Программные продукты и системы

Программное обеспечение (ПО), предназначенное для решения разного рода задач распределенного исполнения, требует наличия эффективной и гибкой системы информационного обмена. Опыт разработки такого ПО, а также современные требования к качеству и возможностям изделия со стороны заказчика и пользователя определили основные задачи, решение которых должна обеспечивать система информационного обмена:

а)       предоставление механизмов информационного обмена между функциональными модулями ПО на разных уровнях взаимодействия: в одном процессе, между процессами на одной ЭВМ, компьютерах локальной или глобальной сети;

б)      децентрализованная связь компонентов системы по принципу peer-to-peer (узел к узлу) [1,2];

в)      параллельное исполнение нескольких экземпляров системы во время сеанса работы ПО;

г)       производительность, достаточная для решения задач моделирования дискретных событийных систем;

д) переносимость и возможность связанной работы элементов системы информационного обмена под операционными системами различных семейств, в частности Windows и Linux;

е) возможность комплексирования существующих систем, разработанных на базе такой же системы информационного обмена.

Анализ и апробация существующих решений выявили отсутствие системы информационного обмена, отвечающей всем указанным требованиям, что определило актуальность задачи разработки собственной системы, получившей название СИНОМ.

В основу СИНОМ положена идея организации информационного поля, обмен данными в котором происходит посредством отправки информации, с одной стороны, и декларированием своего желания получать конкретную информацию по определенным правилам, с другой. Контент информационного поля формируется подключенными функциональными модулями ПО (рис. 1). При этом любой новый функциональный модуль, подключившись к существующему информационному полю, получает доступ к его данным, декларируя свои информационные требования, а также возможность дополнить информационное поле своими данными.

Информация представляется в виде сообщений, каждое из которых содержит уникальный идентификатор, уровень распространения (процесс, ЭВМ, локальная сеть, глобальная сеть), приоритет (низкий, средний, высокий) и содержательную часть.

Информационное требование реализуется путем создания подписки, которая содержит идентификатор сообщения, уровень распространения требуемых данных (процесс, ЭВМ, локальная сеть, глобальная сеть) и метод-обработчик сообщения. Дополнительно может быть указано ограничение по частоте получения сообщения (в миллисекундах). Удаление подписки определяет отказ от дальнейшего получения информации.

При таком подходе отправитель и получатель ничего не знают друг о друге, что позволяет устранить жесткую логику связи источника и приемника данных и делает функциональную область ПО легко и независимо расширяемой.

Инфраструктура СИНОМ состоит из библиотеки sinom.dll (sinom.so для Linux) и службы sinom.exe.

Библиотека sinom.dll обеспечивает организацию внутрипроцессного обмена, а также связь со службой sinom.exe. Взаимодействие sinom.dll и функционального модуля ПО осуществляется вызовом методов интерфейса sinom.dll со стороны функционального модуля, а sinom.dll вызывает методы-обработчики указанных функциональных модулей при оформлении подписок.

Рис. 1

Взаимодействие sinom.dll со службой sinom.exe осуществляется посредством эмуляции работы по сети, используя интерфейс внутренней петли (протокол TCP с локальной адресацией).

Служба sinom.exe обеспечивает создание и работу peer-to-peer сетевой инфраструктуры для передачи информации между ЭВМ локальной и глобальной сети, а также между процессами в рамках одной ЭВМ. Удаленное взаимодействие служб sinom.exe осуществляется посредством TCP- и UDP-протоколов. Выбор протокола определяется приоритетностью сообщения.

Рис. 2

Общий вид сетевого взаимодействия показан на рисунке 2. Из рисунка видно, что схема peer-to-peer используется только на уровне подсетей, то есть служба sinom.exe, запущенная на любой машине подсети, кроме шлюзовой, знает обо всех остальных службах, работающих в этой же подсети. Если подсети соединены через маршрутизатор, то служба на шлюзовой машине «1.x» подсети 1 дополнительно связана со службой на шлюзовой машине «2.x» подсети 2. Если подсети соединены через компьютер «y.y» с несколькими сетевыми картами, то служба, запущенная на этой машине, связана со всеми службами подключенных подсетей. Шлюзовой также является любая машина с подключением к глобальной сети. Соединение peer-to-peer и соединения вида «подсеть 1 « подсеть 3» (рис. 2) устанавливаются автоматически при запуске программ, использующих СИНОМ. Соединение вида «подсеть 1 « подсеть 2» устанавливается путем явного указания IP-адреса в конфигурационном файле.

Информационное взаимодействие различных уровней посредством СИНОМ показано на рисунке 3. Уровни информационного взаимодействия организованы по принципу матрешки и определяются уровнем распространения сообщения, указанным при отправке, и уровнем распространения требуемых данных, указанным при подписке. То есть сообщение не выйдет на новый уровень, если он не указан при отправке или на сообщение нет ни одной подписки этого или более высокого уровня. Здесь представлены следующие уровни взаимодействия.

1.   Внутрипроцессный (inprocess) обмен, при котором сообщение и подписка на него не выходят за пределы процесса. О появлении (удалении) подписки с данным уровнем будут оповещены только функциональные модули процесса. Следовательно, сообщения с тем же идентификатором, отправленные из других процессов, получены не будут.

2.   Обмен в рамках одной ЭВМ (local machine). В этом случае сообщение и подписка не выходят за пределы ЭВМ (не отправляются в сеть). О появлении (удалении) подписки с данным уровнем будут оповещены функциональные модули процессов, запущенных на данной машине. Сообщения с тем же идентификатором, отправленные из другой ЭВМ, получены не будут. Данный уровень включает в себя внутрипроцессный обмен.

3.   Обмен на уровне локальной сети (local net). Сообщения и подписки на них не передаются в другие подсети. О появлении (удалении) подписки с данным уровнем будут оповещены все участники информационного поля в рамках подсети. То есть сообщения с тем же идентификатором, отправленные из другой подсети, получены не будут. Данный уровень включает в себя внутрипроцессный обмен и обмен в рамках одной ЭВМ.

4.   Межсетевой обмен (global net). Область распространения сообщений и подписок не ограничена. О появлении (удалении) подписки с таким уровнем распространения будет оповещен каждый модуль sinom.dll в каждой программе данного информационного поля.

В качестве примера рассмотрим информационный обмен между функциональным модулем d.dll, загруженным в программу App_6.exe, которая запущена на ЭВМ_2_1 в локальной сети 2 (рис. 3). Данный модуль подписывается на сообщение с идентификатором 1, желая получать его откуда угодно (global net). О появлении данной подписки в информационном поле оповещаются все, в том числе и функциональная модель модуля 1.dll (App_1.exe на ЭВМ_2_1 в локальной сети 1), который генерирует данное сообщение. Если сообщение 1 имеет уровень ниже global net или подписка на него была удалена в d.dll, оно не выйдет за пределы модуля 1.dll. В противном случае оно будет доставлено в d.dll.

Рис. 3

Настройки системы (уровни взаимодействия, порты, адреса шлюзовых машин и т.п.) задаются с помощью конфигурационного файла. Средства настройки позволяют решить вопрос о создании нескольких информационных полей, ничего не знающих друг о друге и исполняемых на одном физическом пространстве сети для сокращения времени обработки циркулируемой информации. Так, например, может быть создано отдельное информационное поле для обмена мультимедийным контентом с целью разгрузить основное информационное поле (в частности, информационное поле моделируемой среды). При этом для функционального модуля всегда остается возможность стать потребителем и источником информации сразу для нескольких информационных полей.

Система СИНОМ разработана на языке C++ [3] на основе объектно-ориентированного и обобщенного подходов [4] и является кроссплатформенной. Проведены ее апробация и тестирование на ОС Windows 2000/XP, Мобильной системе Вооруженных сил 3.0 и защищенной ОС «Оливия». В настоящее время СИНОМ является основой информационного обмена в разрабатываемых изделиях.

Дальнейшее развитие системы заключается в автоматизации процесса создания и отправки сообщений, а также в распараллеливании и обеспечении потокобезопасного взаимодействия функциональных модулей и sinom.dll.

Список литературы

1.   Androutsellis-Theotokis S., Spinellis D. A Survey of Peer-to-Peer Content Distribution Technologies. // ACM Computing Surveys. 2004. Vol. 36. – № 4, pp. 335–371.

2.   Khan I.J., Wierzbicki A. Foundation of Peer-to-Peer Computing, Special Issue. // Elsevier Journal of Computer Communication. 2008. V 31. Issue 2, pp. 137–161.

3.   Stroustrup B. The C++ Programming Language. 3rd. ed. – Addison-Wesley Publishing Company, 1997. – 1040 p.

4.   Alexandrescu A. Modern C++ Design: Generic Programming and Design Patterns Applied. – Addison-Wesley. 2001.