Моделі та методи синтезу інформаційних структур для комп’ютерних систем на інтегрованих програмних платформах

Abstract

Дисертація на здобуття наукового ступеня доктора технічних наук за спеціальністю 05.13.05 – комп'ютерні системи та компоненти (123 – комп’ютерна інженерія). – Національний технічний університет "Харківський політехнічний інститут", Міністерство освіти і науки України, Харків, 2020. Дисертаційна робота присвячена вирішенню актуальної науково-прикладної проблеми підвищення оперативності процесу передачі інформації в комп'ютерних системах (КС) на інтегрованих програмних платформах (ІПП) на основі розробки математичного апарату синтезу інформаційних структур. Проведено аналіз стану проблеми, показано, що одночасно із збільшенням обсягів інформації, яка передається в КС, та підвищенням вимог до оперативності передачі інформації все більше застосовуються інтегровані програмні платформи, внаслідок чого якісно і кількісно змінюються структура і характер інформаційних потоків, що суттєво впливає на інформаційні структури комп’ютерних систем та призводить до зниження показників оперативності. Проведено аналіз існуючих вимог до сучасних програмних платформ комп'ютерних систем та переваг та недоліків централізованих, розподілених та комбінованих програмних платформ. На основі аналізу сформульовані загальні вимоги до необхідного складу програмних продуктів платформи та підтримуючих їх апаратних засобів базової мережі комп'ютерної системи;проведений аналіз показав доцільність використання інтегрованих програмних платформ для відомчих комп’ютерних систем; доведена необхідність збільшення оперативності обробки транзакцій у базових мережах комп’ютерних систем, котрі використовують інтегровані програмні платформи, що можна зробити за рахунок використання специфічних властивостей таких платформ, синтезуючи інформаційну структуру комп'ютерної системи. Розроблено комплекс взаємопов’язаних моделей інформаційної структури комп’ютерної системи та технічної структури базової мережі, який враховує особливості інтегрованої програмної платформи і базується на стратифікованому представленні основних складових моделей, що дозволяє враховувати інформаційні взаємозв’язки між складовими комп'ютерної системи та підвищити ступінь адекватності моделей. Розроблено комплекс методів оперативного перерозподілу інформаційних потоків в базовій мережі комп'ютерної системи на інтегрованій програмній платформі, який враховує динаміку розвитку комп'ютерної системи і характерні особливості базової мережі, та базується на оперативній реконфігурації системи віртуальних каналів зв'язку, що дозволяє зменшити середню затримку пакетів. Розроблено комплекс методів синхронізації інформаційної структури комп'ютерної системи з обчислювальними ресурсами вузлів базової мережі, який враховує як інформаційні зв'язки між завданнями комп'ютерної системи, так і використання композитних застосунків, та базується на адаптивному підході до знаходження раціонального розподілу завдань між вузлами мережі, що дозволяє оперативно провести синхронізацію, орієнтовану на зменшення витрат обчислювального ресурсу та підвищення оперативності передачі інформації. Удосконалено метод статичного розподілу інформаційних потоків за маршрутами у базовій мережі комп'ютерної системи на інтегрованій програмній платформі, який відрізняється від відомих використанням процедури ітеративного балансування навантаження вузлів мережі, що дозволяє зменшити витрати обчислювального ресурсу. Удосконалено метод формування інформаційної структури підвищеної надійності у комп'ютерній системі на інтегрованій програмній платформі, який відрізняється від відомих одночасним розподілом інформаційних потоків по всіх основних і альтернативних маршрутах базової мережі, що дає змогу у разі виникнення відмови будь-якого вузла мережі продовжити обробку транзакцій комп'ютерної системи без суттєвого зменшення показників якості обслуговування (QoS) та без зміни інформаційної структури. Дістав подальшого розвитку метод оптимізації інформаційної структури комп'ютерної системи на інтегрованій програмній платформі за рахунок використання на етапі розподілу навантаження інформаційних вузлів математичного апарату генетичних алгоритмів, що дозволяє зменшити часові витрати на синтез інформаційної структури та сформувати збалансоване навантаження на вузли базової мережі. Дістав подальшого розвитку метод вибору оптимального плану виконання транзакцій комп'ютерної системи на інтегрованій програмній платформі за рахунок введення динамічної функції штрафу за перевищення часових показників, орієнтованої на специфіку інтегрованої програмної платформи, та шкалування часового періоду, що дозволяє зменшити часові витрати при проведенні оперативних змін плану виконання транзакцій. Дістав подальшого розвитку комплекс методів обробки запитів до сховища даних комп'ютерної системи на інтегрованій програмній платформі за рахунок створення єдиного дискового пулу та врахування особливостей доступу до хмарних компонент сховища даних, що дозволяє включати до сховища розподілені гетерогенні компоненти та зменшити час виконання застосунків, які виконують запити транзакцій комп’ютерної системи на обмін інформацією із сховищем даних. Розроблені на основі запропоованих моделей та методів інженерні методи та алгоритми дають змогу: – виконати моделювання інформаційної структури комп'ютерної системи на інтегрованій програмній платформі та її базової комп'ютерної мережі; – оптимізувати інформаційну структуру комп'ютерної системи на інтегрованій програмній платформі та розподіл інформаційних потоків за маршрутами у базовій мережі; – підвищити показники оперативності завдань комп'ютерної системи на інтегрованій програмній платформі до 10%; – зменшити витрати обчислювального ресурсу базової мережі комп'ютерної системи на інтегрованій програмній платформі до 5%; – зменшити витрати на експлуатацію комп’ютерної системи на інтегрованій програмній платформі на до 10%; – розширити корисну ємність сховища даних за рахунок включення гетерогенних складових та хмарних компонент. Проведена порівняльна оцінки розроблених та існуючих моделей та методів синтезу інформаційних структур комп'ютерних систем на інтегрованих програмних платформах, за результатами якої доведено ефективність запропонованих методів. Зокрема, проведена оцінка ефективності підсистеми забезпечення дистанційного навчання комп'ютерної системи технічного вишу. Також наведені результати комплексного застосування запропонованих методів при формуванні проекту комп'ютерної системи управління виробничими структурами аеропорту, де за рахунок підвищення оперативності передачі інформації були досягнуті вимоги замовника щодо граничного рівня значення ймовірності виконання часових меж для оперативних транзакцій КС при зростанні завантаження базової мережі.Dissertation for the degree of Doctor of Technical Sciences in the specialty of 05.13.05 – ComputerSystems and Components (123 – Computerengineering). – National Technical University "Kharkiv Polytechnic Institute", Ministry of Education and Science of Ukraine, Kharkiv, 2020. The thesis is devoted to solving actual scientific and technical problem of increasing the efficiency of the information transfer process in computer systems on integrated software platforms. It is based on the development of a mathematical apparatus (mathematical models and methods) for the synthesis of information structures. The analysis of the problem state was carried out. It was revealed that, simultaneously with the increase in the volume of transmitted information in the computer system and the increased requirements for the speed of information transmission, integrated software platforms are increasingly used. As a result, the structure and nature of information flows change qualitatively and quantitatively. This significantly affects the information structures of computer systems and leads to a decrease in efficiency indicators. An analysis of the existing requirements for modern software platforms of computer systems has been carried out. Advantages and disadvantages of centralized, distributed and combined software platforms are highlighted. Based on the analysis, general requirements for the necessary composition of platform software products are formulated. The requirements for the hardware of the core network of the computer system supporting them are also formulated. The analysis showed the feasibility of using integrated software platforms for departmental computer systems. The necessity of increasing the efficiency of transaction processing in the basic networks of computer systems has been proven. Those that use integrated software platforms can be done by using the specific properties of such platforms. This is due to the synthesis of the information structure of the computer system. A complex of interrelated models of the information structure of the computer system and the technical structure of the basic network has been developed. It takes into account the peculiarities of the integrated software platform. The complex is based on a stratified representation of the main constituents of the models. This allows you to take into account the informational relationships between the components of the computer system. It also allows increasing the degree of model adequacy. A set of methods foroperational redistribution of information flows in the basic network of a computer system on an integrated software platform has been developed. This complex takes into account the dynamics of the development of a computer system and the characteristic features of the underlying network. It is based on the operational reconfiguration of the virtual communication channel system. This helps to reduce the average packet delay. A set of methods for synchronizing the information structure of a computer system with the computing resources of the nodes of the basic network has been developed. The complex, which has been developed, takes into account information links between the tasks of a computer system and the possibility of using composite applications. This complex is based on an adaptive approach to finding a rational distribution of tasks between network nodes. The complex allows you to quickly synchronize. Synchronization is focused on reducing the cost of computing resources and increasing the efficiency of information transfer. The method of distribution of information flows along routes in the basic network of a computer system on an integrated software platform has been improved. The method differs from the known ones by using iterative load balancing of hosts. This is what makes it possible to reduce the cost of computing resources. The method of forming an information structure of increased reliability in a computer system on an integrated software platform has been improved. This method differs from the known ones by the simultaneous distribution of information flows along all the main and alternative routes of the core network. This allows, in the event of a failure of any network node, to continue processing transactions of the computer system. The computer system will operate without a significant decrease in service quality indicators and without changing the information structure. The method of optimizing the information structure of a computer system on an integrated software platform has been further developed. The method is based on the use of the mathematical apparatus of genetic algorithms. This device is used at the stage of load distribution of information nodes. This makes it possible to reduce the time spent on synthesizing the information structure and to form a balanced load on the nodes of the core network. The method of selecting an optimal plan for executing transactions of a computer system on an integrated software platform was further developed. A dynamic penalty function was introduced for exceeding time indicators. It is focused on the specifics of the integrated software platform and time scaling. This allows you to reduce the time spent on operational changes to the transaction execution plan. The complex of methods for processing requests to the data storage of a computer system on an integrated software platform has been further developed. A single disk pool was created. The peculiarities of access to the cloud components of the data warehouse were taken into account. This allows distributed heterogeneous components to be included in repositories. It also reduces the execution time of applications that access data warehouse components. The engineering methods and algorithms which has been developed on the basis of the offered models and methods allow: - simulate the information structure of the computer system on an integrated software platform and its basic computer network; - optimize the information structure of the computer system on an integrated software platform and the distribution of information flows along routes in the core network; - increase the operational efficiencyof computer system tasks on an integrated software platform by up to 10%; - reduce the costs of the computing resource of the basic network of a computer system on an integrated software platform up to 5%; - reduce the exploitational cost of a computer system on an integrated software platform by up to 10%; - expand the useful capacity of the data storage by including heterogeneous components and cloud components. Comparative assessment of developed and existing models and methods of synthesis information structures of computer systems on an integrated software platforms was carriedout. Based on the results that were obtained, the effectiveness of the proposed methods was proved. In particular, an assessment of the effectiveness of the subsystem for providing distance learning of the computer system in a technical university was carried out. The results of the integrated application of the proposed methods in the formation to the project of a computer system managing for the production structures of the airport are also presented. Where by increasing the transaction efficiency of information, the customer's requirements were achieved. They were executed relative to the limit of the probability of time bounds.This was done for operational transactions of the computer system with an increase in the load of the basic network.