Апраксін Юрій Костянтинович. Автоматизоване управління інформаційною взаємодією у розподілених технічних системах на основі специфікованих протокольних автоматів

brief description

Апраксін Юрій Костянтинович. Автоматизоване управління інформаційною взаємодією у розподілених технічних системах на основі специфікованих протокольних автоматів: дис... д-ра техн. наук: 05.13.06 / Севастопольський національний технічний ун-т. - Севастополь, 2004. - 34 с. : мал

Апраксiн Ю.К. Автоматизоване управління інформаційною взаємодією у розподілених технічних системах на основі специфікованих протокольних автоматів. Рукопис.
Дисертація на здобуття наукового ступеня доктора технічних наук за спеціальністю 05.13.06 автоматизовані системи управління та прогресивні інформаційні технології. Севастопольський національний технічний університет, Севастополь, 2004.
Дисертація присвячена розв’язанню проблеми підвищення ефективності функціонування територіально розподілених технічних систем (РТС) за рахунок вдосконалення керування інформаційним обміном між об’єктами системи. У дисертації розроблені концептуальні основи структурної органiзацi розподіленої багаторівневої системи управління РТС, кожний рівень якої визначається двома процесами: процесом управління i процесом органiзацi взаємодій. Запропонована i досліджена модель протоколу (протокольній автомат - ПА), в основу якої встановлено подiйну інтерпретацію процесів, що протікають в РТС. Розроблена мова первинної специфiкацi ПА (мова таблиць подій), що дозволяє, з одного боку, полегшити процес специфiкацi, а, з іншого автоматизувати процедури аналізу i синтезу ПА. Єдина математична (автоматна) модель, яка встановлена в основу процедур специфікації, аналізу логічної коректності, синтезу i моделювання ПА, забезпечила можливість створення автоматизованої системи проектування протоколів. Наявність такого інструмента проектування гарантує розробку логічно коректних, високоефективних i відповідних принципам органiзацi РТС протоколів. Бібліотеки протоколів кожного рівня iєрархiчно органiзацi управління РТС роблять систему, що легко адаптується до умов функціонування, що змінюються, що розширює i технічні можливості i сфери застосування.
Ключові слова: розподілена система, автоматизоване управлення, інформаційний обмін, протокол, автоматна модель, протокольний автомат, система протокольною взаємодією специфікація, аналіз, синтез.

У дисертації проведені теоретичні узагальнення і отримані нові розв'язання проблеми ефективного управління розподіленими технічними системами, які розглядаються як складні системи взаємодії об'єктів з розподіленим управлінням адаптивного типу, засновані на протокольних угодах, що регламентують взаємодію компонент системи через загальне комунікаційне середовище.
Внаслідок роботи над проблемою, сформульованою в дисертації, розроблено загальну методологію її рішення, в основу якої покладено використання специфікованих протоколів управління інформаційним обміном в системі, оскільки збереження функціональної цілісності складної системи насамперед забезпечується завдяки обміну інформацією між її елементами і, чим складніше система, тим більш гнучкими повинні бути способи організації взаємодії.
Проведені дослідження дозволили отримати наступні наукові і практичні результати.
1. На основі загального аналізу РТС як складних систем, що динамічно розвиваються з мало формалізованою метою функціонування отримала подальший розвиток концепція організації децентралізованого управління РТС, орієнтована на використання ієрархічної багаторівневої системи альтернативних процедур обміну службовою інформацією і прийняття управлінських рішень.
2. Вперше сформульовано основні концептуальні принципи представлення систем взаємодії протокольних об'єктів і їх використання в загальній системі управління РТС. Кожна компонента системи протокольної взаємодії розглядається як об'єкт системи, що функціонує в нерегулярному (подійному) часі. Закон функціонування об'єкту виражається в формі опису його моделі (протокольного автомата), у якості якого виступає ініціальний детермінований автомат Рабіна-Скотта. Використання сформульованих принципів дозволяє систему управління протокольною взаємодією будувати при неповній інформації про функціонування об'єктів управління і навчатися в процесі роботи з моделлю.
3. Запропоновано принципово нову методику побудови первинних специфікацій систем протокольної взаємодії, що формалізуються засобами мови таблиць протокольних подій. Володіючи перевагами словесно-описових методів, розроблена мова ідентифікації протокольних об'єктів дозволяє залучити до проектування протоколів широке коло фахівців, що не обов'язково володіють знаннями по проектуванню складних програмних або апаратних комплексів. З іншого боку мова може бути представлена формально і може бути використана як засіб опису об'єктів для подальшого автоматичного їх проектування.
4. На основі апарату теорії регулярних подій вперше визначено мовні засоби специфікації об'єктів протокольної взаємодії в РТС на різних етапах їх проектування. Розроблені процедури взаємного перетворення специфікацій протоколів, що проектуються. Всі процедури формалізуються і представлені у вигляді конкретних алгоритмів.
5. Розроблено інформаційне, алгоритмічне і методичне забезпечення, необхідне для аналізу специфікацій протокольних автоматів. Аналіз таблиць протокольних подій дозволяє вже на етапі формування первинної специфікації протоколу виявити таку некоректність у завданні логіки функціонування протоколу, як неповний опис умов функціонування, надмірність опису або завершеність протокольної взаємодії. Аналіз специфікацій, представлених засобами мови регулярних виразів (протокольних виразів), дозволяє зробити висновок про ефективність, безпеку і відсутність статичних тупикових ситуацій. Комплексний аналіз ПА методом досяжних глобальних станів протокольної системи взаємодії з використанням декомпозиційної процедури, орієнтованої на побудову оптимальних конструктивно правильних розбивки, дозволяє виявити самий широкий спектр протокольних некоректностей від наявності неспецифікованих прийомів повідомлень до невиконання протоколом всіх покладених на нього функцій. Доведено, що спільне застосування процедур аналізу і декомпозиції дозволяє висновок про коректність протокольної системи взаємодії робити за результатами аналізу підпротоколів мінімальної складності.
6. Вперше запропоновано універсальний метод аналізу систем протокольної взаємодії. Метод спирається на використанні апарату теорії матриць і зводиться до рішення системи лінійних рівнянь в алгебрі регулярних подій. Особливістю методу є той факт, що елементом матриці станів системи протокольної взаємодії є лінгвістична конструкція (регулярний вираз), що характеризує перехід системи із стану в стан. Розроблений апарат рішення матричного рівняння з лінгвістичними елементами дозволяє отримувати можливі елементарні шляхи в графі переходів ПА і потенційні цикли в процесі функціонування ПА. Інформація про шляхи може бути використана для прийняття можливих альтернативних керуючих впливів на систему. Інформація про можливі цикли дозволяє зробити висновок про наявність в системі взаємодії динамічних тупиків.
7. Розроблено аналітичну модель комунікаційної мережі, яка відрізняється від відомих тим, що з її допомогою можливо оцінити протоколи управління передачі повідомлення в мережі, по одному параметру (імовірності доставки повідомлень адресату за одну трансляцію) і визначити залежність середнього часу доставки повідомлення адресату від згаданого і супутніх йому параметрів. Використання моделі дозволяє визначати граничні значення критерію ефективності для різних протоколів, що досліджуються. На основі розробленої моделі запропонована універсальна структура програмних засобів управління передачею службових повідомлень в РТС, що забезпечує загальносистемну сумісність програмних і апаратних компонент багаторівневої ієрархічної системи управління РТС. Схема, що пропонується, дозволяє зосередити на будь-якому рівні управління набір алгоритмів, ефективність застосування яких істотно залежить від обставин, що склалися в системі протокольної взаємодії.
8. Запропоновані автором алгоритми специфікації, аналізу і синтезу протокольних автоматів дозволили розробити інформаційне і програмне забезпечення автоматизованої системи проектування логічно коректних протоколів СА(ПР)2РС, що забезпечує всі етапи проектування (від формування первинної специфікації протоколу до конкретної реалізації в тому або іншому програмному або апаратному середовищі). Система автоматизованого проектування побудована на основі принципу «свободи дій» для проектувальника і не нав'язує йому який-будь жорсткий алгоритм роботи, а надає можливість гнучко варіювати послідовністю своїх дій. Включений в систему банк протокольних специфікацій дозволяє зберігати розроблені специфікації, коректувати специфікації, розчленовувати специфікації на фрагменти і використовувати їх при проектуванні нових протоколів на основі специфікованих ПА.
9. Розроблено систему моделювання поведінки ПА, які входять до СПВ будь-якого рівня протокольної організації РТС, яка дозволяє оцінити якість функціонування СПВ (правильність, ефективність, реактивність). Запропонована система тестування протоколів представляє собою інструментальні засоби активного моніторингу РТС.
10. Всі розроблені методи доведені до алгоритмів і комп'ютерних програм, які можуть бути використані для проектування, дослідження і реалізації протоколів управління інформаційним обміном в РТС самого широкого призначення: від комунікаційних мереж, систем дистанційного управління до універсальних інформаційно-обчислювальних мереж.
11. Розроблені інформаційні технології і інструментальні засоби побудови автоматизованих систем управління РТС використовувались при проектуванні спеціалізованих мережених систем в ряді науково-дослідницьких організацій, в том числі Науково-дослідницькому інституті систем зв’язку та управління НВО «КВАЗАР» (м. Москва), науково-дослідницькому центрі «Державний океанаріум» (м. Севастополь), науковому центрі ВМС України (м. Севастополь).