Управление информационным взаимодействием в распределенных технических системах. Конечно-автоматный подход

Москва
ВУЗОВСКИЙ УЧЕБНИК
ИНФРА-М
2020

УПРАВЛЕНИЕ 
ИНФОРМАЦИОННЫМ 
ВЗАИМОДЕЙСТВИЕМ 
В РАСПРЕДЕЛЕННЫХ
ТЕХНИЧЕСКИХ СИСТЕМАХ

КОНЕЧНО-АВТОМАТНЫЙ ПОДХОД

МОНОГРАФИЯ

Ю.К. АПРАКСИН

СЕВАСТОПОЛЬСКИЙ 
ГОСУДАРСТВЕННЫЙ 
УНИВЕРСИТЕТ

Н АУ Ч Н А Я  К Н И ГА
Н АУ Ч Н А Я  К Н И ГА

УДК 681(075.4)
ББК 32.81
 
А77

Апраксин Ю.К.
Управление информационным взаимодействием в распределенных технических системах: конечно-автоматный подход : 
монография / Ю.К. Апраксин. — Москва : Вузовский учебник : 
ИНФРА-М, 2020. — 184 с. — (Научная книга).

ISBN 978-5-9558-0554-2 (Вузовский учебник)
ISBN 978-5-16-012667-8 (ИНФРА-М, print)
ISBN 978-5-16-102522-2 (ИНФРА-М, online)

Книга посвящена решению проблемы повышения эффективности 
функционирования распределенных технических систем (РТС) за счет 
совершенствования управления информационным обменом между объектами РТС. Модель объекта протокольного взаимодействия — протокольный автомат (ПА) представляется расширенным конечным автоматом. Предложенная методика формирования ПА позволила разработать 
концептуальные основы процесса проектирования ПА, ориентированного на применение автоматических процедур реализации всех этапов 
проектирования: от формальной спецификации до реализации в среду 
функционирования.

А77

© Вузовский учебник, 2017

ISBN 978-5-9558-0554-2 (Вузовский учебник)
ISBN 978-5-16-012667-8 (ИНФРА-М, print)
ISBN 978-5-16-102522-2 (ИНФРА-М, online)

Р е ц е н з е н т ы:
В.А. Гайский, д-р техн. наук, профессор; руководитель Центра автоматизации морских исследований Института природно-технических систем;
Н.Б. Шапиро, д-р физ.-мат. наук, вед. науч. сотр. Морского гидрофизического института РАН;
А.С. Кукушкин, канд. физ.-мат. наук, ст. науч. сотр. Морского гидро физического института РАН

УДК 681(075.4)
ББК 32.81

ПРЕДИСЛОВИЕ

Особенностью развития современной техники и информационных технологий является взаимообусловленное интенсивное усложнение как технических систем, так и решаемых ими задач. Сложные 
технические системы в общем случае представляют собой искусственные объекты, содержащие большое количество взаимосвязанных 
территориально распределенных разнородных элементов, важнейшим назначением которых является передача информации между их 
клиентами. Тенденция роста количества распределенных технических систем (РТС), наблюдающаяся в последние три десятилетия, 
неоспоримо свидетельствует о все более глубоком проникновении 
этих систем в жизнедеятельность абсолютного большинства организаций самого широкого профиля.
 Уникальность РТС, динамичность их структуры, нестационарность поведения, неформализуемость цели существования делают 
применение в отношении к ним традиционных методов управления 
слабо эффективным. РТС как объект управления настолько сложна, 
что ее поведение практически не может быть описано обычными 
математическими зависимостями. Отсутствие формального описания, в свою очередь, не позволяет сформулировать критерий управления, что препятствует разработке процедур управления и системы 
управления в целом. 
Практика проектирования и эксплуатации РТС ставит перед разработчиками подобных систем самые противоречивые задачи: увеличение количества и качества предоставляемых услуг, увеличение 
производительности и пропускной способности системы, улучшение 
показателей надежности и живучести. В то же время РТС подвержены широкому спектру параметрических и внешних воздействий, 
изменяющих не только техническое состояние системы, но и ее 
структуру. Перечисленные проблемы обосновывают необходимость 
создания эффективных методов и средств управления динамическими характеристиками и состоянием РТС различной сложности 
в условиях неполной определенности.
 Одним из основных направлений исследований, разрешающих 
поставленные практикой задачи, является разработка единого методологического подхода к усовершенствованию систем управления 
РТС на основе иерархической протокольной системы организации 
взаимодействия ее объектов. Главную проблему этого направления 

исследований можно сформулировать как создание универсальной 
практически приемлемой формальной модели системы протокольного взаимодействия, обеспечивающей автоматизацию процедур 
анализа и синтеза протоколов управления РТС. Использование формальных моделей позволяет, во­первых, сводить к минимуму ошибки проектирования, во­вторых, добиваться практически приемлемых 
решений с минимальными затратами и, наконец, в­третьих, организовывать автоматические процедуры верификации протоколов, 
определяющие их логическую корректность. Последнее особенно 
важно, так как только логически корректные протоколы в состоянии 
выполнять свои управленческие функции. 
Проблемам моделирования, анализа и синтеза протоколов управления информационным обменом в РТС различного назначения 
посвящено большое количество научных статей и монографий. Среди них следует отметить работы И.А. Мизина, В.Г. Лазарева, 
В.М. Глушкова, Э.А. Якубайтиса, И.В. Прангишвили, Г.И. Пранявичуса, С.С. Зайцева, Д. Мартина, Д. Девиса, М. Шварца, А. Таненбаума, Р. Галлагера, М. Герла, Ф. Куо, Л. Клейнрока, К. Саншайна, 
Г. Бохмана и др.
Концептуальной основой построения систем управления РТС 
послужила разработанная Международной организацией по стандартизации (МОС) и Международным консультативным комитетом 
по телефонии и телеграфии (МККТТ) эталонная модель взаимодействия открытых систем (ЭМВОС), которая представляет собой модель уровневой организации системы протоколов, осуществляющих 
управление информационным обменом. Суть такой организации 
состоит в «вертикальной» декомпозиции сложных функций управления по уровням и «горизонтальном» распределении выделенных 
подфункций уровня по различным частям распределенной системы. 
Однако при фиксированном числе уровней используемой модели 
количественный состав системы протоколов реальных РТС все время растет. Процесс этот закономерен. Каждая вновь проектируемая 
система должна отличаться от уже существующих либо упрощенной 
процедурой доступа в систему, либо более мощным множеством 
услуг, предоставляемых пользователю, либо обладать большей производительностью. Возрастающая потребность в подобных распределенных системах, а следовательно, и в новых протоколах управления этими системами, выдвигает дополнительные требования, связанные с сокращением сроков разработки, повышением 
эффективности и надежности их функционирования.
На вооружении разработчиков дискретных информационных 
и управляющих систем, какими являются РТС, имеется ряд моделей, 
позволяющих описать динамику функционирования объектов этих 
систем с учетом возможного параллелизма и асинхронности их взаи

модействия. К этим моделям можно отнести сети Петри, асинхронные процессы, регулярные выражения, конечные автоматы. Каждая 
из перечисленных моделей обладает множеством достоинств, но 
и рядом недостатков. Главнейшим недостатком является превалирование уровня абстракции этих моделей над уровнями адекватности, 
описательной мощности и анализируемости. Выявленный недостаток моделей существенно затрудняет как процесс первичной спецификации протокола посредством модели (идентификация объекта 
управления), так и реализацию протокольной модели в среду функционирования. Это обстоятельство определило необходимость выработки единого методологического подхода и дальнейшего развития 
теории управления РТС на основе протокольных систем информационного взаимодействия. Актуальность решения сформулированной проблемы для абсолютного большинства сфер деятельности 
человека обусловила выбор автором направления исследований, результаты которых представлены в монографии.
Главную цель исследований можно сформулировать как разработку общей концепции использования протоколов управления информационным обменом для организации эффективного управления 
взаимодействием объектов в территориально распределенных динамически развивающихся технических системах. Во­первых, это методологии математического, алгоритмического и программного 
обеспечения для задач анализа и синтеза протоколов. Во­вторых, это 
разработка методов, средств и алгоритмов организации процедур 
спецификации, логического проектирования, декомпозиции, верификации и реализации протоколов в среду функционирования. 
В свою очередь объектом исследований являются протокольные системы управления информационным взаимодействием в РТС, а предмет исследования — автоматные модели, их приложение к различным задачам идентификации, анализа и синтеза протоколов РТС. 
Автором использовался комплексный подход, включающий как теоретические, так и экспериментальные исследования. Теоретические 
исследования проводились с применением методов теории конечных 
автоматов, регулярных событий, графов и формальных языков. Близость этих методов и их взаимодополняемость позволили разработать 
общие теоретические основы, пригодные для спецификации протокольных систем информационного взаимодействия в виде многоступенчатой модели, каждая ступень которой наиболее эффективна для 
реализации конкретного приложения. Предлагаемые методологические принципы обеспечивают построение систем управления, реализующих закон управления, который не формулируется априори, 
а является результатом анализа объекта управления — протокольного автомата. Экспериментальные исследования были связаны с моделированием на ЭВМ разработанных алгоритмов идентификации, 

анализа и синтеза протоколов управления информационным обменом в РТС.
 Автор искренне благодарит своих коллег В.В. Кирюхина, В.Г. Новоселова, Т.В. Волкову, Е.М. Шалимову, аспирантов и студентов, 
принимавших активное участие в обсуждении отдельных разделов 
монографии. 

ВВЕДЕНИЕ

В структурном плане монография представлена четырьмя главами, в каждой из которых исследуется узкий круг задач выделенного 
направления.
В первой главе рассматриваются основные принципы организации 
РТС, выделяются задачи, связанные с управлением этими системами 
и в первую очередь организацией информационного обмена. Определяется место «протокола» в аппаратно­программном обеспечении 
систем информационного обмена (СИО) и его специфика как объекта общей системы управления РТС. Формулируются основные 
задачи, подлежащие решению в рамках разрабатываемой темы.
Основное назначение РТС — это предоставление абонентам услуг, 
осуществляемых серверами. Каждый абонент, посылая специальные 
директивы (запросы), может затребовать ту или иную услугу (сервис), предоставляемую тем или иным сервером. Получив запрос, 
сервер его отрабатывает и формирует «ответ», адресуя его соответствующему абоненту. Сеть информационного обмена, располагая 
специальной многозвенной системой коммуникации, осуществляет 
взаимосвязь между абонентами и серверами путем организации процедур обмена информацией (запросы, ответы) внутри своей структуры. Процесс управления взаимодействием типа «абонент — СИО–
сервер» обычно характеризуется как управление информационным 
обменом между абонентом и сервером. Управление информационным обменом между абонентом и абонентом — как электронная 
почта, а между сервером и сервером — как перераспределение информационных ресурсов системы, которое осуществляется также 
через СИО, представляющую собой множество узлов коммутации 
(УК), соединенных физическими каналами в единую сеть. 
Анализ архитектурных принципов построения РТС показал, что 
рассматривать эти системы можно, опираясь на три группы характеристик. Во­первых, это группа физических характеристик, определяющая все реальные объекты, включенные в систему, и возможные физические связи между этими объектами. Во­вторых, это 
характеристики, специфицирующие логически связанные объекты 
(процессы) и все возможные взаимодействия между этими процессами. В­третьих — характеристики уровневой протокольной организации. 
С другой стороны, подобные системы относят к классу сложных систем. В качестве основных характеристик таких систем выделяют: функциональную целостность, параллельность работы 
элементов, переменность структуры, многофункциональность 

элементов и ряд других, касающихся эффективности функционирования системы. Считается, что система обладает функциональной целостностью, если взаимосогласованные действия ее элементов обеспечивают эффективное функционирование системы 
как единого целого (эффективное обслуживание абонентов). Наиболее важную роль при этом играют способы организации взаимодействия между элементами системы. Многофункциональность 
элементов системы предполагает большое число элементов и связей между ними, множественность функций, реализуемых этими 
элементами, что также требует эффективного (высокоскоростного и безопасного) обмена информацией между элементами системы. Переменность структуры характеризует возможность добавления и исключения элементов в системе, изменение связей между ними, изменение внутренней структуры элементов. 
Обеспечение последнего свойства возможно только при организации стандартизованных процедур обмена информацией между 
объектами РТС любой структуры.
Общая постановка задачи оптимального управления взаимодействием объектов в РТС как задачи многокритериальной оптимизации 
имеет право на существование, но практически приемлемых методов 
ее решения пока не существует. Поэтому под управлением взаимодействием объектов в РТС будем понимать процесс организации 
эффективного по выбранному показателю качества функционирования системы. Математическая постановка рассмотренной задачи 
как задачи оптимизационного плана требует введения ряда существенных ограничений. Например, если передача информации осуществляется с использованием механизма коммутации пакетов, то 
обычно предполагают, что размер пакета фиксирован, все пакеты 
одноадресны и одного приоритета. Рассматривая структуру системы, 
предполагают, что источником задержки пакетов при их передаче по 
сети информационного обмена являются только каналы, обеспечивающие связь между соседними объектами сети. Связь между любой 
парой объектов сети осуществляется по кратчайшим непересекающимся маршрутам. 
Полученные с использованием аналитических моделей решения, 
во­первых, не являются оптимальными, так как многих особенностей организации РТС они не учитывают. Это и задержки пакетов 
при транзитных передачах, и возможность использования обходных 
маршрутов, и многообразие способов принятия решения о направлении транзитной передачи пакетов, и необходимость в распространении, сборе и обработке управляющей информации, и учет нестандартных ситуаций функционирования РТС. Во­вторых, эти модели 
не дают конкретных рекомендаций по организации механизма принятия управленческих решений. 

Эффективное управление РТС можно осуществить, разработав 
библиотеку эвристических процедур организации обмена служебной 
информации и принятия управленческих решений на основе анализа этой информации.Каждый класс алгоритмов управления включает три основные подкласса: управление информационным обменом, 
управление нагрузкой и управление структурой. Первый подкласс 
представляет необходимое и достаточное множество алгоритмов 
управления информационным обменом между объектами РТС, обеспечивающих требуемое качество функционирования системы при 
постоянной нагрузке и отсутствии отказов элементов системы. Множество алгоритмов управления нагрузкой призвано обеспечить требуемое качество функционирования РТС при нестационарности 
предъявляемой к обслуживанию нагрузки. Управление структурой 
распределенной системы предполагает преобразование структуры 
(поврежденной или перегруженной), не обеспечивающей заданных 
требований к качеству обслуживания, к некоторой другой структуре 
системы, удовлетворяющей этим требованиям. В случае каких­либо 
повреждений в системе преобразование структуры сводится к организации ремонтных и восстановительных работ. Если повреждений 
в системе нет, а система все­таки не справляется с возросшей нагрузкой, то либо структуру обогащают резервными элементами (активизируют имеющиеся резервные комплексы канального, коммуникационного, абонентского или обрабатывающего оборудования), либо 
ограничивают входной поток сообщений до некоторого допустимого по заданному критерию уровня. Первый подход, естественно, может быть применен при управлении стратегически важными системами, второй — при управлении распределенными системами с общим доступом. 
Реализовать такую сложную систему управления возможно лишь 
на основе принципа иерархической многоуровневой организации. 
Согласно этому принципу все функции управления взаимодействием 
процессов пользователей системы распределены по уровням. Каждый уровень предоставляет для использования следующему более 
высокому в иерархии уровню определенный сервис (набор результатов реализации функций уровня). Для реализации своих функций 
каждый уровень использует сервис более низкого в иерархии уровня. 
Уровни организуются таким образом, чтобы обеспечивалась функциональная независимость каждого уровня и прозрачность нижних 
уровней в иерархии по отношению к данным, поступающим с высшего по отношению к ним уровня. Путем распределения функций, 
реализуемых на каждом уровне, а также выбора границ между ними 
достигается логическая независимость уровней. Функции по уровням распределяются так, чтобы любые изменения технологии реализации функций уровня никак не отразились на других уровнях. 

Для РТС различного назначения в структурном плане характерно 
выделение прикладного уровня и минимум четырех иерархически 
подчиненных уровней организации управления: уровень управления 
взаимодействием процессов пользователей (высший уровень иерархии); уровень управления передачей сообщений; уровень управления 
информационными потоками и уровень управления информационными и физическими каналами (нижний уровень иерархии). На 
уровне синтаксического описания РТС может быть представлена 
множеством прикладных процессов (ПП) и множеством процессов 
управления (ПУ), распределенных по уровням системы управления. 
Здесь под процессом понимается описание поведения какого­либо 
объекта РТС в терминах ограниченного набора событий. Прикладные процессы активизируют запросы пользователей РТС. Процессы 
управления, в свою очередь, призваны реализовывать функции 
управления, возложенные на каждый конкретный уровень общей 
системы управления РТС. 
Анализ функций, включенных в каждую иерархическую группу, 
показывает, что для их реализации необходимо иметь, во­первых, 
согласованные правила взаимодействия корреспондирующих процессов пользователей и управления (протоколы управления информационным обменом) и, во­вторых, механизмы передачи данных, 
запросов и услуг между соседними в иерархическом смысле уровнями (интерфейс межуровневого обмена).
Процесс управления уровня, реализуя функции уровня, вырабатывает сервис (совокупность услуг) уровня. ПУ реализует функции 
уровня только благодаря взаимодействию с протоколом управления 
информационным обменом. Поэтому можно считать, что реализацию функций управления РТС обеспечивают протоколы системы 
управления. Множество процессов пользователей и процессов 
управления объединяются множеством протоколов и образуют распределенную систему управления, обеспечивающую нормальное 
функционирование РТС. Значит, система управления РТС должна 
разрабатываться как иерархическая многоуровневая система альтернативных процедур, каждая из которых обеспечивает реализацию 
того или иного ПУ (совокупности функций управления), либо информационный обмен данными между ПУ. В этой связи с очевидностью следует, что качество управления взаимодействием объектов 
в РТС в наивысшей степени зависит от качества проектных решений. 
К ним относятся: определение множества функций управления РТС; 
формирование множества ПУ и распределение функций управления 
по множеству ПУ; выделение множества протоколов взаимодействия 
ПУ; распределение множества ПУ и протоколов организации информационного обмена по структуре РТС; проектирование ПУ и протоколов информационного обмена.