Интеллектуальные технологии в управлении информационно-сетевой инфраструктурой.

Заборовский В.С.

Инфраструктура - комплекс технических средств обеспечения производства
Советский Энциклопедический Словарь (СЭС), стр.499, М., 1998
Технология - совокупность приемов и методов, используемых в процессе производства
СЭС, стр.1330, М., 1998

Введение

Реализация проекта создания современной информационной инфраструктуры (ИИ) страны является одним из приоритетных направлений развития в области высоких технологий. Многоаспектный характер влияния ИИ на экономический потенциал страны трудно переоценить. Наряду с единой энергетической системой (ЕЭС) страны ИИ играет важнейшую роль в развитии и обеспечении жизнедеятельности государства. С появление нового поколения компьютерных сетей использующих технологию Интернет ИИ приобретает ряд принципиально новых функциональных компонент. Это прежде всего ориентировынные на обслуживание широкого класса пользователей системы электронной почты, средства удаленного доступа к вычислительным ресурсам, гипертекстовым базам данным и интерактивным информационным серверам. На основе этой инфраструктуры возможна реализиция концепции электронной системы документаоборота и проведения защищенных коммерческих транзакций, создание глобальной информационно-управляющей системы для различных отраслей промышленности, в частности, для электроэнергетики и топливо-энергетического комплекса страны.

1.

Современные компьютерные технологии в настоящее время чаще всего ассоциируются с интернет или корпоративными интранет сетями. Наряду с аппаратными компонентами, программные приложения и протоколы межсетевого взаимодействия составляют основу этих сложных систем. Технология их создания основывается как на базе новых аппаратных решений, так и новой концепции управления и взаимодействия между программными компонентами, получившими название интеллектуальных агентов. Каждый такой агент обеспечивает управление доступными для него информационными ресурсами, используя для этого набор собственных целевых условий и внешних задающих воздействий. Сами агенты, как программные компоненты единой сложной системы, передают данные и исполняемый код алгоритмов управления по сети с помощью стандартных средств межсетевого взаимодействия. Таким образом, в механизм управления добавляется новая возможность воздействия на состояние объекта путем передачи не самого регулирующего сигнала, а программной компоненты, реализующей алгоритм управления. В результате эта компонента получает оперативные данные о состоянии объекта уже непосредственно в точке, где необходимо реализовать требуемое воздействие. При этом в алгоритме могут учитываться координирующие воздействия от других компонент.

Управление на базе такой технологии носит ярко выраженный иерархический характер, при котором на нижнем уровне реализуется механизм управления с обратной связью и малыми задержками, а на верхнем - параметрическая оптимизация и программная координация управляющих воздействий.

2.

Лучшему пониманию особенностей таких систем может способствовать естественная и удобная абстракция, основанная на придании антропоморфных свойств описанным выше программным компонентам. В этой абстракции компоненты выступают как некоторые интеллектуальные агенты, которые имеют возможность как доставлять некоторые типы сообщений, так и реализовывать часть управляющих функций с учетом оперативных ограничений. Подобная абстракция полезна потому, что люди имеют большой опыт взаимодействия друг с другом и поэтому могут применить его для понимания и планирования процессов, возникающих при функционировании такого класса программных систем. Подобная иммитация на программном уровне интеллектуальных аспектов взаимодействия людей может быть весьма эффективной функциональной моделью и способна повысить эффективность настройки современных информационных систем.

Если современная метафора программного обеспечения это инструмент, который без человека является пассивным объектом, то метафора агентного подхода есть активное взаимодействие на уровне обмена информацией с использованием сетевых технологий и стандартных интерфейсов. Для реализации описанного выше подхода интеллектуальные агенты должны взаимодействовать как друг с другом, так и с пользователем системы. С точки зрения пользователя агенты суть программные модули, обладающие способностями к оперативному анализу данных, адаптации к изменяющимся условиям и активному обмену информацией с другими программными агентами.

С появлением глобального Интернет такие функции становятся объективно необходимыми. Статическая структура распределения информации между ограниченным набором функциональных элементов сети постоянно нарушается по мере развития сети. В условиях отсутствия жесткой структуры форматов размещения данных и их динамического обновления пользователи сети уже не могут полностью контролировать состояние ее информационных ресурсов.

Поэтому переход от прямого манипулирования функциями программного обеспечения, когда человек инициирует все процедуры взаимодействия, к непрямому управлению в форме задания целей управления и передачи фазы их достижения интеллектуальным агентам, представляется весьма привлекательным с практической точки зрения. Этот подход позволяет создать локальный цифровой alter-agos, который в отдельных областях деятельности человека может представлять его интересы в соответствии с делегированными ему функциями, то есть фактически стать proxy-agos.

Одна из технических проблем на пути реализации такого подхода состоит в синтезе адекватной формы описания целей и параметров управления. Возможные прототипы таких систем могут не иметь реальных знаний об исследуемой области, а использовать эффективные алгоритмы фильтрации запросов, сформированных в соответствии с заданным шаблоном поиска.

Технология программирования на базе агентного подхода является эффективным решением для построения распределенных информационных систем, хотя для этого могут использоваться и стандартные процедуры, например RPC. Но агентный подход имеет более естественную и простую модель распределенного асинхронного взаимодействия, что важно для автоматизации задач сетевой конфигурации, поиска и управления ресурсами. В них агенты играют также роль представителей (proxies) при межпроцессорном взаимодействии. Локализация алгоритмов в точках, где обеспечивается эффективный доступ к оперативным данным, позволяет уменьшить задержки при передаче данных через сеть, а также расширить возможности по защите данных от несанкционированного использования.

Сам антропоморфный термин "агент" предполагает реализацию тех или иных интеллектуальных функций и требует использования специальных инструментальных средств. Нотация нового языка программирования Java хорошо согласуется с этой концепцией агентов, когда основные функции управления и взаимодействия реализуются через передачу исполняемого кода через сеть в машиннонезависимом формате. Выполнение кода происходит на основе виртуальной машины языка, на котором написана программа. В этих условиях агент должен:

  1. планировать действия;
  2. функционировать в соответствии с планом;
  3. изменять план, исходя из текущего состояния сети;
  4. функционировать, исходя из измененного плана.
Спецификация плана может быть задана с помощью лингвистических аргументов/параметров, либо как набор целей, сформированных в виде продукционных правил. Поэтому сам механизм планирования может носить иерархический характер, что позволяет разделить процедуру планирования на мета и базовый уровни. На мета уровне используется объектно-интерактивный протокол, обеспечивающий ассоциативный доступ к ресурсам путем модификации дерева синтаксического разбора входных запросов. На оперативном уровне формируется последовательность процедур, обеспечивающих непосредственное взаимодействие с управляемыми ресурсами.

3.

Описанная выше технология имеет ряд преимуществ по сравнению с традиционными методами типа удаленного вызова процедур или RPC. С помощью перемещения управляющей программы в точку, где локализованы необходимые ресурсы, агент может взаимодействовать с ними без передачи промежуточных данных через сеть, тем самым существенно снижая требования к пропускной способности сети. Способность к анализу и адаптации к текущему состоянию позволяет выбирать момент передачи данных через сеть таким образом, чтобы избежать перегрузки или нарушения заданных требований к качеству сетевого сервиса.

Таким образом, мобильные интеллектуальные агенты становятся средством реализации новой универсальной парадигмы создания распределенных сетевых приложений. Модель ядра таких приложений имеет следующую структуру (рис.1):

Агенты
Языки взаимодействия
Tcl Java Sheme
Сервер
Транспортный механизм
Рис. 1.
Нижний уровень этой модели является интерфейсом к используемому транспортному механизму передачи данных. Следующий уровень реализует сервер, запускаемый на каждой машине, участвующей во межсетевом взаимодействии с помощью механизмов передачи сообщений и потоков данных с аутентификацией. Третий уровень содержит среду выполнения, поддерживающую различные языки взаимодействия агентов. Последний уровень содержит виртуальный образ самого агента, составленный с помощью алгоритмов его функционирования. Эти алгоритмы реализуются с помощью интерпретации входных данных, средств взаимодействия и ресурсов, доступных серверу.

Сервер обеспечивает функционирование агента на нижнем уровне с помощью: алгоритмов навигации, транспортных протоколов, средств управления сетевыми ресурсами (RPC, сервера имен и т.д.) и мониторинга состояния объекта.

Информационная безопасность, конечно, является критическим фактором в любых системах, основанных на передаче по сети исполняемых кодов. С этой целью:

В таких системах каждый ресурс (процессор, память, файловая система, сеть) имеет своего стационарного интеллектуального агента, который функционирует как менеджер этого ресурса.

4.

В случае использования технологии Интернет архитектура системы имеет вид (рис.2):

Рис. 2.

Однако в отличии от традиционной сетевой архитектуры Интернет (рис.3),
Прикладной уровень
Транспортный уровень ТСР
Сетевой уровень IP
Канальный уровень
Рис. 3.
в которой существует четкая регламентация правил взаимодействия между уровнями, в новой архитектуре обратная связь формируется в процессе взаимодействия агентов.

Сложный характер этих процессов определяется рядом факторов:

Надо отметить, что как сами компьютеры, так и компьютерные сети, интегрированные с информационными системами, это лишь средства сформулированных выше задач.

Применительно к рассматриваемой области, эти задачи могут быть разделены на две группы:

И, если решение первой задачи, как показывает опыт создания Интернет, возможно на пути интеграции существующих информационных и телекоммуникационных технологий, то для решения второй задачи необходимо развитие методов интеллектуального управления в распределенных иерархических системах, ориентированных на обработку и передачу цифровой информации.

5.

Научно-техническое направление, в рамках которого разрабатываются методы решения описанных выше задач, получило название ТЕЛЕНЕТИКА (TELEcommunication NETwork and Intelligent Computer Systems - TELENETICS).

Примером задач второй группы, в которых используется расширенная трактовка понятия "информационные ресурсы", являются задачи управления динамическими объектами. В таких задачах применяются алгоритмы, ориентированные на возможность использования в цепи обратной связи информации о состоянии объекта, полученной с помощью компьютерной сети.

Однако непосредственное применение данных, прошедших через компьютерную сеть со статистическим механизмом мультиплексирования, может иметь негативное влияние на качество управления в силу появления непредсказуемых задержек в контуре обратной связи. В этом случае даже простейшая задача стабилизации линейного динамического объекта превращается в весьма непростую задачу нелинейного стохастического управления.

С другой стороны, идея использования компьютерной сети для доступа к данным, поступающим в процессе функционирования объекта, представляется весьма привлекательной для создания систем управления в реальном времени сложными удаленными динамическими объектами. Хотя такие системы известны давно, но применение в качестве среды передачи данных универсальной инфраструктуры, например сети Интернет, позволяет говорить о появлении нового класса таких систем.

Именно для таких систем расширенная сетевая модель взаимодействия типа клиент-агент/сервер - объект (рис.4) может найти эффективное применение.


Рис. 4.
Подобная модель использовалась для создания сетевой системы управления роботом-манипулятором с шестью степенями свободы, созданным в ЦНИИ РТК для космического корабля "Буран". Управляемый объект представляет собой 15-ти метровый манипулятор, объединенный с системой механической разгрузки для иммитации условий невесомости и блоком управления на базе персонального компьютера (ПК). Связь блока управления с исполнительными механизмами осуществляется с помощью последовательного асинхронного интерфейса, а с сервером-представителем (proxy-сервером) - с помощью локальной сети с протоколом Ethernet или АТМ. В свою очередь proxy-сервер использует в качестве интерфейса для взаимодействия с клиентом протокол HTTP, и поэтому фактически представляет собой Web-сервер со специальной программой-агентом, обслуживающим дуплексный канал взаимодействия с блоком управления. Универсальный характер применения протокола HTTP в сети Интернет позволяет осуществить процедуру передачи и отображения результатов обработки запросов практически на любом из подключенных к этой сети компьютеров. При этом идентификация прав доступа к системе управления контролируется специальной программой-агентом на proxy-сервере.

В такой системе для контроля состояния объекта клиент может использовать специальные программы передачи аудио и видеоинформации, которые будут взаимодействовать с proxy-сервером и обеспечивать дополнительный канал контроля за управляемым объектом. При разработке рассматриваемой системы управления роботом-манипулятором для этой цели использовались стандартные программы для компьютерных видеконференций типа ShowMe и VIC, которые запускались на рабочей станции SUN Sparс 20 внешней системы контроля. Схема эксперимента, который проводился в рамках международного аэрокосмического форума IAF'97 в Турине приведена на рисунке.