадиях управляют ЭВМ. Нет необходимости подробно анализировать все преимущества, предоставляемые человеку этой технологической революцией, однако следует сказать о том, что вопрос о необходимости внедрения ЭВМ в управление производством не является более теоретическим или дискуссионным. Это реальность, определяющая современный и будущий уровень технологии.
CAD-индустрия проделала огромный путь, начиная с систем, узко специализированных, управляемых командами, понятных лишь посвященным, до простых, построенных па интуитивно понятном интерфейсе, не требующих специальных знаний и навыков.
Постоянное увеличение сложности создания современных технических объектов выдвигает все более жесткие требования к системам автоматизированного проектирования. Сегодня уже невозможно добиться существенного повышения производительности САПР только за счет увеличения мощности вычислительных ресурсов или оптимизации алгоритмов. Более эффективным решением является оптимизация использование имеющихся вычислительных ресурсов. Одной из областей, в которой остро
8 ощущается нехватка вычислительных ресурсов, является САПР электронного профиля, где степень интеграции элементов переступила за 109. Одним из перспективных подходов к обработке сложных задач этого профиля и уменьшению времени их счета является применение систем параллельной обработки. В настоящее время все большее распространение получает такой вид параллельной обработки, как системы распределенных вычислений, которые характеризуются доступностью, высокой масштабируемостью, одним из лучших соотношений цена/производительность и представляют собой совокупность стандартных процессорных блоков (например, ПК), объединенных средой передачи данных (например, локальной или глобальной сетью).
На сегодняшний день в мире существуют проекты (см. приложение 2), основанные на GRID-сетях, кластерных системах и понятии метакомпыотинга, объединяющие вычислительную мощь не десятков и сотен, а сотен тысяч и миллионов компьютеров (проекты РАСІ, Globus, MONARC, GRACE-МГУ). Их задача заключается в предоставлении возможности географически распределенным организациям совместно работать с приложениями, данными и вычислительными ресурсами.
Можно утверждать, что рано или поздно каждое предприятие приобретает отдельные программы, подсистемы и системы, позволяющие автоматизировать проектно-конструкторские работы, изготовление и контроль изделий в производстве. Цель внедрения этих систем, заключается в том, чтобы сократить сроки и затраты при проектировании и технологической подготовке производства, а также повысить качество изделий. Это достигается в первую очередь сокращением числа переделок конструкции, отказом от части натуральных испытаний, исключения промежуточных носителей геометрии и ручной доводки. Таких результатов можно добиться только в том случае, если возможно взаимодействие всех участников процесса проектирования в едином, организованном, доступном и достоверном информационном пространстве [14,29,38,54,64,88,115,134].
9 Вместе с тем, ни для кого не секрет, что предприятия, использующие средства автоматизации проектно-конструкторских работ, постоянно сталкиваются с проблемой обмена информацией между различными САПР. В связи с этим потери времени на передачу данных составляют до 50% от общего цикла проектирования изделия. Большинство доступных комплексных решений являются результатом приспосабливания различных программ друг к другу, однако это является, скорее всего, временным выходом из положения, но отнюдь не решением проблемы [2]. Многие производители САПР пытаются представить автоматизированное проектирование как процесс трехмерного моделирования, забывая, что выпуск и корректировка конструкторской документации по-прежнему составляет львиную долю затрат па проектирование изделия. Необходимо на основе стандартизации представления, собрать всю информацию об изделии в интегрированной базе данных и обеспечить совместное использование этой информации в процессах проектирования, производства и эксплуатации [15].
Не следует забывать и о том, что эффективный бизнес сегодняшнего дня имеет явную тенденцию к географической распределенности. Компании кооперируются для того, чтобы вместе выполнить сложный проект или вывести на рынок новый продукт. Возникают так называемые «виртуальные» предприятия - форма объединения на контрактной основе предприятий и организаций, участвующих в поддержке жизненного цикла общего продукта и связанные общими бизнес-процессами. Этот сложный организм должен жить по единым правилам в едином информационном пространстве, позволяющем непосредственно использовать данные в электронной форме от партнеров и передавать им, в свою очередь, результаты своей работы. В случае изменения состава участников - смены поставщиков или исполнителей - обеспечивается преемственность и сохранность уже полученных результатов [23,53,106,1 15J.
Особую роль в решении этой группы проблем сыграли и продолжают играть информационные технологии, развитие которых в 90-х годах определялось стремлением к объединению информационных ресурсов
10 предприятий, к совместному использованию информации, обеспечению создания и работы виртуальных предприятий. Итогом этого процесса стало то, что в современных условиях информация стала основным товаром.
Развитие Web-технологий (см. приложение 2), являющихся фундаментом ИХ, обеспечивает расширение «зоны охвата» для CAD-системы.. Она является таким же средством коммуникации, как лента, диски и CD, но только на качественно ином уровне. Важной разницей между Web-технологиями и накопителем информации является двунаправленная интерактивность, возможность для двух или более инженеров общаться и объединять свои усилия при конструировании в режиме реального времени. Возможность общения в реальном масштабе времени и манипулирование конструкторскими и геометрическими данными CAD-системы посредством Web-технологий требуют значительных технических усовершенствований, не только в направлении повышения производительности системы обработки данных, но и коренного изменения в организации процесса проектирования [14,38,77,88].
Благодаря широкому внедрению Web-технологий в CAD-системы, наиболее востребованными становятся такие концепции, как параллельное и сквозное проектирование. Эти концепции базируются на модульном построении САПР, на использовании общих баз данных, и характеризуются широкими возможностями моделирования и контроля на всех этапах проектирования. Становится возможным параллельное участие десятков и сотен проектировщиков в процессе проектирования сложных объектов, заключающих в себе десятки и сотни тысяч узлов.
Ввиду вышесказанного, разработка распределенных архитектур САПР, эффективно использующих вычислительные ресурсы, позволяющих организовать единое информационное пространство в процессе всего жизненного цикла изделия и поддерживающих концепцию коллективного проектирования, является АКТУАЛЬНЫМ ПРОБЛЕМОЙ.
ЦЕЛЬ ДИССЕРТАЦИОННОЙ РАБОТЫ состоит в разработке распределенных архитектур САПР, основанных на различных моделях, в
зависимости от специфики решаемых задач проектирования. Достижение указанной цели предполагает решение следующих задач:
Выполнение классификации существующих САПР по различным критериям, с целью определение основных требований к современных средствам проектирования;
Исследование технологий и компонентов, составляющих основу распределенных САПР, определению механизмов повышения их отказоустойчи вости;
Разработка методологии постановки и решения задач САПР на основе распределенных вычислений;
Разработка трехуровневой архитектуры, позволяющей интегрировать распределенные CORBA-приложения САПР;
Разработка Web-ориентированной архитектуры САПР, позволяющей организовать параллельное проектирование.
Для решения поставленных задач в диссертационной работе используются следующие методы: теория графов, алгоритмов, распределенных систем и систем массового обслуживания, технология интеграции приложений и доступа к централизованным данным.
НАУЧНАЯ НОВИЗНА работы заключается в следующем:
Разработана распределенная архитектура САПР, позволяющая значительно снизить требования к производительности вычислительных ресурсов, и добиться при этом существенного сокращения временной сложности;
Предложена методика оптимизации работы приложений в глобальной сети;
Предложена методология разработки САПР на основе Web-ориентированной архитектуры;
Предложен принцип представления проектируемого изделия в виде иерархического дерева, являющегося основой параллельного проектирования.
12 Решение поставленных задач позволяет автору защищать следующие новые научные результаты:
Методология параллельного решения задач конструкторского проектирования на основе разбиения на подзадачи, размерность которых зависит от производительности распределенных вычислительных ресурсов;
Методика расчета необходимой пропускной способности глобальной сети на стадии разработки распределенного приложения и методы оптимизации работы распределенных модулей САПР в глобальной сети.
Интеграция приложений на основе трехзвенной и Web-ориентированной архитектур с предоставлением единой информационной среды.
Концепция коллективного проектирования географически распределенными участниками Web-среды, основанная на иерархическом дереве изделия.
ПРАКТИЧЕСКАЯ ЦЕННОСТЬ результатов диссертационной работы заключается во внедрении разработанных архитектур моделей в конкретные РСАПР. Разработаны специализированные программные комплексы, основанные на Web-технологиях для моделирования конкретных задач САПР. Программные модули, в зависимости от модели (двух уровневая, грех уровневая или Web-ориентированная), разработаны в IDE Delphi, CGI/Perl, Java, Java Applet, JavaScript. Проведенные экспериментальные исследования показали преимущества распределенных вычислений и концепции параллельного проектирования.
Использование ресурсов локальных и глобальных сетей способствует более эффективному использованию вычислительных ресурсов и централизации результатов проектирования.
Использование Web-ориентированной архитектуры на основе топких клиентов, позволяет минимизировать общие затраты на
13 проектирование за счет уменьшения требований к системным ресурсам и упрощения администрирования;
За счет модульного подхода к разработке компонентов САПР, обеспечивается расширяемость функциональности включением в архитектуру новых модулей;
За счет использования кроссплатформенных в разработке и обмене информацией, достигается интерперрабельность системы.
РЕАЛИЗАЦИЯ РЕЗУЛЬТАТОВ РАБОТЫ. Основные теоретические и практические результаты диссертационной работы внедрены на предприятиях и организациях г-в. Баку, Махачкалы и Дербента. В частности в ООО «Фирма АС» использованы принцип федерализации данных и реализующий модуль, что позволило осуществить логическую интеграцию данных независимо от их типа и физического расположения, в системе автоматизированного подбора клиентами необходимой конфигурации компьютера в Web-среде, используется принцип представления изделия в виде иерархического дерева, основанный на архитектуре WebCAD.
В ОАО ДНИИ «Волна» при разработке информационно-развлекательной видеосистемы авиапассажиров БИРС-П использованы модули «NetCAD» для параллельного информационного обмена с оборудованием лайнера в реальном времени.
Кроме того, материалы диссертации использованы в учебном процессе па кафедре ВТ Университета «Кавказ» при проведении практических занятий и лабораторных работ по курсам «Компьютерные сети», «Современные языки программирования» и «Web-программирование и дизайн».
АПРОБАЦИЯ РЕЗУЛЬТАТОВ РАБОТЫ. Основные научные и практические результаты работы докладывались, обсуждались и были одобрены на Международных научно-технических конференциях «Интеллектуальные САПР» (г. Дивноморск, 2002 г.), Международная научная конференция «Информационные технологии в естественных, технических и
14 гуманитарных науках» (г. Таганрог, 2002 г.), III Международная научно-техническая конференция (г. Баку, 2001).
ПУБЛИКАЦИИ. По материалам диссертационной работы опубликовано 8 печатных работ. Список работ по теме диссертации приведен в списке используемой литературы в конце диссертации.
СТРУКТУРА И ОБЪЕМ ДИССЕРТАЦИОННОЙ РАБОТЫ. Диссертация состоит из основных обозначений и сокращений, введения, четырех глав, заключения, изложенных на 167 страницах, 45 рисунков, 9 таблиц, из списка литературы и приложений.
ВО ВВЕДЕНИИ обоснована актуальность диссертационной работы, приведена цель работы, основные научные положения выносимые на защиту, приведены сведения о практической ценности, реализации и внедрении, дано краткое содержание основных разделов диссертации.
В ПЕРВОЙ ГЛАВЕ произведена подробная классификация САПР по различным критериям, на основании которого выделен ряд требований к современным системам проектирования. Определена роль информационных технологий и неразрывно связанных с ними CALS-технологий в организации единого информационного пространства в процессе всего жизненного цикла изделия.
ВО ВТОРОЙ ГЛАВЕ раскрыты основные положения теории распределенных систем, на основе которой предложены конкретные подходы в решении проблем отказоустойчивости систем данного класса. Произведено исследование различных моделей распределенных систем и определена роль тонких клиентов в них. Разработана методика постановки и решения задач САПР электронного профиля на основе распределенных вычислений. Произведен анализ компонентов и технологий, составляющих основу высокопроизводительных и гибких распределенных систем, именно эти требования предъявляются к современным системам автоматизации проектирования.
В ТРЕТЬЕЙ ГЛАВЕ разработаны различные модели распределенных архитектур САПР, выбор которых зависит от специфики решаемых задач и требований, предъявляемых к разрабатываемой системе проектирование. На основе данных архитектур разработаны экспериментальные программные комплексы NetCAD-система распределенных вычислений, TeamCAD- систем а интеграции распределенных CORB А-приложений и V/ebCAD-Web-ориентированная система коллективного проектирования на основе иерархического дерева. Предложены методы расчета пропускной способности и повышения производительности приложений в глобальной сети.
В ЧЕТВЕРТОЙ ГЛАВЕ описаны экспериментальные исследования эффективности разработанных распределенных архитектур САПР. Определена зависимость их характеристик от различных параметров распределенной среды и методов взаимодействия его участников.
В ЗАКЛЮЧЕНИИ изложены основные выводы и результаты диссертационной работы.
В ПРИЛОЖЕНИИ представлены копии документов о внедрении результатов диссертационной работы, статистические данные, свидетельствующие о масштабах роста Интернет, являющегося фундаментом распределенных систем, а также оконные интерфейсы и программные коды некоторых модулей разработанных программных комплексов NetCAD и WebCAD,
Информационные технологии в САПР и CALS -технологии
Развитие современной мировой экономики характеризуется усилением конкуренции на мировых рынках и ставит перед промышленниками и предпринимателями в качестве основной задачи экономию ресурсов (материальных, интеллектуальных, информационных и временных), привлекаемых для реализации конкретного проекта или программы на всех стадиях жизненного цикла изделий, от разработки и производства до модернизации и утилизации. Это предполагает также ускорение действий и создание условий для более тесной кооперации производителей.
Особую роль в решении этой группы проблем сыграли и продолжают играть информационные технологии, развитие которых в 90-х годах определялось стремлением к объединению информационных ресурсов и кооперации при создании информационных систем и предприятий, к совместному использованию информации, обеспечению создания и работы виртуальных предприятий. Итогом этого процесса стало то, что в современных условиях информация стала основным товаром. Обобщая развитие информационных технологий в коммерческой области и в процессах проектирования и производства изделий, можно представить общую картину:
1960-е годы - автоматизация выполнения простейших функций; 1970-е годы - интеллектуальная направленность информационных технологий; 1980-е годы - расширение областей применения информационных технологий; информационные технологии в бизнесе оказали влияние на деятельность руководителей верхнего звена; информационные технологии в промышленности оказали влияние на производственный процесс и логистическую поддержку; 1990-е годы - стремление к объединению информационных технологий: совместное использование информации; создание виртуальных предприятий; Развитие информационных технологий в процессах эксплуатации изделий неразрывно связано с CALS-технологиями [1,13,23,40,53,106]. В США работы по CALS-технологиям ведутся с 1985 г. в рамках национальной программы. Началом создания системы CALS-технологий стала разработка системы стандартов описания процессов на всех этапах жизненного цикла продукции. В период 1985—1990 гг. была разработана национальная концепция развития системы CALS-технологий и апробированы ее основные составляющие. В 1991—1995 гг. велись крупномасштабные испытания разработанных CALS-технологий в процессе производства отдельных видов вооружения и военной техники (ВВТ). В настоящее время в США перспективные виды ВВТ разрабатываются только на основе указанных технологий. Доказав свою эффективность, CALS-технологий начали активно применяться в промышленности, строительстве, транспорте и других отраслях экономики, расширяясь и охватывая все этапы жизненного цикла продукта - от маркетинга до утилизации. Аналогично этим видам деятельности CALS-технологий начали применяться в ходе функционирования предприятия для проектирования, анализа и реинжиниринга бизнес - процессов, связанных с обеспечением качества продукции. Информация и документы, циркулирующие в системе качества, представляются в формате и виде, регламентированном стандартами CALS [41,42,131,142] (стандарты СРПП ВТ, международные стандарты ISO серии 10303 STEP [1.20], F1PS 183 (IDEF/0), FIPS 184 (IDEF/lx) и др.) [L31].
Данная концепция изначально базировалась на понятия жизненного цикла средств военной техники и получила обозначение CALS (Computer Aided Logistic Support). В настоящее время концепция сохранила существующую аббревиатуру (CALS), но получила более широкую трактовку: Continuous Acquisition and Life cycle Support - непрерывная информационная поддержка жизненного цикла продукта. Предметом CALS, как показано на рисунке 1.3, являются технологии совместного использования информации (информационной интеграции) в процессах, выполняемых в ходе жизненного цикла изделия (ЖЦ) [1.33]. В основе CALS лежит комплекс единых информационных моделей, стандартизация способов доступа к информации и ее корректной интерпретации, обеспечение безопасности информации, а также юридические вопросы совместного использования информации (в том числе интеллектуальной собственности). CALS - класс информационных технологий, направленных на обеспечение безбумажной поддержки жизненного цикла продукта. Концепция CALS возникла в связи с необходимостью повышения эффективности управления и сокращения затрат на информационное взаимодействие в процессах заказа, поставок и эксплуатации продукта. Движущей силой явилась естественная потребность в организации "единого информационного пространства", обеспечивающего оперативный обмен данными между заказчиком, производителями и потребителями. Преимущества использования CALS-технологий: Представление системы качества в более наглядном виде. Как совокупность процессов, от большого к малому; Использование CALS-технологий позволяет иметь базы данных в виде стандарта ИСО; Возможность видеть процессы, изложенные в тех или иных стандартах; Взаимосвязь между процессами при внесении изменений, то есть система автоматически, при внесении изменений в один процесс, изменяет другой связанный или зависящий от первого.
Использование распределенных вычислений в задачах САПР
В настоящее время существует множество областей, в которых остро ощущается нехватка вычислительных ресурсов и наблюдается постоянно растущая потребность в высокопроизводительных масштабируемых вычислительных комплексах. Одной из таких областей являются САПР электронного профиля. Основными задачами, решаемыми САПР в области проектирования интегральных схем, являются компоновка элементов, размещение элементов и трассировка соединений. Все эти задачи носят комбинаторно-логический характер и в основном являются NP-трудными и NP-полными. В этой связи непрерывно развиваются эвристики для нахождения квазиоптимальных решений за приемлемое время. Одним из перспективных подходов в решении задач данного класса является применение технологий параллельной обработки. В рамках данной диссертационной работы решается задача размещения элементов ИС методом распараллеливания, основанной на распределенных вычислениях.
Входной информацией для этапа конструктивного проектирования являются электрические схемы и библиотека стандартных ячеек.а выходом является топология схемы, которая состоит в определении позиции всех ячеек и определении конфигурации цепей, проложенных в соответствии с заданной электрической схемой и ограничениями на площадь кристалла. На рис. 2.6 представлен фрагмент схемы электрической принципиальной, а на рис. 2.7 представлен вариант размещения условных блоков схемы.
Для решения задач автоматизации проектирования и конструирования самых различных объектов все более широкое применение находит теория фафов. Объясняется это тем, что язык теории графов во многих случаях адекватен в той или иной мере объектам проектирования, описывает их естественным образом и в то же время позволяет абстрагироваться от конкретных объектов и иметь дело с абстрактными моделями. Существует ряд методов перехода от блоков ЭВА к графам. Для решения задач размещения, как правило, используется метод перехода к графу G=(X,U), при котором элементам схемы соответствуют вершины графа XjeX, а электрические цепи представляются ребрами Основными критериями задачи размещения элементов является минимизация суммарной длины соединений, внутрисхемных пересечений и реализация алгоритмов за приемлемое время. Выражения для вычисления суммарной длины связей
и суммарного числа пересечений где Гц — число кратных ребер между вершинами х,, Xj, определяемое с помощью матрицы инцидентности (см, рис. %X)\p(uL) - число пересечений ребра uLj: dLJ-расстояние между узлами і aj графа Gr. Заметим, что при большом количестве вершин для уменьшения размерности задачи и соответственно, для уменьшения времени счета, часто используется метод факторизации вершин, т.е. представление группы объединенных верши в виде одной вершины. 58 Данный подход также используется в случае, если невозможно добиться улучшения критериев, оперируя отдельными вершинами. Разобьем множество вершин X графа С на на и классов Xj, X2f ...., Хп и отнесем к ним вершины, лежащие в строках сетки. В каждом классе выделим внутренние и внешние ребра. Теперь построим новый линейно расположенный мультиграф Gy„ в котором вершинами являются классы Xh а ребрами - внешние ребра. Аналогично построим мультиграф Gm из т классов, которые принадлежат столбцам области размещения. Сущность данного метода, относительно к операции размещения элементов, заключается в последовательной перестановке всех строк рис. 2.9-а, а затем столбцов графа рис. 2.9-Ь. После каждого перебора вычисляется суммарная длина связей и сравнивается с предыдущим значением. В случае уменьшения суммарной длины, данное изменение в размещении подтверждается и фиксируется, в противном случае отменяется и продолжается дальнейший перебор.
Возвращаясь к поставленной задаче, а именно, размещение элементов па основе распределенных вычислений, суть задачи можно свести к следующему: разбиение исходной схемы на подзадачи (подсхемы); передача информации о размещении элементов в каждом куске на отдельный вычислитель, являющийся элементом PC с необходимым ПО; оптимизация полученного куска независимо от других систем; и наконец, возвращение оптимизированных результатов и объединение кусков в соответствии с техническим заданием (см. рис. 2.10).
2.4.2. Методы разбиения задачи на подзадачи Экспериментальные исследования показывают, что качество результатов распределенных вычислений, во многом определяется качеством разбиения исходной задачи на подзадачи. Поэтому выбор алгоритмов разбиения является весьма важной составляющей эффективности решения задач данного класса [31,57,59,61,70]. 60 Разбиением электрической схемы РЭА на конструктивно законченные части называется процесс распределения элементов низшего конструктивного уровня в высший в соответствии с выбранным критерием. Наиболее распространенным критерием разбиения является критерий минимума числа внешних связей. Выполнение этого критерия обеспечивает минимизацию взаимных наводок, упрощение конструкции, повышение надежности и т.д. Сформулируем задачу разбиения схемы РЭЛ как задачу разбиения графа G = (X, U) на куски G, (X,/),X, ВД UJ / = {1,2,....,/}, где / - число кусков, на которые разбивается граф. Совокупность кусков P(G) называется разбиением графа Введем понятие числа соединительных ребер кусков С?,и G/ и обозначенного К, \Vjj\ = Кц. Число соединительных ребер всех кусков графа 1-1 J=\. Для того, чтобы определить качество разбиения графа G в соответствии с основным критерием, определим понятие коэффициент разбиения и обозначим A(G). Данная величина будет определяться как отношение суммарного числа внутренних ребер к суммарному числу соединительных ребер. Очевидно, оптимальному размещению графа соответствует наибольшее значение Д(С). Задача разбиения графа на куски относится к задачам комбинаторно-логического типа, в которых получение оптимального решения связано с
Разработка трехуровневой клиент-серверной архитектуры на основе CORBA
Одним из путей повышения эффективности систем проектирования, основанных на распределенной архитектуре, является метод утоныпения клиента за счет распределения части полномочий и функций между промежуточными звеньями системы. Цель реконструкции — предоставление всем пользователям глобальной сети ограниченного набора функций АРМ локального пользователя без нарушения работоспособности системы. Для достижения этой цели предлагается использовать структуру, приведенную на рис. 3.6. Возможность работы с системой удаленных клиентов обеспечивает специализированный программный шлюз (Gate). С точки зрения унаследованной системы, шлюз -это клиент, работающий с сервером посредством тех же протоколов, что и локальный клиент, таким образом, реконструкция не затрагивает внутреннюю организацию системы. Рассмотрим теперь какова функциональность шлюза и какие технологии могут быть использованы для его реализации. Основной задачей шлюза является предоставление удаленным клиентам интерфейсов доступа к методам обработки информации исходной системы, поэтому при проектировании шлюза следует, прежде всего, решить две задачи: ? формализация методов обработки информации, предоставляемых удаленным клиентам; ? выбор стандарта интерфейсов этих методов и протокола доступа для глобальных сетей. Наиболее распространенным решением этих задач сегодня является оформление методов обработки информации в виде динамических HTML страниц и предоставления к ним доступа по протоколу HTTP. В этом случае, программное обеспечение шлюза делится на две составляющие: программное обеспечение Web сервера и программное обеспечение, позволяющее организовать генерацию динамических HTML страниц на основе обращения к серверу информационной системы по «родному» протоколу (Native Protocol). Такой подход ориентирован на то, что в качестве удаленных клиентов рассматриваются конечные пользователи системы, а в качестве программного обеспечения АРМ удаленного пользователя используется стандартная программа просмотра HTML страниц (Internet Explorer). Если же в качестве удаленных клиентов рассматривать не только конечных пользователей, но и другие информационные системы или если удаленным пользователям необходимо иметь доступ к определенному набору методов обработки проектной информации, то возможностей, предоставляемых протоколом HTTP, может оказаться недостаточно.
Для решения данной проблемы существуют три подхода: 1. Тиражирование. Подход применим, в основном, к небольшим информационным системам со статичной; 2. Интерфейс для удаленных пользователей интегрируется в оригинальную систему. Это наиболее трудоемкий путь, влекущий за собой как изменение внутренней организации системы, так и создание необходимой сетевой инфраструктуры; 3. Интерфейс для удаленных пользователей реализуется в виде отдельного программ но-аппаратного комплекса, при этом доступ к информации в оригинальной системе осуществляется посредством 99 специального шлюза. К преимуществам данного подхода следует отнести тот факт, что при соблюдении определенной дисциплины проектирования интерфейсной части и шлюза, разработанные компоненты могут быть использованы для различных информационных систем, и даже, служить ядром интеграции этих систем. Для разработки трехзвенной архитектуры будет использован третий подход, которая основана на объектной модели CORBA. На рис. 3.7 приведена схема построения шлюза с использованием технологий CORBA. Основными компонентами этого шлюза являются диспетчер (Dispatcher), способный принимать запросы клиентов по протоколу ПОР и объектный адаптер, осуществляющий преобразование ПОР «Native Protocol. Формальное описание сервисов, предоставляемых информационной системой, в данном случае должно быть оформлено с помощью языка IDL и полученные интерфейсы должны быть доступны удаленным клиентам. Диспетчер в данной схеме может (при необходимости) иметь более сложную функциональность, чем просто поддержка протокола ПОР, например, обеспечения механизма транзакций, контроль доступа и нагрузки на сервер. Последнее наиболее актуально для систем, изначально не рассчитанных на работу с неограниченным числом потенциальных пользователей.
В самом общем виде процесс создания универсального CORBA-приложения должен содержать следующие шаги: ? создание IDL-деклараций, описывающих поведение всех объектов распределенной системы. Мри этом следует принять во внимание особенности создания объектов, наличие транзакций, вопросы обеспечения устойчивости к сбоям и многое другое; ? автоматическая генерация кода как на стороне клиента, так и па стороне сервера кода, обеспечивающего взаимодействие ваших программ с коммуникационной системой CORBA, на выбранном языке программирования; ? реализация методов интерфейсов на стороне сервера на том или ином языке программирования. На этой стадии может потребоваться принятие решении о наследовании классов реализаций; ? создание серверных CORBA-объектов (не обязательно вместе с их сервантами); ? обеспечение доступа для клиентов ко всем или некоторым серверным объектам; ? запуск тех или иных необходимых сервисов - Naming Service, Trader Service, Event Service, Object Transaction Service, Location Service и др.; ? запуск серверных приложений или их регистрация в так называемых Репозитариях Реализаций, что позволяет обеспечить удаленный запуск серверов приложений по запросам клиента;
Сравнение характеристик WebCAD с другими системами группового проектирования
Для определения эффективности работы Web-ориентированной архитектуры, были использованы модули и приложения разработанные для системы WebCAD (см. приложение 4). Кроме того, были использованы различные программные приложения, разработанные с целью более детального рассмотрения зависимости эффективности систем от различных параметров. Сегодня на рынке Web-ориентированных решений в области систем автоматизации проектирования и поддержки жизненного цикла изделия, существует три промышленных реализации: Windchiil, разработанный компанией РТС и являющийся пионером на данном рынке; ENOVIA - продукт компании IBM и TeamCenter от компании-альянса EDS PLM Solutions. Так как система Windchiil является наиболее знакомой на российском рынке, было решено использовать именно эту систему для сравнения с разработанной WebCAD. Несмотря на то, что архитектура Windchiil является Wcb-ориентированной, в ее реализации допущены некоторые ошибки, снижающие эффективность данной архитектуры. В системе Windchiil слабо контролируется семантика между источниками данных и приложениями использующими эти данные, что может привести к ситуации когда данные на которые ссылается определенное приложение уже не существуют, так как были удалены. Для недопущения подобной ситуации в WebCAD сервер в режиме реального времени информирует клиента в случае, если были произведены изменения над информацией, на которую ссылается клиент. При этом клиент избавлен от необходимости постоянно опрашивать сервер на содержание изменений, вместо этого сервер, использую механизм PUSH, уведомляет клиента только в случае необходимости. Система запрещает удаление любого объекта на которое имеется активная ссылка. Пользовательский интерфейс и интерфейс интеграции различных приложений в Windchiil основан па технологиях JavaBeans, HTML и RMI, что усложняет интеграцию в систему новых пользовательских приложений, так как для этого понадобится помощь программистов, знающих именно эти технологии.
В WebCAD нет жесткой привязки к определенной технологии разработки приложений и интерфейсов их интеграции, т.е. серверные приложения могут быть разработаны на основе любой из следующих технологий; JavaBeans, JSP,
146 IS API, CGI. При этом пользовательский интерфейс, в зависимости от необходимой интерактивности, реализован на Java Applet и HTML.
Для доступа к централизованным данным в Windchill используется СУБД Oracle и интерфейс доступа к данным JDBC, что ограничивает возможность масштабирования системы и организацию единого информационного пространство, которое могут составлять самые разные источники данных. В WebCAD доступ к централизованным данным осуществляется на основе принципа федерализации данных, т.е. на основе объединения разнотипных источников информации в единую среду. Таким образом, модуль DBEngine может предоставить информацию из MySQL, MS SQL Server, Oracle и др. на основе следующих интерфейсов DBI-MySQL, DBI-ODBC, JDBC, ODBC, JDBC-ODBC. Практически все среды разработки, компиляторы, интерпретаторы, различные Web-компоненты и некоторые из СУБД являются бесплатными, что способствует значительному снижению стоимости данной разработки. 4.5. Определение совокупной сложности распределенных приложений Большая размерность распределенных приложений и необходимость командного решения творческой, слабоформализованной задачи, несмотря па наличие на рынке методов и инструментов моделирования, ставит перед руководителями и разработчиками проекта ряд вопросов, связанных с необходимостью специфического планирования и организации параллельно-последовательного процесса моделирования [182,185]. Практически каждый руководитель крупного проекта ищет ответы на вопросы:
как ограничить трудоемкость моделирования и при этом достичь необходимого и достаточного для последующего проектирования уровня детализации коллективно построенной модели? как обеспечить логическую целостность (непротиворечивость) результатов коллективного моделирования, на основе которых будет разрабатываться система, и защитить свой проект от «эффекта Вавилонской башни»? как перейти от моделирования предметной области к итерационному процессу проектирования-реализации системы в условиях большой размерности, при этом за счет чего обеспечить возможность верификации результатов разработки на соответствие первичной модели? как понизить совокупную сложность разработки при большой размерности предметной области? Для решения поставленных выше задач нужна промышленная технология разработки, которая учитывала бы коллективный характер работы, предусматривала применение существующих методологий и предполагала возможность адаптации к условиям конкретного проекта. К сожалению, существующие методы разработки не дают полного и комплексного ответа на поставленные выше вопросы.
Вопрос уменьшения совокупной сложности и снижения трудоемкости в условиях большой размерности традиционно решается разбиением проекта на части. Для разбиения проекта на части без потерь в концептуальной целостности системы необходимо выявить интегрирующую основу, вокруг которой может вестись параллельно-последовательная разработка элементов. Как уже говорилось ранее, интегрирующая основа должна быть выявлена в первую очередь в информационной плоскости.
Классическая схема структурного анализа (например, методом Гейна/Сарсон) предполагает построение полной концептуальной модели данных (КМД), представляющей все сущности предметной области и их отношения. При большой размерности предметной области сложность построения полной КМД оказывается практически неприемлемой. Кроме того,
