مقاله ارزیابی عملکرد سیستم های توزیع شده : یک روش مدلسازی مبتنی بر مؤلفه بر اساس شبکه های پتری شئ گرا

بخشی از مقاله

ارزیابی عملکرد سیستم های توزیع شده: یک روش مدلسازی مبتنی بر مؤلفه بر اساس شبکه های پتری شئ گرا

چکیده

در این مقاله، ما روشی برای سیستم های توزیع شده با شبکه های پتری سطح بالا ارائه می کنیم که یک ابزار قدرتمند به ویژه ابفرمالیسم همزمان و توزیع اختصاص داده شده، اجازه مدلسازی هر دو پروتکل و مؤلفه های سرویس را می دهد. کار ارائه شده در این مقاله بخشی از یک رویکرد بزرگ در طراحی سیستم های توزیع شده توسط ارزیابی کردن می باشد که در مرحله طراحی، پروتکل های شبکه بر توزیع تابعی از یک سیستم توزیع شده بر روی کامپیوترهای مختلف اثر می گذارد.

کلمات کلیدی

سیستمهای توزیع شده، شبکه پتری، ارزیابی، عملکرد، شئ گرا

1 -مقدمه

با توسعه شبکه ها، سیستم های توزیع شده (tanenbaum 1995) (coulouris et al., 2001) افزایش یافته است. توسعه شبکه های کامپیوتری، پیدایش برنامه های کابردی جدید، با بهره گیری از قدرت انعطاف پذیری فراهم شده توسط توزیع توابع آنها در کامپیوترهای مختلف را توانا کرده است. ما در این کار به خصوص روی کنترل شبکه در سیستم های تولید علاقمند هستیم. سیستم های تولید، یک کلاس از سیستم های رویداد گسسته هستند که عناصر برای تولید محصولات یا انجام خدمات با یکدیگر تعامل دارند. مفهوم انعطاف پذیری سیستم های تولید FMS به منظور توسعه سیستم های تولید جدید که قادر به تولید مجموعه های کوچک یا متوسط هستند ارائه شده است.
مدلسازی چنین سیستم هایی به منظور بررسی برخی خواص، مخصوصاً نتایج عملکرد، بسیار مهم می باشد. در این مقاله، بسیاری ازمدل ها برای سیستم های تولید مدل (toguyeni, 2006) (berruet, 2005) (sarjoughian et al., 2005) پیشنهاد شده اند.
با این حال، الگوی مدلسازی کلاسیک، عموما بر اساس یک نقطه نظر متمرکز می باشد. در واقع، این نوع مدلسازی برای محاسبه واقعی سیستم، زمانی که اجرا بر روی دستگاه های مختلف، حسگرها، بازیگران، و غیره می باشد توزیع خواهد شد. بنابراین، مشخصات بدست آمده در مرحله طراحی در مرحله پیاده سازی لزوما تضمین شده نیست.
علاوه بر این، مدل های پیشنهادی را برای محاسبه شبکه واقعی و پروتکل ها در شرایط عملکرد و تبادل اطلاعات به کار نمی برند. عمل و طراحی سیستمهای تولید توسط ویژگیهای زیر بنایی شبکه،کارایی، پویایی، دسترسی و ویژگیهای خدماتی خوب، نتیجه می شود. راه غلبه بر چنین مشکلاتی مدلسازی این سیستم ها در یک روش توزیع شده است. یک سیستم مدلسازی توزیع شده، روشی را برای توصیف دقیق همه اشکال جالب رخ داده غیرقابل پیش بینی ارائه می دهد. هر بخش از سیستم، منابع در دسترس، و تغییرات سیستم با هم در شبکه های واقعی را محاسبه می کند. این مدل برای اولین بار ساخته شده است، اجرای آن آسان تر است چون همان مشخصه ای را دارد که مطلوب سیستم می باشد. با این حال، این سیستم ها پیچیده هستند : آنها توزیع گسترده، دینامیک بالا، و عدم تجانس بالا را نشان می دهند. بنابراین، برای مدلسازی این سیستم ها، روشی که از درجه بالاتری از اطمینان و جوابهای دقیق برخوردار می باشد لازم است. برای مقابله با این چالش، ما استفاده از یک روش مبتنی بر مؤلفه که منطبق با مبدا سیستم های توزیع شده می باشد که در آن عناصر قابل استفاده مجدد و واحدهای سازگار با کد وجود دارند را پیشنهاد می کنیم. رویکرد مبتنی بر مؤلفه از ابزارهای عمومی، سلسله مراتبی و تعدیلی برای طراحی و تجزیه و تحلیل سیستم استفاده می کند. این نشان می دهد که مدل سیستم را می توان از بهم پیوستن قطعات با هم اسمبل کرد و طراح تنها نیاز به شناسایی مؤلفه های خوبی برای ارائه مناسب با توجه به برنامه های مورد نیاز، دارد. این روش اجازه قابلیت استفاده مجدد و تعمیم قطعات را می دهد که این امر باعث کاهش هزینه های توسعه سیستم می شود.

2 -مدلسازی با شبکه های پتری

شبکه های پتری در سال 1962 توسط پتری در دانشنامه دکترایش "ارتباطات با ماشین ها " (پتری ، (1966 ارائه شده است .شبکه های پتری یک ابزار ریاضی و گرافیکی مورد استفاده برای مدلسازی، تجزیه و تحلیل رسمی، و طراحی سیستم های مختلف از جمله شبکه های کامپیوتری، کنترل فرایند گیاهان، پروتکل های ارتباطی سیستم های تولید، ناهمزمان، توزیع شده، موازی، و سیستمهای تصادفی؛ حتی سیستم گسسته، می باشد.

به عنوان یک ابزار گرافیکی، شبکه های پتری یک رسانه ارتباطی قوی بین کاربر و طراح را ارایه می دهند. به جای استفاده از توضیحات مبهم متنی، نماد ریاضی برای درک یا مو ارد پیچیده دشوار است . نمایش گرافیکی، شبکه های پتری را از لحاظ حسی، بسیار جذاب می کند.

گراف شبکه پتری شامل دو نوع گره می باشد : مکان ها "P" و انتقال ها ."T" در گرافیک، مکان ها توسط دایره، در حالی که انتقال ها با مستطیل نشان داده می شود، شکل .1 مکان ها و انتقال ها به طور مستقیم توسط کمان هایی از مکان ها به انتقال ها و از انتقال ها به مکان ها متصل شده اند. یک مکان P0 بصورت یک مکان ورودی از یک انتقال T تصور شده است به شرطی که کمانی از P0 به T وجود داشته باشد. یک مکان P1 بصورت یک مکان خروجی از یک انتقال T تصور شده است به شرطی که کمانی از T به P1 وجود داشته باشد. مکان ها می توانند شامل توکن ها توسط نمایش نقطه ها باشند .

این توکن ها نشانه ای از مکانها می باشند. اولین توکن مکان ها در بردار اصلی نشان انتقال m0، نمایش داده می شود . ارائه گرافیکی از شبکه های پتری خواص استاتیک سیستم ها را نشان می دهد، اما آنها همچنین دارای خواص دینامیکی ناشی از نشانه ای از یک شبکه پتری هستد.

به عنوان یک ابزار ریاضی، مدل شبکه پتری را می توان توسط مجموعه ای از معادلات جبری خطی، ماتریس جبر خطی، و یا دیگر مدل های ریاضی منعکس کننده رفتار سیستم، توصیف کرد. این روش اجازه انجام تجزیه و تحلیل رسمی از مدل و بررسی رسمی از خواصمربوط به رفتار سیستم: بن بست، عملیات همزمان، فعالیت های تکراری... را می دهد.

شکل . 1 نمونه شبکه پتری

1 - 2 معماری سیستم های ارتباطی

سیستم های ارتباطی برای ارسال پیام یا اطلاعات از یک منبع به یک یا چند مقصد طراحی شده اند. به طور کلی، سیستم های ارتباطی می تواند با بلوک دیاگرام تابعی نشان داده شده در شکل 2 نمایش داده می شود. سیستم های مخابراتی واقعی برای ارتباطات صوتی توسعه داده شد.

شکل . 2 نمودار تابعی از سیستم ارتباطی

امروزه شبکه های ارتباطی شامل تمام انواع صدا، ویدئو و ارتباطات

داده ها بیش از سیم مسی، فیبرهای نوری یا رسانه بی سیم می باشد. شبکه های (Stallings, 2007) (Mir, 2007) از یک سلسله مراتبی از لایه ها، سازمان یافته اند که هر لایه به خوبی تعریف شده و تحت پروتکل های خاص عمل می کنند. تعداد لایه ها می تواند از یک مدلشبکه مرجع خود به دیگری متفاوت باشد اما هدف از ساختار لایه بندی شده وجه مشترک همه مدل هاست. مدل OSI (Zimmermenn, 1980)، در مجموعه ای از 7 لایه ساختار یافته است، در حالی که مدل TCP/ IP فقط شامل چهار لایه می باشد،
شکل.3

شکل . 3 تفاوت مدلهای OSI و TCP/IP

هر لایه متشکل از عناصر سخت افزاری یا نرم افزاری است و به لایه بلافاصله بالاتر از آن خدمات ارایه می دهد. توسط اینترنت، تعداد شبکه های کامپیوتری که در حال حاضر متصل می باشند افزایش می یابد. مفهوم سیستم های مخابراتی پیچیدگی را افزایش داده است.

2- 2 خواص شبکه پتری سطح بالا

در این زیربخش ما یک تعریف کوتاه درباره شبکه های مورد نظر در سطح بالای پتری می دهیم این تعریف جدا از تعریف شبکه های پتری رنگی (Jensen, 1991) نیست. با این حال، ما به این تعریف نماد هم اضافه می کنیم.

تعریف: یک شبکه پتری سطح بالا یک چندتایی

N= (P, T , m0, ∑, Λ , G, E, D) می باشد که در آن:

 Σ یک مجموعه متناهی از مجموعه رنگ های Λ، T، m0، Σ، غیر تهی می باشد.

G  تابع گارد می باشد عبارتست است از G : T  Boolean که در آن :
∀ t ∈ T : [ Type (G(t)) = Bexpr ∧ Type (Var (G(t))) ⊆ ∑]که :

Type نوع رنگی تابع گارد می باشد.

Bexpr تابعی Boolean می باشد. Var متغیرهای تابع گارد می باشد.

 E یک تابع بیان کمان است، E : A E(a) که :

∀ a ∈ A : [ Type (E(a) ) = Λ(P(a)) ∧ Type (Var(E(a)))

∑ ⊆، P(a) مکانی از کمان a می باشد.

 D تابع تأخیر می باشد. D: E TS که در آن Ts أتخیر وابسته به برچسب کمانی است که با نماد “@” زیرنویسی شده است.

تابع بیان کمان می تواند شامل هر گونه علامت and / or توابع ریاضی یا منطقی، از قبیل عبارات زبان برنامه نویسی باشد . تابع تأخیر می تواند هر دو کمان خروجی (از مکانها به گذارها ) و کمان های ورودی (از انتقال ها به مکان ها ) را پیوند دهد . اجرای این تعریف توسط نمونه های مختلف ارائه خواهد شد.

1 -برچسب ها، گاردها و چندتایی ها

کمانها اتصال دهنده های مابین مکانها و انتقال ها هستند. کمانها می توانند برچسب هایی داشته باشند. موقعیکه یک انتقال آتش می کند، عبارتهای کمانش ارزیابی شده وتوکن ها طبق نتیجه حرکت می کنند. برچسب های کمان می توانند بصورت ساده، چندتایی ها و یا حتی عملگرهای ریاضی باشند. آنها همچنین می تواند متغیر و یا ثابت باشند. با این حال برچسب ها، هم معنای دو کمان ورودی و کمان خروجی نیستند.

شکل 5 برچسب های کمان مختلف را نشان می دهد. در شکل 4 (a)، برچسب کمان شامل عملیات ریاضی می باشد. حاصل آتش T1 یک توکن با مقدار 8 است. در حالی که در T2 (b) تنها می تواند در صورتی آتش کند که مکان P4 شامل یک توکن با مقدار 5 باشد. همچنین توکن ها می تواند اعداد یا رشته هایی در مکان P5 باشند. حاصل آتش T2 یک توکن با مقدار "hello" در مکان P6 می باشد. با این حال در (c)، T3 می تواند با هر مقدار مکان P7 آتش شود، اما در نتیجه این آتش، توکن با مقدار 5 در مکان P9 قرار داده می شود. علامت های دیگر جاوا مانند علامت "!" می توانند استفاده شوند که معنای نامساوی می دهد درحالیکه“ ” یک علامت "یا" می باشد .

شکل .4 برچسب های کمان

برچسب های گارد مانند برچسب های کمان نیستند عباراتی هستند که بصورت پیشوند با کلمه گارد کلیدی ذخیره شده برای انتقال ها جمع می شوند. یک انتقال ممکن است فقط در صورتی که تمام برچسب های گارد خود را درست ارزیابی کرد، آتش کند. گاردها در شرایطی که دبای رضایت بخش باشد به آتش کردن انتقال ها می پردازند. آنها می توانند در گزارشات مورد استفاده قرار گیرند.

شکل .5 برچسب گارد

شکل 5 نمونه ای از برچسب گارد را نشان می دهد . برای آتش کردن T1 هر دو شرط باید درست باشد : Y باید بزرگتر از 10 و X بزرگتر از Y باشد. طبق شرط دوم توکن های با مقدار 42 و 100 در مکان P1 باشند. با این حال، مقدار توکن X، باید 50 باشد . بنابراین، تنها توکنی که مقدار 42 دارد را می توان برای برقراری شرط اول استفاده نمود. نتیجه یا آتش T1، توکنی با مقدار 92=42+50 می باشد که در مکان P3 قرار داده می شود گارد ها نیز برای شناسایی توکن ها کاربرد دارند.

یک چندتایی توسط ویرگول جداساز لیستی از عباراتی که در براکت های چهارگوش احاطه شده [1, ”abc”]، و دو ممیز شناور با دقت 1.4 نشان داده می شود. چندتایی ها برای ذخیره کردن یک گروه کامل از مقادیر مرتبط با آن در داخل یک توکن و از این رو در مکان واحد کاربرد دارند . یک چندتایی ، [[1, 2], [3, 4, 5]]، Tuple ˚ 2

می باشد که Tuple - 2 به عنوان مؤلفه اول و Tuple - 3 به عنوان مؤلفه دوم آن است. این ممکن است در صورتی که مؤلفه ها بصورت سلسله مراتبی ساخته شوند مورد استفاده قرار گیرد.

شکل . 6 چندتایی ها

برچسب کمان می تواند توکن و ساختار چندتایی را تغییر دهد . شکل 6 نمونه ای از چندتایی ها را نشان می دهد . چندتایی ها می توانند به نمایندگی پروتکل واحد داده PDU در پروتکلهای ارتباطی استفاده شوند.

2 -تابع احتمالی و تصادفی

فرایند احتمالی یا فرایند تصادفی مجموعه ای از متغیرهای تصادفی است. در شبکه های پتری تصادفی، تابع
3 -تعریف توکن

ایستگاه های کاری تبادل پیام، آدرس منبع و مقصد در سربرگ پیام قرار می دهند. ایستگاه کاری که آدرس مقصد دارد می تواند
دربردارنده پیام باشد. شناسایی توکن برای مدلسازی این روند بسیار مهم می باشد. شبکه های پتری سطح بالا اجازه شناسایی توکن ها رامی دهند. برچسب گارد در انتقال ها را می توان در شناسایی یک توکن وابسته به زمینه های خود (در مکان های ورودی) استفاده کرد . در نظر بگیرید به عنوان مثال در شکل 8، ایستگاه کاری، سنجش کانال برای پذیرش، تنها می تواند بسته ای که آدرس مقصد آن "1" می باشد را بگیرد(آدرس آن فرض می شود). تحقیقات دیگر را می توان مانند شناسایی محتویات بسته انجام داد به شرطی که آن بسته یا بسته داده تائید شود.

شکل .8 برچسب توکن

4 -زمانبندی

نماد زمان به فرمالیسم PN برای مدلسازی وابستگیها ی زمان اضافه می شود. تمبر زمان به همه توکن ها چسبانده می شود . تأخیرها، برچسب های کمان را به منظور کنترل تمبرهای زمان توکن و زمانهای آتش انتقال ها بهم می پیوندند. برای اضافه کردن تأخیر به یک کمان، نماد "@" و به اصطلاح نمایانگر تعداد واحد زمان به برچسب کمان اضافه می شود. به عنوان مثال، برچسب x@5 نشان می دهد که توکن باید متوقف شود یا پس از 5 واحد زمان در دسترس قرار خواهد گرفت.