Статическая модель распределенной архитектуры. Управляемая распределенная архитектура Уровень хранения данных

на основе реконфигурируемой многоконвейерной вычислительной среды L-Net

Одной из актуальных задач в области систем управления является разработка программного обеспечения для распределенных отказоустойчивых систем управления. Существующие в этой области на сегодняшний день решения являются проприетарными, как следствие, дорогостоящими и не всегда эффективными

Эти решения не предусматривают эффективного использования ресурсов резервирующих баз, технической и программной, что негативно сказывается как на отказоустойчивости, так и на масштабируемости таких решений. При нарушении архитектуры сети отсутствует возможность динамического реконфигурирования как процессов обработки информации, так и передачи потоков данных (как управляющих, так и информационных). Использование специфических микроконтроллеров, применение DCS/SCADA усложняет разработку и поддержку систем, расширение их функционала.

Архитектура распределенной системы управления

Обобщенная типовая архитектура распределенной системы управления (РСУ) включает в себя три иерархически связанных уровня: операторский уровень, уровень управления и уровень ввода-вывода (см. рис.1) .

Основной задачей операторского уровня является предоставление человеко-машинного интерфейса (ЧМИ) для обеспечения настройки и контроля функционирования всей системы. Уровень управления отвечает за получение и обработку данных с датчиков, передачу данных на операторский уровень и выработку управляющих воздействий на исполнительные устройства. Уровень ввода-вывода представляет собой датчики и исполнительные устройства, непосредственно связанные с объектом управления.

Задача программного обеспечения, в рамках обобщенной архитектуры РСУ, состоит в обеспечении функционирования операторского уровня и его связи с уровнем управления системы. Следовательно, основополагающим уровнем при проектировании ПО и решении вопросов его взаимодействия с аппаратным обеспечением является операторский. Программное обеспечение должно максимально эффективно использовать доступные аппаратные ресурсы системы и при этом обладать максимальной независимостью от внутренней архитектуры аппаратного обеспечения.

Аппаратное обеспечение предоставляет вычислительные ресурсы, память и среды передачи данных между узлами в системе. При проектировании общей архитектуры системы не рассматриваются конкретные узлы уровня ввода-вывода, которые будут к ней подключены при конкретной ее реализации, следовательно, в обобщенной архитектуре рассматриваются операторский уровень и уровень управления. Аппаратное обеспечение должно быть распространенным, соответствовать современным стандартам, иметь все необходимые для реализации архитектуры свойства и возможности.

Требования к РСУ

Требования к РСУ относятся не только к системе в целом, но и к ее аппаратной и программной составляющим по отдельности, так как конкретные подходы к удовлетворению данных требований для этих составляющих могут принципиально различаться. РСУ должна быть в первую очередь отказоустойчивой. Простейшим методом повышения отказоустойчивости является резервирование (дублирование) функциональных узлов или их совокупности. Вторым важным свойством является масштабируемость. Масштабируемость основывается на реализации специальных алгоритмов в ПО и аппаратной возможности замены и добавления новых узлов или их составных частей. При этом система должна оставаться простой для ее эксплуатации, разработки новых узлов или модулей и модификации ее архитектуры.

Обзор архитектур РСУ

Для проведения обзора архитектур РСУ были выбраны РСУ Siemens SIMATIC PCS 7 как одна из самых востребованных на рынке и RTS S3 как РСУ, реализованная на базе ОСРВ QNX.

Siemens SIMATIC PCS 7

Архитектура системы имеет все свойства обобщенной архитектуры РСУ . В качестве операторских станций выступают компьютеры на базе процессорной архитектуры x86 с ОС Windows и пакетом Siemens WinCC, предоставляющим ЧМИ. Имеются серверы с базами данных. Станции операторов, инженерные станции и серверы связаны локальной сетью на основе Ethernet. Операторский уровень связан с уровнем управления зарезервированной сетью Industrial Ethernet. На уровне управления находятся программируемые логические контроллеры (ПЛК) с возможностью резервирования за счет дублирования функционала. Имеется возможность подключаться к внешним системам и сетям и организовать удаленный доступ к системе.

RTS S3

Данная архитектура аналогично состоит из уровней обобщенной структуры РСУ . Операторские станции основаны на той же аппаратной платформе, что и в РСУ SIMATIC, но могут находиться под управлением как ОС Windows, так и Linux. Инженерные станции объединены с операторскими. Системой предоставляется единая среда разработки приложений. Сеть Ethernet соединяет узлы внутри операторского уровня и сам операторский уровень с уровнем управления с использованием стека протоколов TCP/IP. На уровне управления находятся промышленные компьютеры под управлением ОС QNX с собственной базой данных и возможностью резервирования путем дублирования функционала узла.

Недостатки описанных систем

В описанных выше системах для операторского уровня и уровня управления используется разная аппаратно-программная платформа. В пределах операторского уровня возможно использование только одной процессорной архитектуры, а для настройки и разработки уровня управления требуется специальная инженерная станция. Данные РСУ предлагают в качестве способа повышения отказоустойчивости только аппаратное резервирование с дублированием функционала резервируемого узла, что является нерациональным использованием резервирующего аппаратного обеспечения.

Характеристики и функциональные особенности системы L-Net

При разработке системы L-Net ставилась задача создать такую систему управления, которая будет обладать нижеперечисленными характеристиками:

• Динамическая реконфигурация с полным восстановлением работоспособности с минимальными потерями в случае отказа хоста или нарушения топологии сети.
• Эффективное распределение задач по имеющимся работоспособным узлам сети.
• Дублирование каналов связи между узлами с динамической реконфигурацией потоков передачи данных.
• Легкость эксплуатации и масштабирования системы.
• Переносимость и работоспособность системы на любой аппаратной платформе, предназначенной для построения систем управления и встраиваемых систем.

Для построения системы с вышеописанными характеристиками требуется операционная система, предназначенная преимущественно для создания систем управления и встраиваемых систем. Анализ существующих операционных систем показал, что наиболее подходящей операционной системой является ОС QNX 6 (Neutrino), которая обладает весьма эффективными ресурсораспределяющими и сетевыми возможностями . Широкие сетевые возможности обеспечиваются сетевым протоколом Qnet. Он решает задачу надежности и динамической балансировки нагрузки каналов связи, но при этом не решаются проблемы отказоустойчивости системы в целом . В результате была разработана инновационная система управления, основанная на распределенной реконфигурируемой многоконвейерной вычислительной среде. Разработанная система имеет одноранговую архитектуру, включающую три логических блока: блок ввода-вывода, блок коммутаторов общего назначения и блок реконфигурируемой вычислительной среды (РВС) (см. рис.2).

Основными преимуществами данной архитектуры являются:

• Одноранговый тип
• Децентрализованность
• Масштабируемость
• Пространственная распределенность

Функциональные особенности данной архитектуры:

• Конвейерная обработка данных
• Аппаратное резервирование
• Распределение нагрузки
• Реконфигурация «на лету»

На первом уровне архитектуры находится блок ввода-вывода (I/O), включающий в себя: узлы ввода-вывода, коммутатор узлов ввода-вывода, интерфейс ввода-вывода, датчики и исполнительные устройства. Блок отвечает за базовые механизмы формирования управляющих воздействий на основании данных с локальных датчиков и данных, полученных от других уровней системы управления. Поставленные задачи распределяются между работоспособными узлами ввода-вывода на основании их текущей относительной производительности или вручную оператором. Датчики и исполнительные устройства подключены с помощью шины ко всем узлам ввода-вывода в блоке, что позволяет любому узлу опрашивать любой датчик или вырабатывать воздействие на любое исполнительное устройство. Коммутатор узлов ввода-вывода обеспечивает связь между всеми узлами ввода-вывода для обмена данными между ними и другими уровнями архитектуры системы для получения управляющих и информационных данных. При наличии соответствующих аппаратных возможностей узлы связываются между собой и с узлами и коммутаторами на других уровнях системы непосредственно, что уменьшает время реакции в сети. Прямая связь между узлами и определенная загруженность узлов в текущем режиме работы блока ввода-вывода позволяет организовывать в блоке конвейерные вычисления, необходимые для функционирования этого блока без обращения к внешним вычислительным мощностям системы управления (РВС), что позволяет эффективно использовать свободные ресурсы, предоставленные для резервирования узлов блока ввода-вывода на момент отказа.

Блок коммутаторов общего назначения, находящийся на втором уровне архитектуры, организовывает линии связи между блоками ввода-вывода и РВС и внешними системами. Каждый коммутатор может соединять между собой различные узы и коммутаторы во всей системе управления. Количество линий связи определяется аппаратными возможностями входящих в состав блоков узлов и коммутаторов. Так как сеть Qnet позволяет динамически распределять потоки передачи данных, масштабирование этого блока осуществляется простым подключением новых устройств и не требует настройки, а при выходе из строя одного из коммутаторов передача данных между узлами не будет прервана, если другой коммутатор обеспечивает аналогичную связь между узлами или они связаны напрямую. При этом необходимо позаботиться о достаточной пропускной способности сети, необходимой для резервирования вышедшего из строя коммутатора.

Блок реконфигурируемой вычислительной сети (РВС), находящийся на третьем уровне архитектуры, обеспечивает систему управления высокими вычислительными мощностями для решения сложных задач обработки информации, принятия решений, распознавания и т.д. Блок отвечает за инициализацию всей системы управления: проверка работоспособности коммутаторов и узлов, целостности сети, построение графов сети всей системы, установка стартовых параметров работы блоков ввода-вывода. Узлы этого блока предусматривают архивирование как собственных данных, так и данных с блоков ввода-вывода. Каждый узел этого блока может исполнять роль машины оператора, предназначенной для мониторинга работы системы и внесения корректировок в программы работы как этого узла, так и всех узлов системы, выполнения реконфигурации по запросу.

Распределение нагрузки

Одной из основных задач системы L-Net является распределение вычислительной нагрузки на узлах сети. Решение данной задачи основывается на построении вычислительных конвейеров. Для построения вычислительного конвейера предварительно строится граф задачи – схема обмена потоками данных от источника к получателю. В качестве источника выступают датчики, а в качестве получателя – исполнительные механизмы. Сам вычислительный конвейер представляет собой отображение графа задачи (см. рис.3) на граф вычислительной сети (см. рис.4) с учетом требований задачи к вычислительным ресурсам системы и текущему ее состоянию.

Решением является использование сервиса, предоставляющего получателю исчерпывающую информацию о текущем аппаратном обеспечении, его состоянии и доступных источниках данных, выполняющего работу с графами сети и задачи. В результате повышается быстродействие за счет конвейеризации вычислений и организуется рациональное использование всех доступных системе вычислительных ресурсов.

Отказоустойчивость

Основной проблемой функционирования подобной системы является полное нарушение работоспособности вычислительных конвейеров при отказе любого узла этого конвейера или при нарушении передачи данных между ними. Базовыми средствами протокола Qnet достигается восстановление связей между узлами при частичном их нарушении за счет резервных линий, предусмотренных архитектурой. Система L-Net решает проблему восстановления работоспособности при полном отказе хоста вычислительной системы путем динамической реконфигурации вычислительного конвейера, т.е. использованием рабочих ресурсов для замещения сбойного блока. Система предусматривает три сценария восстановления (реконфигурации), отличающихся временем реакции на факт отказа, временем восстановления и используемыми аппаратными ресурсами: по факту отказа, с пассивной готовностью, с активной готовностью.

• Реконфигурация по факту отказа – после обнаружения отказа производятся поиск доступного аппаратного обеспечения и его включение в граф задачи.
• Реконфигурация с пассивной готовностью – резервирующее аппаратное обеспечение определяется заранее, запускается процесс, обеспечивающий реализацию вершины графа задачи на узле, устанавливаются соединения, но процесс не производит обработку данных, если не произошел отказ основного узла.
• Реконфигурация с активной готовностью – вершина графа задачи реализуется на нескольких узлах, которые параллельно выполняют обработку данных и передают результат.

В результате обеспечивается гибкая готовность системы к сбоям как на программном, так и на аппаратном уровнях, возможность изменять конфигурацию узлов без остановки работы и потери производительности при независимости от реализации сети, вычислительного конвейера и узла.

Заключение

Разработанная система L-Net в отличие от существующих аналогов предполагает использование широкого спектра аппаратных характеристик узлов РСУ при полной их программной совместимости. При работе узлов под управлением одной операционной системы (QNX Neutrino) обеспечивается возможность их построения на различных процессорных архитектурах (x86, ARM, MIPS и т.д.) с разнообразными наборами интерфейсов и периферийных устройств. Реализация узлов возможна в виде настольных, промышленных ПК, носимых ПК и одноплатных компьютеров. Все составляющие комплекса программного обеспечения разрабатываемой РСУ могут быть запущены на любом ее узле с ОС QNX, при этом остается возможность использования узлов с другой операционной системой. Такой подход позволяет использовать каждый узел для решения задач как операторского уровня, так и уровня управления. Следовательно, имеется гибкая система взаимодействия между одноранговыми узлами без жесткой иерархии уровней, присущей обобщенной архитектуре РСУ и системам использующих данную архитектуру как базовую. Одноранговость сети упрощает процессы развертывания, эксплуатации, масштабирования и отладки системы.

Для реализации вычислительного потенциала резервирующего аппаратного обеспечения в разрабатываемой системе предлагаются алгоритмы динамического конфигурирования и реконфигурирования, основанные на сетевом протоколе Qnet и программном обеспечении сети L-Net. Алгоритм динамического конфигурирования основан на распределении вычислительной нагрузки по всем узлам путем конвейеризации и распараллеливания задач и динамической балансировки нагрузки на каналы передачи данных между узлами. Алгоритм реконфигурации системы предполагает наличие трех сценариев восстановления работоспособности при отказе в зависимости от имеющегося аппаратного обеспечения, приоритетов и задач, возложенных на систему: по факту отказа, с пассивной готовностью (выделение ресурсов) и с активной готовностью (использование ресурсов). Алгоритмы динамического конфигурирования и реконфигурирования позволяют повысить производительность и надежность за счет имеющихся в системе аппаратных резервов.

Немаловажным преимуществом системы является максимальная прозрачность применяемых в ней как аппаратных, так и программных технологий, что позволяет серьезно упростить техническое сопровождение системы и разработку к ней новых модулей.

Вывод

Разработанные архитектурные решения позволяют повысить такие показатели распределенных систем управления, как надежность, производительность, стоимость, масштабируемость и простота за счет возможности использования широкого набора аппаратного обеспечения, реализации алгоритмов динамической конфигурации и рационального использования ресурсов системы.

1. http://kazanets.narod.ru/DCSIntro.htm .
2. http://kazanets.narod.ru/PCS7Overview.htm .
3. http://www.rts.ua/rus/news/678/0/409 .
4. Зыль С. QNX Momentics: основы применения. – СПб: БХВ-Петербург, 2005.
5. Кртен Р. Введение в QNX Neutrino. Руководство для разработки приложений реального времени. – СПб: БХВ-Петербург, 2011.

Ключевые слова: распределенная система управления, информационное обеспечение систем управления, распределенные реконфигурируемые системы.

Architecture of a distributed control system based on reconfigurable multi-pipeline computing environment L-Net

Sergey Yu. Potomskiy, Assistant Professor of National Research University «Higher School of Economics».

Nikita A. Poloyko, Fifth-year student of National Research University «Higher School of Economics». Study assistant. Programmer. Field of training: «Control and informatics in the technical systems».

Abstract. The article is devoted to a distributed control system based on reconfigurable multi-pipeline computing environment. The architecture of the system is given. Also, the basic characteristics and functional properties of the system are given too. The article presents a rationale for the choice of the operating system. The basic advantages of the system in comparison with existing similar developments are shown in the article.

Keywords: distributed control system, systems software support, distributed reconfigurable.

Вконтакте

По утверждению известного специалиста в области информатики Э. Таненбаума, не существует общепринятого и в то же время строгого определения распределенной системы. Некоторые остряки утверждают, что распределенной является такая вычислительная система , в которой неисправность компьютера, о существовании которого пользователи ранее даже не подозревали, приводит к остановке всей их работы. Значительная часть распределенных вычислительных систем, к сожалению, удовлетворяют такому определению, однако формально оно относится только к системам с уникальной точкой уязвимости (single point of failure ).

Часто при определении распределенной системы во главу угла ставят разделение ее функций между несколькими компьютерами. При таком подходе распределенной является любая вычислительная система , где обработка данных разделена между двумя и более компьютерами. Основываясь на определении Э. Таненбаума, несколько более узко распределенную систему можно определить как набор соединенных каналами связи независимых компьютеров, которые с точки зрения пользователя некоторого программного обеспечения выглядят единым целым.

Такой подход к определению распределенной системы имеет свои недостатки. Например, все используемое в такой распределенной системе программное обеспечение могло бы работать и на одном единственном компьютере, однако с точки зрения приведенного выше определения такая система уже перестанет быть распределенной. Поэтому понятие распределенной системы, вероятно, должно основываться на анализе образующего такую систему программного обеспечения.

Как основу описания взаимодействия двух сущностей рассмотрим общую модель взаимодействия клиент- сервер , в которой одна из сторон (клиент) инициирует обмен данными, посылая запрос другой стороне (серверу). Сервер обрабатывает запрос и при необходимости посылает ответ клиенту (рис. 1.1).

Рис. 1.1.

Взаимодействие в рамках модели клиент сервер может быть как синхронным, когда клиент ожидает завершения обработки своего запроса сервером, так и асинхронным, при котором клиент посылает серверу запрос и продолжает свое выполнение без ожидания ответа сервера. Модель клиента и сервера может использоваться как основа описания различных взаимодействий. Для данного курса важно взаимодействие составных частей программного обеспечения, образующего распределенную систему.

Рис. 1.2.

Рассмотрим некое типичное приложение , которое в соответствии с современными представлениями может быть разделено на следующие логические уровни (рис. 1.2): пользовательский интерфейс (ИП), логика приложения (ЛП) и доступ к данным (ДД), работающий с базой данных ( БД ). Пользователь системы взаимодействует с ней через интерфейс пользователя, база данных хранит данные, описывающие предметную область приложения, а уровень логики приложения реализует все алгоритмы, относящиеся к предметной области .

Поскольку на практике разных пользователей системы обычно интересует доступ к одним и тем же данным, наиболее простым разнесением функций такой системы между несколькими компьютерами будет разделение логических уровней приложения между одной серверной частью приложения, отвечающим за доступ к данным, и находящимися на нескольких компьютерах клиентскими частями, реализующими интерфейс пользователя. Логика приложения может быть отнесена к серверу, клиентам, или разделена между ними (рис. 1.3).

Рис. 1.3.

Архитектуру построенных по такому принципу приложений называют клиент серверной или двухзвенной. На практике подобные системы часто не относят к классу распределенных, но формально они могут считаться простейшими представителями распределенных систем.

Развитием архитектуры клиент- сервер является трехзвенная архитектура , в которой интерфейс пользователя, логика приложения и доступ к данным выделены в самостоятельные составляющие системы, которые могут работать на независимых компьютерах (рис. 1.4).

Рис. 1.4.

Запрос пользователя в подобных системах последовательно обрабатывается клиентской частью системы, сервером логики приложения и сервером баз данных. Однако обычно под распределенной системой понимают системы с более сложной архитектурой, чем трехзвенная.

Распределенные АИС стали в настоящее время обыденной реальностью. В многочисленных корпоративных АИС используются распределенные базы данных. Отработаны методы распределения данных и управления распределенными данными, архитектурные подходы, обеспечивающие масштабируемость систем, реализующие принципы многозвенной архитектуры «клиент-сервер», а также архитектуры промежуточного слоя.

Начинают применяться на практике мобильные архитектуры. Это относится как к системам баз данных, так и к приложениям Web.

Возрождается подход к построению распределенных систем, основанный на одноранговой архитектуре (Peer-to-Peer), при котором, в отличие от доминирующей сегодня в распределенных системах архитектуры «клиент-сервер», роли взаимодействующих сторон в сети не фиксируются. Они назначаются в зависимости от ситуации в сети, от загруженности ее узлов.

В связи с интенсивным развитием коммуникационных технологий активно развиваются мобильные АИС. Разработаны технические средства и программное обеспечение для их создания. Благодаря этому стали развиваться мобильные системы баз данных. Многие научные коллективы проводят исследования специфических особенностей таких систем, создают разнообразные их прототипы. Важным инструментом для разработки мобильного программного обеспечения стали технологии Java.

Создан стандарт протокола беспроводного доступа приложений в Web (Wireless Application Protocol - WAP), который уже поддерживается некоторыми моделями сотовых телефонов. На основе WAP и языка XML консорциум W3C разработал язык разметки для беспроводных коммуникаций WML (Wireless Markup Language).

В разработках АИС больше внимания стали уделять метаданным. Здесь предпринимаются шаги в двух направлениях - стандартизация представления метаданных и обеспечение их поддержки в системе.

В АИС используются разнообразные способы и средства представления метаданных (различного рода репозитории метаданных). Отсутствие унификации в этой области значительно осложняет решение проблем мобильности приложений, повторного использования и интеграции информационных ресурсов и информационных технологий, а также реинжиниринга АИС.

Для преодоления указанных трудностей активно ведутся разработки стандартов метаданных, ориентированных на различные информационные технологии. В этой области уже существует ряд международных, национальных и индустриальных стандартов, определяющих представление метаданных и обмен метаданными в АИС. Некоторые из них уже приобрели статус стандартов де-факто. Ограничимся здесь упоминанием лишь наиболее значимых из них.

Вероятно, первым стандартом де-факто этой категории был язык описания данных CODASYL для баз данных сетевой структуры. Из более поздних стандартов следует назвать: стандарт языка запросов SQL для реляционных баз данных, содержащий определение так называемой информационной схемы - совокупности представлений схем реляционных баз данных; компонент стандарта объектных баз данных ODMG, описывающий интерфейсы репозитория объектных схем; международный стандарт IRDS (Information Resource Dictionary Systems), описывающий системы для создания и поддержки справочников информационных ресурсов организации.

Далее следует упомянуть разработанный консорциумом OMG стандарт CWM (Common Warehouse Metamodel) представления метаданных хранилищ данных, основанный на ранее созданном для более широких целей стандарте OIM (Open Information Model) консорциума MDC (Meta Data Coalition).

Новая технологическая платформа XML для Web также включает стандарты представления метаданных. Поддержка метаданных - это одно из важнейших нововведений Web, радикальным образом изменяющее технологии управления его информационными ресурсами. В то время как в технологиях баз данных поддержка метаданных была изначально необходимой, в Web первого поколения метаданные не поддерживались.

К числу стандартов метаданных Web относится подмножество языка XML, используемое для описания логической структуры XML-документов некоторого типа. Это описание называется DTD (Document Type Definition). Кроме того, платформа XML включает стандарт XML Schema, предлагающий более развитые возможности для описания XML-документов. Стандарт RDF (Resource Definition Framework) определяет простой язык представления знаний для описания содержимого XML-документов. Наконец, разрабатываемый стандарт OWL (Ontology Web Language) определяет формальный язык описания онтологии, предназначенный для семантического Web.

Стандарт языка UML (Unified Modeling Language), обеспечивающий представление метаданных инструментов CASE для визуального объектного анализа и проектирования, разработан консорциумом OMG. Этот язык поддерживается во многих программных продуктах CASE. Консорциум OMG создал также стандарт XMI (XML Metadata Interchange) для обмена метаданными между инструментами CASE, использующими язык UML.

Следует упомянуть здесь также стандарт Дублинского ядра (Dublin Core - DC) - набора элементов метаданных для описания содержания документов различной природы. Этот стандарт быстро приобрел популярность и нашел, в частности, широкое применение в среде Web (см. разд. 3.3).

Работы по развитию существующих и созданию новых стандартов представления метаданных для АИС продолжаются. Более подробные сведения о рассматриваемых стандартах можно найти в энциклопедии.

AggreGate является одной из немногих в мире IoT-платформ, которые действительно поддерживают распределенную архитектуру. Это обеспечивает неограниченную масштабируемость для балансировки и разделения всех операций серверов AggreGate на различных уровнях. Такая архитектура может быть основой как для решения текущих задач, так и для обеспечения потребностей в будущем.

В отличие от отказоустойчивого кластера , серверы AggreGate в распределенной архитектуре полностью независимы. Каждый сервер имеет свою собственную базу данных, аккаунты локальных пользователей и связанные с ними разрешения.

Распределенная архитектура AggreGate необычайно гибка. Технически она основана на формировании одноранговых связей между серверами и прикреплении частей единой модели данных одних серверов («поставщиков») к другим («потребителям»).

Цели распределенных операций

Основными целями распределенной архитектуры являются:

• Масштабируемость . Серверы нижнего уровня могут быть сильно нагружены, собирая данные и управляя большим количеством устройств в режиме, близком к реальному времени. Однако на практике количество устройств, которые могут обслуживаться с помощью одного сервера, ограничено до нескольких тысяч. При масштабировании системы для управления большим числом устройств разумно установить несколько серверов и объединить их в рамках распределенной установки.
• Балансировка нагрузки . Каждый сервер в распределенной установке решает свою задачу. Серверы управления сетью проверяют доступность и производительность сетевой инфраструктуры, серверы контроля доступа обрабатывают запросы от контроллеров дверей и турникетов. Операции контроля, такие как генерация отчетов и их рассылка по почте, могут выполняться на центральном сервере.
• Защита от вторжений . Вторичные серверы-зонды могут быть установлены в удаленных местах и подключены к центральному серверу. Системные операторы подключаются только к центральному серверу, при этом отпадает необходимость в настройке VPN и проброса портов к этим серверам.
• Централизация . Вторичные серверы могут работать в полностью автоматическом режиме, в то время как их настройка и мониторинг осуществляется через основной сервер, установленный в центральной диспетчерской.

Распределение ролей сервера

В данном простом сценарии два сервера объединены в распределённую инфраструктуру. Операторы системы постоянно подключены к серверу мониторинга, выполняя свои ежедневные обязанности. Руководство компании подключается к серверу отчётности и аналитики тогда, когда нужно получить срез данных. Независимо от объёмов данных и нагрузки на сервер, данная операция не повлияет на работу операторов.

Крупномасштабная облачная IoT-платформа

Поставщики телекоммуникационных и облачных услуг предлагают IoT-сервисы по моделям IaaS/PaaS/SaaS. В этих случаях речь идёт о миллионах устройств, принадлежащих тысячам пользователей. Обслуживание такой огромной инфраструктуры требует сотни серверов AggreGate, большинство из которых можно объединить в две группы:

• Серверы, хранящие реестр пользователей и их устройств, перенаправляющие подключения операторов и устройств на серверы нижнего уровня, а также агрегирующие данные для последующего анализа информации с участием серверов нижнего уровня
• Серверы, осуществляющие мониторинг и управление устройствами, а также получение, хранение и обработку данных

Серверы управления пользователями и устройствами также отвечают за взаимодействие с облачной системой управления, которая занимается развертыванием новых серверов хранения данных и аналитики, а также контролирует их работу.

Серверы хранения и обработки данных используют ресурсы (тревоги, модели, рабочие процессы, инструментальные панели и т.д.), полученные от серверов шаблонов, которые в свою очередь хранят мастер-копии данных ресурсов.

Многоуровневая инфраструктура Интернета вещей

Благодаря распределённой инфраструктуре AggreGate любое решение может включать в себя множество серверов разных уровней. Часть из них может работать на IoT-шлюзах, собирая данные, другие - хранить и обрабатывать информацию, а оставшаяся часть - осуществлять высокоуровневую агрегацию и распределённые вычисления.

Полевое оборудование, такое как сенсоры и актуаторы, может быть подключено к серверам напрямую, через агенты, через шлюзы или с помощью их комбинации.

Управление умным городом

Это пример основанной на AggreGate многоуровневой архитектуры для комплексной автоматизации большой группы зданий:

• Уровень 1 : физическое оборудование (сетевые маршрутизаторы, контроллеры, промышленное оборудование и т.д.)
• Уровень 2 : серверы управления (серверы мониторинга сети, серверы контроля доступа, серверы автоматизации зданий и другие)
• Уровень 3 : центры управления серверами зданий (один сервер на здание, который собирает информацию со всех серверов второго уровня)
• Уровень 4 : серверы районов города (конечный пункт назначения для эскалации оповещений более низкого уровня, мониторинг в реальном времени, интеграция с Service Desk-системами)
• Уровень 5 : серверы головного офиса (контроль серверов района, сбор и обобщение отчетов, оповещений)

Любой из вышеуказанных серверов может представлять собой отказоустойчивый кластер, состоящий из нескольких узлов.

Управление мультисегментной сетью

AggreGate Network Manager построен на платформе AggreGate и является типичным примером использования распределенной архитектуры. Большие сегментированные сети корпораций и операторов связи не могут контролироваться из единого центра из-за ограничений маршрутизации, политики безопасности или ограничений пропускной способности каналов связи с удаленными сегментами сети.

Таким образом, распределенная система мониторинга как правило состоит из следующих компонентов:

• Первичный или центральный сервер, собирающий информацию со всех сегментов сети
• Вторичные серверы или серверы-зонды , выполняющие опрос устройств в изолированных сегментах
• Специализированные серверы, такие как серверы анализа трафика, обрабатывающие миллиарды NetFlow-событий в день

Вторичные и специализированные серверы являются поставщиками информации для основного сервера, предоставляя часть своей модели данных центру управления. Это может быть:

• Все содержание дерева контекстов сервера-зонда, что позволяет полностью контролировать конфигурацию с центрального сервера. В этом случае сервер-зонд просто используется в качестве прокси для преодоления проблемы сегментации сети.
• Предупреждения, создаваемые сервером-зондом. В этом случае 99% рабочих мест могут быть удаленными, и оператор центрального сервера незамедлительно будет получать уведомления со вторичных серверов.
• Пользовательские наборы данных с серверов-зондов, такие как оперативная информация о состоянии критически важных устройств или обобщённые отчеты. Вся связанная с этим работа будет выполнена на вторичном сервере, позволяя распределить нагрузку.

Высокопроизводительное управление событиями

Некоторые сценарии использования платформы AggreGate, такие как централизованное управление инцидентами, предполагают, что значительное количество событий должно получаться, обрабатываться и постоянно храниться в структурированном формате. Порой потоки могут достигать объёмов в миллионы событий в секунду, причём полученных из разных источников.

В подобных случаях один сервер AggreGate не справится со всем потоком событий. Организовать обработку событий поможет распределенная архитектура:

• На генерирующих события объектах устанавливается несколько локальных серверов, обрабатывающих эти события. Несколько источников (зондов) могут подключаться к одному обрабатывающему серверу.
• Выделенный сервер хранения или мультисерверный кластер хранения больших данных привязывается к каждому локальному серверу обработки. Количество узлов кластера может варьироваться в зависимости от скорости генерации событий.
• Все локальные серверы хранения выполняют префильтрацию, дедупликацию, корреляцию (используя правила, применимые к локально подключаемым зондам), обогащение и хранение событий.
• Локальные серверы хранения подключаются к центральному серверу агрегирования. Сервер агрегирования отвечает за корреляцию важных событий всей системы.
• Операторы центрального сервера могут просматривать всю базу данных событий, при этом задачи поиска актуальных данных распределяются между серверами хранения. Таким образом, возможно создать централизованные отчетность и оповещения на основе базы данных по всем событиям.

Цифровое предприятие

AggreGate может выступать как координирующая платформа для цифрового предприятия. Каждый из серверов AggreGate может выполнять различные функции, начиная от мониторинга и управления удалёнными объектами и заканчивая высокоуровневыми сервисами, такими как бизнес-аналитика или, например, управление инцидентами.

Все серверы цифрового предприятия подключены друг к другу через распределённую инфраструктуру. Серверы нижнего уровня предоставляют доступ к части контекстов единой модели данных серверам верхнего уровня, позволяя создать ситуационный центр для целого предприятия.

В настоящее время все разрабатываемые в коммерческих целях ИС имеют распределенную архитектуру, которая подразумевает использование глобальных и/или локальных сетей.

Исторически первыми получила широкое распространение файл-серверная архитектура, поскольку ее логика проста и перевести на такую архитектуру уже находящиеся в эксплуатации ИС –проще всего. Затем она была трансформирована в архитектуру сервер-клиент, которую можно трактовать как ее логическое продолжение. Современные системы, используемые в глобальной сети INTERNET в основном относятся к архитектуре распределенных объектов (см. Рис. III ‑15 )

ИС можно представить состоящую из следующих составных частей (Рис. III‑16)

III.03.2. a Файл-серверные приложения.

Это исторически первая распределенная архитектура (Рис. III‑17). Организуется она предельно просто: на сервере находятся только данные, а все остальное относится к клиентской машине. Поскольку локальные сети достаточно дешевы, и в силу того, что при такой архитектуре прикладное ПО автономно, такая архитектура достаточно часто используется и сейчас. Можно сказать, что это вариант клиент-серверной архитектуры, при которой на сервере находятся только файлы данных. Разные персональные компьютеры взаимодействуют только по средствам общего хранилища данных, поэтому программы, написанные в расчете на один компьютер проще всего адаптировать под такую архитектуру.

Плюсы:

Плюсы файл-серверной архитектуры:

Простота организации;

Не противоречит необходимым требованиям к БД к поддержанию целостности и надежности.

Перегрузка сети;

Непредсказуемость реакции на запрос.

Эти недостатки объясняются тем, что любой запрос к БД приводит к перекачке по сети к значительным объемам информации. Например, для выборки из таблиц одной или нескольких строк перекачивается вся таблица на клиентскую машину и уже там СУБД производит выборку. Значительный сетевой трафик особенно чреват при организации удаленного доступа к БД.

III.03.2. b Клиент-серверные приложения.

В данном случае имеет место распределение обязанностей между сервером и клиентом. В зависимости от того, как они разделены различают толстого и тонкого клиента .

В модели «тонкий клиент” вся работа приложения и управление данны­ми выполняются на сервере. Пользовательский интерфейс в этих системах "переселяется" на персональный компьютер, а само программное приложение выполняет функции сервера, т.е. выполняет все процессы приложения и управляет данными. Модель тонкого клиента можно также реализовать там, где клиенты компьютеры или рабочие станции. Сетевые устройства запускают Internet-броузер и пользовательский интерфейс, реализованный внутри системы.

Главный недостаток модели тонкого клиента - большая загруженность сервера и сети. Все вычисления выполняются а сервере, а это может привести к значительному сетевое трафику между клиентом и сервером. В современных компьютерах достаточно вычислительной мощности, но она практически не используется в модель/тонкого клиента банка

Напротив, модель толстого клиента использует вычислительную мощность локальных машин: само приложение помещаются на клиентский компьютер. Примером архитектуры такого типа могут служить системы банкоматов, в которых банкомат является клиентом, а сервер -центральным компьютером, обслуживающим базу данных по расчетам с клиентами

III.03.2. c Двух- и трехуровневые архитектура клиент-сервер.

Все рассмотренные выше архитектуры являются двухуровневыми. В них различается уровень клиента и уровень сервера. Строго говоря, ИС состоит из трех логических уровней:

· Уровень пользователя;

· Уровень приложения:

· Уровень данных.

Поэтому в двухуровневой модели, где задействованы только два уровня, возникает проблема с масштабируемостью и производительностью, если выбрана модель тонкий клиент, либо проблемы связанные с управлением системы, если взята модель толстый клиент. Избежать этих проблем можно, если применять модель, состоящую из трех уровней, где два из них сервера(Рис. III‑21).

Сервер данных

Фактически сервер приложения и сервер данных могут располагаться на одной машине, но выполнять функции друг друга они не могут. Трехуровневая модель хороша тем, что в ней логически разделены выполнение приложения и управление данными.

Таблица III‑5 Применение разных типов архитектур

Архитектура	Приложение
Двухуровневая тонкий клиент	1 Наследуемые системы, в которых не целесообразно разделять выполнение приложения и управление данными. 2 Приложения с интенсивными вычислениями, но малыми объемами управления данными. 3 Приложения с большими объемами данных, но малым количеством вычислений.
Двухуровневый толстый клиент	1 Приложения, где пользователю требуется интенсивная обработка данных, то есть визуализация данных. 2 Приложения с относительно постоянным набором функций пользователя, применяемых к среде с хорошо отлаженным системным управлением.
Трехуровневый сервер-клиент	1 Большие приложения с сотами и тысячами клиентов 2 Приложения, в которых часто меняются и данные и методы их обработки. 3 Приложения, в которых выполняются интеграции данных из многих источников.

Такая модель подходит многим типам приложений, но ограничивает разработчиков ИС, которые должна решать, где предоставить сервисы, обеспечивать поддержку масштабируемости, разрабатывать средства для подключения новых клиентов.

III.03.2. d Архитектура распределенных объектов.

Более общий подход обеспечивает архитектура распределенных объектов, основными компонентами которой являются объекты. Они предоставляют набор услуг через свои интерфейсы. Другие объекты посылают запросы, при этом не делается различий между клиентом и сервером. Объекты могут располагаться на разных компьютерах в сети и взаимодействовать по средствам промежуточного ПО, по аналогии системной шины, которая позволяет подключать различные устройства и поддерживать взаимодействие между аппаратными устройствами.

…

Диспетчер драйвер ODBC

Драйвер 1

Драйвер К

БД 1

БД К

Работа с SQL

…

Архитектура ODBC включает компоненты:

1. Приложение (например, ИС). Оно выполняет задачи: запрашивает соединение с источником данных, посылает SQL – запросы к источнику данных, описывает область хранения и формат для SQL – запросов, обрабатывает ошибки и оповещает о них пользователя, осуществляет фиксацию или откат транзакций, запрашивает соединение с источником данных.

2. Диспетчер устройств. Он загружает драйвера по требованию приложений, предлагает единый интерфейс всем приложениям, причем интерфейс администратора ODBC одинаков и независим то того, с какой СУБД приложение будет взаимодействовать. Диспетчер драйверов, поставляемый Microsoft, является динамически загружаемой библиотекой DLL.

3. Драйвер зависит от СУБД. Драйвер ODBC – это динамическая библиотека DLL, которая реализует функции ODBC и взаимодействует с источником данных. Драйвер – это программа, которая обрабатывает запрос какой-то функции специфично для СУБД (может модифицировать запросы в соответствии с СУБД) и возвращает результат приложению. Каждая СУБД, поддерживающая технологию ODBC, должна предоставить разработчикам приложений драйвер для этой СУБД.

4. Источник данных содержит управляющую информацию, задаваемую пользователем, информацию об источнике данных и используется для доступа к конкретной СУБД. При этом используются средства ОС и сетевой платформы.

Динамическая модель

Эта модель предполагает много аспектов, для представления которых на языке UML используется как минимум 5 диаграмм см. пп. 2.04.2- 2.04.5.

Рассмотрим аспект управления. Модель управления дополняет структурные модели.

Каким бы образом не была описана структура системы, она состоит из набора структурных единиц (функций или объектов). Чтобы они функционировали как единое целое, ими надо управлять, а информация по управлению отсутствует в статических диаграммах. В моделях управления проектируется поток управления между системами.

Можно выделить два основных типа управления в программных системах.

1. Централизованное управление.

2. Управление, основанное на событиях.

Централизованное управление может быть:

· Иерархическим - по принципу «вызов-возврат» (именно так чаще всего работает учебные программы)

· Модель диспетчера , которая применяется для параллельных систем.

В модели диспетчера предполагается, что один из компонентов системы – диспетчер. Он управляет как запуском, так и завершением систем и координацией остальных процессов системы. Процессы могут работать параллельно друг другу. Под процессом понимается программа, подсистема или процедура, которая работает на данный момент. Эта модель может применяться также в последовательных системах, где управляющая программа вызывает отдельные подсистемы в зависимости от каких-то переменных состояния (через оператор case ).

Управление событиями предполагает отсутствие какой-либо подпрограммы ответственной за управление. Управление осуществляется внешними событиями: нажатие клавиши мыши, нажатие клавиатуры, изменения показания датчиков, изменения показания таймера ит.д. Каждое внешнее событие кодируется и помещается в очередь событий. Если реакция на событие в очереди предусмотрена, то вызывается та процедура (подпрограмма), которая и осуществляет реакцию на это событие. События, на которые реагирует система, могут происходить либо в других подсистемах, либо во внешнем окружении системы.

Примером такого управления является организация приложений в ОС Windows.

Все описанные ранее структурной модели можно реализовать с помощью централизованного управления или управления, основанного на событиях.

Пользовательский интерфейс

При разработки модели интерфейса следует учитывать не только задачи проектируемого ПО, но и особенности мозга, связанные с восприятием информации.

III.03.4. a Психофизические особенности человека, связанные с восприятием и обработкой информации.

Часть мозга, которую условно можно назвать процессором восприятия, постоянно, без участия сознания, перерабатывает поступающую информацию, сравнивает ее с прошлым опытом и помещает ее в хранилище.

Когда зрительный образ привлекает наше внимание, тогда интересующая нас информация поступает краткосрочную память. Если же наше внимание не было привлечено, то информация в хранилище пропадает, замещаясь следующими порциями.

В каждый момент времени фокус внимания может фиксироваться в одной точке, поэтому если возникает необходимость одновременного отслеживания нескольких ситуаций, то фокус перемещается с одного отслеживаемого объекта на другой. При этом внимание рассредоточивается, и какие-то детали могут быть упущены. Существенно и то, что восприятие во многом основано на мотивации.

При смене кадра мозг на некоторое время блокируется: он осваивает новую картинку, выделяя наиболее существенные детали. Это значит, что если необходима быстрая реакция пользователя, то резко менять картинки не стоит.

Краткосрочная память - самое узкое место в системе обработки информации человека. Ее емкость равна 7±2 несвязанных объекта. Невостребованная информация хранится в ней не более 30 секунд. Чтобы не забыть какую-нибудь важную для нас информацию, мы обычно повторяем ее про себя, обновляя информацию в краткосрочной памяти. Таким образом, при проектировании интерфейсов следует иметь в виду, что подавляющему большинству сложно, например, запомнить и ввести на другом экране числа, содержащие более пяти цифр.

Несмотря на то, что емкость и время хранения долгосрочной памяти неограниченны, доступ к информации весьма непрост. Механизм извлечения информации из долгосрочной памяти имеет ассоциативный характер. Для улучшения запоминания информации ее привязывают тем данным, которые память уже хранит и позволяет легко получить. Поскольку доступ к долгосрочной памяти затруднен, целесообразно рассчитывать не на то, что пользователь вспомнит информацию, а на то, что пользователь узнает ее.

III.03.4. b Основные критерии оценки интерфейсов

Многочисленные опросы и обследования, проводимые ведущими фирмами по разработке программного обеспечения, показали, что пользователи ценят в интерфейсе:

1)простоту освоения и запоминания - конкретно оценивают время освоения и продолжительность сохранения информации и памяти;

2)скорость достижения результатов при использовании системы, которая определяется количеством вводимых или выбираемых мышью команд и настроек;

3)субъективную удовлетворенность при эксплуатации системы (удобство работы, утомляемость и т. д.).

Причем для пользователей-профессионалов, постоянно работающих с одним и тем же пакетом, на первое место достаточно быстро выходят второй и третий критерии, а для пользователей-непрофессионалов, работающих с программным обеспечением периодически и выполняющих сравнительно несложные задачи - первый и третий.

С этой точки зрения на сегодняшний день наилучшими характеристиками для пользователей-профессионалов обладают интерфейсы со свободной навигацией, а для пользователей-непрофессионалов - интерфейсы прямого манипулирования. Давно замечено, что при выполнении операции копирования файлов при прочих равных условиях большинство профессионалов используют оболочки типа Far, а непрофессионалы - «перетаскивание объектов» Windows.

III.03.4. c Типы интерфейсов пользователя

Различают следующие типы пользовательских интерфейсов:

Примитивные

Со свободной навигацией

Прямого манипулирования.

Интерфейс примитивный

Примитивным называется интерфейс, который организует взаимодействие с пользователем и используется в консольном режиме. Единственное отклонение от последовательного процесса, который обеспечивается данными, заключается в организации цикла для обработки нескольких наборов данных.

Интерфейс Меню.

В отличие от примитивного интерфейса, позволяет пользователю выбирать операцию из специального списка, выводимого ему программой. Эти интерфейсы предполагают реализацию множества сценариев работы, последовательность действий в которых определяется пользователями. Древовидная организация меню предполагает, что поиск пункта более чем двух уровневого меню оказывается довольно сложной задачей.