Лычев А.В. Распределенные автоматизированные системы

Подождите немного. Документ загружается.

Распределенные автоматизированные системы

100

ратным, программным и информационным обеспечением. Руково-

дитель получает возможность не только оперативно ознако-

миться с текущей экономической обстановкой, но и проанали-

зировать ее и на основании этого наметить необходимые реше-

ния.

Эффективность ситуационных центров основана на том,

что они позволяют подключить к активной работе по принятию

решения резервы образного, ассоциативного мышления. Пред-

ставление ситуации в виде образов как бы сжимает информа-

цию.

В общем случае для ситуационного центра необходимо

специальное помещение, где на несколько мониторов выводятся

сведения об основных подразделениях, функциях или производ-

ственных процессах в соответствии с поставленной задачей.

Зал оснащается также одним - двумя обобщающими мониторами

(экранами), на которые по каналам связи непрерывно поступа-

ет информация о положении в интересующих секторах.

Современные системы работают в реальном масштабе вре-

мени со сложнейшей графической информацией и поэтому требу-

ют огромных ресурсов от компьютерной техники. Для адекват-

ного восприятия визуальной информации используются специ-

альные экраны. Панорамный экран как бы помещает пользовате-

ля внутрь компьютерного кинотеатра, проекционные экраны бо-

лее компактны и не нуждаются в специальном зале, многопло-

скостные экраны позволяют создать систему наблюдения, окру-

жающую человека с шести сторон.

Руководители, располагающие стратегическим ситуацион-

ным центром, получают преимущество перед конкурентами при

планировании продвижения на новые сектора рынка, долгосроч-

ной ценовой и товарной политики и т. д. В результате руко-

водство компании переходит от принятия отдельных решений к

выработке сценариев (системных решений), когда каждое от-

дельное решение подчинено целям поддержания долгосрочной

стабильности компании. Для обеспечения работы стратегиче-

ского ситуационного центра действует соответствующая служ-

ба, в состав которой должны входить системный аналитик

(консультант), руководитель систем внешних и внутренних ин-

формационных сетей и коммуникаций, разработчик программного

обеспечения и дежурный оператор.

Решения принимаются с учетом не только мнения руково-

дителей подразделений и представлений первого лица, но и на

основе объективной внутренней и внешней информации, по-

скольку ситуационный центр синхронизирует подсистему внут-

реннего управления с подсистемой, отвечающей за взаимодей-

ствие с внешней средой. Текущая информация используется на

совещании в виде электронных сводок, подготовленных на ос-

нове данных бухгалтерской, финансовой, планово-

Распределенные автоматизированные системы

101

экономической, маркетинговой, инженерной и других служб в

виде наглядных визуальных объектов. Таким образом, произ-

водственные совещания приобретают принципиально новое каче-

ство в процессе управления.

Важнейшим дополнительным элементом, существенно повы-

шающим качество управления компанией, является возможность

оперативно обрабатывать внешнюю информацию. Основным источ-

ником информации при этом являются общедоступные базы дан-

ных сети Internet, специализированная и региональная стати-

стическая информация. Внешняя информация автоматически опе-

ративно вводится в систему внутреннего информационного обо-

рота в компании через специальные программы-конверторы. Тем

самым руководитель получает возможность принимать в расчет

внешние точки измерения: место компании в отраслевом разре-

зе, место компании в регионе, анализ конкурентной среды,

оценка перспектив рынка.

Вместе с тем основой диагностики предприятия и сценар-

ного просчитывания является внутренняя система сбора и об-

работки данных. Без всеобъемлющей информационной системы

компании любой, даже самый современный ситуационный центр

останется «слепым». Недостаточное развитие или ограниченная

архитектура локальных сетей компании отмечается специали-

стами как одна из существенных причин, влияющих на скорость

внедрения и эффективность работы ситуационных центров.

Сегодня в мире насчитывается несколько сот ситуацион-

ных центров и их количество с каждым годом неуклонно увели-

чивается. Называются они по-разному: центры стратегического

управления, визионариумы, центры мультимедиа, ситуационные

комнаты. В администрации президента США сейчас действует

более пяти ситуационных центров. В Европе их количество

приближается к сотне. В одной только Норвегии их больше де-

сяти. Подобные системы имеются у всех крупных фирм и корпо-

раций. Это направление сейчас бурно развивается, а уже су-

ществующие системы активно переоснащаются.

Проект по созданию визионариума для президента США

обошелся американским налогоплательщикам в 50 млн долларов.

В составе центра три команды из специально подготовленных

офицеров (Duty Oficers), аналитиков разведки и специалистов

по коммуникациям, которые ведут непрерывный мониторинг и

анализ всех доступных информационных каналов, включая (в

это даже трудно поверить) все каналы телевидения и радио

(их ведь в США несколько сот). Одной из многочисленных за-

дач центра стала оценка доходных и расходных частей бюдже-

та, в которой задействованы средства виртуальной реально-

сти. Электронная карта страны помещена в трехмерное вирту-

альное пространство и над каждым штатом США построены ба-

шенки-гистограммы, демонстрирующие те или иные показатели.

Распределенные автоматизированные системы

102

Взглянув на карту, можно очень быстро определить, где эти

показатели достигают очень высоких или, наоборот, очень

низких значений.

Есть свой ситуационный центр и у правительства Герма-

нии, он используется для анализа социальных, экономических

и политических проблем.

В феврале 1996 года был введен в строй ситуационный

центр в резиденции Президента Российской Федерации. Это

достаточно сложный программно-мультимедийный комплекс: три

экрана размером 1,5 x 2 м, более десятка рабочих станций

(студий нелинейного монтажа, графических станций, компьюте-

ров для подготовки презентаций), мощный сервер, который

хранит огромные объемы информации, а также набор различных

инструментальных средств, позволяющих обрабатывать информа-

цию и представлять ее Президенту. На её основе вырабатыва-

ются решения, которые доводятся до исполнителей средствами

того же ситуационного центра. По существу в этой системе

реализован полный цикл управления любым проектом, програм-

мой, регионом или страной. С помощью средств центра проис-

ходит планирование мероприятий Администрации Президента.

Создан специальный программный модуль, позволяющий оцени-

вать приоритеты, выбирать наиболее эффективную и рациональ-

ную последовательность проведения этих мероприятий.

Другой пример - ситуационный центр Министерства по

чрезвычайным ситуациям РФ. Визуализируется картинка со схе-

матическим изображением текущего и прогнозируемого состоя-

ния, на которой видно, какие силы и средства есть в нали-

чии, какие предлагаются рекомендации. На основе всей этой

информации принимаются решения, которые с помощью имеющихся

в ситуационном центре средств доводятся до спасателей.

Еще один ситуационный центр был создан в 1994 году в

Совете безопасности при Президенте РФ. Он достаточно успеш-

но функционирует и по сей день. Этот центр позволяет осуще-

ствлять мониторинг, моделирование последствий, анализ собы-

тий, которые происходят в экономике, социальной сфере, в

области национальной безопасности, помогая таким образом

вырабатывать решения.

Также создан и действует ситуационный центр при Прави-

тельстве РФ и ряд ситуационных комнат для губернаторов в

Ленинградской, Орловской, Белгородской, Тюменской и ряде

других областях. В общей сложности уже стартовало более 20

таких региональных и отраслевых проектов, в том числе си-

туационный центр для руководства "Газпрома".

Одним из мировых лидеров среди разработчиков ситуаци-

онных центров на Западе традиционно считается компания

Silicon Graphics Incorporation (SGI), которая приступила к

их созданию в начале 90-х годов прошлого столетия. За по-

Распределенные автоматизированные системы

103

следние пятнадцать лет специалистами SGI создано более ста

таких центров.

Если несколько лет назад существенной причиной оста-

новки внедрения ситуационных центров была цена проекта, то

сегодня данная проблема отошла на второй план. Во-первых,

потому что появились комплексные решения, сопоставимые с

бюджетом предприятия, во-вторых, необходимость изменений в

технологии управления и преимущества ситуационных комнат

стали очевидны настолько, что руководящему составу компаний

от них уже трудно отказаться.

Сегодня цена ситуационных центров сильно зависит от

заданных масштабов, но может быть значительно снижена при

наличии готовой информационно-коммуникационной структуры,

корпоративной сети, базы данных. При переходе от одного

масштаба центра к другому цена может меняться примерно на

порядок, причем это утверждение относится в большей мере к

стоимости инсталляции, и в меньшей - к стоимости сопровож-

дения. При выборе решения существенно также то, что в со-

ставе суммарных затрат на ситуационный центр относительно

высока (но неуклонно снижается) доля стоимости каналов свя-

зи и стоимости доступа к информации.

Другая проблема лежит в области проведения определен-

ных изменений в культуре корпоративного управления. Дело в

том, что для проведения эффективных совещаний в ситуацион-

ной комнате высший менеджмент должен работать, как одна ко-

манда, для которой ситуационный центр является основным ра-

бочим инструментом. К сожалению, не во всех случаях россий-

ские корпоративные заказчики готовы к внедрению подобных

технологий и работе в таком режиме.

При подготовке обсуждения значительную сложность пред-

ставляет работа над сценариями демонстрации (предваритель-

ная режиссура), поскольку всегда сложно спрогнозировать ход

обсуждения проблемы. Это обсуждение может отклониться от

намеченного сценария и сделанных заранее заготовок. Для по-

вышения устойчивости управления сценарием обсуждения необ-

ходима максимальная информационная открытость системы для

получения требуемых сведений и аналитических материалов из

внешних источников. Вместе с тем следует иметь в виду, что

увеличение открытости некоторой информационной системы сни-

жает целенаправленность обсуждения.

Приведенный выше список проблем далеко не полон. Часть

из них - просто болезни роста, и они, безусловно, - времен-

ное явление. По общему мнению экспертов, внедрение и актив-

ное использование ситуационных центров в самых разных об-

ластях - дело ближайшего будущего.

Распределенные автоматизированные системы

104

Глава 5. Аппаратное обеспечение автоматизированных систем

Про аппаратное обеспечение персональных компьютеров

написано столько книг, что большинству конечных пользовате-

лей кажется, будто в данной сфере им известно всё или почти

всё. Однако, присутствующая на рынке литература, как прави-

ло, описывает конкретное «железо», не давая никаких знаний

или конкретных рекомендаций по основам взаимодействия от-

дельных компонент автоматизированных систем. В то же время,

в эпоху стремительного развития всех видов техники и техно-

логии, аппаратное обеспечение вычислительных систем мораль-

но устаревает и меняется практически ежегодно. Следом за

оборудованием, такие книги также стремительно морально ус-

таревают, не давая своим читателям времени даже как следует

осознать, что же там написано. Но, к сожалению, без глубо-

ких знаний в области взаимодействия отдельных компонент

оборудования между собой невозможно осознанно грамотно экс-

плуатировать современные автоматизированные системы. По

этой причине в настоящем пособии не будет рассматриваться

конкретное аппаратное обеспечение автоматизированных систем

управления, а будут даны лишь математические основы функ-

ционирования современных распределенных автоматизированных

систем управления.

§ 1. Математические модели узлов коммутации

Для того, чтобы маршрутизатор, как узел коммутации,

мог эффективно выполнять свои функции определения оптималь-

ного маршрута пересылки данных, управляющая ЭВМ маршрутиза-

тора должна работать с некоторой математической моделью се-

ти. Такую модель можно разбить на несколько подмоделей:

1. Подмодель внешних воздействий (запросов на исполь-

зование ресурсов сети). Введем основные характеристики ус-

ловий работы для описания подмодели внешних воздействий:

а) Поток сообщений пользователей. Как известно, сооб-

щение пользователя длиной L

разбивается на сетевом уровне

модели OSI на пакеты длиной L

, а на канальном уровне – на

кадры стандартной длины L

. Поток сообщений пользователей –

это случайный процесс, для которого задается закон распре-

деления на основе опыта многолетних наблюдений за действую-

щими сетями ЭВМ. Как правило, в качестве потока сообщений

пользователей принимается пуассоновский поток с плотностью

распределения во времени P

(t) =

)(

-λt

, где K – номер

очередного сообщения в момент времени t, λ – интенсивность

поступления сообщений;

Распределенные автоматизированные системы

105

б) Второй характеристикой внешних воздействий является

продолжительность (объем) сообщения, которая часто задается

не временем, а количеством кадров, поступивших по одному

входящему каналу за один сеанс передачи.

Ввиду того, что кроме информации пользователей, по се-

ти передается служебная информация (например: изменение на-

правляющих таблиц), можно выделить три вида потока сообще-

ний пользователей:

а) Простой поток сообщений пользователей. В простом

потоке длина кадра равна длине сообщения пользователя, па-

раметр потока ξ =

= 1;

б) Сложный поток сообщений пользователей. В сложном

потоке длина кадра меньше длины сообщения пользователя, па-

раметр потока ξ =

< 1;

в) Прореженный поток сообщений пользователей. В проре-

женном потоке длина кадра больше длины сообщения пользова-

теля, параметр потока ξ =

> 1.

Для простоты примем, что начало передачи каждого кадра

возможно только в фиксированные моменты времени, кратные

ν =

, где n – количество бит в кадре, c – скорость пере-

дачи кадра в бод (бит в сек). При этом можно считать, что

квант времени ν равен одной единице времени. Обозначим че-

рез Х число кадров, поступающих в канал передачи в течение

единицы времени ν. Тогда для случая ξ = 1 распределение ве-

роятности числа поступающих кадров определяется выражением:

Р(Х) =

-λ

. Математическое ожидание числа поступающих

кадров равно дисперсии и равно интенсивности поступления

сообщений M[X] = D[X] = λ.

Для случая ξ < 1 необходимо задаться законом распреде-

ления параметра потока. Из анализа статистики распределения

длин сообщений пользователей известно, что параметр потока

с учетом дискретности процесса передачи имеет геометриче-

ское распределение вероятности Р(ξ) = ξ(1 – ξ)

j-1

, где

j = 1, 2, …. Тогда общее число кадров, поступающих в канал,

является случайной величиной и определяется по формуле

U(X) =

∑

, где y

– число кадров, содержащихся в i-м со-

общении пользователя. Вероятность того, что в течение кван-

та времени ν в канал поступят i кадров, равна

Распределенные автоматизированные системы

106

-λ

, при i = 0

P(U) =

-λ

)1()(

KiK

ξλξ

−

∑

−

, при i = 1, 2, ….

Математическое ожидание числа поступающих кадров равно

M[X] =

, а дисперсия равна D[X] =

)2(

−

Для случая ξ > 1 поток кадров будет эрланговским пото-

ком ξ-го порядка, плотность распределения вероятностей ко-

торого будет иметь вид: f(t) =

)!1(

)(

−

λλ

-λt

. Математическое

ожидание числа поступающих кадров равно M[X] =

, а дис-

персия равна D[X] =

Достаточно высокие требования к верности и скорости

передачи информации, предъявляемые со стороны пользователей

к сети, приводят к необходимости применения специальных мер

по борьбе с ошибками, возникающими в канале передачи дан-

ных. Наиболее простой из математических моделей является

модель независимых ошибок, которая исходит из предположе-

ния, что ошибки в дискретном канале связи возникают незави-

симо друг от друга, то есть между ними отсутствует корреля-

ция. Модель независимых ошибок может быть использована для

описания потока ошибок в оптоволоконных линиях связи и ли-

ниях связи локальных сетей, построенных на основе медного

кабеля. Функция распределения интервалов между независимыми

ошибками может быть выражена формулой: Ф(u) =

∑

−

, где

К – количество причин, вызывающих ошибки, А – коэффициент

воздействия К-й ошибки на передаваемый полезный сигнал, φ –

интенсивность возникновения ошибок в канале передачи дан-

ных, u – длительность интервала между ошибками. Исследова-

ния каналов связи общего пользования, построенных на основе

других сред передачи данных, отличных от волоконнооптиче-

ских, не подтвердили гипотезу о независимости ошибок в этой

группе каналов связи, а, напротив, выявили тенденцию к

группированию (пакетированию) ошибок. Под пакетом ошибок

понимается непрерывная последовательность искаженных эле-

ментов в информационном пакете. Функция распределения ин-

тервалов между пакетированными ошибками имеет вид:

Ф(u) = Ae

-φu

+ (1 – A)e

-φu

2. Подмодель процесса коммутации. В технике связи раз-

личают три метода коммутации:

Распределенные автоматизированные системы

107

а) Коммутация каналов. Коммутация каналов – это метод

статической коммутации, когда между отправителем и получа-

телем устанавливается выделенное физическое соединение,

поддерживаемое на все время передачи информации. Передающая

ЭВМ запрашивает соединение с адресатом, ЭВМ-получатель дает

подтверждение о готовности к приему данных. После передачи

всей информации ЭВМ-получатель дает подтверждение о приеме

информации, и канал разрывается. Преимущество коммутации

каналов состоит в обеспечении гарантированной производи-

тельности линии передачи данных, что бывает важно для пере-

дачи больших объемов мультимедийной информации в реальном

масштабе времени. В то же время, коммутация каналов имеет

ряд существенных недостатков, ограничивающих её применение:

- неэффективное использование среды передачи данных;

- требование большой полосы пропускания;

- наличие задержек соединения;

б) Коммутация сообщений. Коммутация сообщений – это

метод динамической коммутации, когда каждое сообщение ин-

терпретируется как независимая единица, передающаяся от од-

ного узла сети к другому. Каждый промежуточный узел сети

получает и хранит сообщение, пока следующий узел не будет

готов его принять. По этой причине сеть с коммутацией сооб-

щений называют сетью с промежуточным хранением. Время пере-

сылки по такой сети может достигать нескольких минут. Пре-

имущества коммутации сообщений:

- эффективное управление сетевым обменом. Присваивая

приоритеты коммутируемым сообщениям, можно достичь опти-

мального времени их доставки адресатам;

- уменьшение нагрузки на сеть. Маршрутизаторы могут

хранить сообщения, пока не станет доступным коммуникацион-

ный канал;

- возможность передачи сообщений с той скоростью, ка-

кую позволяет пропускная способность коммуникационного ка-

нала;

- обеспечение коммуникаций между различными временными

зонами.

Недостатки коммутации сообщений:

- невозможность передачи сообщений в реальном масштабе

времени;

- высокая стоимость промежуточного оборудования (мар-

шрутизаторов), обусловленная большими объемами дисковой и

оперативной памяти, необходимой для промежуточного хранения

сообщений;

в) Коммутация пакетов. Коммутация пакетов – это метод

динамической коммутации, когда сообщение разбивается на ко-

роткие пакеты, которые передаются адресату одновременно по

разным маршрутам. Это позволяет совместить преимущества

Распределенные автоматизированные системы

108

коммутации каналов и коммутации сообщений и, в то же время,

избежать их недостатков. Маршрутизация одного сообщения к

одному адресату по разным маршрутам называется независимой.

Преимущества независимой маршрутизации:

- эффективное управление загрузкой коммуникационных

каналов;

- высокая живучесть коммуникационного процесса.

Размер пакета выбирается таким, чтобы при промежуточ-

ном хранении его не надо было записывать на диск, то есть

чтобы он полностью помещался в оперативную память. Различа-

ют два вида коммутации пакетов:

- коммутация датаграмм пакетов. Датаграмма – это па-

кет, передаваемый через сеть независимо от других пакетов

без установления логического соединения и подтверждения

приема. Датаграмма передается без всякого предупреждения и

подготовки. Маршрутизаторы направляют потоки датаграмм в

коммуникационные каналы таким образом, чтобы обеспечить

полную и равномерную без перегрузки загрузку канала. К ад-

ресату датаграммы попадают в произвольном порядке, в зави-

симости от длины пути, пройденного каждой конкретной дата-

граммой. На сетевом уровне ЭВМ-получателя датаграммы упоря-

дочиваются в готовое сообщение;

- коммутация пакетов в виртуальных каналах. Коммутация

пакетов в виртуальных каналах устанавливает логическое со-

единение между передающей и принимающей ЭВМ, называемое

виртуальным каналом. Физического канала при этом не созда-

ется, а благодаря большой пропускной способности линии свя-

зи, создается впечатление, что этот канал имеется и поддер-

живается в течение всего сеанса передачи. Коммутация паке-

тов в виртуальных каналах используется, как правило, для

передачи мультимедийной информации.

Преимущества коммутации пакетов:

- возможность работы нескольких пар абонентов по одно-

му коммуникационному каналу в реальном масштабе времени;

- малые задержки при передаче сообщений.

Недостатки коммутации пакетов:

- высокая стоимость промежуточного оборудования (мар-

шрутизаторов), обусловленная:

- - большими объемами быстродействующей оперативной

памяти, необходимой для промежуточного хранения пакетов;

- - высоким быстродействием специализированных управ-

ляющих ЭВМ маршрутизаторов;

- большой процент потерянных пакетов.

Процесс коммутации удобно представлять в матричной

форме с использованием квадратных матриц размера N x N, где

N – число входов и выходов коммутационной структуры, входя-

Распределенные автоматизированные системы

109

щей в состав маршрутизатора. Такие матрицы называеются мат-

рицами связи. Матрица связи имеет следующий вид:

Каждый элемент матрицы связи m

ассоциирован с кон-

кретной точкой коммутации коммутационной структуры маршру-

тизатора и равен нулю, если отсутствует связь между входом

i и выходом j, и, напротив, равен единице, если есть связь

между входом i и выходом j. Ввиду того, что элементы матри-

цы связи могут принимать только два значения – ноль и еди-

ница, к ним применим аппарат булевой алгебры логики. Для

оптимизации процесса принятия решения о том, какую точку

коммутации выбрать при наличии нескольких возможных вариан-

тов направлений передачи информации, анализируются критерии

эффективности коммутируемых каналов связи:

а) Коэффициент использования канала связи (коэффициент

загрузки) ρ =

CП

, где I

– количество информации поль-

зователя в битах, передаваемое по каналу связи за одну се-

кунду, I

– количество служебной информации в битах, пере-

даваемое по каналу связи за одну секунду, I

+ I

– общее

количество информации в битах, передаваемое по каналу связи

за одну секунду;

б) Допустимое время задержки прохождения сообщения

пользователя по каналу связи

ЗАД

ДОП

= t

;

в) Вероятность отказа канала Р

ОТК

Общее время задержки прохождения сообщения пользовате-

ля между абонентами будет складываться из сумм задержек на

прямых соединениях между узлами сети, времени обработки на

каждом из узлов сети и времени обработки вне сети (на ко-

нечных участках маршрута):

ЗАД

ОБЩ

∑

ЗАД

, где N – число эле-

ментов маршрута. Каждое из слагаемых времени задержки может

оказаться решающим при выборе наиболее эффективного элемен-

та матрицы связи (точки коммутации). Плотность распределе-

ния времени задержки прохождения сообщения пользователя оп-

ределяется формулой: