Понятие открытой системы

Тема 1.

КЛАСС ИНФОРМАЦИОННЫХ СЕТЕЙ КАК ОТКРЫТЫЕ ИНФОРМАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ

Возникновение понятия открытости

Развитие систем и средств вычислительной техники, расширенное их внедрение во все сферы науки, техники, сферы обслуживания и быта привели к необходимости объединения конкретных вычислительных устройств и реализованных на их основе информационных систем в единые информационно-вычислительные системы (ИВС) и среды. При этом разработчики ИВС столкнулись с рядом проблем:

- разнородность технических средств ВТ с точки зрения организации вычислительного процесса, архитектуры, системы команд, разрядности процессора и шины данных, ресурсных возможностей, частот синхронизации и так далее, потребовала создания физических интерфейсов, реализующих, как правило, бинарную совместимость устройств. При увеличении числа типов интегрируемых устройств сложность организации физического интерфейса между ними существенно возрастала.

- разнородность программных сред, реализуемых в конкретных вычислительных устройствах и системах с точки зрения многообразия операционных систем, различия в разрядности, объемах адресуемой памяти, применяемых языках программирования и так далее, привела к созданию программных интерфейсов между устройствами и системами, причем, необходимо отметить, что достигнуть полной совместимости программных продуктов, разработанных для конкретной программной среды, в другой программной среде удавалось не всегда.

- в ряде технических реализаций возможность организации взаимодействия с другими аппаратно-программными средствами вообще отсутствовала.

- разнородность реализации одной вычислительной структуры, изготовленной различными производителями, также требовала применения специальных ограничений, либо разработки дополнительных программных и (или) технических средств для интеграции.

- разнородность интерфейсов общения в системе "человек-машина" требовала постоянного переобучения кадров.

Таким образом, необходимость предусмотреть уже на стадии разработки возможность интегрирования разрабатываемого устройства в гомогенные и, особенно, в гетерогенные информационно-вычислительные среды стала актуальной для разработчиков как аппаратных, так и программных средств.

Широкое распространение ИВС в самых разных областях современной жизни: промышленности, финансах, образовании и культуре, - выдвинуло на первое место вопрос о создании некоторых стандартов выполнения ИВС. Наиболее комплексно эти вопросы ставятся в научном направлении, которое определяет концепцию "открытых систем".

 

Понятие открытой системы

В настоящее время существует множество определений понятия "открытая система". Так, Ассоциация французских пользователей UNIX и открытых систем (AFUU) дает следующее определение: "Открытая система - это система, состоящая из элементов, которые взаимодействуют друг с другом через стандартные интерфейсы". Производитель средств ВТ - компания Hewlett-Packard дает такое определение: "Открытая система - это совокупность разнородных компьютеров, объединенных сетью, которые могут работать как единое интегрированное целое, независимо от того, как в них представлена информация, где они расположены, кем они изготовлены, под управлением какой операционной системы они работают".

Национальный институт стандартизации и технологий США (NIST) определяет открытую систему следующим образом: "Открытая система - это система, которая способна взаимодействовать с другой системой посредством реализации международных стандартных протоколов. Открытыми системами являются как конечные, так и промежуточные системы. Однако открытая система не обязательно может быть доступна другим открытым системам. Эта изоляция может быть обеспечена или путем физического отделения или путем использования технических возможностей, основанных на защите информации в компьютерах и средствах коммуникации".

Институт электро- и радиоинженеров США (IEEE) сформулировал определение так:

"Открытая система - это исчерпывающая и последовательная совокупность международных стандартов в области информационных технологий и функциональных профилей стандартов, которая специфицирует интерфейсы, службы и поддерживающие форматы для достижения взаимодействия и переносимости приложений, данных и персонала". Анализируя приведенные выше определения, можно выделить некоторые общие черты, присущие открытым системам:

как правило, открытые системы представляют собой гетерогенную вычислительную среду как с точки зрения используемых платформ (архитектур), так и с учетом различий реализации структур конкретными производителями,

вычислительные средства объединены сетью или сетями различного уровня: от локальной до глобальной, в том числе, с использованием средств телекоммуникации,

в открытых системах допускается использование более однойоперационной системы (программной среды),

реализация открытости осуществляется на основе разрабатываемых стандартов в области информационных технологий,

приложения (программные продукты), разработанные для конкретного устройства, обладающего свойством открытости, могут выполняться на других устройствах, входящих в единую среду открытых систем,

в открытых системах предполагается использование унифицированных интерфейсов в процессах взаимодействия в системе "человек-машина",

применение положений открытости предполагает некоторую избыточность при разработке программно-аппаратных комплексов.

Учитывая приведенные выше характеристические черты, приведем определение понятия открытой системы, данное в рекомендациях IEEE POSIX1003.0 "Руководство по инфраструктуре POSIX-открытых систем. Свод POSIX-стандартов.":

Открытая система - это система, реализующая открытые спецификации на интерфейсы, службы, и форматы данных, достаточные для того, чтобы обеспечить:

возможность переноса (мобильность) прикладных систем, разработанных должным образом, с минимальными изменениями на широкий диапазон систем;

совместную работу (интероперабельность) с другими прикладными системами на локальных и удаленных платформах;

взаимодействие с пользователями в стиле, облегчающем последним переход от системы к системе (мобильность пользователей)".

Таким образом, важнейшими свойствами открытой ИВС являются:

мобильность прикладных программ, т.е. возможность переноса программ с одной аппаратной платформы на другую с минимальными доработками или даже без них;

мобильность персонала, т.е. возможность подготовки персонала для работы на ИВС с минимальными временными и трудозатратами;

четкие условия взаимодействия частей ИВС и сетей с использованием открытых спецификаций.

Ключевой момент в обеспечении свойств открытых ИВС - использование открытых спецификаций, т.е. общедоступных спецификаций, которые поддерживаются открытым, гласным согласительным процессом, направленным на постоянную адаптацию новым технологиям.

Важным моментом в концепции открытых систем для ИВС является то, что открытая система - это система, построенная на стандартных технических средствах - микропроцессорах и использующая стандартную операционную систему. Примером такой системы может служить персональный компьютер IBM PC или компьютер, совместимый с IBM PC. Большинство этих платформ используют одну и ту же операционную систему, и на них могут исполняться одни и те же прикладные программы.

 

Цель создания

 

В различных областях проектирования и производства технологические нововведения зарождаются и приобретают значение в процессе изменения масштабов создаваемых объектов. При этом основную роль часто играют не физические масштабы объектов, но масштабы сложности их функционирования и разработки. В современных условиях технические и технологические объекты, например, энергетические комплексы и сети, объекты инфраструктуры больших городов, аэрокосмические объекты и комплексы, имеют такие масштабы сложности функционирования и разработки, что их разработка и эксплуатация невозможна без специальных информационных систем.

В современных условиях тенденции усложнения и интеграции информационных систем, обслуживающих сложные технические и технологические объекты, значительно увеличили трудоемкость их создания. Несмотря на совершенствование методов и средств программной инженерии, направленных на повышение производительности труда программистов, создание баз данных и программных средств больших информационных систем требует многих человеко-лет по объему трудозатрат, а значит длительных календарных сроков. Некоторым выходом из трудного положения было бы использование стандартных программных модулей при построении больших информационных систем. Возникла проблема разработки функционально законченных программных средств, баз данных и их компонентов, потенциально готовых к многократному применению в различной внешней операционной среде, т.е. при использовании различных операционных систем.

Унификация всегда требует некоторых ресурсов, которые в данном случае выражались в дополнительной трудоемкости создания мобильных (переносимых с одной платформы на другую) программ и данных, а также увеличению ресурсов ИВС для их реализации.

Сохранение и развитие довольно широкого спектра архитектур компьютеров и ИВС, естественно привело к повторному использованию компонентов программного обеспечения не только на однотипных ИВС (однотипных платформах), но и к разработке программных средств и баз данных, переносимых на различные аппаратные и операционные платформы. Концепция открытых систем определяла для открытых информационных систем некоторые принципы создания набора или профиля стандартов для ИВС и операционных систем, обеспечивающих переносимость программ и данных.

В настоящее время информационные системы характеризуются следующими особенностями:

резко возросли масштабы и размерность функционально законченных программных средств, накоплено, распространяется и применяется огромное количество программных компонентов, пакетов прикладных программ и информационных массивов баз данных, готовых к использованию в различных приложениях и сочетаниях;

трудоемкость создания комплексов программных средств и баз данных зачастую измеряется сотнями человеко-лет, а длительность их жизненного цикла достигает всего нескольких лет;

многие сложные программные средства информационных систем развиваются длительное время и применяются у пользователей в нескольких версиях, существенно различающихся функциональными характеристиками и качеством;

для обеспечения мобильности и переносимости прикладных программных средств и информационных систем в целом с одних компьютерных платформ на другие начинает применяться стандартизация их структуры и интерфейсов их компонент с операционной и внешней средой.

Таким образом, выделились две технологические проблемы, которые требовали решения в концепции создания открытых информационных систем:

создание программных компонентов и баз данных, которые рентабельно повторно применять или переносить на различные платформы,

проблема создания ИВС, которые можно использовать в качестве платформы для различных информационных систем.

Идеология и стандарты открытых систем, направленные на реализацию принципов модульного построения программных средств информационных систем, позволяют более рационально определять структуру программных средств и распределение функций между их компонентами, значительно повышая тем самым эффективность. Такой подход опирается на высокую производительность современных ИВС, определяемый быстрым прогрессом элементной базы.

Принципы построения

Основные требования, предъявляемые к информационной инфраструктуре, состоят в обеспечении необходимой функциональности, быстродействия, пропускной способности и безопасности. При этом исходим из того, что в настоящее время информационная инфраструктура любого уровня (глобальная, национальная, отраслевая и т.д.) включает аппаратно-программные платформы различных классов (супер-ЭВМ, мейнфреймы, рабочие станции, мини-ЭВМ, персональные ЭВМ), изготовленные различными производителями, работающие под управлением различных операционных систем, т.е. представляет собой гетерогенную систему. При этом возникают проблемы с переносом программ с одной программно-аппаратной платформы на другую, с доступом к различным базам данных, взаимосвязи удаленных систем посредством сетей, использующих разные протоколы. Следует помнить также, что любая система рано или поздно требует модернизации, расширения, и это должно происходить с минимальными потерями, в том числе с минимальными затратами на переобучение персонала. Таким образом, возникает вопрос о создании и применении технологии, решающей эти проблемы. Такой технологией выступает технология открытых систем (ТОС).

Существо технологии открытых систем состоит в формировании среды, включающей программное обеспечение, аппаратные средства, службы связи, интерфейсы, форматы данных и протоколы, обеспечивающей переносимость, взаимосвязь и масштабируемость приложений и данных. (см. также общие черты открытых систем). Совокупность указанных качеств достигается за счет использования развивающихся, общедоступных и общепризнанных стандартов на продукты информационных технологий, составляющих среду открытой системы.

Здесь сразу требуется отметить, что понятие "открытая система" не означает, что она является незащищенной в смысле доступа к содержащейся в ней информации.

Сохранение конфиденциальности информации, представляющей собой государственную, коммерческую, военную и личную тайну, является обязательным условием любой информационной системы и также достигается за счет применения стандартов защиты информации.

ТОС применяется при построении систем всех классов и назначений, входящих как компоненты в информационную инфраструктуру. Разница заключается лишь в том, что для систем различных классов могут использоваться различные группы стандартов.

В развитии и применении ТОС заинтересованы все участники процесса информатизации: пользователи, проектировщики систем и системные интеграторы, производители и поставщики технических и программных средств вычислительной техники и средств телекоммуникаций, разработчики стандартов.

Вопросами стандартизации в сфере открытых систем занимаются более 250 различных организаций и их комитетов. Наиболее полно эта работа выполнена для решения задач взаимосвязи открытых систем (ВОС) посредством унифицированного обмена данными между различными компьютерными системами. В этой области только Международной организацией по стандартизации опубликовано свыше 400 стандартов и дополнений к ним.

При построении конкретной системы или сети возникает объективная проблема ориентации в огромном множестве международных и национальных стандартов, выбора конкретного набора, наилучшим способом удовлетворяющего поставленным задачам.

Упростить эту проблему позволяют профили базовых стандартов и функциональные стандарты. Профиль определяет комбинацию базовых стандартов, которые в совокупности выполняют четко определенную функцию, решение конкретной задачи. В свою очередь, функциональный стандарт представляет собой согласованный в международном или национальном масштабе документ, охватывающий один или ряд профилей.

Для учета национальных особенностей (возможности использования ранее разработанных национальных стандартов, эксплуатирующихсятехнических средств на их основе) создаются правительственные профили ВОС - GOSIP (Goverment Open System Interconnection Profile). В качестве такого профиля в нашей стране выступает Государственный профиль ВОС России, разработанный на основе анализа более 400 международных и национальных стандартов и рекомендаций. По мере разработки и принятия новых стандартов, он будет дополняться и расширяться.

Технологический цикл построения открытых систем представлен следующими стадиями:

На первой стадии определяются цели деятельности системы, то есть область применимости, решаемые задачи, условия функционирования и т.д.

Затем, на второй стадии, осуществляется идентификация требований к разрабатываемой прикладной системе. При этом, часть требований не зависит от свойства открытости системы, такие, например, как производительность, надежность и другие. Требования же, связанные с мобильностью программ и информации, условиями взаимодействия в системе и другие, то есть те, которые определяют открытость системы, должны быть рассмотрены в терминах и положения стандартов, определенных в концепции открытых систем.

На третьей стадии осуществляется подготовка профиля для описания набора свойств среды, требуемых для поддержки приложений. Прикладной профиль описывает свойства и характеристики, необходимые для функционирования прикладной системы, и идентифицирует ее стандартные и нестандартные характеристики для выбора платформы разработки и (или) разработки или приобретения программного обеспечения, определяет перечень взаимоувязанных стандартов, которым должны соответствовать приобретаемые компоненты, а также которые должны применяться при разработке тех или иных узлов системы.

На четвертой стадии осуществляется приобретение и (или) разработка программного обеспечения, соответствующего выбранному профилю. Однако это является необходимой, но не достаточной частью процесса создания открытых систем в связи с тем, что не все части процесса взаимодействия в системе могут быть на момент разработки стандартизованы, либо существует выбор стандартизованных путей решения стоящей задачи, осуществить который есть задача разработчика.

На пятой стадии производится проверка приложений на соответствие характеристикам открытых систем (сертификация на открытость) и проводится необходимая коррекция.

На шестой стадии осуществляется проверка на соответствие определенным на стадии 1 целям деятельности. Делается вывод о решении поставленной задачи, либо формируется задание на доработку.

В случае успешного завершения процесса разработки осуществляется передача разработанной системы в эксплуатацию. На этом этапе, в процессе реальной работы, будут выявляться ошибки, либо возникнет потребность в модификации, что, в свою очередь, вызовет либо корректировку системы, либо формулирование задания на модификацию, то есть повторение описанного выше процесса.