Московский Энергетический Институт (Технический Университет) Кафедра Атомных электрических станций

Воробьев Ю.Б., Устюхина И.В.

Учебное пособие

по курсу

ИНФОРМАЦИОННЫЕ И СЕТЕВЫЕ ТЕХНОЛОГИИ ЯДЕРНОЙ ЭНЕРГЕТИКИ

Москва, 2012

1

ВВЕДЕНИЕ

В настоящее время информационные системы широко используются практически во всех областях промышленного производства, бизнеса и научных исследований. Конечно, это относится также и к области Ядерной энергетики (ЯЭ). Практически любой человек в настоящее время знаком с информационными технологиями (ИТ) в виде персональных компьютеров, мобильных устройств и т.п. Это создает часто иллюзию их знания и простоту использования, в том числе применительно к атомной отрасли. Другая крайность основана на отдаче на откуп вопросов информационных технологий чистым специалистам по ИТ. Оба подхода чреваты серьезным недоучетом как специфики АЭС применительно к информационным технологиям, так и наоборот специфики информационных технологий применительно к АЭС.

Основные моменты указанной специфики следующие:

1.Объекты Ядерной энергетики имеют дело с радиоактивными веществами (РВ). Следовательно, мы должны использовать защищенные каналы передачи информации для недопущения несанкционированного распространения информации о РВ и, следовательно, нераспространения самих РВ.

2.Объекты типа АЭС являются сложными технологическими объектами с большой потенциальной опасностью. Следовательно, с этой стороны к информационным системам необходимо предъявлять следующие требования:

a.Защищенность, как по линиям связи, так и по внутреннему строению. Мы должны учитывать возможность как взлома системы защиты со стороны, так и внутри ядерного объекта, с последующим контролем его некими злоумышленниками.

b.Надежность компьютерных систем.

3.Учет специфики научно-технических расчетов в области ЯЭ. Основные требования следующие:

a.Надежность – способность проведения интенсивных расчетов в течение долгого периода времени без сбоев.

b.Производительность – конфигурация информационных систем должна обеспечивать максимальную эффективность проводимых расчетов.

2

4. Лицензионность. Данная проблема заключается в возможности функционирования объектов ЯЭ российского производства в других странах. При этом могут возникнуть коллизии по возможности использования коммерческого программного обеспечения.

В оптимальном случае задача применения информационных технологий к объектам и технологиям ЯЭ должна решаться специалистами, имеющими определенную подготовку в обоих направлениях и знающих всю специфику проблемы. Предлагаемый курс лекций должен восполнить данный пробел и предоставить студентам расширенные по сравнению с обывательским уровнем базовые знания в области информационных технологий.

Контрольный вопрос:

Какие требования предъявляются к проведению научно-технических расчетов в области ядерной энергетики?

3

1. ОПЕРАЦИОННАЯ СИСТЕМА КОМПЬЮТЕРА

На сегодняшний день можно выделить большой набор компьютерных технологий, которые относятся к ЯЭ. С точки зрения научно-технических расчетов это различного типа кодов для анализа тепло-гидравлических, нейтро-физических и других процессов [1]. В процессе конструирования в настоящее время широко внедряются различные системы помощи конструктору типа AutoCad [2] , системы САПР высокого уровня типа CATIA [3], SmartPlant [4]. В процессе эксплуатации АЭС и других объектов ЯЭ также широко используются компьютерные системы для проведения научно-технических расчетов по поддержке функционирования АЭС, задачи АСУ ТП, системы управления АЭС в виде производственного объекта. Данные системы управления основываются на структурировании всей информации в виде базы данных, оптимизации принимаемых решений на ее основе и контроле текущего хода выполнения производственных операций. Понятно, что данная система может быть обобщена на более высокий уровень управления. На следующем этапе функционирования АЭС – выводе из эксплуатации решаются схожие задачи научно-технической поддержки и управления.

Понятно, что в данном курсе мы не сможем рассмотреть все перечисленные системы, т.к. каждая зачастую требует подготовки специалиста в течение нескольких лет. Однако всех их объединяет то, что они функционируют на единой платформе – операционной системе (ОС) компьютера, которая сильно влияет на эффективность и надежность их функционирования, а также на другие специфичные особенности ЯЭ с точки зрения использования компьютерных систем, выделенные в ведении. Поэтому далее мы рассмотрим существующие ОС и их особенности при решении задач ЯЭ.

1.1.Определение операционной системы

ОС является множеством взаимозависимых управляющих компьютерных программ, выполняющих две основные функции:

1.Предоставления удобного интерфейса к компьютеру и прикладным программам.

2.Управлением компьютером для достижения некоторых показателей эффективности.

Задача (1) базируется на том факте, что без ОС пользователю компьютера пришлось бы решать многие сложные задачи его функционирования, что называется «в ручную». Например, при обращении к файлу на диске пользователь должен был бы

4

вычислить его физический адрес и на этой основе дать команду контроллеру диска на считывание необходимых байтов информации. То же касается и многих других задач. ОС же скрывает их микромеханику от пользователя, предоставляя ему возможность воспринимать потоки информации на макро-уровне, существенно облегчая эргономику процесса с помощью графического интерфейса.

Задача (2) заключается в таком выделении ресурсов различным функционирующим в данный момент программам, чтобы получить наибольшую производительность компьютерной системы. Показатели производительности могут быть разными и зависят от специфики решаемой задачи и часто противоречат друг другу при изменении типа рассматриваемой проблемы.

При решении задачи (2) ОС решает следующие две основные задачи:

1.планирование ресурса – определение, когда и сколько некоторого ресурса надо выделить прикладной программе

2.контроль состояния ресурса для обеспечения эффективности его использования и решении задачи планирования.

Под ресурсом здесь и далее понимается некий компонент компьютера, который может использовать прикладная программа. Это, например, может быть процессор, оперативная память, жесткий диск, принтер и т.д.

Решение перечисленных задач различные ОС обеспечивают на основе разных алгоритмов, разных архитектур их построения, что позволяет, исходя из рассматриваемой задачи, выбирать оптимальную ОС для ее решения.

1.2.Классификация ОС

ОС могут быть классифицированы по следующим признакам.

Многозадачность.

Есть ОС однозадачные (например семейства DOS) и многозадачные ( например UNIX). Хотя однозадачные ОС являются в некотором смысле устаревшими в настоящий момент, однако, есть целый класс задач, где они обеспечивают большую эффективность по сравнению с многозадачными. Функции однозадачной системы обычно

ограничиваются предоставлением удобного интерфейса пользователю для управления

5

компьютером. В дополнение многозадачные системы решают задачи управления разделением совместно используемых ресурсов.

Многопользовательский режим.

ОС бывают однопользовательские – например MS Windows 3.x/9x, MSDOS и многопользовательские, например UNIX, ОС на платформе MS Windows NT. Основным отличием многопользовательской ОС от однопользовательской является то, что в них имеется система защиты данных каждого пользователя от несанкционированного доступа других пользователей.

Многопроцессорная обработка.

В данном аспекте ОС разделяются как на те, что поддерживают ее и те, что нет. Поддерживающие, в свою очередь, подразделяются на асимметричные и симметричные. В асимметричных при работе ОС занимает только один процессор, распределяя прикладные задачи по оставшимся. В симметричной ОС распределение системных и прикладных задач происходит равномерно по всем процессорам, что позволяет достигнуть более сбалансированную загрузку всех процессоров. В то же время локализация ОС на одном процессоре в ассиметричной системе позволяет достигнуть большей надежности и в некоторых случаях производительности. Сама многопроцессорность компьютерных систем будет рассмотрена ниже.

Учет особенности аппаратной платформы.

С точки зрения функционирования ОС типы аппаратной платформы могут быть определены на основе типа используемого процессора, хотя могут быть выделены и другие типы классификации. В настоящее время в мире можно выделить две основные архитектуры процессоров: CISC и RISC. Исторически процессоры типа CISC появились ранее и называются процессорами с полным набором команд. К ним относится в первую очередь известная архитектура Intel x86. Процессоры типа RISC появились позже в 80-х годах прошлого века и возникли на основе стремления существенно ускорить вычисления. Дело в том, что статистический анализ используемости команд, имеющихся в процессоре, при его стандартном использовании показал, что в большинстве случаев используется только 20% от их общего количества. Поэтому возникла идея оставить в процессоре только 20% наиболее часто используемых команд и переместить оставшиеся 80% из процессора в оперативную память (ОП). При необходимости процессор сможет их загрузить оттуда. За счет освободившегося места в процессоре существенно, по

6

сравнению с процессорами типа CISC увеличивается количество регистров в процессоре. Большинство оставшихся команд выполняются за один такт. В процессорах типа RISC широко используется конвейерная обработка и прогнозирование ветвлений. Данные особенности были характерны для процессоров типа RISC в момент их возникновения и обеспечили им существенно более высокую производительность по сравнению с процессорами типа CISC. В настоящее время наблюдается определенное движение в развитии CISC к процессорам типа RISC в тоже время различия остаются и ОС должна их учитывать. ОС UNIX подобные могут функционировать на обоих типах процессоров, а системы типа MS Windows пока только широко используются на CISC.

1.3.Способы организации выполнения программ в ОС.

Здесь мы можем выделить следующие основные направления:

Системы пакетной обработки, которые призваны получить максимальную эффективность вычислительной системы с точки зрения обеспечения решения максимального количества задач в единицу времени. Для этого ОС по специальному алгоритму формирует очередь заданий на выполнение. Особенность этой очереди такова, что с ее помощью обеспечивается сбалансированная загрузка всех компонент компьютерной системы. Так, например, если одна задача занята интенсивным вводомвыводом, то на одновременное выполнение выбирается задача преимущественно процессорной обработки. ОС пакетной обработки используются, прежде всего, в таких областях, где время компьютерной системы очень дорого, в частности, на суперкомпьютерах. Очевидно, что в данной ОС интерактивная работа пользователя будет затруднена.

Системы разделения времени пытаются исправить недостаток ОС пакетной обработки при взаимодействии с пользователем. Для этого каждой задаче выделяется квант процессорного времени, в течение которого она может занимать процессор. По истечении данного времени задача вытесняется и запускается следующая. Очевидно, что если квант выбран достаточно малым, то у каждого пользователя создается иллюзия, что он единолично использует компьютер, и, тем самым, повышается эффективность интерактивной работы. Однако мы должны понимать, что общая эффективность системы по отношению к количеству решенных задач в единицу времени окажется меньшей, чем у ОС пакетной обработки. Большинство стандартных ОС построены на основе концепции разделения времени.

7

Системы реального времени применяются для управления различными технологическими процессами как, например, спутником, станками, ядерным реактором, экспериментальной установкой. Основной особенностью является тот факт, что время реакции системы не может быть больше чем некоторый квант времени tc , который определяется свойствами контролируемого процесса на основе важности отслеживаемых параметров и скорости их изменения. Очевидно, что наибольшую эффективность мы получим при использовании однозадачных ОС. Применение многозадачных ОС возможно, но специальное внимание должно быть уделено для гарантии обеспечения времени реакции системы по отношению к tc.

1.4.Особенности построения ядра.

Ядром ОС называется множество системных программ, совместное функционирование которых обеспечивает критически важные задачи ОС. В режиме работы процессора обычно выделяют два основных – привилегированный и пользовательский. Они отличаются степенью доступа к командам процессора, который в привилегированном является полным, а в пользовательском ограниченным.

Внастоящее время выделяют следующие основные методы построения ядра ОС.

A.Монолитное ядро. В данном случае все системные программы ОС функционируют совместно в едином адресном пространстве в привилегированном режиме и допускается любая связь между различными компонентами ядра. Основное достоинство данного подхода, то, что здесь обеспечивается более высокое быстродействие ядра. В тоже время можно предположить, что с точки зрения защищенности и надежности системы мы будем иметь ухудшение характеристик. Несмотря на это, ядро ОС Linux построено именно по этому принципу и, в то же время, зарекомендовало себя как быстрая, надежная и защищенная система.

B.Послойное или гибридное ядро. Данная архитектура призвана внести большую защищенность в монолитное ядро сохранив определенное быстродействие. В этом

случае привилегированный режим работы процессора разбивается на соответствующие кольца доступа, определяющие набор используемых команд. Внутри каждого кольца программы ядра ОС по-прежнему, как в случае монолитного ядра, могут осуществлять произвольную связь друг с другом. Связь же между кольцами ограничена четким интерфейсом.

8