Моделі та методи аналізу сервіс-орієнтованих інформаційно-обчислювальних систем

Размещено на http://www.allbest.ru/

Харківський національний університет імені В.Н. Каразіна

УДК 004.942

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Моделі та методи аналізу сервіс-орієнтованих інформаційно-обчислювальних систем

01.05.02 -- математичне моделювання та обчислювальні методи

Амер Тахсин Саламех Абу-Джассар

Харків-2011

Дисертацією є рукопис інформаційний обчислювальний протокол

Робота виконана у Харківському національному університеті імені В. Н. Каразіна Міністерства освіти і науки України, м. Харків

Науковий керівник - доктор технічних наук, професор Жолткевич Григорій Миколайович, Харківський національний університет імені В. Н. Каразіна, завідувач кафедри теоретичної та прикладної інформатики

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор Лосев Юрій Іванович, Харківський національний університет імені В. Н. Каразіна; професор кафедри теоретичної та прикладної системотехніки

доктор технічних наук, професор Ляхов Олександр Логвінович, Полтавський національний технічний університет ім. Ю. Кондратюка, завідувач кафедри комп'ютерних та інформаційних технологій і систем

Захист відбудеться «08»червня 2011 року о 15-30 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 64.051.09 Харківського національного університету імені В. Н. Каразіна за адресою: 61077, м. Харків, пл. Свободи, 4, ауд. 6-52.

З дисертацією можна ознайомитись у Центральній науковій бібліотеці Харківського національного університету імені В. Н. Каразіна за адресою: 61077, м. Харків, пл. Свободи, 4.

Автореферат розісланий «____»_______________2011 року.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради Д 64.051.09 С. І. Шматков

Загальна характеристика роботи

Актуальність теми дисертаційної роботи. Створення сучасних та ефективних розподілених сервіс орієнтованих інформаційно-обчислювальних систем неможливе без отримання попередніх оцінок показників якості на всіх етапах їх проектування та розробки. Математичне моделювання є одним з найбільш поширених методів, що дозволяє вирішити цю задачу. Однак сучасні розподілені інформаційно-обчислювальні системи мають деякі особливості (наявність паралельних інформаційних потоків, інтелектуальне управління, гетерогенність та ін.), що або не дозволяють розробити адекватну математичну модель, або вона настільки складна, що не піддається аналізу. Використання ж методів імітаційного моделювання не дозволяє отримати формалізовані залежності між показниками якості та параметрами системи.

У роботі пропонується новий підхід до аналізу розподілених ін-формаційно-обчислювальних систем, що дозволяє вирішити означену проблему за рахунок комплексного використання засобів імітаційного та аналітичного моделювання.

Розроблений метод дозволяє підвищити повноту аналізу розподілених сервіс орієнтованих інформаційно-обчислювальних систем шляхом комплексного використання методів імітаційного й аналітичного моделювання, отже, тема дисертаційної роботи є актуальною.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дисертаційна робота виконана у відповідності до плану науково-дослідних робіт Харківського національного університету імені В. Н. Каразіна в межах міжнародного проекту TEMPUS TACIS «UnIT-Net - інформаційні технології в мережі університетського управління» (проект MP-JEP-23010-2003, номер державної реєстрації 1515).

Мета і задачі дослідження. Мета роботи полягає в розробці технології аналізу ймовірносно-часових характеристик розподілених сервіс орієнтованих інформаційно-обчислювальних систем, що дозволяє підвищити повноту їх дослідження, розширює коло досліджень, що проводяться за допомогою імітаційного та аналітичного моделювання, а також виявлення шляхів вдосконалення технічних засобів та протоколів обміну даними та управління системою.

Основна задача роботи - зробити методи функціонального і структурного опису розподілених сервіс орієнтованих інформаційно-обчислювальних систем засобами Е-мереж, похідних функцій та ймовірносно-часових графів (ЙЧГ). По розроблених графах провести математичний опис розподілених сервіс орієнтованих інформаційно-обчислювальних систем, яке у подальшому буде основою для проведення комплексного дослідження.

Об'єктом дослідження є процес моделювання розподілених сервіс орієнтованих інформаційно-обчислювальних систем.

Предметом дослідження є методи моделювання й аналізу ефективності розподілених сервіс-орієнтованих інформаційно-обчислювальних систем на основі комплексного використання засобів імітаційного й аналітичного моделювання.

Методи дослідження: теорія Е-мереж, теорія моделювання складних систем, теорія графів, теорія передачі даних, теорія ймовірностей і математична статистика, мови і засоби програмування.

Відповідно до поставленої мети необхідно вирішити часткові задачі:

1. Розробити методи функціонального опису розподілених сервіс орієнтованих інформаційно-обчислювальних систем засобами апаратів Е-мереж і ЙЧГ для різних вихідних даних;

2. Визначити набір алгоритмічних властивостей Е-мереж і розробити способи їх аналізу для забезпечення можливості перевірки коректності розроблених моделей (методи якісного аналізу);

3. Для оцінки ефективності функціонування визначити набір показників якості РІОС і розробити методи одержання їхніх значень (методи кількісного аналізу);

4. Визначити особливості розробки моделей компонентів РІОС для їх обліку при розробці загальної методики моделювання;

5. Розробити програмний комплекс, що дозволяє автоматизувати процеси розробки, перевірки коректності моделей, проведення імітаційного моделювання (для Е-мереж), перетворення й одержання результуючих аналітичних залежностей (для ЙЧГ).

Наукова новизна отриманих результатів.

1. Вдосконалено апарат Е-мереж, як засіб імітаційного моделювання сервіс орієнтованих інформаційно-обчислювальних мереж. Введено додаткові типи переходів та позицій, що необхідні для створення моделей розподілених сервіс орієнтованих інформаційно-обчислювальних систем та забезпечуючи розширення кола процесів, що досліджуються.

2. Отримано подальший розвиток апарат ЙЧГ як засіб аналітичного моделювання протоколів інформаційного обміну з врахуванням їх особливостей. Розроблено метод аналізу ЙЧГ, що спрощує процедуру отримання необхідних для оцінки ймовірносно часових характеристик математичних моделей.

3. Отримано подальший розвиток метод моделювання розподілених сервіс орієнтованих інформаційно-обчислювальних систем, що оснований на комплексному використанні Е-мереж, ЙЧГ та похідних функцій, що дозволяє підвищити повноту та розширює коло процесів в розподілених сервіс орієнтованих інформаційно-обчислювальних системах, що досліджуються.

Практичне значення отриманих результатів. За допомогою розробленого методу моделювання реалізується можливість дослідження і аналізу всієї структури розподілених сервіс-орієнтованих інформаційно-обчислювальних систем.

Розроблений метод моделювання може бути застосований:

- як основа експертизи проектних рішень при виборі архітектури РІОС і набору сервісів, що реалізуються, для вирішення вказаних задач;

- як засіб корекції архітектури РІОС при заданих вимогах до показників якості, умовах функціонування та інших обмежень.

Для реалізації запропонованого методу розроблено програмний комплекс, що дозволяє робити побудову, перевірку коректності та одержання значень показників якості на моделях, представлених у вигляді Е-мережі та ЙЧГ.

Особистий внесок здобувача. Всі результати дисертаційної роботи отримані автором самостійно. У публікаціях автору належать такі результати: автором особисто були розроблені моделі керуючих агентів[1]; автором особисто було запропоновано модифікацію мереж Петрі, що дозволяє врахувати декілька типів ресурсів у системі та розроблено алгоритм побудови дерева досяжності мережі для модифікованих мереж Петрі[2]; автором особисто запропоновано алгоритм перетворення імітаційних моделей, що наведені у вигляді Е-мереж у аналітичні моделі, які побудовані за допомогою ЙЧГ[3]; автором особисто було запропоновано багаторівневу архітектуру розподілених інформаційно-обчислювальних систем[4]; автором особисто було запропоновано набір показників якості, що дозволяють визначити ефективність розподіленої інформаційно-обчислювальної системи, що побудована за сервіс-орієнтованою архітектурою[5-6].

Апробація результатів дисертації. Використання матеріалів дисертаційної роботи підтверджено:

- в центрі інформаційно-комунікаційних технологій Херсонського державного університету - акт впровадження від 25.02.2009 р.;

- в компанії Eclipse-SP - акт впровадження від 28.09.2009 р.

Основні результати дисертації доповідалися на 2-х науково-технічних конференціях:

- II-а науково-практична міжнародна конференція «Автоматика. Автоматизація. Електротехнічні комплекси та системи». - Херсон, 2005р.

- Міжнародна науково-практична конференція «Системний аналіз, управління та інформаційні технології». - Харків, 2006р.

Публікації. За темою дисертації опубліковано 6 наукових статей, тези доповідей на 2-х науково-технічних конференціях. Усі публікації у виданнях, які входять до переліку видань, затверджених ВАК України.

Структура й обсяг дисертації. Робота складається зі вступу, 4-х розділів, висновків, списку використаної літератури та 1-го додатку на 2-ох сторінках. Повний обсяг дисертації складає 171 сторінку, у тому числі 160 сторінок основного тексту, 31 малюнок, список використаних джерел з 91 найменування на 10 сторінках.

Основний зміст роботи

У вступі обґрунтовано актуальність теми дисертаційної роботи, сформульовано мету, задачі дослідження, наукову новизну і практичне значення наукових результатів, наведений зв'язок роботи з науковими програмами і планами.

У першому розділі проведений огляд існуючих засобів моделювання розподілених сервіс орієнтованих інформаційно-обчислювальних систем, який показав, що вони не дозволяють у повній мірі задовольнити вимоги, що висуваються до засобів аналізу. Тому виникає необхідність рішення наукової задачі, що полягає в розробці методу розробки моделей РІОС, що базується на комплексному використанні методів аналітичного й імітаційного моделювання. Для реалізації методу обрані апарат Е-мереж, як засіб імітаційного моделювання, та ЙЧГ, як засіб аналітичного моделювання. Однак класичний апарат Е-мереж не дозволяє врахувати деякі особливості предметної галузі (наявність невизначеності при прийнятті рішення, взаємодія паралельних інформаційних потоків з зовнішнім середовищем, та ін.), тому в апарат Е-мереж введені доповнення, що вирішують цю проблему.

Виходячи з особливостей системної організації РІОС, пропонується виділяти три окремих рівня: рівень програмного забезпечення РІОС, рівень апаратної організації та рівень зв'язку.

Рівень програмного забезпечення відповідає за організацію обчислювального процесу. В межах цього рівня можливо визначити прикладний та системний підрівні. Прикладний підрівень представляє програмне забезпечення, що безпосередньо виконує обробку інформації, та реалізує алгоритми управління. Саме на цьому рівні визначають механізми організації зв'язку між об'єктами, синхронізації та реплікації. Відповідно до парадигми сервіс орієнтованої архітектури (SОА) цей рівень реалізується як набор кінцевих сервісів, що надаються користувачам. Підрівень системного програмного забезпечення вирішує задачі забезпечення обміну даними, діагностики стану апаратної платформи та процесу передачі даних, управління віртуальним адресним простором, вирішення конфліктів та логічної організації процесів. Відповідно до парадигми SОА, на цьому рівні реалізується єдина транспортна шина підприємства (ESB).

Рівень апаратної організації включає архітектурний та апаратний підрівні, та вирішує задачі фізичної організації РІОС. У межах архітектурного підрівня вирішуються питання фізичної організації пам'яті, підключення зовнішніх пристроїв, зв'язок між процесорами та ін. Апаратний підрівень визначає тип процесору, систему переривань, метод обробки запитів зовнішніх пристроїв.

Рівень зв'язку включає підрівні протоколів та фізичного середовища.

Розроблений метод базується на використанні імітаційних моделей як основних, бо вони дозволяють проводити аналіз при врахуванні більшого числа параметрів системи та зовнішнього середовища. методи аналітичного моделювання пропонується використовувати в якості перевірочних, а також для розширення кола задач, що вирішуються методом, що пропонується.

При проведенні аналізу методів імітаційного моделювання зроблено висновок, що найбільш придатним математичним апаратом, який призначено для опису моделей протоколів інформаційного обміну, є Е-мережі. Як апарат імітаційного моделювання Е-мережі дозволяють: легко моделювати паралельні взаємодіючі асинхронні процеси, відображаючи загальну динаміку роботи дискретної системи; зручно відбивати можливості багатьох інших механізмів, запропонованих для опису інших систем; допускати будь-яку змістовну інтерпретацію своїх складових, що дозволяє одночасно моделювати, як інформаційні потоки, так і апаратну частину стосовно до всієї РІОС; допускати різне трактування своїх елементів за рівнем абстракції (деталізації), що дозволяє будувати ієрархічні моделі, у яких перехід може транслюватися в підмережу більш низького рівня деталізації. Це значно знижує суперечливість вимог до простоти й адекватності моделі. До переваг Е-мереж також можна віднести наступне: по моделюючим можливостям вони значно перевершують кінцеві автомати і наближаються до абстрактних машин. Моделюючі можливості формалізовані в понятті “виразна потужність”. За виразною потужністю Е-мережі рівнопотужні машинам Тюрінга, графи Е-мереж мають високу ілюстративність і дають наочне представлення про протікання процесу.

Апарат ймовірносно-часових графів та виробляючих функцій обрано у якості засобу аналітичного моделювання, тому що, по-перше, ці засоби широко використовуються у якості інструментів для проведення аналітичного моделювання в даній області, а, по-друге, схожістю принципів опису моделі з Е-мережами. Так при розробці моделей як за допомогою апарату Е-мереж, так і за допомогою апарату ЙЧГ вершинами графа моделі представляються стани досліджуваної системи, що значно спрощує взаємні переходи між імітаційними моделями, наведеними у вигляді Е-мережі, та аналітичними, наведеними у вигляді ЙЧГ. Однак, використання апарату ЙЧГ в силу обмежень, що стосуються всіх засобів аналітичного моделювання неможливе для побудови повної моделі розподіленої інформаційно-обчислювальної системи. Однак, такий підхід забезпечує можливість перевірки адекватності розроблених імітаційних моделей, та дозволить одержати аналітичні залежності показників якості від параметрів системи для основних режимів роботи.

Для підвищення ефективності Е-мереж як засобу розробки моделей у предметній галузі до апарату введено деякі доповнення. Використання елементів штучного інтелекту обумовлює можливість прийняття рішення в умовах різного ступеня невизначеності. При формалізації процесу прийняття рішення наявність невизначеності враховується використанням апарату нечіткої логіки. Нечіткі категорії представляються у вигляді фіксованих оцінок, графіків, аналітичних функцій та ін. Ступінь належності кожної гіпотези до рішення А характеризується значення функції визначення .

У апараті Е-мереж процес вибору рішення моделюється відповідним визначенням предикатів MX MY-переходів. Таким чином логічним є доповнення набору правил цих переходів правилами, що використовують нечітку логіку.

Предикати MX і MY-переходів визначаються або значеннями елементів вектору атрибутів мітки, або законом розподілу ймовірностей переходу між станами. При моделюванні систем управління, що використовують елементи штучного інтелекту цей підхід не завжди дає адекватні результати. Таким чином, єдиним виходом є використання апарату нечіткої логіки для визначення предикатів управляючих переходів.

У другому розділі в межах рішення загальної задачі розроблені методи формування моделей ефективних розподілених сервіс орієнтованих інформаційно-обчислювальних систем вигляді Е-мереж при різних вхідних даних. Для перевірки коректності розроблених моделей і одержання значень показників якості запропоновано використання методів якісного і кількісного аналізу. Зроблено вибір показників якості функціонування РІОС, показано методи отримання їх значень на моделях, наведених у вигляді Е-мереж.

Протоколи управління РІОС на етапах специфікації і проектування, відповідно до рекомендацій МККТТ, повинні бути наведені у вигляді SDL-діаграм або схем алгоритмів. Отже, мова SDL обрана в якості вхідної для метода, що розробляється. Дані засоби і були прийняті як джерела вхідних даних для методики, що розробляється. При формуванні Е-мережі, коли в якості вхідних даних використовуються схеми алгоритмів роботи, за основу прийнята відома методика, розроблена для апарату мереж Петрі (МП). У дану методику були внесені зміни, що дозволяють врахувати специфіку Е-мереж (наявність розходжень у топології та опису апаратів та ін.). Для розробки механізму переходу від SDL-діаграми до Е-мережі проведений їх порівняльний аналіз як засобів формального опису протоколів функціонування РІОС. Аналіз показав, що безпосередній перехід неможливий тому, що:

- Топологія графу Е-мережі та SDL-діаграми різниться. У SDL-діаграмі обов'язково вказуються вершини з вихідними сигналами у зовнішнє середовище, що розташовуються послідовно з вершинами станів протоколу, як автомата. Ці сигнали можуть ініціювати деякі процеси у зовнішньому середовищі, але не будуть брати участь у подальших фазах обробки даних.

- Позиції SDL-діаграми мають різний функціональний зміст і не можуть бути однозначно відображені дугами мережі (наприклад, ЗАДАЧА і РІШЕННЯ).

Для подолання зазначених відмінностей запропонований алгоритм, що дозволяє здійснити перехід від SDL-діаграми до Е-мережі.

1. По елементах множини вершин «стан і рішення» утворити позиції Е-мережі.

2. По відносинам попередності і проходження станів утворити переходи мережі та установити між ними відносини інцидентності.

3. Вершинам ВХІД і ВИХІД, що знаходяться між сусідніми вершинами «стан і рішення», утворити дуги до підмережі зовнішнього середовища (місця з безлічі периферійних макромісць-поглиначів).

4. Визначити атрибути і процедури переходів мережі та вектор атрибутів мітки.

5. Встановити початкову розмітку.

Отримання оцінок значень показників якості системи можливе за допомогою якісного та кількісного аналізу моделі. Перший заснований на перевірці основних алгоритмічних властивостей Е-мереж, а визначає оцінки показників якості за допомогою відслідковування динаміки переміщення міток по Е-мережі. Склад показників якості, що аналізуються визначається задачами моделювання і практичного застосування моделі. Для реалізації якісного аналізу моделей протоколів інформаційного обміну розглянута можливість використання алгоритмічних властивостей Е-мереж. В межах задачі, що вирішується у роботі найбільш доцільно перевіряти модель на наявність наступних алгоритмічних властивостей: обмеженість, детермінованість, жвавість, термінальність. У якості методів перевірки використовуються метод рівнянь станів мережі і метод побудови покриваючого дерева мережі. Перевірка даних властивостей забезпечує виявлення помилок, що зв'язані з порушенням загальних правил топології побудови, та помилок, що виникають при складанні матриць інцидентності по графу мережі.

Для отримання кількісних оцінок показників якості системи на моделях у вигляді Е-мереж та ЙЧГ вирішено використовувати аналітичні та імітаційні методи. До аналітичних методів дослідження моделей віднесено метод розкладання на інваріантні підмережі, а також використання методу виробляючих функцій. Використання аналітичних методів аналізу моделей дозволяє не тільки отримати чисельні значення показників якості, але й виявити їх причину. Також результати аналітичних моделей використовуються в якості перевірочних, для імітаційних моделей у заданих режимах роботи.

Для рішення задач аналізу динаміки функціонування РІОС проводиться імітаційне моделювання. Запропонований метод моделювання припускає сполучення стохастичної (зовнішнього середовища) і детермінованої частини (алгоритм, ресурси). За допомогою імітаційних моделей реалізується можливість отримання всіх найбільш важливих показників якості протоколів функціонування РІОС. Отримання чисельних значень показників якості проводиться шляхом аналізу кількості міток у місцях-поглиначах та динаміки їхнього переміщення по мережі. Оцінка точності та ймовірності результатів імітаційного моделювання проводиться за допомогою оцінки довірчого значення погрішності. Довірчу імовірність і припустиму величину відносної помилки запропоновано установити: і . Обчислення проводилися при припущенні, що частоти появи аналізованих подій розподілені за нормальним законом.

У третьому розділі розроблено метод моделювання РІОС, метод перетворення імітаційної моделі, наведеної у вигляді Е-мережі у аналітичну модель, побудовану за допомогою ЙЧГ.

Метод моделювання РІОС заснований на тому, що розподілені інформаційно-обчислювальні мережі є складними системами, задачу аналізу яких найбільш зручно розділяти на де-кілько часткових задач. Тому було запропоновано проводити аналіз РІВС відповідно до архітектури, що розроблена у першому розділі.

Рис. 1. Структура вузла РІОС.

В якості практичного відображення запропонованого методу було розроблено модель вузла розподіленої інформаційно-обчислювальної системи.

Система, що аналізується, складається з рівноправних вузлів, задача яких складається в обробці даних у відповідності з алгоритмами обчислювального модуля. У кожному обчислювальному модулі можуть бути реалізовані різні алгоритми, що потребують дані незалежні один від одного. Для забезпечення потреб обчислювального модулю у кожному вузлі передбачені програмні агенти, що проводять пошук необхідної інформації на інших вузлах системи та аналізують інформацію, що находиться у власній інформаційній базі для задоволення запитів агентів інших вузлів. Функції взаємодії вузлів між собою реалізовані за допомогою модулю зв'язку. Структура вузла такої системи наведена на рис. 1.

Імітаційна модель такої системи буде складатися з набору часткових моделей кожного вузла. У кожному вузлі можливо виділити моделі двох агентів: агенту пошуку даних та агенту аналізу інформаційної бази. На першому етапі для кожного з розглянутих агентів розроблено окремі часткові імітаційні моделі (рис. 2, 3).

Рис. 2. Е-мережа, що моделює роботу агенту пошуку даних.

Як відзначалось у першому розділі, у деяких випадках доцільно доповнювати імітаційні моделі аналітичними. Для зниження складності та тривалості переходу від імітаційної моделі (Е-мережі) до аналітичної (ЙЧГ) запропонований відповідний метод перетворення.

Розроблений метод перетворення заснований на тому, що обидва апарати у якості вершин використовують стани системи, яка аналізується.

Необхідно відзначити, що при перетворенні Е-мережі у ЙЧГ можливо буде втрачено деяку інформацію. Наприклад тому, що ЙЧГ не мають можливості моделювати паралельні асинхронні процеси.

Рис. 3. Е-мережа, що моделює роботу агенту аналізу інформаційної бази.

Рис. 4. ЙЧГ пошуку даних.

В наслідок приведених обмежень при перетворенні Е-мережі до ЙЧГ необхідно виконати попередню обробку імітаційної моделі. Так у Е-мережі необхідно замінити F-переходи на t-переходи. ЙЧГ аналітичної моделі, розробленої згідно з методом перетворень, наведений на рис. 4.

Адекватність загальної методики моделювання базується на адекватності часткових методик моделювання протоколів окремих рівнів.

У четвертому розділі визначено, що для практичної реалізації методу моделювання РІОС необхідна розробка відповідного програмного комплексу. Розроблено вимоги до засобів розробки моделей та проведення як імітаційного так і аналітичного моделювання та визначено задачі, що розв'язуються за їх допомогою; описано принципи реалізації. Розроблено програмне середовище, що дозволяє зробити: побудову, аналіз моделей протоколів і проведення імітаційного моделювання з використанням апарату Е-мереж; побудову та еквівалентне перетворення ймовірносно-тимчасових графів, визначення функцій, що описують перехід системи, що аналізується, з початкового стану в задані, а також оцінку фінального розподілу ймовірностей і математичне очікування та дисперсію часу його досягнення. Аналіз особливостей застосування ЙЧГ як засобу аналітичного моделювання виявив, що існують такі топології графів, до яких неможливе застосування методу еквівалентних перетворення. Тому було розроблено метод спрощення таких графів.

З огляду на специфіку математичних апаратів, що використовуються (Е-мережі і ЙЧГ), було прийнято рішення про необхідність розробки інтегрованого програмного середовища моделювання, що дозволяє розробляти та аналізувати моделі у вигляді Е-мереж і ЙЧГ.

У програмному середовищі реалізується можливість: побудови графу Е-мережі (моделі досліджуваної системи); автоматичного визначення функцій інцидентності для переходів сформованої Е-мережі; визначення параметрів (часових характеристик, процедур переходів, предикатів для МХ і MY - переходів) переходів; визначення параметрів взаємодії з зовнішнім середовищем (потоки пакетів (біт), що надходять із суміжного рівня чи каналу зв'язку); забезпечення можливості побудови ієрархічної структури моделей (аналогічно концепції побудови протоколів обміну даними); визначення параметрів імітаційного експерименту (тривалості моделювання, умов припинення моделювання, режиму роботи моделі); збору статистики; визначення алгоритмічних властивостей шляхом аналізу графу Е-мережі (оцінка якісних показників функціонування об'єкту, що моделюється). Для реалізації можливостей апарату ЙЧГ в програмному середовищі реалізовані функції: побудови ймовірносно-тимчасового графу, яка описує систему, що моделюється; формування матриць суміжності та інцидентності графу по графічному зображенню; проведення еквівалентних перетворень графу; за результатами перетворень формування функцій, що описують перехід системи з початкових станів у кінцеві чи задані.

В розділі також розроблено метод аналізу графів, топологію яких не вдається спростити методом еквівалентних перетворень та привести до виду, що містить тільки початкові і кінцеві стани. Розроблений метод заснований на подібності математичного опису ЙЧГ та ланцюгів Маркова. Згідно розробленого методу на першому етапі, розраховується кількість тактів роботи системи до настання стаціонарного режиму, або коли у системі набуде один з кінцевих станів.. На другому етапі розраховується середній час, що необхідний для досягнення кінцевих станів або стаціонарного режиму роботи.

Висновки

Основні результати, які були отримані в роботі, полягають у наступному:

1. Сформульовано загальні вимоги до методів моделювання РІОС. З урахуванням вимог проведений аналіз існуючих методів моделювання, що використовуються у даній області. Аналіз показав, що існуючі засоби моделювання не дозволяють повною мірою вирішувати задачі, які виникають при дослідженні структури та динаміки функціонування РІОС.

2. У ході аналізу математичних засобів моделювання, що застосовуються для аналізу РІОС, з'ясовано, що як засоби імітаційного моделювання найбільш прийнятними є Е-мережі, а ЙЧГ та похідні функції, як апарат аналітичного моделювання. На підставі цього можливо сформулювати загальні параметри методу, що розробляється: математичні апарати - Е-мережі і ЙЧГ; предметна галузь - розподілені сервіс орієнтовані інформаційно-обчислювальні системи.

3. У якості вхідних даних, що використовуються для розробки математичних моделей РІОС, обрані схеми алгоритмів і SDL-діаграми. Розроблено алгоритм переходу між SDL-діаграмою та Е-мережею.

4. Оцінку динаміки функціонування РІОС вирішено проводити за допомогою кількісних методів. У якості методу кількісного аналізу моделей, прийняте імітаційне моделювання. Для реалізації методу кількісного аналізу обрано показники якості згідно розробленої архітектури РІОС. Обрано способи та методи отримання оцінок показників якості на моделях, що наведені у вигляді Е-мережах та ЙЧГ і похідних функцій.

5. Структурний аналіз РІОС вирішено проводити за допомогою методів якісного аналізу, що заснований на перевірці алгоритмічних властивостей Е-мереж. Доведено, що необхідною умовою коректності розробленої моделі є наявність властивостей обмеженості, несуперечності, термінальності та жвавості. Перевірку моделі на дані властивості доцільно виконувати методом розкладання на інваріантні підмережі, методом побудови покриваючого дерева мережі, який адаптований до використання на Е-мережах, а так само включенням функцій перевірки коректності моделі у розроблені програмні засоби.

6. Для підвищення повноти моделей РІОС, що розроблені у вигляді Е-мереж, в опис Е-мереж введені доповнення, а саме: множина переходів розширена введенням переходів J', F', M2 і M2'; множина місць - макромісцями - чергами Q і Q'; розширені можливості опису предикатів MX, MY - переходів.

7. Розроблено метод аналізу ЙЧГ, що дозволяє отримувати значення показників якості на графах, для яких неможливе застосування методу еквівалентних перетворень. Розробка даного методу розширює область застосування апарату ЙЧГ.

8. Для узагальнення методу моделювання всієї структури РІОС виконаний аналіз особливостей побудови окремих рівнів.

9. Для реалізації методу моделювання розроблено програмний комплекс, що дозволяє проводити побудову та аналіз моделей за допомогою апаратів Е-мереж та ЙЧГ. Специфіка обраних апаратів моделювання визначила необхідність розробки двох програм: програма розробки й аналізу моделей, представлених Е-мережею, та програма побудови, перетворення та аналізу ЙЧГ.

10. У результаті застосування розробленого методу досягнута можливість поділу процесів побудови, аналізу, проведення імітаційного моделювання і написання моделюючої програми. Таким чином, процес розробки моделі зведений до побудови її графа у відповідній програмі, а функції генерації математичного опису, перевірки коректності (для Е-мереж), проведення еквівалентних перетворень і одержання аналітичних співвідношень (для ЙЧГ) виконуються автоматично.

11. Розроблений метод моделювання забезпечує можливість модифікації структури та параметрів моделі простою зміною топології, складу графа Е-мережі і перевизначенням його параметрів. При цьому значно розширюються можливості перебору структур і параметрів досліджуваної системи з метою вибору кращих.

13. Розроблений метод дозволяє будувати ієрархічну структуру моделей, коли модель нижнього рівня ієрархії може бути трансльована в перехід моделі наступного рівня, що і було показано при розробці моделей протоколів різних рівнів. Такий підхід значно знижує суперечності між вимогами до простоти і наочності моделі та вимогами до адекватності.

Список опублікованих праць

1. Амер Тахсин Саламех Абу-Джассар. Использование аппарата Е-сетей для анализа распределенных программных систем / Амер Тахсин Саламех Абу-Джассар, Дуравкин Е. В // Автоматика Автоматизация Элекротехнические комплексы и системы, №1(15), - 2005, С.47-51.

2. Амер Тахсин Саламех Абу-Джассар. Алгоритм работы информационного агента в распределенной вычислительной сети и его модель на базе нечетких Е- сетей. / Амер Тахсин Саламех Абу-Джассар, Дуравкин Е. В // Вістник Харьк. Нац. ун-ту, - 2005.- №703. Сер. «Математичне моделювання. Інформаційні технології. Автоматизовані системи управління», вип. 5 С.-118

3. Амер Тахсин Саламех Абу-Джассар. Об одной логической модели распределенной обработки информации на базе сетей Петри с модифицированной динамикой. / Амер Тахсин Саламех Абу-Джассар, Дуравкин Е. В. // Вісник НТУ “ХПІ”, Сборник наукових праць. Тематичний випуск “Системний аналіз, управління та інформаційні технології”. - Харків. НТУ “ХПІ”. - 2006 - №19 С. 41-46

4. Амер Тахсин Саламех Абу-Джассар. Разработка алгоритмов перехода между Е-сетями и вероятностно-временными графами./ Амер Тахсин Саламех Абу-Джассар, Дуравкин Е. В., Семенова Т. В. // Вісник Харківського національного університету. - 2006р. № 733 Серія «Математичне моделювання. Інформаційні технології. Автоматизовані системи управління»

5. Амер Тахсин Саламех Абу-Джассар. Комплексный анализ распределенных информационно-вычислительных систем. / Амер Тахсин Саламех Абу-Джассар, Дуравкин Е. В., Мигловец Н. В // Радіотехніка: Всеукр. межвед. научн.-техн. сб., -2007 №.148 С.36-40

6. Амер Тахсин Саламех Абу-Джассар. Оценка эффективности распределенных информационных систем (статья)./ Амер Тахсин Саламех Абу-Джассар, Дуравкин Е. В. // Системи обробки інформації №6 (73) - 2008 р. С. 41-43

Анотація

Амер Тахсін Саламех Абу-Джассар. Моделі і методи аналізу сервіс-орієнтованих інформаційно-обчислювальних систем. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 01.05.02 - математичне моделювання та обчислювальні методи. - Харківський національний університет імені В. Н. Каразіна. - Харків. - 2011.

Дисертація присвячена розробці методу моделювання розподілених інформаційно-обчислювальних систем з сервіс орієнтованою архітектурою, що дозволяє підвищити повноту та ефективність їх аналізу. Аналіз вимог до засобів аналізу протоколів інформаційного обміну показав, що метод моделювання, що пропонується, повинен будуватися на комплексному використанні методів імітаційного та аналітичного моделювання. В якості засобу імітаційного моделювання використовуються Е-мережі, ймовірностно-часові графи використовуються як засіб аналітичного моделювання. В якості основного, в запропонованому методі, використовується метод імітаційного моделювання, метод аналітичного моделювання використовується в якості перевірочного.

Для підвищення точності моделей у апарат Е-мереж введені доповнення: розширено множини переходів, місць.

Для розширення області використання ЙЧГ розроблений метод аналізу графів до яких неможливе застосування методу еквівалентних перетворень.

Розроблений загальний метод моделювання базується на узагальненні часткових методик окремих рівнів та дозволяє:

- зробити розробку моделі відповідно належності протоколу до визначеного рівня і особливостями функціонування;

- для розробленої Е-мережі провести перевірку її коректності та імітаційне моделювання;

- здійснити перехід від імітаційної моделі до аналітичної, для уточнення чи перевірки результатів імітаційного моделювання.

Адекватність методики моделювання перевірялася шляхом порівняння результатів моделювання з відомими.

Для реалізації запропонованого методу моделювання розроблено програмний комплекс, до складу якого входять програми побудови і аналізу моделей, що наведені у вигляді Е-мереж та ЙЧГ.

Ключові слова: система обміну даними, математичне моделювання, Е-мережа, ймовірностно-часові графи, протокол.

Аннотация

Амер Тахсин Саламех Абу-Джассар. Модели и методы анализа сервис-ориентированных информационно-вычислительных систем. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 01.05.02 - математическое моделирование и вычислительные методы. - Харьковский национальный университет имени В. Н. Каразина. - Харьков. - 2011.

Диссертация посвящена разработке метода моделирования распределенных информационно-вычислительных систем с сервис ориентированной архитектурой, способного повысить эффективность их анализа. Анализ требований к средствам моделирования распределенных информационно- вычислительных систем с сервис ориентированной архитектурой показал, что для их наиболее полного удовлетворения разрабатываемый метод должен базироваться на комплексном использовании средств аналитического и имитационного моделирования. В качестве средств анализа используются Е-сети и вероятностно-временные графы (ВВГ).

Для повышения адекватности разрабатываемых моделей в аппарат Е-сетей введены дополнения (расширены множества переходов, мест, расширены возможности определения предикатов МХ- и MY-переходов.). Для расширения области использования ВВГ разработан метод анализа графов, к которым невозможно применение метода эквивалентных преобразований.

Для проверки корректности разработанных моделей проводится их качественный и количественный анализ. Для реализации качественного анализа производится проверка алгоритмических свойств Е-сетей. В качестве методов проверки используются метод уравнений состояний сети и метод построения покрывающего дерева сети. Для решения задач количественного анализа моделей протоколов информационного обмена используются аналитические и имитационные методы. В качестве аналитических используются метод уравнений сети и метод производящих функций. Для решения задач анализа динамики функционирования протоколов и системы в целом проводится имитационное моделирование. Получение значений показателей качества на имитационной модели производится путем анализа количества меток в местах-поглотителях и динамики их перемещения по сети.

Согласно рекомендациям МККТТ на этапах спецификации и проектирования протоколы должны быть представлены в виде SDL-диаграмм либо схем алгоритмов. Данные средства приняты в качестве источников входных данных для предлагаемой методики. При формировании Е-сети, когда в качестве исходных данных используются схемы алгоритмов работы, за основу принята известная методика, разработанная для аппарата сетей Петри. В данную методику внесены изменения, позволяющие учесть специфику Е-сетей (наличие различий в топологии и описании аппарата и т. п.).

Разработка моделей распределенных информационно-вычислительных систем с сервис ориентированной архитектурой производится в соответствии с предложенной 3-х уровневой структурой (для разработки модели протокола (N+1)-го уровня используются результаты, полученные на модели протокола N уровня). Данный подход учитывает взаимодействие протоколов различных уровней, а также снижает противоречия между требованиями к адекватности и простоте моделей.

Разработанный метод моделирования позволяет:

- произвести разработку модели в соответствии с принадлежностью протокола к определенному уровню ВОС и особенностями функционирования;

- для разработанной Е-сети выполнить проверку ее корректности и имитационное моделирование;

- осуществить переход от имитационной модели к аналитической для уточнения или проверки результатов имитационного моделирования.

Адекватность разработанного метода моделирования проверялась путем сравнения результатов моделирования с уже известными.

Для реализации предлагаемой методики моделирования разработан программный комплекс, в состав которого входят программы построения и анализа моделей, представленных в виде Е-сетей и ВВГ.

Ключевые слова: система обмена данными, математическое моделирование, Е-сети, вероятностно-временные графы, протоколы.

Abstract

Amer Tahssen Salameh Abu-Jassar. Models and methods of analysis of the service-oriented informative and calculable systems. - Manuscript.

Thesis for the scientific degree of the candidate of the technical sciences on the speciality 01.05.02 - mathematical modelling and computing methods, V. N. Karazin Kharkiv National University. - Kharkiv. - 2011.

The thesis is dedicated to development of the methods of modelling distributed system with service-oriented architecture which capable to race efficiency of their analysis. The analysis of the requirements to simular distributed system with service-oriented architecture is performed. For their satisfactions under development methods must be based on complex using analytical and simulation methods of modelling is shown, also. Е-nets and probabilistic-temporary graphs are used for the analysis.

For increasing of adequacy of the under development models in means Е-nets additions (the extended ensemble transition, places) is incorporated. For expansion of the range of usage probabilistic-temporary graphs the method of the analysis graphs for which impossible using the method of the equivalent transformations is designed.

The designed method of modelling allows:

- produce the development to models in accordance with attribute of the protocol to determined level of the architecture interacting opened systems and particularity of the operation;

- for designed Е-nets execute check to its correctness and simulation modelling;

- realize transition from simulation model to analytical.

The general method of modelling is based on partial methods modelling protocol separate level.

Adequacy of the designed methods of modelling was checked by comparisons result of modelling with known result.

For realization of the proposed methods of modelling the program complex which include the programs of the building and analysis of the models presented as Е-nets and probabilistic-temporary graphs is designed.

Key words: system of the exchange data, mathematical modelling, Е-nets, probabilistic-temporary graphs, protocols.

Размещено на Allbest.ru

...