Организация взаимодействия компонент в слабосвязанных распределенных информационных системах

Стремительное развитие коммуникаций, сетевых и информационных технологий, происходящее в последние десятилетие во всем мире, а также развитие концепции открытости способствует глубокому проникновению распределенных информационных систем (ИС) во все сферы общественной жизни. Информационные и сетевые технологии открыли новую эпоху во многих отраслях знаний, особенно в тех, которые базируются на информации как таковой. Технологические достижения в данной области постоянно увеличивают возможности интеллекта человека и изменяют способы совместной работы и общения внутри человеческого сообщества.

С появлением персональных компьютеров остро встала проблема передачи данных между ними, которая привела к созданию разнообразных сетей и сетевых стандартов, вершиной которых безусловно является разработка эталонной модели взаимодействия открытых систем (ВОС, OSI). Развитие сетевых и информационных технологий до недавнего времени касалось в основном совершенствования базовой сети передачи данных в рамках четырех нижних уровней эталонной модели OSI. Совершенствовалась архитектура сетей, технология передачи данных и сами физические каналы связи. Параллельно шло развитие технологии распределенной обработки данных на основе многопроцессорных и кластерных архитектур, а также локальных сетей. Но только распределенные базы данных, мониторы транзакций и специализированные среды клиент-сервер, появившиеся в последнее время, стали использовать базовые сети передачи данных (преимущественно локальные сети) в качестве независимой транспортной среды.

Бурный рост числа компьютеров и локальных сетей, развитие сетевых технологий и приток крупных инвестиций в эту область привели в конечном итоге к созданию глобальной информационной сети Internet, объединяющей множество локальных сетей во всем мире. Такая динамика развития и популярность Internet обусловлена ориентацией сети на предоставление информационных сервисов. Ведь еще в 70-е годы выяснилось, что основную нагрузку в сети составляют не вычисления, а коммуникационные сообщения (почта и новости). Это привело к развитию систем электронной почты и телеконференций. Совершенствование систем доступа к информационным ресурсам привело к появлению «всемирной паутины» (World Wide Web), распределенной информационно-поисковой системы WAIS и множества других подобных систем. Данные системы получили широкое распространение и стали базовыми (общими) сервисами сети Internet. Поэтому Internet часто отождествляют не с сетевой архитектурой на базе протоколов TCP/IP, а с этими информационными сервисами. Развитие сервисов привело к формированию понятия Internet/Intranet-технологии.

Однако, наряду с развитием новых информационных сервисов Internet, продолжают существовать и создаются новые специализированные информационные системы, построенные на базе других технологий. В конечном счете, все их можно отнести к тому или иному типу технологии клиент-сервер, поскольку концептуально они нацелены именно на эту модель. С появлением Internet не как множества информационных систем и новых технологий их построения, а как базовой сети передачи данных глобального масштаба появилась возможность объединить ресурсы разрозненных информационных систем, выполняющих схожие функции, в единую распределенную информационную систему. Подобная распределенная система пользуется транспортным сервисом базовой сети передачи данных для обмена сообщениями между своими подсистемами. Очевидно, что подобные распределенные системы будут относиться в рамках эталонной модели ВОС к трем верхним уровням. Их создание позволит достичь качественно нового уровня информационных сервисов в рамках специализированных систем данного класса.

Таким образом, на современном этапе развития информационных и сетевых технологий, является актуальной проблема организации взаимодействия компонент (в частности, автономных информационных систем) в специализированных распределенных информационных системах на основе базовой сети передачи данных. Изучению данной проблемы и посвящена настоящая диссертационная работа.

Целью диссертационного исследования является поиск и разработка эффективного метода организации взаимодействия ИС определенного класса с целью их объединения в единую распределенную ИС, разработка архитектуры распределенной ИС на основе этого метода, создание модели организации взаимодействия для исследования метода, а также разработка алгоритмов обеспечения взаимодействия и целостности системы, доказательство применимости данных алгоритмов для обеспечения целостности, разработка спецификаций и программных компонент, обеспечивающих применение результатов исследования на практике.

Объект исследования — процессы взаимодействия компонент в распределенных информационных системах и поддержания целостности распределенных ИС.

Предмет исследования — процессы взаимодействия компонент в слабосвязанных специализированных распределенных ИС, компонентами которых являются автономные ИС определенной сферы применения, на основе базовой сети передачи данных.

В процессе диссертационного исследования были решены следующие задачи: проведено сравнение существующих методов организации взаимодействия по критерию их применимости к ИС рассматриваемого класса (см. предмет исследования) — проработана архитектура прикладной сети как метода организации взаимодействия компонент в слабосвязанных специализированных распределенных ИСпроведен структурный анализ и анализ количественных характеристик качества функционирования прикладных сетей с целью выбора наилучшей топологии на основе построенных обобщенных критериев. Анализ проведен с использованием теории графов и теории систем массового обслуживания;

• разработана модель маршрутизации на основе сети Петри для одноранговой древовидной топологии прикладной сетиразработана модель топологии прикладной сети, позволяющая исследовать проблему поддержания целостности прикладных сетей (восстановления связности). Модель базируется на теории графовразработан алгоритм восстановления связности с децентрализованным управлением. Решен ряд задач определения некоторых параметров, существенных для обеспечения требуемого уровня работоспособности прикладных сетейразработана архитектура библиотечной распределенной ИС на основе прикладной сетиразработан сетевой протокол прикладного уровня для библиотечной ИС, обеспечивающий организацию взаимодействия компонент библиотечной прикладной сети.

Научная новизна данной диссертационной работы выражается в следующем:

• разработана архитектура прикладной сети как нового метода организации взаимодействия компонент в слабо связанных специализированных распределенных информационных системах, детализировано понятие и сущность прикладной сетиразработана методика оценки показателей качества функционирования для нового объекта исследований — прикладных сетей, которая позволила провести анализ эффективности использования различных базовых топологий в прикладных сетяхпредложена модель древовидной одноранговой топологии прикладной сети, позволяющая исследовать проблему поддержания целостности прикладных сетей (восстановления связности топологии). Разработана новая методика восстановления связности;

• разработан и формализован новый алгоритм восстановления связности с децентрализованным управлением для случая древовидной топологии прикладных сетей.

Практическая ценность диссертационной работы заключается в разработке качественно нового подхода в области создания распределенных информационных систем регионального и глобального уровнейв разработке методики расчета показателей, существенных для обеспечения требуемого уровня работоспособности прикладных сетейв разработке архитектуры прикладной сети, обладающей свойством поддержания целостностив разработке конкретных алгоритмов поддержания целостности и прикладного протокола сервиса управления прикладной сетью.

Результаты диссертационной работы используются в рамках проекта создания библиотечной сети учреждений науки и образования Северо-западного региона России ЯШЬАШ [6,54].

На защиту выносятся: модель и методика расчета показателей качества функционирования в прикладных сетях с базовыми топологиямимодель организации взаимодействия компонент распределенных ИС посредством прикладной сети на основе древовидной одноранговой топологии с последовательной динамически настраиваемой конфигурацией передачи широковещательных сообщений иерархического типа;

• алгоритм восстановления связности прикладной сети с децентрализованным управлением.

Основные положения диссертационной работы обсуждались на международных и всероссийских конференциях и семинарах:

Региональная информатика — 96″, С-Петербург, СПбГТУ и ЦНИИ РТК,.

1996 г.

1-я научно-практическая конференция «Современные пользователи автоматизированных информационно-библиотечных систем: проблемы обслуживания, изучения и обучения», С-Петербург, РНБ, 1997 г.

8th Joint European Networking Conference (JENC8) «Diversity and Integration: The New European Networking Landscape», Edinburg, Scotland, 1997r.

Фундаментальные исследования в технических университетах", С-Петербург, СПбГТУ, 1997 г.

• 2-я научно-практическая конференция «Современные пользователи автоматизированных информационно-библиотечных систем: проблемы обслуживания, изучения и обучения», С-Петербург, РНБ, 1998 г.

5-я международная конференция «Библиотеки и ассоциации в меняющемся мире: новые технологии и новые формы сотрудничества» («Крым 98»), Судак, Автономная республика Крым, Украина, 1998 г.

• международная конференция «Интернет. Общество. Личность.» (ИОЛ-99), С-Петербург, 1999 г.

Основные результаты диссертации нашли отражение в 10 публикациях.

Диссертация состоит из 4-х глав.

В первой главе дается обзор современных и наиболее проработанных методов и соответствующих им технологий организации взаимодействия между ИС в рамках единой распределенной системы. Рассматриваются их достоинства и недостатки, ограничиваются сферы применения. Вводится классификация ИС в зависимости от типа компонентов, составляющих распределенную ИС, от их пространственного распределения, а также от степени связанности компонент в распределенной ИС. Определяется рассматриваемый в данной работе класс ИС. Дается анализ применимости данных методов к ИС рассматриваемого класса. Рассматривается концепция прикладной сети как один из методов организации взаимодействия, как основа построения ИС исследуемого класса.

Во второй главе проводится анализ базовых топологий прикладных сетей. Дается постановка задачи анализа базовых топологий прикладных сетей. Базовые топологии сравниваются по выделенным топологическим параметрам и показателям качества обслуживания. Предлагается модель прикладной сети в виде детерминированной сети систем массового обслуживания и методика расчета показателей качества обслуживания. В качестве математического аппарата используется теория графов и теория систем массового обслуживания.

В третьей главе рассматривается древовидная топология, особенности ее отображения на нижние уровни эталонной модели ВОС, влияние неисправностей физической сети на работоспособность прикладной сети. Предлагается модель организации взаимодействия компонент распределенной ИС на основе одноранговой древовидной топологии с последовательной динамически настраиваемой конфигурацией иерархического типа. Рассматриваются особенности маршрутизации в прикладных сетях и моделирование маршрутизации с помощью сетей Петри. Дается понятие сервиса управления прикладной сетью. Основное внимание уделяется проблеме поддержания целостности (восстановления топологической связности) прикладных сетей. Проводится исследование связности древовидных графов. Предлагается алгоритм восстановления связности и доказываются утверждения, гарантирующие применимость данного алгоритма. Решаются задачи определения некоторых параметров, существенных для обеспечения требуемого уровня работоспособности прикладных сетей. В качестве математического аппарата используется теория графов, теория вероятностей и исследование операций.

В четвертой главе рассматривается применение метода организации взаимодействия в виде прикладной сети древовидной топологии в рамках проекта создания библиотечно-информационной сети 1Ш8ЬА№ 1:. Приводится архитектура сети КиВЬАКе! Рассматривается сервис управления библиотечной сетью и алгоритм маршрутизации и поддержания целостности, основанный на теоретически обоснованном и формализованном алгоритме восстановления связности. Приводится.

13 разработанный для библиотечной сети прикладной протокол управления сетью, обеспечивающий функционирование предложенной модели организации взаимодействия и поддержание целостности прикладной сети.

Выводы по главе 4.

1. Проект RUSLANet предусматривает создание прикладной библиотечно-информационной сети учреждений науки и образования Северо-западного региона России. Центральная идея проекта RUSLANet — создание виртуального библиотечно-библиографического пространства, которое воплощается в реальном мире в виде распределенной библиотечной системы, элементы (структурные компоненты) которой представляют собой разнородные независимые локальные библиотечные системы, объединенные единой сетью. Эта библиотечная система относится к слабосвязанным РИС второго класса. Поэтому, принимая во внимание специфику библиотечной РИС, для организации взаимодействия между компонентами РИС целесообразно использовать прикладную сеть.

2. Архитектура прикладной сети RUSLANet включает БСПД с полносвязной топологией (на уровне верхнего сервиса) — семейство прикладных библиотечных протоколов, включая протокол поддержки сервиса управления сетью (RNCP), который реализует одноранговую древовидную топологиюнабор библиотечных сервисов и сервис управления сетью (СУС). Библиотечные данные хранятся в библиотечно-библиографической БД под управлением некоторой СУБД, которая входит в состав программного обеспечения узла прикладной сети.

3. RUSLANet использует семейство специализированных прикладных библиотечных протоколов, которое включает четыре базовых протокола: Z39.50, RNSP, RNNP и RNCP. В качестве БСПД используется Internet. Доступ к ресурсам библиотечной сети осуществляется посредством специализированных библиотечных АРМов и других программ, поддерживающих протокол Z39.50, который обеспечивает доступ к библиографическим БД. Протоколы RNSP, RNNP и RNCP служат для обеспечения функционирования прикладной сети как единого целого и поддержки распределенных сервисов. Сеть построена на основе технологии клиент-сервер типа сервера приложений. Применение данной технологии позволяет сделать клиент более тонким и открытым, рациональнее распределить нагрузку и исключить идеологию SQL-запросов из программ.

АРМов, что позволит при разработке АРМов сосредоточиться исключительно на логике приложения, абстрагировавшись от конкретных форматов и возможностей различных БД и, в конечном счете, сделает АРМы более открытыми. Использование протокола Z39.50 делает систему максимально открытой (насколько это возможно для библиотечной системы в настоящее время) как со стороны клиента, так и со стороны сервера.

4. Существуют два аспекта понимания терминов «локальный» и «распределенный». Первое, традиционное, понимание терминов связано с элементом прикладной сети — узлом: если в решении некоторой задачи (обеспечении некоторого сервиса) принимают участие информационные процессы только одного узла, то говорят, что задача решается локально, а если два или более узла — то распределенно. Другое понимание терминов связано с другим элементом прикладной сети — логическим каналом: если при решении некоторой задачи (обеспечении некоторого сервиса) происходит обмен в рамках одного логического канала (при этом задействованы два узла), то говорят, что задача решается локально, а если два или более логических каналов — то распределенно. Последнее понимание терминов «локальный» и «распределенный» несколько шире первого.

5. Основными сервисами сети RUSLANet являются: базовый, новостийный, поисковый, заказа литературы, электронной доставки документов, межбиблиотечного обмена литературой, управления сетью. СУС, новостийный и поисковый (реализующий распределенный поиск) сервисы относятся распределенным. Все локальные сервисы функционируют в рамках одного соединения on-line. Локальные сервисы реализуются в рамках единого протокола, которым является Z39.50. Несмотря на высокую развитость протокола Z39.50, для реализации прикладной библиотечной сети этого протокола недостаточно в силу наличия распределенных сервисов и собственно самой прикладной сети, понятие о которой не заложено в Z39.50. Распределенные сервисы реализуются отдельными протоколами, которые позволяют развивать их независимо и лучше учесть их специфику. Сервис управления сетью RUSLANet реализуется при помощи протокола RNCP (RUSLANet Control Protocol — RNCP).

6. Прикладная сеть RUSLANet оперирует более устойчивыми и глобальными объектами, чем используемая ею БСПД Internet. Поэтому для идентификации библиотечных ресурсов конкретной библиотечной системы (библиографических описаний, электронных документов) все узлы прикладной сети имеют глобальный уникальный идентификатор-адрес в пространстве узлов сети и в виртуальном библиотечном пространстве, поскольку каждый узел прикладной сети ассоциируется однозначно с библиотечной системой из этого виртуального пространства. Специфика прикладной сети RUSLANet требует создания собственной доменной системы с собственными механизмами разрешения имен и поддержания целостности. Система RUSLANet-адресов строится по типу DNS с тем отличием, что их привязка происходит непосредственно к библиотекам и связанными с ними библиотечным системам. Домены строятся по географическому принципу, что для библиотек является наиболее рациональным.

7. Сервис управления библиотечной прикладной сетью реализуется на основе объектной модели, которая включает два основных взаимодействующих друг с другом объекта: интерпретатор протокола и реализатор сервисных функций и интерфейса, которые реализуют основную функциональность СУ С. Протокол СУ С имеет предельно простую спецификацию поведения, поскольку он состоит из одного объекта — интерпретатора протокола, который обеспечивает прием и передачу ППБД в закодированном виде, кодирование и декодирование ППБД. ППБД имеют сложную структуру, поэтому для их спецификация выполнена средствами стандарта ASN.1. Для описания протокола СУ С была выбрана модель конечного автомата. Возможности этой модели соответсвуют уровню сложности рассматриваемого протокола. Спецификация протокольного сервиса RNCP содержит четыре базовых примитива: request, indication, response, confirmation, которые имеют один параметр — данные в виде ППБД. Надежную передачу сообщений протокола СУС обеспечивает транспортный уровень БСПД.

8. Базовые функции сервиса управления прикладной сетью включают: регистрацию новых узлов прикладной сети, передачу широковещательных сообщений, выдачу информации о сети и об узлах прикладной сети. В сети RUSLANet используется квазиоптимальный вариант подключения новых узлов, который учитывает специфику БСПД Internet (деление Internet на сети и подсети). Передача широковещательных сообщений включает две тесно связанных задачи: маршрутизации и поддержания.

205 целостности, которые реализуются в рамках единого алгоритма. В основе этого алгоритма лежит алгоритм ДАРР. Функция выдачи информации о сети имеет два интерфейса: сетевой и прикладной. Прикладной интерфейс предназначен для внешних процессов локального узла. Сетевой интерфейс обеспечивает распределенные запросы на поиск информации в БДС других узлов прикладной сети.

9. При реализации алгоритма поддержания целостности были использованы приведенные в гл. З теоретические проработки и обоснование алгоритма ДАРР.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

1. Сетевые информационные технологии являются наиболее динамично развивающейся областью научно-прикладных исследований. Тенденции развития распределенных информационных систем:

• стандартизация и унификацияобъектный подход;

• отделение логической структуры сети от физической.

Анализ методов организации взаимодействия в РИС, позволяющих отделить логическую структуру сети от физической и рассматривать глобальные СПД как основу создания информационной инфраструктуры в различных сферах деятельности, выявил ряд наиболее современных, проработанных и перспективных методов, получивших достаточно широкое распространение или имеющих тенденцию к такому распространению. Эти методы включают объектный метод, виртуальные сети, интеллектуальные сети и прикладные сети. Качественный анализ этих методов показал, что прикладные сети целесообразно применять для построения слабосвязанных РИС регионального или глобального масштаба.

2. Прикладные сети не получили достаточной конкретизации в современной технической литературе. В работе предлагается рассматривать прикладную сеть как совокупность прикладных информационных процессов и связывающих их логических каналов передачи данных. Эти информационные процессы функционируют на некотором подмножестве узлов базовой сети передачи данных в пределах трех верхних уровней эталонной модели взаимодействия открытых систем 081 и обеспечивают целостность сети и поддержку специфических для некоторой прикладной области информационных сервисов. Прикладные сети решают задачу отделения логической части сетевой среды от физической путем эмуляции модели ЛВС на общем прикладном уровне, охватывающем три верхних уровня эталонной модели взаимодействия 081. При этом обеспечивается эмуляция модели ЛВС (в которой основной аспект — наличие широковещательного трафика), как если бы все информационные процессы функционировали на узлах одной ЛВС. Механизмом реализации концепции прикладной сети является семейство прикладных протоколов. Один из протоколов семейства поддерживает сервис управления сетью, который обеспечивает организацию взаимодействия узлов прикладной сети и отвечает за формирование топологии, маршрутизацию, адресацию и поддержание целостности прикладной сети. Понятия топологии и маршрутизации тесно связаны в прикладных сетях.

Создание прикладной сети — не самоцель. Прикладная сеть выступает как основа (каркас) РИС определенного класса, обеспечивая организацию взаимодействия компонент РИС.

3. Основная задача прикладных сетей — организация распространения широковещательных (а также многоадресных и одноадресных) сообщений по узлам прикладной сети. В прикладных сетях, в отличие от обычных сетей, функционирующих в пределах четырех нижних уровней 081, маршрутизация формирует и поддерживает топологию сети. При исследовании прикладных сетей имеет смысл рассматривать только базовые топологии: полносвязную, кольцевую и древовидную.

4. Проведенный структурный анализ базовых топологий показал, что для организации прикладных сетей предпочтение следует отдать древовидной топологии. При исследовании древовидной топологии для того, чтобы получить определенные выражения для топологических параметров, рассматривались деревья регулярной структуры, а именно симметричные равностепенные по внутренним вершинам деревья, характеризующиеся параметром, задающим степень внутренних вершин. Были установлены следующие свойства таких деревьев:

• средняя степень всех вершин не зависит от степени внутренних вершин и определяется порядком дерева;

• доля висячих вершин определяется в основном степенью внутренних вершин и монотонно возрастает при возрастании степени внутренних вершин, стремясь к единице при стремлении степени внутренних вершин к бесконечности.

5. Для получения показателей качества функционирования прикладных сетей, таких как время распространения широковещательного сообщения по всем узлам прикладной сети и нагруженность узлов прикладной сети широковещательным трафиком, были разработаны математические модели в виде сети СМО для каждого типа базовых топологий. Особенностью этих моделей является то, что сеть СМО является не стохастической, а детерминированной. Эта особенность означает, что суммарная интенсивность входных потоков требований для сети СМО, моделирующей прикладную сеть, равна суммарной интенсивности входного потока для каждой СМО сети, моделирующей узел прикладной сети, и прямо пропорциональна количеству этих СМО (узлов прикладной сети). Данное утверждение накладывает существенные ограничения на пропускную способность сети СМО, но это заложено в самой природе обслуживания требований. Указанная особенность моделей позволила аналитически определить выражения для оценок показателей качества обслуживания в прикладной сети, опираясь на показатели качества обслуживания СМО, моделирующей некоторый узел прикладной сети. В качестве такой СМО рассматривалась система типа МЛлЛ с неоднородным входным потоком и приоритетным обслуживанием. Построенный на основе оценок показателей качества функционирования прикладных сетей, обобщенный критерий эффективности показал, что предпочтение следует отдать древовидной топологии.

6. Проведенный структурный анализ и анализ показателей качества функционирования прикладных сетей с различными базовыми топологиями позволил обосновать выбор древовидной топологии как наилучшей (в рамках выбранных критериев) для реализации прикладных сетей. Выбор критериев был произведен на основе выделения параметров, критичных для прикладных сетей в рамках решения наиболее ресурсоемкой задачи организации распространения широковещательного трафика.

7. Древовидная топология прикладных сетей является одноранговой с последовательной динамически настраиваемой конфигурацией передачи широковещательных сообщений. Она обладает определенной автономностью по отношению к физической сети, но тем не менее позволяет учесть топологию физических каналов связи, их скоростные характеристики и качество сетевого сервиса, доступного каждому конкретному узлу прикладной сети в БСПД, при построении конкретной конфигурации с целью наиболее полной утилизации возможностей соединений, доступных узлам прикладной сети. Однако в общем случае этому препятствует неоднозначность отображения логических каналов прикладных сетей на каналы передачи данных.

8. Неисправности физической топологии (отказ каналов, мостов, маршрутизаторов и тому подобное) оказывают самое непосредственное влияние на работоспособность прикладной топологии, причем неоднозначным образом, т. е. одна и та же неисправность физической сети в общем случае по-разному влияет на различные конфигурации прикладной сети. То, что прикладная сеть опирается на полносвязную топологию БСПД, позволяет изменить неисправную конфигурацию прикладной сети таким образом, что она, оставаясь в рамках используемой базовой топологии, свяжет между собой все исправные и доступные на транспортном уровне узлы прикладной сети.

9. Основные цели маршрутизации прикладной сети отличаются от целей маршрутизации БСПД и заключаются в следующем:

• формирование и поддержание топологии прикладной сети (целостности прикладной сети);

• обеспечение оптимального в определенном смысле способа распространения широковещательных сообщений, запросов, пользовательской и служебной информации прикладной сетиподдержка распределенных прикладных сервисов сети. Наиболее простым и естественным инструментом, позволяющим в полной мере смоделировать маршрутизацию, являются сети Петри. Мощность сетей Петри позволяет моделировать не только маршрутизацию в прикладных сетях, но многие другие особенности, касающиеся длины очередей, приоритетной обработки сообщений и другие. Сети Петри — удобный инструмент для проведения имитационного моделирования прикладных сетей, в том числе с любой заданной конфигурацией исследуемой топологии.

10. Основными функциями сервиса управления прикладной сетью являются: функция поддержания целостности сети, функция регистрации новых узлов, функция доступа к информации о прикладной сети и ее узлах. Функция регистрации обеспечивает подключение новых узлов к прикладной сети. Достаточно простым, но тем не менее относительно эффективным (по отношению к абсолютно неуправляемому процессу) решением является квазиоптимальное подключение, учитывающее априорную информацию о базовой сети. Функция поддержания целостности требует изучения топологической связности. Функция доступа к информации о прикладной сети и ее узлах подразумевает обеспечение доступа к распределенной по узлам базе данных о сети (БДС). Причем на каждом из узлов прикладной сети существует своя БДС, абсолютно независимая (по логической структуре данных) от баз данных на других узлах прикладной сети. БДС на всех узлах имеют идентичную логическую структуру данных. Основное внимание в работе в части исследования древовидной топологии было уделено проблеме поддержания целостности (восстановления связности) прикладной сети.

11. Для анализа топологической связности использовалась модель топологии прикладной сети в виде простого графа, который представляет собой обычное (свободное, некорневое) неориентированное конечное дерево. Введена операция восстановления связности (ОВС), свойства которой основаны на принципах локальности и устойчивости. Эмпирически сформулирован алгоритм восстановления связности (целостности прикладной сети). Разработана и доказана система утверждений, позволяющая сделать вывод о том, что предложенный алгоритм восстановления связности соответствует определению ОВС. Доказано, что предложенный алгоритм является единственным алгоритмом, удовлетворяющим определению ОВС. Предложенный алгоритм восстановления связности может быть использован для решения задачи реконфигурации прикладной сети с целью восстановления связности.

12. Выведена формула для длины цепи, восстанавливающей связность. Формула связывает характеристики неисправной части сети и ее окружения и дает представление об объеме реконфигурации в зависимости от таких параметров прикладной сети, как среднее количество логических каналов, поддерживаемых каждым узлом (степень вершины), и вероятность многократной неисправности узлов прикладной сети, а также позволяет контролировать процесс реконфигурации. Кроме того, формула используется как один из критериев в задаче многокритериальной оптимизации.

13. Решена задача многокритериальной оптимизации, заключающаяся в совместной минимизации длины цепи, восстанавливающей связность, и топологического параметра (1 (радиуса графа) на множестве значений параметра т — степени внутренних вершин графа. Задача решена для случая, когда граф топологии прикладной сети представляет собой симметричное равностепенное по внутренним вершинам дерево и неисправными являются узлы прикладной сети, соответствующие внутренним вершинам графа. Получены численные решения (оптимальные значения параметра т) задачи при различных значениях порядка графа (количества вершин прикладной сети) и порядка неисправного ядра (кратности кластерной неисправности).

14. Для восстановление целостности топологии прикладной сети выбран смешанный способ в виду его большей надежности, меньшей ресурсоемкости и достаточной простоты. Были рассмотрены два алгоритма восстановления связности реконфигурации): замещением и асинхронный распределенный (АРР), эмпирически полученный на основе определения OB С. Показано что алгоритм реконфигурации замещением не соответствует выдвигаемым к таким алгоритмам требованиям. Показано также, что определение ОВС отвечает требованиям, выдвигаемым к алгоритмам реконфигурации. Поэтому реконфигурация прикладных сетей с древовидной топологией должна осуществляться с использованием алгоритма АРР. Выбор смешанного способа восстановления целостности потребовал дать такую формулировку алгоритма АРР, которая позволила бы реализовать алгоритм с децентрализованным способом управления восстановлением целостности. Поэтому была разработана децентрализованная формулировка алгоритма АРР (ДАРР) в словесной и математической форме. Математическая формулировка алгоритма ДАРР позволила доказать ее эквивалентность исходной формулировке алгоритма АРР в терминах теории графов.

15. Поскольку топология прикладной сети одноранговая, то возможно несколько вариантов новых конфигураций. Количество новых конфигураций соответствует количеству узлов, участвующих в процессе реконфигурации. В связи с этим процесс реконфигурации получается двухфазным. Первая фаза меняет конфигурацию для каждого конкретного широковещательного сообщения. Вторая фаза фиксирует одну из возможных конфигураций.

16. Решен ряд дополнительных задач, возникающих при использовании алгоритма ДАРР на практике, таких как хранение широковещательных сообщений для недоступных узлов (пока они не деактивированы), изменение состава неисправных узлов в процессе реконфигурации и фиксации новой конфигурации, участие одного узла в нескольких процессах реконфигурации, регистрация ранее деактивированного узла, изменение адреса узла в прикладной сети и базового адреса узла в БСПД.

17. Приведена формула для расчета вероятности восстановления связности при отсутствии в прикладной сети узлов поддержания целостности (УПЦ), сложность использования которой заключается в отсутствии аналитического выражения для определения количества связных поддеревьев заданного порядка для некоторого дерева. Приведены грубые оценки сверху и снизу вероятности восстановления связности, которые позволяют оценить влияние таких параметров как вероятность неисправности узла (q) и объем БДС (z) на вероятность восстановления связности прикладной сети. Выбор приемлемого значения параметра z при заданном параметре q, позволяет определить оптимальное значение степени внутренних вершин графа (узлов прикладной сети), отображающего топологию прикладной сети, для случая симметричных равностепенных по внутренним вершинам деревьев.

18. Основательная теоретическая проработка проблемы поддержания целостности прикладных сетей в совокупности с решением других задач, важных для реального применения прикладных сетей, позволила применить проведенные разработки в проекте создания региональной библиотечно-информационной сети учреждений науки и образования Северо-западного региона России RUSLANet. Эта библиотечно-информационная сеть относится к слабосвязанным РИС второго класса. Поэтому, принимая во внимание специфику библиотечной РИС, для организации взаимодействия между компонентами РИС целесообразно использовать прикладную сеть. Прикладная сеть с одноранговой древовидной топологией легла в основу концепции RUSLANet. Функциональность прикладной сети была реализована в рамках сервиса управления сетью при помощи специализированного прикладного протокола управления (RNCP). Теоретические разработки данной диссертации нашли свое применение при реализации протокола и алгоритмов функций сервиса управления сетью, в частности алгоритма маршрутизации и реконфигурации, основу которого составляет алгоритм ДАРР.

Применение технологии прикладных сетей не ограничивается сферой автоматизации библиотечной деятельности. Везде, где возникает необходимость построить единую распределенную информационную систему на основе независимых автономных слабосвязанных ИС, которая обеспечивала бы поддержание целостности независимо от транспортной сети (БСПД), прикладные сети — одно из современных и эффективных решений.

19. Дальнейшие исследования в данном направлении должны быть сосредоточены на расширении, вариации математических моделей прикладной сети на базе сетей СМО и графов. Необходимо построить более точную оценку вероятности восстановления связности. Также представляет интерес проведение имитационного моделирования функционирования прикладной сети на базе модели в виде сети Петри как для дополнительного исследования базовых топологий, так и для проверки показателей качества обслуживания и адекватности моделей.