Основы проектирования систем
 Скачать 1.88 Mb.
|
|
МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ УНИВЕРСИТЕТ ИТМО Т.И. Алиев ОСНОВЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ СИСТЕМ Учебное пособие Санкт-Петербург 2015 3 Алиев Т.И. Основы проектирования систем. – СПб: Университет ИТМО, 2015. – 120 с. В пособии излагаются основные понятия и определения теории сложных систем и рассматриваются принципы проектирования систем с использованием методов математического моделирования. В качестве моделей дискретных систем для решения задач структурного и функционального проектирования используются модели массового обслуживания, применение которых иллюстрируется на примере вычислительных систем и сетей. Учебное пособие предназначено для студентов, обучающихся по магистерским программам направления «09.01.04 - Информатика и вычислительная техника» и может быть использовано выпускниками (бакалаврами и магистрантами) при написании выпускных квалификационных работ, связанных с проектированием и исследованием дискретных систем, представляемых в виде моделей массового обслуживания. Рекомендовано к печати Ученым советом факультета компьютерных технологий и управления, 20 октября 2015 года, протокол № 8. Университет ИТМО – ведущий вуз России в области информационных и фотонных технологий, один из немногих российских вузов, получивших в 2009 году статус национального исследовательского университета. С 2013 года Университет ИТМО – участник программы повышения конкурентоспособности российских университетов среди ведущих мировых научно-образовательных центров, известной как проект «5 в 100». Цель Университета ИТМО– становление исследовательского университета мирового уровня, предпринимательского по типу, ориентированного на интернационализацию всех направлений деятельности. Университет ИТМО, 2015 …Алиев Т.И, 2015 4 Оглавление Введение ....................................................................................................................... 7 1. Общие вопросы проектирования ........................................................................... 9 1.1. Основные понятия......................................................................................... 9 1.1.1. Задачи и виды проектирования ......................................................... 9 1.1.2. Проектная документация ................................................................. 10 1.2. Этапы проектирования технических систем ............................................ 10 1.2.1. Разработка технического задания ................................................... 11 1.2.2. Этап предварительного проектирования ....................................... 11 1.2.3. Эскизное проектирование ................................................................ 12 1.2.4. Техническое проектирование .......................................................... 13 1.2.5. Состав проектной документации .................................................... 14 1.2.6. Автоматизация проектирования ..................................................... 15 1.3. Система как объект проектирования ........................................................ 15 1.3.1. Понятие системы .............................................................................. 17 1.3.2. Структурная и функциональная организация системы ................ 18 1.3.3. Общие свойства систем .................................................................... 19 1.3.4. Эффективность системы .................................................................. 21 1.3.5. Параметры и характеристики системы .......................................... 24 1.3.6. Понятие процесса ............................................................................. 28 1.3.7. Классификация систем и процессов ............................................... 29 1.4. Модель как средство проектирования ...................................................... 31 1.4.1. Типы моделей .................................................................................... 31 1.4.2. Основные требования к модели ...................................................... 32 1.4.3. Классификация математических моделей ..................................... 35 1.4.4. Параметризация моделей ................................................................. 36 2. Типовые задачи и методы проектирования ........................................................ 37 2.1. Типовые задачи проектирования ............................................................... 37 2.1.1. Разработка математической модели ............................................... 38 2.1.2. Разработка метода исследования .................................................... 38 2.1.3. Анализ свойств системы .................................................................. 39 2.1.4. Синтез системы и разработка проекта............................................ 39 2.1.5. Детальный анализ спроектированной системы ............................. 40 2.1.6. Корректировка модели ..................................................................... 40 2.2. Методы проектирования ............................................................................ 41 2.2.1. Аналитические методы .................................................................... 41 2.2.2. Статистические (имитационные) методы ...................................... 42 2.2.3. Комбинированный подход ............................................................... 43 2.3. Принципы проектирования систем ........................................................... 44 2.3.1. Системный подход и системотехническое проектирование ........ 44 2.3.2. Принцип иерархического многоуровневого моделирования ...... 45 5 2.3.3. Принцип множественности моделей .............................................. 48 2.4. Этапы проектирования систем .................................................................. 49 2.4.1. Формулировка целей проектирования и требований к разрабатываемой системе ................................................................. 49 2.4.2. Разработка концептуальной модели проектируемой системы .... 49 2.4.3. Разработка и параметризация математических моделей .............. 51 2.4.4. Выбор или разработка методов и средств проектирования ......... 51 2.4.5. Проверка адекватности модели ....................................................... 53 2.4.6. Проведение экспериментов на модели и анализ характеристик системы ............................................................................................... 55 2.4.7. Решение задачи синтеза ................................................................... 56 2.4.8. Детальный анализ спроектированной системы ............................. 57 3. Математические модели дискретных систем ..................................................... 58 3.1. Базовые модели ........................................................................................... 58 3.1.1. Параметры потока заявок ................................................................ 60 3.1.2. Параметры обслуживания заявок ................................................... 62 3.1.3. Стратегии управления потоками заявок ........................................ 62 3.1.4. Режимы функционирования базовых моделей .............................. 66 3.1.5. Характеристики систем с однородным потоком заявок ............... 66 3.1.6. Характеристики систем с неоднородным потоком заявок ........... 69 3.2. Сетевые модели ........................................................................................... 70 3.2.1. Типы сетевых моделей ..................................................................... 71 3.2.2. Параметры сетевых моделей ........................................................... 72 3.2.3. Характеристики сетевых моделей................................................... 73 3.2.4. Эквивалентные и толерантные преобразования сетевых моделей .............................................................................................................. 74 4. Модели вычислительных систем ......................................................................... 76 4.1. Принципы структурно-функциональной организации вычислительных систем ......................................................................................................................... 76 4.1.1. Основные понятия теории вычислительных систем .................... 76 4.1.2. Структурная организация вычислительных систем ..................... 78 4.1.3. Функциональная организация вычислительных систем .............. 80 4.2. Параметры вычислительных систем ......................................................... 84 4.3. Характеристики вычислительных систем ................................................ 90 4.3.1. Характеристики производительности ............................................ 92 4.3.2. Характеристики оперативности ...................................................... 93 4.3.3. Характеристики надежности ........................................................... 93 4.3.4. Экономические характеристики ..................................................... 94 4.3.5. Локальные характеристики вычислительных сетей ..................... 94 4.4. Базовые модели вычислительных систем ................................................ 95 4.4.1. Модель серверной обработки .......................................................... 95 4.4.2. Модель процессорной обработки ................................................... 96 4.4.3. Модели многомашинной и многопроцессорной обработки ........ 97 6 4.4.4. Модель процессорной обработки с неоднородной нагрузкой ..... 99 4.4.5. Модели каналов связи .................................................................... 100 4.4.6. Модели узлов связи ........................................................................ 104 4.5. Сетевые модели вычислительных систем .............................................. 106 4.5.1. Модель процессорной обработки в многотерминальной ВС .... 106 4.5.2. Модель ВС с внешними устройствами......................................... 108 4.5.3. Модель звена передачи данных .................................................... 112 4.5.4. Модель сети передачи данных ...................................................... 113 5. Вопросы для самопроверки ................................................................................ 114 Список литературы.................................................................................................. 121 7 Введение При проектировании больших и сложных систем возникают проблемы, связанные не только со свойствами их составных частей – элементов и подсистем, но также и с закономерностями функционирования объекта в целом, рассматриваемые как общесистемные проблемы. Следствием этого является необходимость решения широкого круга специфических задач, к которым относятся: определение общей структуры системы и требований к элементам и подсистемам, организация взаимодействия между ними, выбор оптимальных режимов функционирования, оптимальное управление протекающими в системе процессами, учёт влияния внешней среды и т.п. По мере усложнения систем всё более значимыми становятся общесистемные вопросы, которые рассматриваются в рамках таких дисциплин, как теория сложных систем, системотехника, моделирование. Проектирование сложных систем обычно предполагает две стадии: макропроектирование или внешнее проектирование, в процессе которого решаются структурно-функциональные задачи в целом; микропроектирование или внутреннее проектирование, связанное с разработкой элементов системы как физических единиц оборудования. Методы внешнего проектирования сложных систем базируются на системном подходе к исследованию процессов функционирования, протекающих в системах. Внешнее проектирование начинается с формулировки проблемы, которая включает в себя: определение целей создания системы и круга решаемых ею задач; оценка действующих на систему факторов и определение их характеристик; выбор показателей и критерия эффективности системы. В качестве показателей эффективности выбираются числовые характеристики, оценивающие степень соответствия системы своему назначению. Например: для системы управления посадкой самолёта показателем эффективности может служить вероятность успешной посадки; для автоматической телефонной станции — среднее время ожидания соединения с абонентом; для производственного процесса — среднее количество выпускаемых за смену изделий и т. д. Результаты проведённых исследований используют для обоснования технического задания на разработку системы. В соответствии с техническим заданием могут быть определены один или несколько вариантов проектируемой системы, которые заслуживают дальнейшего подробного исследования. Анализ вариантов системы, выполняемый на этапе системного анализа, проводится по результатам математического моделирования с применением аналитических и имитационных методов. Результаты моделирования позволяют определить 8 значения показателей эффективности системы, обосновать её оптимальную структуру и составить рекомендации по совершенствованию исследуемых вариантов. Математическое моделирование является мощным и эффективным инструментом исследования сложных объектов, систем и процессов в различных областях. Многообразие процессов, протекающих в исследуемых системах и объектах, обусловливает и многообразие математических методов и средств, используемых в процессе проектирования. Большинство технических систем, в том числе вычислительные системы и сети, описываются в терминах дискретных случайных процессов с использованием вероятностных методов. При этом широкое применение находят математические модели, отражающие структурно-функциональную организацию исследуемых систем, построенные на основе моделей теории массового обслуживания, анализ которых может проводиться аналитическими и статистическими методами. В качестве аналитических методов используются вероятностные методы теории массового обслуживания, теории случайных процессов, в качестве статистических – методы имитационного моделирования. Пособие содержит основные понятия и определения теории проектирования и затрагивает общие вопросы теории сложных систем, принципы математического моделирования. В качестве моделей, на основе которых могут решаться задачи структурного и функционального проектирования, рассматриваются простейшие модели дискретных систем, используемые, в частности, при проектировании вычислительных систем и компьютерных сетей. Представленный в конце пособия список литературы не претендует на полноту и содержит ограниченный перечень литературных источников, которые в той или иной мере использовались при написании пособия. Этот перечень включает источники, которые условно можно разбить на две группы: теоретические основы проектирования и математического моделирования дискретных систем [1-3]; математические модели вычислительных систем и сетей для решения простейших задач проектирования [3-9]. Учебное пособие предназначено для студентов, обучающихся по магистерским программам направления «Информатика и вычислительная техника» и может быть использовано выпускниками (бакалаврами и магистрантами) при написании выпускных квалификационных работ, связанных с проектированием и исследованием систем, представляемых в виде моделей массового обслуживания. Примерами таких систем могут служить компьютерные сети или их фрагменты – вычислительная система (сервер), узел (маршрутизатор, коммутатор) или канал передачи данных. 9 1. Общие вопросы проектирования При изложении любой научно-технической дисциплины одним из важных вопросов является формирование терминологии, служащей в дальнейшем фундаментом для изучения теоретических и практических аспектов данной дисциплины. Целью формирования терминологической основы является установление однозначного соответствия между используемым термином и вкладываемым в него смысловым содержанием. Ниже определены базовые понятия и термины теории систем, а также изложены принципы, задачи, методы и этапы проектирования с использованием математических моделей на примере систем со стохастическим характером функционирования, рассматриваемых в дальнейшем в качестве объектов проектирования. 1.1. Основные понятия Проектирование (от лат. projectus, буквально – брошенный вперёд) – процесс создания проекта – прототипа новой системы (или её вариантов), удовлетворяющей предъявляемым к ней требованиям. 1.1.1. Задачи и виды проектирования Задачи проектирования решаются как в процессе разработки новой системы, так и в процессе модернизации или реконструкции системы. Модернизация (от англ. мodern – современный, новый, усовершенствованный) – обновление системы в соответствии с новыми требованиями и нормами путем замены или добавления нового оборудования, расширяющего, например, функциональные возможности системы и улучшающего ее показатели эффективности. Например, модернизация локальной компьютерной сети некоторой организации, направленная на повышение качества обслуживания пользователей, может заключаться в замене сервера сети (маршрутизатора, коммутатора или канала связи), являющегося узким местом, на более мощный сервер или в добавлении второго сервера, позволяющего разгрузить исходный сервер. Реконструкция – (от ре- и лат. constructio – построение) – коренное изменение (перестройка) системы с целью усовершенствования, направленное на повышение качества функционирования системы. Например, для той же локальной компьютерной сети реконструкция может означать существенное изменение как состава оборудования и топологии сети (изменение структурной организации), так функциональной организации (метода доступа к общим ресурсам, алгоритма маршрутизации и т.п.). Существуют различные виды проектирования, в том числе: инженерное проектирование – проектирование инженерных систем (электросетей, газопроводов и т.п.); промышленное проектирование (промышленных объектов); техническое проектирование (технических систем и устройств); проектирование программных средств и информационных систем; 10 другие виды проектирования. Ниже основное внимание уделяется вопросам проектирования технических систем, к которым относятся, в том числе, вычислительные системы, комплексы и компьютерные сети. |