77

Понятие архитектуры

Компьютерная сеть реализует одну из основных особенностей современной информационной технологии  распределенную обработку данных с удаленным вызовом процедур. Отличительная особенность такой обработки данных  возможность исполнения задачи пользователя (Приложения) на функционально и территориально разделенных компьютерах различных архитектур и работающих под управлением различных операционных систем. Из этого следует, что компьютерная сеть должна обеспечивать обмен данными, находящимися в разных адресных пространствах и имеющими различные представления, определяемые архитектурой компьютера. Компьютерная сеть при таком подходе рассматривается как функционально и территориально распределенный комплекс аппаратных, программных и организационных средств, настраиваемый на решение задач определенной предметной области.

Компьютерная сеть классифицируется теорией систем как сложная система, то есть система, которая, в частности, не может быть осознана исследователем в целом. Методология исследования сложных систем  системный анализ  хорошо известна и предполагает исследование структурной организации и фундаментальных свойств системы на основе её функциональной декомпозиции. Архитектура системы рассматривается в системном анализе как интегральная характеристика сложной системы, комплексно описывающая функциональную, логическую и техническую организации системы (рис. 1).

Рис. 1. Архитектура компьютерной сети

Архитектура компьютерной сети в значительной степени определяется международным стандартом ISO 7498 (ГОСТ Р ИСО 7498-2-99)¹ “Эталонная модель взаимодействия открытых систем” (Open System Interconnection). Основная идея стандарта  классификация и декомпозиция функциональных задач, решение которых осуществляет компьютерная сеть, представление классов задач функциональными подсистемами и унифицированное описание методов взаимодействия этих подсистем друг с другом. Именно унифицированное описание методов взаимодействия различных по функциональному назначению подсистем позволяет ввести систему сетевых стандартов (протоколов), специфицирующих взаимодействие подсистем, установить взаимозависимость сетевых протоколов и определить место каждого протокола в Эталонной модели взаимодействия открытых систем. Такая идеология стандарта ISO 7498 позволяет создать концептуально целостную организацию компьютерной сети, которая допускает “настраиваемость” (адаптацию) параметров компьютерной сети на заданные требования пользователя и дает возможность модифицировать существующие реализации сетей в соответствие с новыми требованиями и стандартами, а так же стимулирует эволюцию сетей к новым перспективным разработкам, учитывающим развития научных взглядов и технических достижений.

Компьютерные сети являются технической основой для реализации информационно-управляющих систем различного назначения (рис. 1). Состав функциональных элементов информационно-управляющих систем и их назначение достаточно очевиден и здесь не рассматривается.

Разнообразие областей применения информационно-управляющих систем и, как следствие, разнообразие смыслового наполнения предметных областей, типовых задач и методов их решения порождают разнообразие требований к информационно-управляющим системам и, соответственно, к реализациям компьютерных сетей. Архитектура компьютерной сети определяется, таким образом, типовыми задачами (Приложениями) предметной области, методами и алгоритмами их решения.

Классическими примерами информационно-управляющих систем являются:

автоматизированные системы организационного управления, обеспечивающие: разработку сценариев развития предприятий и корпораций; управление банками и финансовыми учреждениями; управление городским хозяйством и транспортными системами; проведение выборов на региональном и государственном уровнях и другие аналогичные системы;

автоматизированные системы управления (Computer Aided Manufacturing ─ CAM) сложными техническими и технологическими установками и агрегатами, летательными аппаратами, химическими и металлургическими комплексами;

системы автоматизированного проектирования объектов и систем (Computer Aided Design ─ CAD), автоматизированной разработки программного обеспечения (Computer Aided Software Engineering ─ CASE);

офисные системы, системы автоматизации делопроизводства и документооборота, системы обработки графической и мультимедийной информации.

Системы организационного управления или системы менеджмента², например, должны обеспечивать решение комплекса взаимосвязанных и разноплановых (гетерогенных) задач, часть из которых классифицируется как “плохо формализованные”. Задачи этого класса отличаются неполнотой и неоднозначностью исходных данных, противоречивостью знаний о решаемой проблеме и отсутствием алгоритмических методов решения. Дополнительная сложность типовых задач организационного управления обусловлена возможным запаздыванием при принятии решения, большой инерционностью системы и большим объемом обрабатываемых данных, распределенных во времени. Связи в системах организационного управления между функциональными подсистемами, как правило, не отличаются структурной сложностью и достаточно очевидны, но учет их затруднен инерционностью системы и разнообразием функциональных подсистем. Решение этих задач обычно не связано с дефицитом времени, основывается, как правило, на экспертных оценках результатов обработки большого количества данных и носит субъективный характер.

Основные факторы, определяющие архитектуру компьютерной сети для систем этого класса, повышенная конфиденциальность обрабатываемой информации и принимаемых решений, территориальная распределенность решаемых задач и долговременное (годы) хранение больших объемов (гига и терабайты) данных.

Системы автоматизированного управления сложными техническими и технологическими установками и агрегатами (CAM-системы) осуществляют управление технологическими процессами и производствами в условиях “жестких” временных ограничений и содержат, как правило, большое количество управляемых объектов со сложной топологией причинно-следственных связей. Системы этого класса классифицируются теорией управления как многорежимные иерархические нестационарные системы [9, 19, 22, 26, 28]. Иерархическая природа управления со сложной топологией взаимодействия функциональных подсистем, в отличие от систем организационного управления, предъявляет совсем другие требования к компьютерной сети, на основе которой реализуется информационно-управляющая система.

Системы автоматизированного управления сложными техническими и технологическими установками и агрегатами включает в себя управляющую и управляемую подсистемы. Управляющая подсистема реализуется, как правило, в виде двухуровневой системы принятия решений. На нижнем уровне управляющей подсистемы реализуются классические алгоритмы управления, а на верхнем  логико-лингвистические алгоритмы анализа ситуации и планирования поведения системы. Совместное функционирование управляющей и управляемой подсистем приводит к достижению цели управления.

Управляющая подсистема технически выполняется в виде отказоустойчивой компьютерной сети с распределённой обработкой данных в реальном масштабе времени и реконфигурацией алгоритмических, программных и аппаратных средств. Масштаб реального времени понимается в данном случае как гарантированное время, возможно прерываемое, активизации и решения функциональных задач управления.

Системы автоматизированного проектирования (CAD-системы) должны обеспечивать комплексное решение всех задач проектирования: от проверки гипотезы до проведения испытаний образца и оценки результатов опытной эксплуатации изделия. Отличительная особенность задач проектирования ─ наличие большого числа исследуемых объектов со сложной топологией взаимодействия, проведение большого объёма моделирования (в том числе и в режиме реального времени), выполнение научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ, проведения натурных и полунатурных испытаний с использованием специализированных стендов и уникальной аппаратуры.

Проектируемые объекты могут иметь несколько реализаций (версий). Каждый объект и каждая версия объекта может храниться в системе проектирования в виде конструкторских чертежей, технологической документации, функциональных зависимостей, неструктурированных потоков данных (Binary Large Objects ─ BLOB) и так далее. В процессе автоматизированного проектирования участвует множество людей различных специальностей и квалификации. Сам проект, в процессе выполнения, частично изменяется и эти изменения должны отслеживаться всеми участниками проекта. Время внесения изменений в проект определяется руководителем проекта.

Архитектура компьютерной сети для CAD-систем должна обеспечивать: подключение к компьютерной сети специализированных стендов, нестандартного и уникального оборудования; возможность измерения физических величин, скорость изменения которых может отличаться на несколько порядков; хранение большого объёма данных, изменяющихся в процессе проектирования; хранение большого объёма, часто изменяемой, технической и технологической документации.

Офисные системы, системы автоматизации делопроизводства и документооборота также имеют свои, отличные от других, особенности. Они должны работать с большим объемом неструктурированных данных ─ текстами произвольного формата, электронной почтой, фотографиями, диаграммами, голосовыми сообщениями, аудио- и видеозаписями. Совершенно очевидно, что требования к информационным системам, базам данных и системам управления базами данных здесь отличаются от рассмотренных систем. Архитектура компьютерной сети, на основе которой реализуются информационные системы этого класса, должна учитывать необходимость обработки неструктурированных данных, голосовых и графических сообщений, аудио- и видеозаписей.

Аппаратные и программные средства современных компьютерных сетей позволяют реализовать информационно-управляющую систему, удовлетворяющую всем требованиям Приложений.