Организация структур для моделирования распределенных вычислительных систем

Проблема повышения эффективности общественного производства, сформулированная в решениях ХХУ1 съезда КПСС и подчеркнутая в работе Ноябрьского 1982 года пленума ЦК КПСС, ставит перед учеными и инженерами новые задачи по поиску путей использования средств автоматизации. В связи с этим приобрели актуальность вопросы применения современной вычислительной техники, использующей в своем составе многомашинные системы для создания и функционирования автоматизированных систем различного назначения и реализации эффективных методов обработки большого потока информации. Создание таких систем позволяет связать воедино динамичные процессы управления отраслями, обеспечить решение сложных научных, проектных, производственных и экономических отраслевых задач.

Современное развитие средств вычислительной техники и техники средств связи открыло новые возможности в вопросах сбора, переработки и хранения информации, коллективного использования вычислительных ресурсов для решения отраслевых задач. Многомашинные комплексы, реализуемые на основе средств вычислительной техники и техники средств связи, относятся к категории сложных систем и им присущи такие свойства сложных систем, как сложность и иерархичность структуры, возможность выделения подсистем, наличие единой цели функционирования, наличие элементов самоорганизации и т. д. Важным достоинством таких систем является возможность их эффективного использования за счет организации параллельного функционирования различных элементов и целых подсистем.

Создание мощных систем по переработке информации требует огромных затрат, длительных сроков разработки, поэтому важно иметь такие теоретические основы их создания, которые позволили бы решать проблемы построения и организации их функционирования, сократить сроки и стоимость разработки и внедрения с повышением эксплуатационных показателей.

В настоящее время вопросы теории и практики построения высокоэффективных вычислительных средств хорошо развиты и нашли отражение в работах Балашова Е. П., Бурцева B.C., Глушкова В. М., Голу-бева-Новожилова Ю.С., Евреинова Э. В., Лазарева В. Г., Ларионова A.M., Марчука Г .И., Мясникова В. А., Пашкеева С. Д., Поспелова Д. П., Пран-гишвили И.В., Пухова Г. Е., Смолова В. Б., Хорошевского В. Г., Яку-байтиса Э.А. и других авторов. Создание высокоэффективных вычислительных средств получило развитие в следующих направлениях: однородные вычислительные системы, сети ЭВМ, многопроцессорные магистральные и параллельные системы, квазианалоговые структуры.

За рубежом интенсивное развитие получило направление, связанное с объединением отдельных ЭВМ и вычислительных центров в единую распределенную вычислительную систему (РВС), основным назначением которой является совместное использование программных, аппаратных, информационных и других ресурсов. Примерами могут служить системы:

МРЯ> СУBERNET, иЛТЛРМ и другие [^60, 67,69] .

В нашей стране разработка и создание распределенных вычислительных систем и вычислительных центров коллективного пользования ведется по планам создания общегосударственной автоматизированной системы, а также отраслевых и территориальных автоматизированных систем управления ?3,30,34, 62, 63, 74J .

Основной целью создания распределенных вычислительных систем является повышение эффективности использования технических средств локальных ЭВМ, а также предоставления пользователям некоторых новых, по сравнению с локальной ЭВМ, услуг (использование распределенных баз данных, пакетов прикладных программ и т. д.). РВС имеют большие перспективы в своем развитии и обладают практически неограниченной потенциальной возможностью наращивания мощности за счет подключения к ней любых ЭВМ, а также обеспечения режима работы сети ЭВМ, предоставления возможности концентрации вычислительной мощности для нужд одного пользователя и решения задач большой размерности .

Проблема создания эффективных РВС является чрезвычайно сложной, что объясняется многоплановостью задачи, а именно зависимостью решения от структурной организации, технической оснащенности, условий эксплуатации, способов коммутации и т. д.

Традиционные средства, при решении этих задач, оказываются малопригодными, что объясняется сложностью проведения декомпозиции и группирования элементов РВС, дискретным характером и сильной связностью решения частных задач, многопараметричностью, многокри-териальностью и большой размерностью исследуемых функционалов [/8,22,29,39,4147]. Поэтому создание РВС представляется сложной, комплексной проблемой, требующей применения системного подхода, начиная с формирования исходных данных и, кончая этапом эксплуатации. В связи с этим представляется весьма важной задача разработки методики создания и эксплуатации РВС. Необходимым инструментом получения обоснованных проектных решений и выявления направлений дальнейшего развития функционирующих и разрабатываемых РВС являются системные модели, обеспечивающие «количественное видение» будущего функционирования и подсказывающие возникновение «узких» мест.

Рассмотрению вопросов создания системных моделей посвящены многие работы советских и зарубежных ученых в частности: Буслен-ко Н.П., Говера Д., Захарова Г. П., Клейнрока Л., Митрофанова Ю. И., Пирогова В. В., Пранявичюса Г. И. и др.

Однако, традиционная технология в силу большой размерности используемых моделей РВС не может справиться с возрастающей сложностью проектов и в этом случае весьма большую помощь оказывает методология системного подхода и системные модели имитационного моделирования [д? 207 22/ 33,4S}47t7S]^ позволяющего:

— экспериментально исследовать сложные внутренние взаимодействия в системе;

— изучить влияние информационных и организационных изменений и изменение характера взаимодействия с внешней средой на функционирование системы;

— лучше оценить какие из переменных наиболее существенны и как они взаимодействуют;

— оценить поведение системы в новых ситуациях, проверять новые стратегии и правила принятия решения.

Имитационные модели имеют следующие особенности: позволяют решать задачи, связанные с большой размерностью по числу переменных и связей между элементами модели, стохастический характер, нелинейность, ограничения различных типов, различное математическое описание моделей системы ее динамического режима работы.

Кроме того, имитационное моделирование позволяет существенно уменьшить время проектирования, затраты, во многих случаях позволяет найти решение близкое к оптимальному, перейти к параллельному процессу проектирования и моделирования и т. д.

Однако, сам процесс создания имитационных моделей является трудоемким, что в свою очередь привело к созданию в СССР и за рубежом ряда пакетов программ и программных систем, ориентированных на формирование, анализ и использование структурно-алгоритмических и математических моделей РВС и отдельных вычислительных систем. Реализация систем данного класса осуществляется по следующим направлениям:

1) на базе компиляторов с алгоритмических языков создаются макрогенераторы и специализированные библиотеки, обеспечивающие пользователя штатными средствами моделирования (G-JJSP, HPL «СИШОР);

2) системы, представляющие собой интерпретатор, предоставляющие пользователю ограниченный набор настраиваемых оперативных блоков, из которых составляется программа моделирования (BOSS ,.

PSS, УАИМ);

3) системы на базе компилятора с алгоритмическим языком, дополненных специфическими типами информационных объектов, заданными методами доступа к данным и имеющие определенную схему исполнения программы (СИМУЛА, СЛЕНГ, АЛСИМ-БЭСМ, НВДС).

В основе программного обеспечения этих направлений лежат языки моделирования, делящиеся на четыре категории: языки, ориентированные на действия, события, процессы и потоки сообщений (транзак-тов).

Основными достоинствами использования указанных средств являются:

— изобразительные средства, представляющие исследователю концептуальную основу для четкого описания исследуемой системы;

— наличие средств описания динамических моделей;

— облегчение процессов построения моделей, сбора и обработки статистической информации, получаемой в ходе моделирования.

В свою очередь, известные средства моделирования имеют плохую наглядность изображения, заключающуюся в отображении модулей системы в терминах языка программированияширокую универсальность, обладающую большим набором средств не специализированных на создание моделей РВС и ее элементов, усложняющую описание и имеющую сложное изображение. Более простые из них (&PSS, и т. д.) имеют ограничение алгоритмических возможностей.

Основой дальнейшего совершенствования систем моделирования являются процедурно-ориентированные языки программирования со средствами моделирования параллельных процессов. Такими системами, разработанными в нашей стране являются: МГШ/1, АЛСИМ-БЭСМ, СИТРАН, кидас, удом, мк а&trade-.

Основное преимущество этих систем состоит в том, что они позволяют автоматизировать процесс построения модели и свести его к заданию элементов исследуемой системы и схемы их взаимодействия. Данные системы обладают широкими возможностями как в области структуризации моделей, так и реализации сложных алгоритмов. Вместе с тем следует отметить, что алгоритмы систем, связанные с перераспределением ресурсов вычислительных систем или очередей заданий, которые вызывают изменения в структуре, моделируемой системы или очередей заданий, не могут быть реализованы средствами указанных систем. Кроме того, имеются трудности в оперативном изменении структуры исследуемой системы и в исследовании процедур взаимодействия ее элементов.

При построении имитационной модели средствами любого из существующих языков неизбежны огрубления и допущения. Чем сложнее система, шире многообразие составляющих ее элементов, сложнее связи и взаимодействия между ними, тем сложнее должна быть ее модель. Ограничения на возможность технической реализации модели вынуждает огрублять ее, ухудшать точность перенесения процесса функционирования этой системы на модель.

Эти недостатки устраняются при расчленении исследуемой системы на отдельные обозримые части с учетом их взаимодействия. Модель всего процесса при этом должна отражать общую структуру системы.

В работах известных авторов отсутствует изложение возможности строить эффективные системы, реализующие данный подход. В то же время существует большой класс задач, требующий решения и использующий моделирование при создании эффективных РВС.

Целью данной работы является исследование и разработка эффективной структуры системы имитационного моделирования, позволяющей анализировать широкий класс РВС с различными способами обработки информации и организация вычислительных процессов при моделировании на малых ЭВМ.

Основными задачами, решаемыми в соответствии с поставленной целью работы, являются:

— исследование отраслевых задач управления с целью выделения этапов технологического процесса обработки информации в РВС с последующей типизацией наборов технических средств по этапам обработки;

— разработка структурной схемы отображения взаимосвязанных наборов технических средств РВС и ее математической модели для целей описания динамических процессов моделирования на основе типовых технологических граф-схем;

— исследование и разработка математических моделей элементов взаимосвязанных наборов технических средств РВС;

— разработка методологии создания комплексных моделей по элементам взаимосвязанных наборов технических средств РВС;

— разработка методологии организации структуры и вычислительных процессов системы с использованием моделей отдельных элементов.

Методы исследования, применяемые в работе, основаны на использовании теории графов, теории массового обслуживания, теории надежности, теории организации вычислительных систем и вычислительных процессов, теории множеств и методах структурного проектирования.

Научная новизна. Предложены методы построения структур имитационных моделей на базе типовых моделей взаимосвязанных наборов технических средств РВС, динамически подключаемых в процессе прогона модели исследуемой системы и отображаемых графом связности. Разработана методика организации вычислительного процесса моделирования на основе структурной схемы наборов взаимосвязанных технических средств исследуемой системы^ характеризующихся набором признаков смены их состояний в процессе имитации. На базе данной структуры реализован инструмент моделирования РВС и отдельных ее элементов, который, в отличие от известных, позволяет организовать процесс имитации на мини-ЭВМ, минимизирующий затраты ее технических ресурсов и на основе взаимосвязи пользователя с системой в интерактивном режиме оперативно влиять на параметры модели. Разработаны структурные схемы типовых элементов моделей РВС, методика описания процесса моделирования на основе типовых технологических граф-схем.Получены аналитические выражения для оценки эффективности решения отраслевых задач на моделируемых структурах РВС, оценки точности моделей производительности вычислительных систем, описания связного контроллера на базе процессора телеобработки данных, модели узла РВС, определения необходимого количества каналов связи в тракте передачи сети передачи данных. Показана организация взаимодействия пользователя с системой.

Практическая ценность работы заключается в создании на основе теоретических и экспериментальных исследованиях инструмента исследования распределенных вычислительных систем и их элементов, применяющегося на этапах проектирования и эксплуатации. Разработанная структура организации системы позволила реализовать пакет прикладных программ, с помощью которого на практике облегчается этап формализации исследуемой РВС и ее элементов, исключается этап программирования и упрощается процесс создания имитационной модели.

Результаты работы внедрены во Всесоюзном научно-исследовательском и проектном институте по автоматизированным системам управления в газовой промышленности и вычислительном центре Литовского НИИ экономики сельского хозяйства Министерства сельского хозяйства ЛитССР. Экономический эффект от внедрения составил 72 560 рублей.

Апробация работы проводилась на:

— Республиканской научно-технической конференции «Применение вычислительной техники и электронного моделирования в народном хозяйстве» (г.Хмельницк, 1982 г.);

— Четвертой Всесоюзной школе-семинаре «Распараллеливание обработки информации» (г.Львов, 1983 г.);

— Седьмой Всесоюзной школе-семинаре по вычислительным сетям (г.г.Москва-Ереван, 1983 г.), а также на семинарах Научного совета АН УССР по комплексной проблеме «Теоретическая электротехника, электроника и моделирование». По материалам диссертационной работы опубликовано 9 печатных работ.

18,0, «3/ 32,33,3l 3S, 36,5 $.

Диссертация состоит из четырех глав, введения, заключения и приложений. Общий объем машинописного текста составляет 130 листов.

Первая глава посвящена анализу задач создания РВС для отраслевого управления и показано место имитационного моделирования при решении указанных задач. С этой целью рассмотрены задачи управления отраслью, исследованные в [22, 30 J и возможность формализации этапов технологического процесса обработки информации [13,30] РВС, позволяющие определить типовые наборы технических средств с последующей реализацией их моделей. Разработана методика описания с помощью теории графов взаимосвязанных наборов технических средств РВС, а также дана постановка задачи исследования и создания системы имитационного моделирования и пути ее решения. В отличие от имеющихся работ, постановка задачи организации эффективной структуры системы имитационного моделирования основывается на использовании минимального объема исходной информации об исследуемой системе и базируется на информации о решаемых задачах и технологии их решения. На основе типизации отраслевых задач управления показана возможность описания информационных запросов известными законами распределения, что позволило на основе теории описания потоковых задач сформулировать ряд требований к РВС, показывающих масштабность и сложность реализации таких систем.

Исследования, приведенные в первой главе, позволили предложить способ решения поставленной задачи и подход к организации эффективной системы имитационного моделирования.

Во второй главе проведены исследования возможности применения технологических граф-схем для описания динамических процессов функционирования элементов РВС. Выполнен анализ существующих способов описания и построения моделей РВС и элементов. В отличие от имеющихся работ, предложена методика формирования графа динамического описания модели, учитывающего полный набор составляющих исследуемой системы.

Проведенные исследования позволили предложить способ описания динамического состояния процесса моделирования, методику формализации описания типовых наборов технических средств РВС, а также обосновать типовость всего многообразия существующих моделей элементов РВС.

В третьей главе освещены вопросы разработки структурных моделей элементов РВС, отражающих функционирование ее компонентов. За основу представления моделей взят способ описания их в виде системы массового обслуживания. Возможность представления РВС, состоящей из набора основных трех компонентов (базовой сети передачи данных, сети ЭВМ, терминальной сети) позволила систематизировать ее для целей аналитического описания происходящих процессов. В отличие от имеющихся работ предложена универсальная структурная схема модели связного контроллера, учитывающая возможность совмещения его режимов функционирования и получены аналитические выражения систем уравнений описания ее состояния. Разработана иерархическая модель узла РВС и получены аналитические выражения описания его системой уравнений и сведением их к упрощенному виду описания тремя автономными подсистемами. Предложены аналитические формулы, учитывающие универсальность использования в качестве основного элемента сети передачи данных связного контроллера на базе процессора телеобработки для оценки отображения в модели многоканальной системы массового обслуживания количества параллельно работающих приборов.

Исследование принципов управления в РВС и возможных способов применения средств коммутации в узлах, проведенные в третьей главе, позволили предложить структурные схемы моделей элементов РВС, отражающих процессы их взаимосвязи и функционирования.

Четвертая глава посвящена вопросам практической реализации системы на основе концепций, изложенных в трех предыдущих главах. В качестве базы системы используются типовые модели элементов РВС, позволяющие проводить как автономное моделирование отдельных элементов, так и строить комплексные модели РВС с различным уровнем детализации. Представлены способы организации и взаимодействия составляющих систем, а также взаимосвязи пользователя с системой. В отличие от имеющихся работ основу системы представляет технологический граф взаимосвязи технических средств исследуемой системы, представляющий собой динамическую часть модели.

Предложенный подход к реализации системы позволил оптимальным образом организовать программные компоненты, унифицировать процесс управления моделированием и рационально распределить ресурсы используемых для реализации вычислительных средств.

В заключении сформулированы основные теоретические и практические результаты диссертационной работы.

Автор считает приятным долгом выразить глубокую благодарность научному руководителю, доктору технических наук, профессору Додонову Александру Георгиевичу за постоянное внимание и помощь, оказанные во время выполнения настоящей работы, а также сотрудникам ИПМЭ АН УССР и СКТБ СМ ИПМЭ АН УССР, без помощи которых не могли быть эффективно проверены многие теоретические исследования.

7. Основные результаты работы изложены в[iS, ?9,3*1,32−33,343 536^ Разработанное по результатам научной работы системное и пользовательское программное обеспечение внедрено на базе комплекса технических средств мини-ЭВМ.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

На основе проведенных теоретических исследований впервые для решения широкого класса задач в области создания и эксплуатации распределенных вычислительных систем предложены методы структурной организации моделей, позволяющие создать средства имитационного моделирования.

Исследованы и предложены структуры моделей, положенные в основу организации вычислительного процесса при моделировании РВС и их элементов, позволяющие осуществлять анализ и синтез исследуемых систем, а также осуществлять моделирование с целью обеспечения рациональной организации вычислительного процесса, выбора дисциплины обслуживания пользователей в условиях меняющейся интенсивности входного потока, рациональное распределение ресурсов между высокоприоритетными запросами пользователей и прикладными задачами, построение оптимальных маршрутов при отказе узлов или каналов связи с учетом имеющейся информации о загрузке элементов РВС.

Теоретические результаты работы послужили основой создания вычислительной структуры, для моделирования отраслевых распределенных вычислительных систем, обеспечивающей построение вычислительного процесса, минимизирующего время моделирования и технические ресурсы вычислительной установки, а также организацию процесса моделирования на основе взаимосвязи пользователя с системой в интерактивном режиме.

Кроме того, получены следующие научные результаты:

I. Выявлены особенности задач отраслевого управления и определены базовые составляющие, влияющие на описание характеристик информационных потоков циркулирующих в РВС. Показано, что многообразие решаемых задач отраслевых РВС сводится к трем типовым схемам решения, с последующей систематизацией и формализацией технологических процессов обработки информации в РВС.

2. Предложен подход к выбору структуры системы моделирования, позволяющей решать задачи проектирования РВС на этапах первоначального построения, на основе типизации решаемых задач и, формализации процессов обработки, а также на этапе эксплуатации с учетом сетеметрической информации.

3. На основе структурного анализа существующих систем моделирования РВС и элементов предложены наборы моделей компонентов, обладающих свойствами универсальности и пригодные как для моделирования на этапе создания РВС, так и использования на этапе эксплуатации с целью предсказания поведения системы и определения узких мест при изменении внешних условий и условий эксплуатации.

4. Предложена организация взаимосвязи типовых моделей элементов в процессе моделирования на основе графа состояний.

5. Предложена аналитическая модель описания узла РВС и структурная схема модели взаимодействия его элементов.

6. Предложена аналитическая модель описания связного контроллера на базе ПТД и структурная схема модели взаимодействия его элементов.