Архитектура системы анализа надёжности технических средств аэронавигационной системы России

УДК 621.396

АРХИТЕКТУРА СИСТЕМЫ АНАЛИЗА НАДЁЖНОСТИ ТЕХНИЧЕСКИХ СРЕДСТВ АЭРОНАВИГАЦИОННОЙ СИСТЕМЫ РОССИИ

О.В. МИЩЕНКО, А.А. АПАНАСОВ

Статья представлена доктором технических наук, профессором Логвиным А.И.

В настоящей работе приводится обоснование выбора архитектуры для системы анализа надежности функционирования технических средств аэронавигационной системы России.

Ключевые слова: архитектура информационных систем, аэронавигационная система России.

Введение

Создание «Комплексной системы анализа надежности функционирования технических средств Аэронавигационной системы России (САН ТС АНС)» проводится с целью контроля, а впоследствии и улучшения качества функционирования Аэронавигационной системы России в целом за счет осуществления централизованного сбора данных в электронном виде о работе технических средств АНС и принятия своевременных решений на основании актуальных данных о текущем состоянии технических средств (ТС) и объектов Единой системы организации воздушного движения (ЕС ОрВД). Вместе с тем исследования по созданию эффективной архитектуры, учитывающей потребности и возможности пользователей создаваемой системы, занимают важное место в процессе выполнения поставленных задач.

Разработка архитектуры системы

Под архитектурой информационной системы подразумевается базовая организация системы, воплощенная в ее компонентах, их отношениях между собой и с окружением, а также принципы, определяющие проектирование и развитие системы, т.е. совокупность решений относительно:

• организации программной системы;

• выбора структурных элементов, составляющих систему, и их интерфейсов;

• поведения этих элементов во взаимодействии с другими элементами;

• объединения этих элементов в подсистемы;

• архитектурного стиля, определяющего логическую и физическую организацию системы: статические и динамические элементы, их интерфейсы и способы их объединения.

Архитектура программной системы охватывает не только ее структурные и поведенческие аспекты, но и правила ее использования и интеграции с другими системами, функциональность, производительность, гибкость, надежность, возможность повторного применения, полноту, экономические и технологические ограничения, а также вопрос пользовательского интерфейса.

Также архитектура САН ТС АНС должна учитывать современные требования для построения информационных систем:

• масштабируемость. САН ТС АНС разрабатывается с учётом требований по эксплуатации, но эти требования могут меняться со временем, следовательно, важна возможность расширять систему под новые требования;

• простая интеграция и использование. Пользователи САН ТС АНС расположены во всех регионах страны и необходимо максимально упростить доступ к системе для её использования и сопровождения;

• безопасность и надёжность хранения данных. САН ТС АНС осуществляет централизованное хранение информации о событиях, связанных с ТС и объектами АНС, на основании которых делаются определённые выводы о надежности АНС в целом, следовательно, обрабатываемая информация требует определенного уровня защиты от несанкционированного воздействия и доступа.

Для построения САН ТС АНС была выбрана многоуровневая архитектура клиент-сервер. Клиент-сервер (англ. Client-server) - вычислительная или сетевая архитектура, в которой задания или сетевая нагрузка распределены между поставщиками услуг (сервисов), называемыми серверами, и заказчиками услуг, называемыми клиентами (терминалами). Нередко клиенты и серверы взаимодействуют через компьютерную сеть и могут быть как различными физическими устройствами, так и обладать различным программным обеспечением [1]. Архитектура клиент-сервер означает такую архитектуру программного комплекса, в которой его функциональные части взаимодействуют по схеме "запрос-ответ". Если рассмотреть две взаимодействующие части этого комплекса, то одна из них (клиент) выполняет активную функцию, т.е. инициирует запросы, а другая (сервер) пассивно на них отвечает. По мере развития системы роли могут меняться, например некоторый программный блок будет одновременно выполнять функции сервера по отношению к одному блоку и клиента по отношению к другому.

Клиен(скис гсрмннаяы 1-й уровень

Рис. 1. Трехуровневая система

Многоуровневая архитектура клиент-сервер (Multitier architecture) - разновидность архитектуры клиент-сервер, в которой функция обработки данных вынесена на один или несколько отдельных серверов [2]. Это позволяет разделить функции хранения, обработки и представления данных для более эффективного использования возможностей серверов и клиентов. Среди многоуровневой архитектуры клиент-сервер наиболее распространена трехуровневая архитектура (трехзвенная архитектура, three-tier), предполагающая наличие следующих компонентов приложения: клиентское приложение (обычно говорят "тонкий клиент" или терминал), подключенное к серверу приложений, который в свою очередь подключен к серверу базы данных. На рис. 1 изображена трехуровневая архитектура.

Трехзвенная архитектура "клиент-сервер" с выделенным сервером приложений:

1. Терминал - это интерфейсный (обычно графический) компонент, который представляет первый уровень, собственно приложение для конечного пользователя. Первый уровень не должен иметь прямых связей с базой данных (по требованиям безопасности), быть нагруженным основной бизнес-логикой (по требованиям масштабируемости) и хранить состояние приложения (по требованиям надежности).

На первый уровень обычно выносятся следующие компоненты: отображение и поведение интерфейса, проверка вводимых значений на допустимость и соответствие формату, операции по отображению данных (сортировка, группировка, подсчет значений) с данными, уже загруженными на терминал.

2. Сервер приложений располагается на втором уровне. На втором уровне сосредоточена большая часть логики работы приложения. Вне его остаются фрагменты, экспортируемые на терминалы, а также погруженные в третий уровень хранимые процедуры (объекты базы данных, представляющие собой набор SQL-инструкций, которые компилируются один раз и хранятся на сервере) и триггеры (хранимые процедуры особого типа, которые пользователь не вызывает непосредственно, исполнение которых обусловлено наступлением определенных событий, таких как добавление, удаление или обновление данных). Второй уровень строится как программный интерфейс, связывающий клиентские компоненты с базой данных. В системе САН ТС АНС на втором уровне находится веб-сервер IIS, который обрабатывает HyperText Transfer Protocol (протокол прикладного уровня передачи данных) запросы, формируемые на уровне терминалов, и формирует ответ с необходимыми данными для отображения их пользователю системы. В разрабатываемой системе используется Microsoft SQL Server.

3. Сервер базы данных обеспечивает хранение данных и выносится на третий уровень. Третий уровень представляет собой базу данных, описывающую приложение в терминах реляционной модели.

При построении системы с помощью трехуровневой архитектуры можно выделить следующие особенности:

• отсутствие необходимости использовать дополнительное программное обеспечение на стороне терминалов - это позволяет автоматически реализовать клиентскую часть для всех платформ;

• возможность одновременной работы с системой многих пользователей;

• благодаря единственному месту хранения данных и наличию системы управления базами данных можно централизованно поддерживать целостность данных;

• доступность при работоспособности сервера и каналов связи;

• недоступность при отсутствии работоспособности сервера или каналов связи;

• быстродействие системы зависит от пропускной способности каналов связи и загруженности серверов;

• сложные вычисления и манипуляции с данными осуществляются на сервере, а на терминале происходит только отображение результата этих вычислений;

• система, построенная на основе трёхуровневой архитектуры, при увеличении объема данных, необходимого для хранения, расширяется путем добавления оборудования на сервер.

Трехуровневая архитектура решает проблему быстрого ввода в эксплуатацию разрабатываемой системы. Пользователям не нужно ставить дополнительное программное обеспечение и следить за его обновлениями. Для использования системы САН ТС АНС необходимо подключение к сети интернет и браузер. Современные технологии для построения веб-приложения позволяют создавать приложения, не уступающие по функциональности программам, работающим на клиентской стороне. При необходимости можно централизованно менять отображение приложения и его функциональность.

Выбранная архитектура позволяет масштабировать создаваемую систему. При повышении нагрузок можно добавлять серверы на уровень базы данных или уровень приложений. Например, если не справляется с нагрузкой сервер баз данных, можно поднять ещё один сервер БД и настроить зеркалирование между ними. Современные СУБД (в нашем случае SQL Server) поддерживают зеркалирование и кластеризацию баз данных. Кластер сервера SQL - это совокупность одинаково конфигурированных серверов; такая схема помогает распределить рабочую нагрузку между несколькими серверами. Все сервера имеют одно виртуальное имя, и данные распределяются по IP-адресам машин кластера в течение рабочего цикла. Также в случае отказа или сбоя на одном из серверов кластера доступен автоматический перенос нагрузки на другой сервер. Например, можно расширить систему при необходимости, как показано на рис. 2.

Рис. 2. Возможность расширения системы, построенной на трехуровневой архитектуре

Трехуровневая архитектура позволяет менять взаимодействие между уровнями. Можно расширить систему таким образом, что данные будут заноситься в систему автоматически в обход пользовательского интерфейса, нужно будет лишь реализовать этот интерфейс взаимодействия на втором уровне, где располагается сервер приложений.

Безопасность в трехуровневой системе обеспечивается за счёт того, что:

• клиентские терминалы не имеют доступа к базе данных напрямую, а данные могут изменяться только через интерфейс системы;

• в системе присутствует разграничение прав по пользователям, а информация о пользователе, производившем действия по изменению, сохраняется;

• данные, введенные пользователем, проверяются на сервере;

• периодически проводится резервное копирование базы данных.

Выбранная архитектура САН ТС АНС позволяет осуществлять надежное хранение данных и осуществлять их обработку, масштабировать систему при увеличении нагрузок.

ЛИТЕРАТУРА

1. Интернет-Университет Информационных Технологий http://www. intuit.ru/department/se/dbpdelphi/28/ .

2. Network world http://www.osp.ru/nets/! 997/06/142618/ .

ARCHITECTURE FOR THE SYSTEM RELIABILITY ANALYSIS OF THE FUNCTIONING OF TECHNICAL EQUIPMENT BY THE AIR NAVIGATION SYSTEM OF RUSSIA

Mischenko O.V., Apanasov A.A.

In this paper presents a rationale for the choice of architecture for the system reliability analysis of the functioning of technical equipment by the Air Navigation System of Russia.

Key words: architecture of information systems, air navigation system Russia.

Сведения об авторах

Мищенко Олег Владимирович, 1987 г.р., окончил МГТУ ГА (2009), аспирант кафедры управления воздушным движением МГТУ ГА, область научных интересов - надежность технических средств в авиации, информационные технологии.

Апанасов Ахмед Анатольевич, 1987 г.р., окончил МГТУ ГА (2009), аспирант кафедры управления воздушным движением МГТУ ГА, область научных интересов - информационные технологии, аэронавигация.