Введение к работе
Актуальность проблемы. Процесс интенсивной информатизации различных видов деятельности человека в современном обществе характеризуется широким применением сетевых технологий . В полной мере сказанное относится и к АСУ.
Отличительной особенностью современного этапа развития АСУ является переход
к распределенным авто ггизированным системам ( РАС ) . Децентрализованные
информационные системы потенциально имеют лучшее соотношение
производительность/стоимость, чем централизованная система. Стратегия развития вычислительной техники 90-х годов ориентирована в основном на сетевые вычислительные структуры, в которых задачи решаются не централизованно, а распределение.
Для АСУ причиной использования распределенных систем является распределенный характер самих прикладных задач, таких, например, как автоматизация технологических процессов и крупных рассредоточенных производств, транспортных систем, распределенных систем автоматического контроля и диагностирования нефтяных скважин, банковской и межбанковской деятельности (системы типа "клиент-сервер"), распределенных систем поддержки принятия решений и т л. Во всех этих случаях источники и потребители информации рассредоточены по территории и автономно решают свои задачи . Но в то же время решаемые ими задачи тесно взаимосвязаны, поэтому их вычислительные и информационные ресурсы должны быть объединены в единую систему . Такое объединение обеспечивает сеть обмена информацией (СОИ), являющаяся подсистемой РАС . Сеть не только реа.-чзует информационное взаимодействие объектов распределенной АСУ , но по существу объединяет РАС и информационно - вычислительные сети в единое целое как в структурном , так и в функциональном отношении .
Создание АСУ на базе широкого применения средств вычислительной техники,ее интеграция с технологическим производственным оборудованием и процессами принятия решений на всех уровнях управления осуществляется на основе использования средств связи . Совмещение различных видов информации (обмен оперативными, диалоговыми данными, файлами ЭВМ, речью , телевизионной и факсимильной информацией) в одной сети прегратллось в генеральное направление развития сетей электросвязи и получило наиболее полное выражение при создании широкополосных цифровых сетей интегрального обслуживания - ШЦСИО .
Развитие региональных и глобальных сетей , к которым могут быть подключены локальные сети специалистов , дают возможность гибкого распределения работ по всей системе . В настоящее время разработана концепция («-.форматизации России, основанная
на построении национальной общегосударственной интегрированной сети передачи информации для удаленного доступа к вычислительным и информационным ресурсам и обмена информацией пользователей между собой . Таким образом , создание сетей , совмещающих в себе первичные и вторичные сети , организация и построение региональных сетей , их объединение актуализируют разработку эффективных методов и средств построения сетей интегрального обслуживания .
Вместе с тем , традиционный подход к созданию любой системы предусматривает выполнение ряда стадий ее жизненного цикла . Такой путь становится неприемлемым из-за непомерно больших сроков и финансовых затрат на создание ситемы . Поэтому формирование требований и выбор принципиальных решений переносят на этап структурно-функционального анализа, который выполняется на базе математических моделей с привлечением компьютерных средств.
По вопросам моделирования СОИ опубликовано большое число работ отечественных и зарубежных ученых : В.А.Богатырева, Л.Е.Варакина, Г.П.Захарова, А.П.Кулешова, В.Г.Лазарева, И.А.Мизина, Ю.Г.Полляка, Б.Я.Советова, С.А.Яковлева, Л.Клейнрока, Д.Мартина, М.Фишера, М.Шварца. Работы этих ученых и ряда других составляют теоретическую базу моделирования сетей . Значительное внимание уделяется разработке методов и средств, обеспечивающих повышение эффективности проведения машинных экспериментов с имитационными моделями систем. В этом смысле показательны исследования , направленные на комбинирование аналитических и статистических методов моделирования.
Имитационные модели обладают хорошей физической наглядностью . С другой стороны , для количественной оценки вероятностно-временных характеристик сложных технических систем (СТС) , к классу которых относятся СОИ , нередко единственным методом решения задачи остается вероятностное моделирование на ЭВМ - метод Монте-Карло . Известный недостаток этого универсального метода заключается в его медленной сходимости , требующей большого количества испытаний (реализаций) модели на ЭВМ и, следовательно, больших затрат машинного времени .
При системном проектировании СОИ можно выделить три группы задач связанных : с синтезом топологической структуры сети , с реализацией технологии доставки информации по сети ,с управлением потоками на сети .
С математической точки зрения задачи синтеза структуры относятся к классу задач математического программирования , в которых ряд ограничений задан не в явном виде , а алгоритмически с помощью имитационной модели . Возникающие при этом задачи приводят к моделям , в которых критерии и ограничения , накладываемые на параметры системы , задаются не аналитически . Решение задач такого типа на практике часто сводится к многократно повторяющимся циклам моделирования , анализа и оценки полученных данных , корректировки параметров . Использование методов направленного моделирования применительно к синтезу СОИ затруднено - в
большинстве практически важных случаев искомые оценки не являются непрерывно дифференцируемыми функциями , кроме того.нх аналитический вид неизвестен .
При имитационном моделировании СОИ возникают прежде всего две основные проблемы: одна обусловлена большой размерностью сети , другая связана с необходимостью оценки редких событий .
Проблема размерности обычно решается за счет декомпозиции СТС . Однако, при декомпозиции сети важно сохранить сетевой аспект при анализе отдельных моделируемых частей. Не менее важно обеспечить однотипность моделей, их вложенность при агрегировании .
Анализ влияния редких событий становится особенно актуальным при построении ШЦСИО и вызывает ряд новых проблем. Это проблема расчета емкости буферных накопителей как элементов виртуальных каналов в сети , вероятность потери пакетов в которых из-за их переполнения не должна превышать значения Ю"' . Это проблема временного джиггера при передаче видеотрафика , для оценки которого требуется иметь распределение времени доставки пакетов.
Широкий круг проблем , возникающих при проектировании СОИ распределенных АСУ , требует разработки специализированных программных средств , применение которых позволяет осуществить обоснованный выбор варианта проекта , сократить при этом сроки проектирования , а также помочь в обосновании выбора стратегии дальнейшего развития и расширения сети .
Таким образом , совокупность задач по разработке сетей интегрального обслуживания и соответствующих методов и средств для оценки ВВХ сетей типа ШЦСИО представляет собой важную научную проблему, имеющую большое народнохозяйственное значение . Выделенная проблематика определила актуальность основного направления работы.
Цель диссертационной работы состоит в теоретическом обосновании, разработке и исследовании методов , моделей и алгоритмов ускоренной имитации и создании на их основе аналитико-статистических методов расчета вероятностно-временных характеристик сетей интегрального обслуживания АСУ.
В соответствии с указанной целью в работе поставлены,обоснованы и решены следующие задачи:
1. Анализ сложившихся методов и средств моделирования информационных сетей и
разработка концепции математического обеспечения ускоренного статистического
моделирования сетей интегрального обслуживания;
2. Развитие теории аналитико-статистического моделирования для обоснования и
создания методов расчета вероятностно-временных характеристик сетей интегрального
обслуживания на основе ускоренных статистических машинных экспериментов с
имитационными моделями информационных сетей:
3. Разработка комплекса моделей,обеспечивающих расчет дифференциальных и
интегральных вероятностно-временных характеристик сетей интегрального
обслуживания методом ускоренного статистического моделирования;
4. Создание аналитико-статистических методов расчета оценок вероятностно-временных
характеристик сетей и их элементов.
Объектом исследования являются широкополосные сети интегрального обслуживания .характеризуемые многорежимностью и многокритериальностью.При этом благодаря универсальности имитационных моделей допускается широкое разнообразие режимов функционирования сетейдарактера трафика. Это позволяет использовать разработанную методологию при автоматизированном проектировании большинства систем информатики.
Предметом исследования является применение аналитико-статистических методов и имитационных моделей для структурно-функционального анализа проектных вариантов сетей интегрального обслуживания.
Методы исследования. Решение сформулированной в диссертационной работе проблемы ускоренного имитационного анализа вероятностно-временных характеристик СОИ базируется на математических методах системного анализа и теорий вероятности.случайных процессов и математической статистики,массового обслуживания;методов математического анализа, исследования операций и имитационного моделирования.
Научная новизна. В результате проведенного иследования осуществлено теоретическое обоснование и решение проблемы.имеющей важное народнохозяйственное значение-проблемы создания комплекса методов расчета ВВХ информационных сетей интегрального обслуживания. Исследование выполнено на основе разработанных автором аналитико-статистических методов и моделей, позволяющих эффективно (с меньшими затратами ресурсов ЭВМ:машинного времени и объема памяти) решать задачи структурно-функционального анализа проектных вариантов систем информатики посредством их машинной имитации.
Основные новые результаты, полученные в работе и выносимые на защиту: 1. Развитие теории аналитико-статистического моделирования.состоящее в:
- расширении метода экстремальных статистик для описания распределений
дискретньп и коррелированных случайных величин. Полученные расширения позволяют
применять метод экстремальных статистик для расчета ВВХ широкополосных сетей;
анализе точности комбинированных оценок.получаемых при совместном использовании расслоенной выборки и взвешенного моделирования;
- формализации декомпозиции сети на основе разработанного способа классификации
множества путей обмена информацией в распределенных АСУ ;
2. Комплекс моделей и алгоритмов, обеспечивающий расчет диференциальных и системных характеристик сети и включающий модель потерь в буфере конечной емкости,
имитационную модель виртуального канала, имитационную модель доставки вызова на сети, алгоритм декомнозиции сети, сохраняющий сетевой аспект для отдельных кластеров, алгоритмы оценивания коэффициентов, задающих статистические параметры выражений,аппроксимирующих дискретные и непрерывные распределения в области маловероятных значений случайных величин; 1 3. Аналитико-статистические методы расчета оценок вероятности потерь в буфере конечной емкости,распределения времени доставки пакетов по виртуальному каналу .вероятности связности (структурной надежности) сети, вероятности установления соединения на сети за время, не превышающее допустимое (функциональной надежности сети) , интегральных временных характеристик сети.
Практическая ценность и реализация результатов работы. Практическая ценность результатов диссертационной работы заключается в полученных расчетных выражениях,алгоритмах и методиках.обеспечивающих и реализующих ускоренный расчет и анализ характеристик сети методом машинной имитации,что позволяет сократить машинное время и дает возможность исследования сетей большой размерности.
Основные результаты диссертации получены при выполнении хоздоговорных НИР, выполненных на кафедре АСОИУ СПб ГЭТУдля ЛНПО "Красная Заря" в рамках НИР и НИОКР построения информационных сетей страны,проводимых по постановлениям правительства.
Разработанные в диссертации модели и методы ускоренного статистического моделирования нашли практическое применение при разработке цифровых сетей интегрального обслуживания и сетей с коммутацией пакетов. Перечисленный комплекс исследований и разработок выполнялся в 1977-1992 г.г. при непосредственном участии автора в качестве исполнителя,отвегственного исполнителя и научного руководителя.
Основные научные результаты диссертации используются в учебном процессе на кафедре АСОИУ при изучении дисциплин "Моделирование систем", "Информационные сети" (для студентов специальности 22.02).
Апробация работы . Основные научные положения и результаты диссертационной
работы докладывались на 19 всесоюзных.региональных и международных
конференциях.симпозиумах и семинарах.в . частности.на Всесоюзной НТК
"Проектирование вычислительных средств" (Каунас, 1989),7,15,17-й Международных
школах-семинарах по вычислительным сетям (Москва-Ереван, 1983;Москва-
Ленинград.1990;Алма-Ата,1992),Международной НТК "Транском-94"(Санкт-
Петербург,1994),Всесоюзной конференции "Синтез и проектирование многоуровневых систем управления" (Барнаул,!9S2),Всесоюзной конференции "Разработка и применение-
периферийного оборудования для управляющих вычислительных
комплексов"(Киев,1982),25-й НТК посвященной Дню Радио (Новосибирск, 1982), НТК "Теория и практика имитационного моделирования и создания тренажеров" (Пенза,1982), отраслевой НТК "Пути создания интегральных цифровых сетей" (НПССДООНТИ "Экое", 1983), Всесоюзной НК "Поблемы совершенствования синтеза.тесгирования,верификации и отладки программ" (Рига, 1986),8-Й Всесоюзной НК "Планирование и автоматизация эксперимента в научных исследованиях" (Ленинград, 1987), Всесоюзной НМК "Интенсификация учебного процесса в высшей школе" (Воронеж, 1987), 8-м Всесоюзном симпозиуме "Эффективность,качество и надежность систем "человек-техника"."(Тбилиси, 1987), 1-й Международной конференции "Обучение САПР в инженерных вузах" (Тбилиси, 1987) , 2-м Международном семинаре "Формальные средства спецификации и тестирования протоколов" (Бад Зааров,Берлин, 1989).
Публикации. Основное содержание диссертации опубликовано в 45 печатных работах.в том числе одной книге-учебном пособии (изд."Высшая школа",1986 г.),трех внутривузовских учебных пособиях.ряде статей в изданиях по перечню ВАКдезисах докладов на международных и всесоюзныз конференциях ; значительная часть результатов работы отражена в 11 отчетах по НИР.
Структура и объем работы. Диссертация состит из введения.трех разделов, включающих семь глав,заключения, списка литературы (всего 167 источников) и трех приложений(акт о внедрении результатов работы,программы имитационных моделей виртуального канала и установления соединения) . Общий объем работы - 323 страницы сквозной нумерации , в том числе основного текста - 219 машинописных страниц , 38 рисунков и графиков, 30 таблиц и 55 страниц приложений.
