Сложные системы

СЛОЖНЫЕ СИСТЕМЫ

Ю.М. Лисецкий

При определении системы основной акцент обычно делается на взаимодействие составляющих ее элементов [1].

Ряд авторов подчеркивает организованность системы, объединение ее элементов в интересах достижения общей цели, единство ее структуры и функций, значимость отношений между объектами и их свойствами и др. [2-4]. Различие определений системы объясняется, на наш взгляд, не столько многообразием объекта исследований, сколько несовпадением подходов исследователей к системе, точнее, к аспектам системы, которые исследует тот или иной автор: структура или функции, отношения между элементами или подсистемами, статика или динамика системы.

Направленность данной работы прагматическая, поэтому в определении системы подчеркнем ее продуктивность, результат ее функционирования.

Итак, под термином система, мы понимаем совокупность взаимодействующих элементов, обладающую производными свойствами.

Принципиально описание системы образует три среза [5]:

- структурный (элементы, связи между ними и их параметры);

- функциональный (работа системы и ее развитие);

- кибернетический (регулирование поведения системы).

В наиболее общем плане система разделяется на структуру и функции. Структура - это взаимосвязь, характеризующая строение системы; ее модель, идеализированный образ.

Функционирование - это деятельность (работа) системы (подсистемы, элемента), а функция -не сама деятельность, а отношение действующего «элемента» ко всей системе [6].

Закономерности поведения системы определяются ее структурой и характеристиками элементов, а также условиями функционирования. Для простых систем, не обладающих свободой выбора поведения, это означает, что изменить поведение системы можно, только изменив ее состав и/или структуру. Для сложных систем связь между структурой и функционированием неоднозначна.

В большинстве источников, описывающих системы, понятие сложности является довольно неопределенным. Так, например, Н. Бусленко считает систему сложной, если велико число взаимодействующих элементов; по сути дела, одно понятие заменяется другим, так же нераскрыва-емым [7]. Непродуктивным представляется и под-

ход Щедровицкого, который считает сложность системы синонимом ее непознанности [8].

Будем называть сложными те системы, результат функционирования которых не может быть задан заранее хотя бы в вероятностном смысле, независимо от причин этой неопределенности: внешних или внутренних.

Классифицируя системы как сложные и простые, необходимо отметить, что есть безусловно сложные системы по структуре и функционированию. Реже встречаются системы, сложные по структуре, но простые по функционированию. И гораздо чаще встречаются системы, сложность которых состоит в сочетании и чередовании функций. Таким образом, сложна либо структура, либо функционирование (либо то и другое).

Лефевр, исследователь конфликтующих структур, предложил считать сложной систему, для которой трех ее описаний (структурного, функционального и кибернетического) недостаточно, чтобы выявить ее сущность, и возникает необходимость в интегрирующей модели (так называемом конфигураторе), объединяющей все упомянутые срезы [9].

Рассмотрим еще более узкий класс - сложные технические системы. Это человеко-машинные системы, поведение которых в значительной степени зависит от интеллектуально-волевой деятельности людей.

Практически в каждой сложной технической системе можно выделить две подсистемы: управляющую и исполнительную. Исполнительная подсистема реализует основную функцию системы, управляющая регулирует ее поведение с учетом изменяющихся условий среды и требований пользователя.

Сложные технические системы, как правило, характеризует: осуществление основных и вспомогательных функций; точность функционирования; быстродействие; надежность; адаптивность; модернизируемость; безопасность функционирования; простота и удобство управления; совместимость с другим системами и вспомогательным оборудованием; модульная структура; возможность стандартизации; масштабируемость.

К сложным техническим системам относятся и информационно-вычислительные системы. Современные корпорации и крупные предприятии с филиалами, размещенными на значительной территории, ощущают все большую потребность в корпоративных интегрированных информационных системах (КИИС). Задача такой системы -обеспечить доступность общих баз данных, работу приложений, внутреннюю телефонную связь,

видеоконференц-связь, сделать реальностью общую информационную политику и политику в сфере безопасности.

Управление таким географически распределенным предприятием является весьма сложной задачей. Здесь особенно остро ощущается необходимость получения информации в реальном масштабе времени.

Именно поэтому и создаются КИИС, объединяя центральный офис предприятия с подразделениями, расположенными в других районах, обеспечивая надежное поступление всей оперативной и статистической информации в центр.

Сложность любой системы также определяется набором задач, которые она должна выполнять. Наиболее типовые требования к системе телекоммуникационной сети географически распределенного предприятия включают в себя следующее:

- обеспечение передачи данных от каждого подразделения к центру и между собой со скоростью, не ниже заданной;

- предоставление каждому подразделению телефонной и факсимильной связи с центром и другими подразделениями по нескольким каналам;

- обеспечение возможности селекторных совещаний (голосовой телеконференции) между всеми подразделениями предприятия и центром.

- обеспечение возможности видеоконференций между всеми подразделениями предприятия и центром.

Существуют различные варианты построения КИИС на базе проводных, спутниковых и радиоканалов передачи данных.

Кабельные линии

Самое простое и надежное решение - построить КИИС на основе уже имеющихся собственных наземных кабельных линий связи или аренде таковых. Но, как правило, для решения задач, стоящих перед КИИС, существующих проводных каналов связи явно недостаточно, так как волоконно-оптические и медные кабели хорошего качества имеются в основном на магистральных участках сетей крупных операторов связи. А если речь идет о построении КИИС областного или районного масштаба, то во многих местах магистральных линий связи может просто не быть. И все же проводные линии связи - наиболее простой и удобный способ организации каналов КИИС. Поэтому полностью отказываться от проводных линий связи нецелесообразно; наряду с другими типами линий связи они должны быть использованы везде, где это возможно.

Второй вариант - это построение КИИС путем прокладки собственных волоконно-оптических кабелей. Такой подход кажется весьма перспективным: во-первых, это удобно и надежно; во-вторых, позволяет решать целый ряд задач и обес-

печивает требуемое качество и количество каналов связи для КИИС; в-третьих, предоставляется возможность предприятию самому оказывать телекоммуникационные услуги.

Есть у такого решения и свои минусы. Во-первых, прокладка волоконно-оптических кабелей - это значительные финансовые и временные затраты. Так, например, прокладка каждого километра такого кабеля (включая его стоимость) обходится не менее чем в 10 000 долларов. Во-вторых, серьезное препятствие представляет все еще существующий вандализм, что серьезно повышает текущие расходы на эксплуатацию канала и его ремонт.

Спутниковые линии

Спутниковые системы связи, доступные для коммерческого использования, появились относительно недавно. Они незаменимы для связи на больших расстояниях (межгосударственные, межконтинентальные коммуникации). Если же связь необходима на сравнительно малом расстоянии (до 400-500 км), то спутниковые коммуникации оправданы только в тех случаях, когда другие виды связи использовать невозможно (в горных условиях, при стихийных бедствиях в удаленных районах или в случае индустриальных катастроф).

Спутниковые линии связи имеют особенности:

• высокая мобильность и независимость от местной инфраструктуры;

• требование прямой видимости спутника связи, который может находиться очень низко над горизонтом (20-25 градусов);

• большая задержка, особенно для геостационарных систем, при передаче голосового трафика: с учетом времени обработки и кодека при одном скачке составляет свыше 300 мс, при двух скачках («хабовая» технология) - более 600 мс. (В рекомендации ITU-T G.114 One-Way Transmission Time указано требование к величине задержки при передаче голосового трафика: до 150 мс - так называемое «бизнес-качество», приемлемое для большинства пользователей и приложений; до 400 мс - допустимое для специальных приложений, если пользователь извещен о том, что увеличенная задержка отрицательно сказывается на качестве голоса.) При передаче голоса через спутниковый канал (с учетом его специфики и в соответствии с рекомендациями) приемлемое время задержки не должно превышать 400 мс;

• довольно сильное влияние гидрометеорологических условий, засветки Солнца и состояния атмосферы на качество сигнала и коэффициент ошибок, что объясняется особенностями распространения радиоволн на сверхвысоких частотах, используемых для спутниковой связи (порядка десятка гигагерц).

Спутниковые системы связи характеризуются наибольшей стоимостью владения из всех рассмотренных вариантов. Большую часть этой стоимости составляет аренда спутникового транспон-дера (порядка 2000-4000 евро в месяц за 1 Мбит/с, то есть за передачу из одной точки в другую полудуплексного трафика со скоростью 1 Мбит/с). Следующая по величине расходов статья - мониторинговый сбор за использование спутниковых приемопередающих станций.

Тем не менее, спутниковые системы связи -это мощное современное решение, применяемое при передаче информации на большие расстояния, а также в труднодоступных районах. Именно в таких случаях спутниковые системы практически вне конкуренции, причем не только по техническим, но и по стоимостным показателям. По данным операторов, спутниковая связь может быть выгоднее других видов связи при дальности более 500 км, конечно, с учетом тех особенностей, которые мы рассмотрели выше.

Радиоканалы

Когда на территории, где строится КИИС, не хватает или вообще нет проводных линий связи необходимого качества, а расстояние между двумя соседними узлами КИИС не более 100 км, построение КИИС может быть реализовано на основе радиоканалов. Рассмотрим особенности, характерные для линий связи на основе радиотехнологий:

• быстрое развертывание подобных сетей;

• малое время задержки при передаче голоса между двумя соседними узлами, которое при использовании кодека G.729 составляет около 13 мс, что удовлетворяет самым жестким требованиям рекомендаций ITU-T G.114;

• между антеннами передатчика и приемника необходимо обеспечить прямую видимость (это общая проблема всех систем связи на базе радиотехнологий в диапазоне СВЧ (радиорелейные, спутниковые, RadioEthernet);

• обязательное получение лицензии на использование радиочастот и разрешения на строительство и эксплуатацию радиоэлектронных средств (общая отличительная особенность всех радиотехнологий как наземных, так и спутниковых).

Сегодня при развертывании КИИС используют такие радиотехнологии, как радиорелейные линии связи и RadioEthernet (IEEE 802.11b). Технические различия между ними значительны, но они не являются предметом данной статьи, поэтому мы рассмотрим только их пользовательские свойства.

Радиорелейные каналы связи обычно имеют пропускную способность от нескольких потоков E1 до STM-1. Работают на частотах от единиц до десятков гигагерц. Стоимость полукомплекта обо-

рудования радиорелейной связи (то есть оборудования, устанавливаемого с одной стороны радиоканала) начинается примерно с десятка тысяч долларов. Дальность связи составляет до 60-80 км.

В свою очередь, оборудование RadioEthernet обеспечивает связь на дальности до 40-45 км при битовой скорости до 11 Мбит/с (IEEE 802.11b) или 54 Мбит/с (IEEE 802.11а); в этом году IEEE планирует выпустить стандарт 802.11g со скоростями до 54 Мбит/с. Такой скорости вполне достаточно для приложений, работающих в КИИС. RadioEthernet (IEEE 802.11b) обладает меньшей чувствительностью к гидрометеорологическим условиям и состоянию атмосферы. Это объясняется тем, что IEEE 802.11b работает на частоте 2,4 ГГц, что намного ниже рабочих частот современных систем фиксированной спутниковой и радиорелейной связи. Но одна из самых привлекательных особенностей технологии RadioEthernet -низкая стоимость полукомплекта оборудования (приблизительно на порядок меньше стоимости полукомплекта радиорелейной системы связи и спутниковой станции TES). Немаловажное преимущество - стоимость владения - самая низкая из всех типов линий связи (за исключением собственных проводных). Фактически она включает лишь оплату лицензий и мониторинговый сбор.

При проектировании КИИС разрабатывается также топология будущей сети, определяется объем, тип и структура данных, строится модель информационных потоков предприятия, анализируются количество и типы используемых прикладных систем.

Именно прикладные системы обеспечивают повышение эффективности работы предприятий и общее требование к ним - это необходимость обеспечения высокой степени готовности и доступности. Чтобы система была эффективной, она должна обеспечивать непрерывность и быстрое восстановление всех бизнес-процессов предприятия.

Одним из наиболее востребуемых решений является построение высокодоступных кластерных комплексов и организация серверных групп для приложений, используемых в предприятии.

Еще одна задача, имеющая первостепенное значение для эффективной работы приложений -организация систем и сетей хранения данных (SAN). Все чаще накопление данных и их последующий анализ используется для моделирования и прогнозирования. Как правило, подобные проекты включают в себя также подсистемы резервирования и восстановления данных.

Современный масштаб территориально распределенных предприятий для эффективной работы приложений требует использования систем мониторинга и управления сложными структурами, а внедрение информационно-аналитических систем позволяет принимать обоснованные управ-

ленческие решения на основе достоверной информации в реальном масштабе времени.

Анализ понятия сложности и построения корпоративных интегрированных информационных систем для географически распределенных предприятий позволяет сделать вывод о том, что задача поиска эффективных средств исследования, создания и управления системами самой различной природы актуальна.

Список литературы

1. Берталанафи Л., История и статус общей теории систем. - М.: Наука, 1973.

2. Квейд Э. Анализ сложных систем. - М.: Сов. радио, 1969.

3. Сегал В.В. Анализ и синтез сложных систем. - К.: ЦЭМИ «Тридента», 1994.

4. Решетников В.Н. Моделирование информационного поиска в информационно-поисковых системах. // Кибернети-ка.-1979.- №5.

5. Общая теория систем. - М.: Мир, 1966.

6. Сетров М.И. Основы функциональной теории организации. - Л.: Наука, 1972.

7. Бусленко И.В., Калашников В.В., Коваленко И.Н. Лекции по теории сложных систем. - М.: Сов. радио, 1975.

8. Щедровицкий Г.П. Проблемы методологии системного исследования. - М.: Машиностроение,1954.

9. Лефевр В. А. Конфликтующие структуры. -М.: Сов. радио, 1973.

СТЕК TCP/IP В ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ СЕТЯХ

С.Ю. Лисецкий, Д.П. Медведенко

Для современных предприятий с географически распределенной структурой актуальна задача телемеханизации, контроля показаний датчиков, управления и мониторинга удаленных устройств, не поддерживающих протоколы сетей пакетной передачи данных.

Одним из возможных путей решения такой задачи является организация канала тональной частоты от центра сбора информации или управления до удаленного устройства. Недостатком такого метода является неэффективное использование ресурсов, дороговизна построения такой системы и эксплуатации. Требуется поддержание в работоспособном состоянии множества медных линий связи, контроль и регламентные работы на большом количестве обслуживаемых и необслуживаемых усилительных пунктов. Подавляющее количество подобных технологических сетей построены все еще именно таким неэффективным и высокозатратным образом.

Другим путем решения этой задачи является передача вышеописанного типа информации через пакетную сеть передачи данных. Проблема заключается в том, что такая информация не организована ни в какие Protocol Data Unit (PDU) и передается в асинхронном режиме, поэтому иногда такие данные называют «сырыми». Для передачи подобной информации ее необходимо инкапсулировать в PDU данного стека протоколов.

Сегодня во всем мире корпоративные сети передачи данных в основном построены на базе стека TCP/IP. Исходя из сказанного отметим, что наиболее эффективным будет инкапсуляция на локальном узле сырых данных технологических сетей в стек TCP/IP с последующей деинкапсуля-цией их на удаленной стороне.

Инкапсуляцию можно осуществить либо при помощи туннелирования, выполненного с использованием маршрутизаторов производства Cisco Systems, либо при помощи организации виртуального асинхронного соединения через IP-сеть на базе конверторов интерфейсов "x to IP over Ethernet". Одним из широко известных (в частности на Украине) конверторов является Moxa Nport Express DE-311 производства Moxa Technologies.

С целью тестирования и проверки качества был собран ряд стендов (для проведения экспериментов на базе маршрутизатора Cisco Systems и конвертора DE-311).

При проведении эксперимента в качестве объекта управления использовалась другая рабочая станция, поскольку ее последовательный асинхронный порт обрабатывает сигналы аналогично портам объектов управления, таких как устройства телемеханики, датчиков и пр. Было обеспечено подсоединение рабочей станции к маршрутизатору (конвертору) через асинхронный порт СОМ1 (RS-232) и подсоединение машрутизатора (конвертора) к IP-сети через сетевой интерфейс Ethernet (RJ-45). В ходе тестирования с одной рабочей станции на другую передавался файл размером в 700 Кбайт при последовательном изменении скорости передачи в порту от 4800 до 115200 бит/с.

Первый эксперимент проводился с использованием двух маршрутизаторов Cisco 2651 с модулем NM-8A/S и коммутатора Catalyst 2950-24, что отображено на рисунке 1.

Использовался протокол передачи Zmodem with Crash Recovery. Передача файла прошла без разрыва соединения и без ошибок при приеме.