БЕЛОРУССКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ Выпускная работа по «Основам информационных технологий»

БЕЛОРУССКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ
Выпускная работа по
«Основам информационных технологий»
Магистрант
кафедры математического обеспечения АСУ
Костюкович Николай Юрьевич
Руководители:
док.
физ.-мат.
наук,
Краснопрошин
Виктор
Владимирович
ст. преподаватель Кожич Павел Павлович
Минск – 2008 г.
1
Оглавление
Список условных сокращений ............................................................................... 3
Реферат на тему “Использование информационных технологий при
построении территориально распределенных систем» ....................................... 4
Введение................................................................................................................ 4
Глава 1. Обзор литературы.................................................................................. 5
Глава 2. Методика .............................................................................................. 10
2.1. Специфика РОС ....................................................................................... 10
2.2. Общая схема и базовые составляющие решения ................................. 10
2.3. Методика разработки СУРОС ................................................................ 11
2.4. Применение методики для решения прикладных задач ...................... 12
Глава 3. Обсуждение результатов .................................................................... 14
Заключение ......................................................................................................... 15
Список литературы к реферату ........................................................................ 17
Предметный указатель к реферату. ..................................................................... 18
Интернет ресурсы в предметной области исследования. ................................. 19
Действующий личный сайт в WWW................................................................... 20
Граф научных интересов ...................................................................................... 21
Презентация магистерской диссертации. ........................................................... 22
Приложения ........................................................................................................... 23
2
Список условных сокращений
ОС – организационные системы
МЧС – министерство по чрезвычайным ситуациям
БД – база данных
3
Реферат на тему “Использование информационных
технологий при построении территориально
распределенных систем»
Введение
В
настоящее
время
наблюдается
эволюция
структур
ОС,
сложившихся в индустриальную эпоху. Процессы глобализации устранили
административные
границы,
расширили
ужесточили
рынки,
интернационализировали
конкуренцию,
производство,
установили
приоритет
информационного сектора экономики над другими [1]. В результате
традиционные “тейлоровские”
жесткие локальные структуры ОС с
вертикальной системой управления постепенно стали заменятся на гибкие,
территориально
распределенные
организационные
системы
(РОС),
с
горизонтальным типом управления десятками тысяч объектов, количество и
расположение которых постоянно изменяется [2]. Новые типы организаций
формируются как частными, так и государственными организациями.
Типичным примером РОС является МЧС Республики Беларусь с тысячами
объектов управления и сотнями диагностических показателей по каждому из
них (рисунок 1.1).
Республика
КНД
Инспекторы
$
$
Инспекторы
Инспекторы
Районная
инспекция
7.1
Районная
инспекция
7.2
Районная
инспекция
7.k
КНД
КНД
КНД
$
Инспекторы
$$
КНД
$
...
$$
КНД
$$
Районная
инспекция
1.n
$$
Районная
инспекция
1.2
$$
Районная
инспекция
1.1
7 областей,
включая
г.Минск
Область 7
...
$$
Область 1
$
Инспекторы
$
134
районных
инспекции
≈ 1200
инспекторов
Инспекторы
≈ 121000
объектов
Объекты
Объекты
Рисунок 1. Распределенная ОС
В целом РОС обладают следующими свойствами:
4
наличие нескольких уровней;
гибкость структуры;
большое, быстро изменяющееся количество удаленных объектов
управления;
большое количество решаемых задач;
большое
количество
и
различная
семантика
диагностических
показателей.
В результате существенного роста количества РОС с такими
свойствами
особую
актуальность
приобрели
вопросы
компьютерных систем для их управления. В целом
построения
распределенная
многоуровневая система должна решать следующие задачи:

формировать БД исходной информации на 1-м уровне;

решать прикладные задачи 1-го уровня;

передавать накопленную информацию в БД 2-го уровня;

решать прикладные задачи 2-го уровня;

…

решать прикладные задачи Центра.
Попытки решения перечисленных задач “в лоб” на основе широко
рекламируемых технологий крупных фирм редко приводят к успеху, т.к. в
них задачи “подстраиваются” под технологию, хотя надо наоборот. Одна из
возможных технологий построения территориально распределенных систем,
максимально учитывающая свойства прикладных задач, рассматривается в
данной работе.
Глава 1. Обзор литературы
Любое государство, как и мировое сообщество в целом, можно
рассматривать как совокупность ОС различной структуры [1]. Под
организационной системой
понимается иерархия, состоящая из центра
5
(субъекта) и некоторого множества подразделений (объектов) управления,
деятельность которых направлена к достижению некоторой общей цели.
Основателем теории организационных систем (ТОС) считается
немецкий ученый М.Вебер. В 1930-1960-х идеи Вебера в рамках социологии
и теории управления развивали К. Боулдинг, Ч. Барнарду, А. Файоль, Р.
Мертон, Г. Саймон. В 1960-2000 гг. ТОС сформировалась как интегральная
научная дисциплина, позволяющая эффективно управлять организациями и
предсказывать их поведение.
В целом модель РОС можно представить кортежем:
W = (Center, P1, P2,…,Pn, com)
где: Center - центр; P – объекты, com - механизм информационного
обмена.
Современные исследования РОС выполняются на стыке смежных
научных направлений: теории организации, информатики,
общей теории
систем, общей теории управления, теории распознавания образов, теории
коммуникации и др. В зависимости от научной школы ТОС рассматривается
как: иерархическая структура [Д.Дэвис, К.Маркис, Б.З.Мильнер], большая
система [3], адаптивная динамическая структура [5], система с дискретными
событиями, активная система [Новиков, Бурков, Прангишвили].
В рамки актуальной проблематики ТОС входят вопросы построения
автоматизированных
систем
управления
ОС,
которые
обобщены
в
фундаментальных монографиях Дж.Клира [3], Д,А.Новикова [4] и др. В
целом систему управления распределенными ОС (СУРОС) можно описать
кортежем:
W = (Center, P1, P2,…,Pn, com, sys)
где: sys – территориально распределенная система.
Для разработки
СУРОС используются две основные группы
технологий: SUN Microsistems и Microsoft (рисунок 2).
6
Web
технологии
Common Gateway
Unterface
CGI
Personal Home Page
PHP
ASP-HTML-XML
Jawa Servlets
Server APACH
Microsoft
.Net Framework
MS SQL Server
Windows Forms
Web Forms
Visual
Studio.Net
C# - XML
Jawa Server Pages
Server APACH
ADO.Net
XML-SOAP
ASP.Net
C#
Рисунок 2. Технология для построения СУРОС
Java
2
Platform,
Enterprise
Edition
(J2EE)
и
.Net
являются
конкурирующими технологиями, каждая из которых позволяет создавать
Web-службы (Web services) и имеет свои плюсы и минусы.
Платформа
фирмы
Sun
J2EE
(J2SE,
J2ME)
включает
инструментальные средства разработчика Forte for Java для операционной
среды Solaris, решение для электронной коммерции семейства iPlanet и др.
Эти продукты позволяют уменьшить усилия при разработке и выпуске
оптимальных решений. Sun также предлагает широкий спектр продуктов и
технологий,
услуг,
программ
по
повышению
квалификации
и
консультированию. Кроме того, J2EE активно поддерживает фирма IBM
(WebSphere Application Server). Основным преимуществом J2EE считается
переносимость (многоплатформенность). Среди недостатков можно указать
следующие:
1) J2EE поддерживает единственный язык: Java;
2)отсутствие
пользовательских
value-типов,
т.е.
структур.
Программист на java при желании может догнать .NET в этом вопросе,
заведя кучу массивов и т.д., но в большинстве случаев заморачиваться не
будет;
3) Технология компиляции MSIL оптимизирующим компилятором
- более прогрессивная, чем интерпретация или компиляция байт-кода.
7
Дело в том, что MSIL - значительно более высокоуровневый язык, нежели
байт-код java. Байт-код java трудно даже при желании скомпилировать с
оптимизациями. Микрософтовская java VM работала быстрее именно
потому, что она использовала хакерский трюк! Зная, как компилирует
стандартный компилятор java в байт-код, она первым делом производила
декомпиляцию, т.е. восстановление программы до кода более высокого
уровня, нежели java-байт-код, после чего запускала оптимизирующий
компилятор. В MSIL такие финты не нужны;
4) стоит учесть, что программы для .NET хорошо поддаются
масштабированию, ибо есть все средства, а сервера Sun всегда
ЗНАЧИТЕЛЬНО проигрывают интеловским по цене/производительности.
Несмотря на указанные преимущества, более целесообразным
представляется выбор в пользу технологий Microsoft, в основном по
следующим причинам:
Microsoft .Net поддерживает различные языки программирования;
глубокая программно-модульная интеграция с Windows обеспечивает
высокую скорость выполнения приложений;
мощная поддержка web-сервисов, как на уровне Microsoft Visual
Studio, так и технологически (сериализация ADO.NET Data Set, WS
Attachments);
эффективная
среда
разработки,
позволяющая
использовать
визуальное наследование и выявить
большинство
ошибок
еще
до
компиляции
кода,
поддержка
проектирования структур данных в XML;
наличие
технологии
доступа
к
данным
ADO.NET,
хорошо
зарекомендовавшей себя в работе с Microsoft SQL Server;
возможность работы с данными через отсоединенный Data Set, что
существенно облегчило как реализацию клиентского кэша, так и обмен
данными между клиентом и сервером;
встроенная поддержка .NET Framework в Windows Server 2003;
8
наличие хорошей документации по применяемым технологиям
(MSDN, Knowledge base);
большой выбор готовых .NET-компонентов, позволяющих быстро
построить качественный пользовательский интерфейс.
Приведем перечень продуктов и технологий Microsoft,
которые
целесообразно использовать при разработке распределенных систем:
операционная система серверов — Windows Server 2003;
СУБД - Microsoft SQL Server 2005;
web-сервер - Microsoft IIS 6.0;
язык разработки - C#;
среда выполнения - .NET Framework 2.0, 3.5;
среда разработки - Microsoft Visual Studio 2005, 2008;
доступ к данным - ADO.NET.
Обобщив результаты, представленные в [], общую постановку задачи
на
разработку
территориально-распределенных
систем
можно
сформулировать следующим образом.
Пусть имеется РОС W, которая функционирует в среде S, состоит из
центра Center и n территориально распределенных объектов управления P:
W = (Center, P1,P2,…,Pn), n  ∞
Состояние
конечного
объектов
множества
P1,P2,…,Pn
разнородных
характеризуется
диагностических
значениями
переменных
различного:
X = x1, x2,…, xm , где X = string, real, integer
Объекты P1,P2,…,Pn ранжированы по уровням 1,2,..,mm.
Требуется разработать технологию для построения БД на основании
X = x1, x2,…, xm на уровне 1, решение прикладных задач на уровне 1,
передачу информации на уровень 2 и т.д. до уровня центра.
Ограничение: количество уровней в большинстве задач не превышает
трех, поэтому в данной работе введено ограничение mm=3.
9
Глава 2. Методика
2.1. Специфика РОС
Специфика задач с большим количеством (500-2000) показателей,
характеризующих объект управления в РОС заключается в том, что их
практически невозможно ввести без ошибок , используя web-приложения,
доступные через Internet Explorer. Кроме того, соображения секретности и
сохранности БД наводят на простую идею – организовывать БД локальными
средствами, а организовывать доступ руководства к результирующей
информации – через web посредством Internet Explorer. Этот подход
реализован в прикладной системе, описанной ниже.
2.2. Общая схема и базовые составляющие решения
Предлагается
схема
решения,
основанная
на
взаимодействии
участников РОС с программными агентами, количество которых количество
которых равно количеству уровней. В нашем случае, согласно ограничению,
их будет три (рисунок 3).
БД-i
районной
инспекции
Inf 1
Агент aInsp
Пользователи
уровня 1 “Район”
Посредник
БД-o
области
Inf 2
Агент aObl
Inf 1
Пользователи
уровня 2 “Область”
Посредник
БД-r
республики
Inf 3
Агент aResp
Inf 1
Inf 2
Пользователи
уровня 3 “Республика”
Рисунок 3. Схема взаимодействия элементов СУРОС
Согласно правилам мнемоники, назовем агентов нижнего уровня aInsp, среднего - aObl, верхнего - aResp.
10
Ниже представлена типовая модель агента (рисунок 4).
Исходная информация,
полученная во время
обследования объектов
Пользователь уровня Районная Инспекция
Агент aInsp
Модуль
контроля
доступа
Модуль решения задач
Модуль
Модуль
Модуль
Модуль
для уровня Инспекция
формировния
анализа интеграции коммуникации
i-интерфейса Задача 1.1 ... Задача 1.n
БД-i
в БД-i
с aObl
Inf1_1
R1_1
Inf1_n
... R1_n
Посредник
БД-i
Данные КНД
Внещняя
служба
доставки
Канал связи
Рисунок 4. Универсальная модель агента
Модели агентов разных уровней имеют одну и ту же структуру,
отличие – различные решаемые прикладные задачи. Кроме того, агент
верхнего уровня не передают информацию выше, а аккумулирует ее со всех
нижних уровней.
Универсальная структура агента позволяет говорить о возможности
построения универсальной модели интерфейса. Предлагается следующая
модель универсального интерфейса:
MunInt = <Tasks, Parameters, Result, Servis>
где: Tasks – окно идентификаторов решаемых задач; Parameters –
окно задания параметров различного типа и назначения; Result – окно вывода
результата (в случае вывода на экран); Servis – сервисные функции.
2.3. Методика разработки СУРОС
Методика разработки СУРОС на описанной выше основе заключается
в выполнении пяти шагов системного плана и семи шагов прикладного
плана.
Шаги системного плана:
разработка универсального модуля ограничения доступа к ресурсам
СУРОС;
11
разработка универсального модуля пересылки информации на
следующий уровень;
разработка универсального модуля интеграции новой информации и
БД уровня;
разработка модуля посредника;
разработка универсального модуля архивации БД.
Затем выполняются шаги прикладного плана:
построение модели предметной области (x1, x2,…, xm),
разработка структуры БД;
разработка модулей прикладных задач;
разработка модулей агентов всех уровней на основе универсального
интерфейса;
разработка программ агентов всех уровней;
установка агентов на компьютеры пользователей всех уровней;
эксплуатация системы.
2.4. Применение методики для решения прикладных задач
Методика была использована для разработки программного средства
автоматизации системы управления органов государственного пожарного
надзора МЧС, интегрированное с ГИС МЧС.
Рассмотрим результаты выполнения методика.
Прежде всего, разрабатывается модуль ограничения доступа к
ресурсам (рисунок 5).
Рисунок 5. Модуль ограничения доступа
12
Затем разрабатывается модуль пересылки информации на следующий
уровень (рисунок 6).
Рисунок 6. Модуль ограничения доступа
Остальные системные модули формируются в рамках системного
меню (рисунок 7)
Рисунок 7. Меню посредника и интеграции
На основе универсальных моделей агентов, интерфейса и заранее
разработанных прикладных DLL-модулей формируется интерфейс агента
уровня (рисунок 8).
13
Рисунок 7. Меню агента уровня
Пользователь вызывает из меню агента модули решения прикладных
задач, решает их, пополняет БД новой информацией, распечатывает данные
и т.д. Пример прикладной задачи показан на рисунке 8.
Рисунок 8. Меню прикладной задачи
Другие прикладные задачи решаются аналогично.
Глава 3. Обсуждение результатов
В результате разработки методике построения распределенных
систем на основе продуктов Microsoft: Windows Server 2003; СУБД Microsoft SQL Server 2005; web-сервер - Microsoft IIS 6.0; язык разработки C#; среда выполнения - .NET Framework 2.0, 3.5; среда разработки - Microsoft
Visual Studio 2005, 2008; доступ к данным - ADO.NET был накоплен
14
определенный опыт как разработки больших систем, так и их отладки и
эксплуатации.
Язык C#, как и остальные продукты оказался одним из лучших
средств по скорости отладки. Отсутствие требований постоянного контроля
работы с указателями так же значительно сократило время разработки.
Одной из основных проблем внедрения была необходимость
обучения слабо подготовленных в области IT пользователей. Решению этой
проблемы существенно помог встроенный Help.
Заключение
В
работе
рассмотрены
актуальные
вопросы
построения
территориально распределенных систем (ТРС):
показано, что ТРС предназначены для управления территориально
распределенными организационными системами
(ТРОС), включающими
сотни и тысячи удаленных объектов управления;
произведено
сравнение
основных
технологий
построения
распределенных систем: Java и .Net. Показано, что главное преимущество
Microsoft .Net в том, что это полноценная платформа, а J2EE ориентирована
только на серверное программирование. Более того, J2EE - это лишь набор
спецификаций и необходимо приобретать дорогостоящие (обычно порядка
$15,000 для одной машины) реализации J2EE. В отличие от J2EE, Microsoft
.Net – это набор продуктов и служб;
разработана типовая модель ТРОС, включая ее участников, их роли
и отношения между ними;
показана зависимость технологии построения управления ТРС от
свойств, структуры и задач ТРС;
выделены две
основных группы технологий построения РТС,
разработанных фирмами Microsoft и SUN;
15
5)показана
целесообразность
применения
интегрируемых
программных продуктов фирмы Microsoft: .NET для написания программ и
MS SQL Server для организации базы данных;
предложена типовая методика комплексного применения
средств
платформы .Net и СУБД MS SQLServer;
представлены результаты использования методики для построения
системы АСУ МЧС;
обобщен опыт разработки АСУ МЧС;
показана
правильность
подхода:
создание
БД
для
большого
количества показателей – локально, использование БД – дистанционно для
задач с большим количеством (500-2000) входных реквизитов;
высокая скорость компиляции и удобство отладки C# обеспечило
отладку большого комплекса программ в крайне ограниченный сроки.
16
Список литературы к реферату
1.
Иванов, Н. Глобализация и проблемы оптимальной стратегии
развития / Н. Иванов // Мировая экономика и международные отношения. –
2000. – № 2. – С. 18–27.
2.
решений
Краснопрошин, В.В. Технология построения систем поддержки
на
основе
распределенных
разнородных
знаний
/
В.В.
Краснопрошин, Г. Шаках, А.Н. Вальвачев // Информатика. – Минск, 2004. –
№ 3. – С. 49–58.
3.
Клир Дж. Системология. Автоматизация решения системных
задач. – М.: Радио и связь, 1990. – 536 с.
4.
Новиков Д.А. Механизмы функционирования многоуровневых
организационных систем /Д.А.Новиков. – М.: Фонд "Проблемы управления",
1999. – 150 с.
5.
Спенсер П. XML Проектирование и реализация /П.Спенсер. –М.:
Лори, 2001. – 528 с.
6.
Троелсен, Э. C# и платформа .Net. Библиотека программиста
/Э.С.Троелсен – Спб: Питер, 2002. – 800 c.
7.
Шарков, Ф.И. Теория коммуникаций / Ф.И. Шарков.
– СПб:
РИП, 2004. – 245 с.
Отчет по НИР “Разработать платформу автоматизированной системы
управления органов государственного надзора МЧС, интегрированную в
ГИС МЧС”, БГУ, 2007.
17
Предметный указатель к реферату.
А
агент – 10
архивация - 12
Р
реквизит – 16
С
схема решения – 10
У
универсальный интерфейс – 11
18
Интернет ресурсы в предметной области исследования.
1. msdn.microsoft.com
Самая обширная библиотека документов по технологиям Microsoft.
2. http://ru.wikipedia.org
Свободная электронная энциклопедия, которую может редактировать
каждый.
Википедия
—
многоязычная,
общедоступная,
свободно
распространяемая универсальная энциклопедия. Википедия по объёму
сведений и тематическому охвату считается самой полной энциклопедией из
когда-либо создававшихся за всю историю человечества.
Достоинством является наличие ссылок и списка публикаций по исследуемой
теме, что является полезным материалом для дальнейших исследований в
предметной области.
19
Действующий личный сайт в WWW
Адрес сайта магистранта Костюковича Николая Юрьевича:
http://www.nkostyukovich.narod.ru/
20
Граф научных интересов
Магистранта
Костюковича Николая Юрьевича
факультет прикладной математики и информатики,
специальность 1-31 80 09
«прикладная математика и информатика»
Смежные специальности
01.01.01 –
МАТЕМАТИЧЕСКИЙ
АНАЛИЗ
1. Теория приближений и
методы численного анализа.
2. Вариационное исчисление и
общая теория экстремальных
задач.
3. Абстрактные и
функциональные
пространства, наделенные
алгебраическими,
топологическими,
метрическими, порядковыми и
др. структурами. Измеримые
пространства.
05.13.01 – СИСТЕМНЫЙ
АНАЛИЗ, УПРАВЛЕНИЕ И
ОБРАБОТКА
ИНФОРМАЦИИ, ФИЗ.МАТ.
1. Математические модели и
методы исследования
операций и принятия решений
в управлении техническими
объектами.
2. Математические модели и
методы анализа, синтеза,
оптимизации и идентификации
систем управления
техническими объектами.
3. Математическая теория
систем управления.
4. Математические модели и
методы представления,
хранения, анализа, обработки
и распознавания информации в
системах управления
техническими объектами
Основная специальность
01.01.07 ВЫЧИСЛИТЕЛЬНАЯ
МАТЕМАТИКА
1. Теория и методы
параллельных вычислений.
2. Численные методы и
алгоритмы решения
прикладных задач,
возникающих при
математическом
моделировании
естественнонаучных, научнотехнических, социальных и
других проблем.
Сопутствующие специальности
05.13.11 –
МАТЕМАТИЧЕСКОЕ И
ПРОГРАММНОЕ
ОБЕСПЕЧЕНИЕ
ВЫЧИСЛИТЕЛЬНЫХ
МАШИН, КОМПЛЕКСОВ И
КОМПЬЮТЕРНЫХ СЕТЕЙ
1. Разработка программ,
теоретических основ и методов
математического
моделирования
вычислительных процессов,
моделей и методов
организации данных.
01.01.09 – ДИСКРЕТНАЯ
МАТЕМАТИКА И
МАТЕМАТИЧЕСКАЯ
КИБЕРНЕТИКА
1. Теория функциональных
систем, теория графов и
комбинаторный анализ, теория
сложности вычислений, теория
кодирования и кpиптогpафия,
теория расписаний, теория
очередей
и
массового
обслуживания, комбинаторная
вычислительная геометрия.
2.
Теория
и
методы
минимизации функций, общая
теория экстремальных задач,
теория многокpитеpиальной и
векторной
оптимизации,
теория и методы решения
задач
математического
программирования.
21
Презентация магистерской диссертации.
Presentation_Kostyukovich.ppt
22
Приложения
23
24