2433
.pdf3. Водопровод
Важными параметрами подсистем водопровода являются их территориальное расположение. В общем случае водопровод – это сеть в трехмерном пространстве. При подаче воды должна приниматься во внимание разница высот обслуживаемых объектов.
Для эксплуатации водопровода актуальны задачи измерения давления в различных точках трубопровода, определения объемов пропущенной воды, регулирования потоков воды и другие.
4. Системы транспортировки грузов (логистические системы)
Элементы такой системы – это разнообразные виды транспорта, которыми пользуется человек для перевозки грузов, погрузочно-разгрузочная техника, а также транспортные пути, соединяющие поставщика с различными пунктами назначения и проч.
Цепочка транспортировки может иметь разную длину. В процессе транспортировки обычно используются разнообразные элементы системы. Цепочка подчас включает многочисленные перегрузки с одного вида транспорта на другой. Одной и той же транспортной единицей за один рейс могут доставляться к различным местам назначения грузы от разных поставщиков. В качестве параметров элемента системы доставки грузов могут использоваться ФИО собственника, наименование груза, скорость передвижения, размер, вес и стоимость грузов, вместимость складских помещений и прочее.
Задача оптимизации логистической системы (минимально возможное время при ограничении на стоимость или минимальная стоимость при ограничении на время) решается на отдельных элементах системы, затем решения сшиваются. Получить общее решение для такой многопараметрической задачи невозможно.
10
5. Банковская система
Сеть банков распределена повсеместно и нацелена на обслуживание клиента, независимо от его местоприбывания, и получение прибыли. Для успешного функционирования банки связаны между собой финансовой системой и сетью технических средств. Для реализации основной задачи решаются частные, промежуточные – проводка платежей, оформление бумаг, непосредственные получение или выдача денег, рассылка сообщений и т.д. Частные задачи решаются в территориально различных подразделениях. Общая задача сводится к распределенной.
6. Предприятие
Любое предприятие представляет собой распределенную систему. Предприятие имеет свою направленность работы и, как правило, решает одну или несколько общих задач. Для решения этих общих задач каждое структурное подразделение предприятия решает более мелкие задачи.
Любое предприятия имеет свой режим работы, форму организации труда, правила внутреннего распорядка, которые необходимо знать молодому специалисту при поступлении на работу и студенту при прибытии на производственную практику.
7. Корпорации
Крупные, средние и иногда даже мелкие фирмы имеют офисы, производства и являются территориально рассредоточенными. Для успешного функционирования в отделениях корпораций используют распределенные информационные системы.
8. Схема цифрового устройства
Элеметами такой распределенной системы являются интегральные схемы, которые связаны между собой в соответствие с функцией, которую выполняет устройство. При изменении функции устройства меняются комплектующие элементы и соединения между ними.
11
9. Микропроцессорные системы
Микропроцессорной системой (МПС) называют специализированную информационную или управляющую систему, построенную на основе микропроцессорных средств.
Основу любой МПС составляет микропроцессор или микроконтроллер.
Микропроцессор – это конструктивно и функционально завершённое, программно-управляемое устройство, которое предназначено для обработки цифровой информации и управления процессами этой обработки. Микропроцессор может быть выполнен на одной или нескольких больших интегральных схем (БИС)
Микроконтроллер (МК) – это МПС с малыми вычислительными возможностями, упрощенной системой команд, примитивными способами адресации, ориентированной не на производство вычислений, а на функции логического управления оборудованием.
Микроконтроллеры – наиболее простой тип МПС, в которых все или большинство узлов реализованы в виде одной микросхемы.
МПС имеет магистрально-модульный принцип организации. Отдельные блоки в этой системе являются функционально законченными, имеющими свои собственные схемы управления. Межмодульные связи и обмен информацией между устройствами осуществляются с помощью коллективных шин (магистралей), доступ к которым имеют все основные модули системы. В один и тот же момент времени обмен возможен только между двумя модулями, т. е. имеет место режим разделения времени.
МПС предназначены для автоматизации обработки информации и управления различными процессами. Они широко используются в изделиях производственного и культур- но-бытового назначения.
12
10. Умное освещение
Это интеллектуальная сеть, позволяющая обеспечить требуемую освещенность там, где это необходимо. Ее использование позволяет экономить электроэнергию. Неотъемлемым управляющим компонентом этой системы является микроконтроллер.
Потребитель в помещениях с умным освещением может управлять светом на расстоянии, например, путем подачи инфракрасных или радиоволн с пульта управления или голосовыми командами
11. Интернет
Интернет представляет собой колоссальный набор компьютеров, разбросанных по всему миру и объедененных в сеть. На сетевых диаграммах Интернет обычно изображают как облако. Облако состоит из мельчайших капелек, так и Интернет объеденяет большущее множество компьютеров. Самими распространенными службами Интернет являются электронная почта и всемирная паутина World Wide Web.
12. Конвейерные системы
Это популярный способ организации технологического процесса на предприятиях. С помрщью конвейерной системы можно передавать топливо, сыпучие материалы пр.
В дальнейшем в пособии будем рассматривать РСи техологии, относящиеся к информатике и вычислительной технике.
1.3. Непрерывные и дискретные распределенные системы
Непрерывные РС – это РС с бесконечным числом элементов, при этом в любой сколь угодно малой окрестности любого элемента (в смысле предикатов местоположения) располагается, по крайней мере, ещеодин лемент.
Примером непрерывной РС является лист растения под лучами солнца. Лист имеет достаточно сложную струк-
13
туру. Элементами РС в данном случае являются клетки листовой ткани, основные функции которых – фотосинтез и газообмен. Пластинчатая структура листа устроена так, чтобы обеспечить клеткам листа доступ к солнечному свету. Лист получает информацию от солнца через специальные «антенны» - хлорофиллы, и затем преобразует ее в кислород и водород. Кислород, используется для дыхания всех живых существ на планете, в том числе и самих растений. Водород, в сочетании с поглащаемым листом углекислым газом, участвует в процессах фотосинтеза в виде сахаров, которые составляют основу растительного и животного мира. Клетки листа также получают питание через стебель и многочисленные прожилки, которые по сути дела являются основными магистралями распределенной системы.
В дискретных РС составляющие элементы как бы четко "обрисованы" и отделены друг от друга. Дискретными РС, например, являются распределенные информационные и вычислительные сети, газопровод, система сигнализации. В дальнейшем будут рассматриваться дискретные РС, а точнее системы и техологии, относящиеся к информатике и вычислительной технике.
1.4. Сосредоточенные и распределенные системы
Термин "распределенная" часто используется для систем, решающих одинаковые задачи, функционально эквивалентных, но конструктивно разных.
В системах управления с ЭВМ параллельно протекает несколько процессов. Процесс — это выполнение инструкций компьютерной программы на процессоре ЭВМ. Если все процессы могут быть реализованы на базе одной ЭВМ в режиме разделения времени, то в этом случае говорят о сосре-
доточенной системе с централизованным управлением.
Если реализация процесса происходит на базе нескольких
14
процессоров и ЭВМ, взаимодействующих между собой, то имеем распределенную систему.
1.5.Тандемы распределенных систем
Вразличных организациях и на предприятиях РС обычно представляют собой тандем систем.
Если одна РС помогает другой РС в достижении поставленной цели, то говорят, что эти две системы работают в «тандеме». При этом система, которой помогают достичь поставленную цель, является основной. РС, которая помогает первой системе достичь цель, называют вспомогательной системой.
Вкачестве примера тендема РС можно привести группу студентов, обучающихся дистанционно, и обучающий их преподавательский коллектив. Цель такого тандема – подготовка специалиста, знания которого соответствуют стандартам выбранной специальности. При этом группа студентов является основной системой, коллектив преподавателей, ведущий занятия в этой группе, – вспомогательной системой.
15
2. РАСПРЕДЕЛЕННЫЕ ЗАДАЧИ И АЛГОРИТМЫ
2.1. Понятия распределенной задачи и распределенного алгоритма
Любая система всегда работает для достижения определенной цели. Цель может быть поставлена либо самой системой, либо откуда-то из внешнего пространства. Достижению цели системы помогает решение задачи соответствии с определенным алгоритмом. Если система является распределенной, то говорят о решении распределенной задачи. Для решения такой задачи в разных точках пространства располагают исходные данные. Результаты решения распределенной задачи необходимы в различных точках пространства. В некоторых случаях распределенную задачу представляют как некоторую композицию подзадач. Часть таких подзадач могут являться сосредоточенными, т.е. исходные данные могут располагаться в одной точке пространства, где и востребованы результаты решения подзадач.
Распределенная задача решается в соответствие с за-
данным распределенным алгоритмом. Как уже говорилось,
исходные данные сосредотачиваются и обрабатываются в различных точках пространства, а результаты такой обработки передаются в разные точки пространства. В различных точках пространства могут находиться группы исполнителей (распределенные исполнители), что также указывает на распределенность алгоритма.
В соответствие с алгоритмом происходит обработка как исходных данных, так и промежуточных, а в больших системах происходит обращение к БД. Для работы распределенного алгоритма необходимую информацию обычно организуют либо в виде сосредоточенной или либо в виде распределенной БД.
Частным случаем распределенных алгоритмов являются протоколы. Протокол – это стандарт, определяющий поведение
16
функциональных систем при передаче данных. Протокол характеризуется тем, что имеются, по крайней мере, две точки пространства, соединенные каналом связи. В каждой из этих точек выполняется некоторый локальный (сосредоточенный) алгоритм. Допустим, имеются две точки с номерами один и два, соединенные каналом связи. Локальный алгоритм в первой точке выполняется до момента времени, когда для продолжения работы потребуются данные от другого локального алгоритма из второй точки. Локальный алгоритм из первой точки посылает через канал связи запрос на данные локальному алгоритму, функционирующему во второй точке. Алгоритм из второй точки в ответ пересылает сообщение с требуемыми данными по каналу связи. После этого локальный алгоритм первой точки продолжает свою работу.
Предназначение протоколов состоит в реализации режимов обмена данными между удаленными объектами. В плане вычислений протоколы как локальные алгоритмы сложностью не отличаются.
Среди распределенных алгоритмов стоит выделить
криптографические протоколы. Протокол является крипто-
графическим, если он решает, по крайней мере, одну из следующих задач криптографии – обеспечение конфиденциальности, целостности, неотслеживаемости.
Конфиденциальность – это доступность информации только определённому кругу лиц. Целостность – это гарантия существования информации в исходном виде.
Неотслеживаемость информации – это невозможность получения нарушителем содержательной информации на основе наблюдения за действиями законных пользователей.
2.2. Многопроцессорность и Grid-системы
Одно из направлений в области РС – это высокопроизводительные вычисления. Компьютерная РС в данной области используется как один мощный вычислитель, выполняю-
17
щий поставленные задачи. Процесс вычислений можно ускорить, если применить многопроцессорную ЭВМ.
Многопроцессорность – это использование пары или большего количества физических процессоров в одной компьютерной системе. Такая технология предполагает, что вычисления можно распараллеливать. Задача распараллеливания является достаточно сложной и зависит от архитектуры системы. Алгоритмы не всегда выполняются параллельно, в определенные моменты времени одни процессоры могут быть очень загружены, другие - простаивать.
Современные многопроцессорные компьютеры могут иметь до тысячи процессоров и являться дорогостоящими. Как правило, они используются в специализированных вычислительных и информационных центрах.
Альтернативой многопроцессорности систем является подход, предполагающий использование отдельных компьютеров, присоединенных к глобальной сети связи и находящихся в собственности отдельных пользователей и организаций. Одновременное использование в сети сразу большого количества компьютеров для выполнения одной задачи, по сути дела, представляет собой мощный супервычислитель.
Технологии, предполагающие применение глобальной сети компьютеров для решения сложных задач, называются
Grid-технологиями.
Технологии, обеспечивающие доступ к глобальным информационным ресурсам, называют Web-технологиями.
Рассмотренные выше подходы к применению многопроцессорности востребованы для реализации сложных алгоритмов анализа большого объема данных, которые исчисляется в терабайтах и даже пентабайтах, и необходимы в различных областях науки и техники, например, в физике, биологии, медицине, экономике, сейсмоанализе, химии, фармакологии, статистике.
18
3. НАДЁЖНОСТЬ И БЕЗОПАСНОСТЬ РАСПРЕДЕЛЕННЫХ СИСТЕМ
3.1. Понятия надежности и безопасности
Вопросы надежности и безопасности всегда есть и будут актуальными в любых организациях и предприятиях.
Надежностью системы, в соответствии с ГОСТ
27.002-89, – это свойство системы сохранять во времени в установленных пределах значения всех параметров, характеризующих способность выполнять требуемые функции в заданных режимах и условиях применения, технического обслуживания и транспортирования.
Системы надежны не всегда, а на каком-то ограниченном интервале времени. После истечения этого периода начинают происходить отказы в работе системы. Длительность безотказной работы обусловлена сложно предсказуемыми обстоятельствами. Поэтому отказ в работе представляет собой случайное событие, вероятность которого можно расчитать. Надежность системы характеризуется вероятностью отказа в работе (или вероятностью безотказной работы) в течение определенного интервала времени, а также средним временем работы до отказа.
Безопасностью системы – это состояние ее защи-
щенности от любого вида угроз – потенциально и реально существующих, или отсутствие таких угроз. Безопасность системы определяется действием внешних и внутренних факторов. Внешние и внутренние факторы не должны приводить к ухудшению или невозможности функционирования системы. Угрозы бывают разными. Самыми опасными являются угрозы полного физического разрушения.
При прибытии на предприятие для прохождения производственной практики студент обязательно должен получить инструктаж по охране труда и противопожарной безопасности на рабочем месте с соответствующей записью в
19