Объектно-ориентированное моделирование: Максим Кидрук. Математические основы векторной графики. Создание диаграммы классов

Михаил Васильев, Игорь Хомков, Сергей Шаповаленко

Практически на всех стадиях жизненного цикла информационных систем (ИС) - как проектирования, когда закладываются основные характеристики системы, так и сопровождения и управления уже построенной ИС - возникает немало вопросов, имеющих первостепенное значение. Будет ли данная архитектура ИС удовлетворять растущим потребностям? Какие узкие места требуют наиболее пристального внимания? Какие инвестиции необходимы для того, чтобы ИС сохранила рабочее состояние через год?.. три года?.. пять лет? Какова эффективность используемой ИС?

Ответить на все эти вопросы отнюдь не легко. Еще труднее ответить на них правильно. Анализ корпоративной информационной системы на любом этапе ее существования - сложное дело.

Можно сказать, что сложность корпоративных информационных систем является не случайным, а скорее необходимым их свойством. Оно определяется рядом причин, среди которых можно назвать следующие:

Сложность решаемой задачи;

Сложность разработки ИС;

Сложность обеспечения таких параметров, как адекватность, масштабируемость, надежность, экономическая эффективность и безопасность;

Сложность описания отдельных подсистем ИС.

Объективные оценки может дать применение технологий моделирования. Построение модели, ее анализ и получение ответов на вопросы “что будет, если...?” позволяют спрогнозировать поведение ИС в различных ситуациях. Наиболее часто применяются стендовое макетирование и построение компьютерных моделей ИС.

В настоящее время на рынке инструментов моделирования информационных систем определились три лидера. Это американские компании MIL3 (система моделирования OPNET), Make Systems (система NetMaker XA) и CACI Products Company (система COMNET). На рис. 1 приведено главное окно системы OPNET. (В PC Week/RE, № 34/98, с. 36 на рис. 2 приведено окно графического представления результатов в системе OPNET.) Остановимся на одной из этих систем и на подходе, в ней реализованном, подробнее.

Технология моделирования ИС c использованием COMNET III

Очевидный путь моделирования сложных систем состоит в их декомпозиции по древнему принципу Divide et impera (Разделяй и властвуй. - Лат.). Иерархическое представление сложных ИС в виде набора связанных подсистем является ключом к раскрытию ситуации. Полученные в результате такой декомпозиции подсистемы могут быть в свою очередь разделены на подсистемы следующего уровня иерархии и так до бесконечности. Именно возможность декомпозиции сложных систем позволяет нам создавать их модели. Однако на этом пути крайне важно уметь вовремя остановиться.

Конечная стадия процесса декомпозиции определяется низшим уровнем абстракции, применяемым в каждой конкретной модели. Чрезмерно детальное дробление может привести к результату, прямо противоположному ожидаемому: вместо упрощения моделируемой системы можно прийти к ее усложнению, к тому, что называется “за деревьями не видно леса”. Таким образом, правильно выбранный уровень абстрагирования крайне важен для успешного моделирования.

Следующим шагом, облегчающим моделирование сложных систем, является обнаружение и выделение общих абстракций. Предположим, что мы уже выполнили декомпозицию моделируемой ИС и получили некую иерархию сущностей. Так, например, маршрутизатор Cisco 7500 и компьютер NS7000, снабженный несколькими сетевыми платами и выполняющий программную маршрутизацию, могут быть рассмотрены и как два совершенно разных объекта, и как два объекта, принадлежащие к одному и тому же классу маршрутизаторов. Декомпозиция системы с помощью метафоры классов в сочетании с корректно выбранным уровнем абстракции позволяет радикально упростить построение модели ИС.

Рис. 1. Главное окно системы OPNET

Обычно рассматривается два основных вида декомпозиции: алгоритмическая, разделяющая исследуемую систему по ее активным началам, т. е. протекающим в ней процессам в определенном порядке, и объектно-ориентированная, позволяющая разделить исследуемую систему на классы однотипных абстракций. Оба типа декомпозиции нашли свое применение в COMNET III.

Подход к построению моделей в COMNET III может быть представлен в виде стандартной последовательности шагов:

Описание топологии ИС и определение параметров оборудования;

Описание источников трафика и их поведения, описание загрузки сети;

Определение сценария моделирования.

Определение топологии ИС и связей источников трафика с узлами топологии представляет идеальное поле для применения объектно-ориентированной декомпозиции. Для описания поведения источников трафика и изменений загрузки сети во времени необходима алгоритмическая декомпозиция.

Как уже говорилось, граничные условия для декомпозиции ИС зависят от требуемого уровня абстракции. Абстрагирование позволяет разработчику, создающему проект ИС, или системному администратору, осуществляющему ее сопровождение, отделить наиболее существенные особенности ее поведения от того, как именно они реализуются. “Хорошей является такая абстракция, при которой подчеркиваются существенные для рассмотрения и использования детали и опускаются те, которые на данный момент несущественны или отвлекают внимание”*1. Так, в одной ситуации при описании компьютера достаточно определить его как источник трафика, не вдаваясь в подробное описание архитектуры, в другой же может потребоваться детальное рассмотрение таких его характеристик, как, скажем, количество процессоров и параметров дисковой подсистемы.

*1. Shaw M. Abstraction Techniquest in Modern Programming Languages. - IEEE Software, Oct. 1984, v. 1(4), p.10.

В системе COMNET полностью применим объектно-ориентированный метод декомпозиции, что позволяет существенно сократить сроки моделирования и сделать его процесс интуитивно-понятным, четко коррелирующим с реальной системой. Модель создается из объектов, своего рода “строительных блоков”, знакомых пользователю из опыта реальной жизни. С системой COMNET поставляется большая библиотека таких объектов - моделей реального сетевого оборудования и методов доступа к среде. Рассмотрим подробнее объектную модель COMNET (рис. 2).

Рис. 2. Базовая библиотека классов COMNET III

Объекты в этой системе могут быть разделены на два класса: используемые, во-первых, для описания топологии и, во-вторых, для описания трафика и характеристик загрузки сети. Базовый экран COMNET III с набором библиотечных классов приведен на рис. 3.

Рис. 3. Основной экран системы COMNET

Описание топологии в COMNET III

Такие основные понятия топологии в системе COMNET III, как узлы, соединения, дуги, были описаны в PC Week/RE, № 34/98, с. 34.

Кроме узлов, соединений и дуг для описания иерархических топологий и моделирования независимых маршрутизируемых доменов в систему COMNET включен еще один дополнительный класс, объекты которого также могут располагаться в вершинах графа, - подсеть (subnet).

Использование механизма наследования, в том числе множественного, расширяет круг используемых классов.

Класс узлов наследуют четыре новых класса.

Класс “Компьютер и узел связи” (C&C Node, Computer and Communications Node)

Эти объекты могут служить источниками или приемниками трафика, а также применяются для моделирования сложных программных систем, учитывающих загрузку процессора и дисковых подсистем. Узлы ИС, описанные с помощью C&C Node, могут быть использованы и для моделирования программных маршрутизаторов.

Класс “Группа компьютеров” (Computer Group Node)

Объект можно использовать только для моделирования компьютерных систем, так как их функциональность включает в себя лишь источник и приемник трафика. Как правило, с его помощью описываются группы компьютеров, имеющих идентичное поведение.

Класс “Маршрутизатор” (Router Node)

Объекты этого типа применяются для моделирования аппаратных маршрутизаторов. Так же как и C&C Node, Router Node может выступать и источником, и приемником трафика, выполнять приложения, использующие аппаратные ресурсы узла (процессоры, дисковые подсистемы). Для более детального описания аппаратной реализации моделируемых объектов введен ряд дополнительных свойств, таких, как наличие и параметры внутренней шины, что позволяет моделировать внутреннее прохождение трафика между входными и выходными портами объекта.

Класс “Коммутатор” (Switch Node)

Объекты типа Switch Node, обладая возможностью маршрутизации, служат для моделирования коммутаторов, затрачивающих на передачу трафика между внутренними портами ничтожно малое время. Однако эти объекты, в отличие от трех предыдущих, не могут быть использованы ни как источник, ни как приемник трафика.

Объекты классов C&C Node, Computer Group Node и Router node для моделирования сложных программных систем включают репозиторий команд, использующих такие уже упомянутые свойства объектов, как характеристики дисковой подсистемы. В постоянно обновляющуюся библиотеку объектов различных классов, входящих в состав COMNET, включен широкий спектр моделей реально существующих аппаратных устройств.

Объект link наследует два новых объекта.

Класс “Соединение точка - точка” (Point-to-Point Link)

Этот класс используется для описания каналов между двумя узлами. Примером таких соединений могут быть выделенные линии, связывающие маршрутизаторы в глобальных сетях или соединения в сетях с коммутацией каналов.

Класс “Множественный доступ” (Multiaccess link)

Полем для применения этого класса являются ситуации, когда несколько узлов имеют доступ к одной среде передачи данных. В свою очередь, этот объект наследуется рядом новых объектов, описывающих конкретные факты реализации метода доступа к среде, такие, как Carrier Detection, Token Passing, SONET и т. п. (см. рис. 2).

До сих пор мы рассматривали случаи, когда родительский объект наследуется одним объектом-потомком. Однако объектно-ориентированный подход предусматривает и более сложные ситуации с множественным наследованием. Эта форма наследования также применима в системе COMNET. Здесь множественное наследование использовано при создании объектов таких важных классов, как Транзитная сеть (Transit Network) и “Облако” (WAN Cloud).

Оба класса являются наследниками двух родительских классов - Subnet и Link. Форма наследования изображена на рис. 2. Рассмотрим этот вариант подробнее.

Класс “Подсеть” (Subnet)

Исключительно важный класс. Используемый для создания иерархических топологий ИС, он позволяет корректно описывать подсети с различными алгоритмами маршрутизации, причем независимые от алгоритма, применяемого на магистрали. Кроме того, подсети используются, чтобы скрыть излишнюю детализацию при моделировании сложных ИС. В COMNET с их помощью описываются системы с произвольной глубиной вложения. Соединения между внутренней топологией подсети и топологией магистрали осуществляются с помощью точек доступа (access points), число которых может быть произвольным (см. рис. 3).

Класс “Транзитная сеть” (Transit Net)

Потомком подсетей и соединений является объект, сочетающий свойства родительских объектов. Транзитная сеть может рассматриваться и как соединение, и как подсеть одновременно. В качестве соединения она пересылает пакеты из выходного буфера одного узла во входной буфер другого. В ипостаси же подсети транзитная сеть создает в своих границах область с собственным алгоритмом маршрутизации.

Класс “Облако” (WAN Cloud)

Объекты этого класса, позволяющие создавать абстрактные представления для глобальных сетей, также наследуют свойства объектов-родителей - Subnet и Link. С точки зрения топологии объект WAN Cloud функционирует подобно объекту “соединение”, его пиктограмма подключается непосредственно к узлам. С точки зрения внутренней структуры облако состоит из набора виртуальных соединений (virtual circuit) и каналов доступа (access links), разновидности соединения точка - точка для моделирования глобальных сетей.

Описание трафика и загрузки сети в COMNET III

Как мы уже говорили, модель ИС в COMNET включает в себя две части: описание топологии системы и описание источников трафика и загрузки сети. Мы рассмотрели базовый спектр объектов, связанных с топологией. Теперь обратимся к объектам, описывающим трафик.

COMNET предоставляет широкий спектр средств для описания трафика.

Класс “Сообщение” (Message)

Объекты, принадлежащие к этому классу, позволяют послать одиночное сообщение либо одному объекту-адресату, либо множеству объектов. Пересылка таких сообщений рассматривается как последовательность дейтаграмм, где каждый пакет маршрутизируется независимо от других.

Класс “Отклик” (Response)

Объекты этого класса могут быть использованы только для посылки ответных сообщений. Они управляются приходами сообщений, созданных объектами классов Message или Response. Получателем сообщений класса Response всегда будет объект класса Node, к которому подключен источник управляющих сообщений (класса Response или Message).

Класс “Вызов” (Call)

Объекты класса Call применяются для создания моделей сетей с коммутацией каналов. Источник вызова описывается набором таких параметров, как закон распределения, длительность и, с учетом класса маршрутизации, требований к пропускной способности.

Класс “Сессия” (Session)

Эти объекты используются для моделирования сеансов, включающих наборы сообщений или сообщений, маршрутизируемых по виртуальным соединениям. Сеанс инициируется отправкой пакета установки сеанса и получением пакета-подтверждения. В дальнейшем в рамках сеанса может быть послано произвольное количество сообщений, также описанных в объекте класса Session. Такие сообщения маршрутизируются либо как дейтаграммы, либо как виртуальные соединения - в зависимости от алгоритма маршрутизации на магистрали или в подсети, содержащей данный объект.

Отметим также, что в COMNET III применяются так называемые файлы описания внешнего трафика (external traffic files), получить которые можно с помощью различных анализаторов трафика.

Особый интерес представляют объекты класса “Приложение” (Application), являющегося результатом множественного наследования классов Message, Response, Call и Session (см. рис. 2). Его объекты позволяют наиболее гибко описывать в рамках модели рабочую загрузку сети и поведение источников трафика. Более того, при их использовании могут быть легко смоделированы практически любые виды программных систем, в том числе распределенных, таких, как СУБД, почтовые системы и пр.

Реальное приложение, описываемое объектами этого класса, включает в себя три составные части. Во-первых, это параметры узла, с которым соединен объект класса Application. С помощью данных параметров задаются характеристики и количество необходимых процессоров и дисковых подсистем. Во-вторых, это так называемые репозитории команд, использующих вышеупомянутые характеристики узла. И в-третьих, это собственно объект Application, управляющий последовательностью выполнения этих команд.

В репозитории команд узла, а следовательно, и в объекте класса Application могут содержаться следующие команды:

Transport Message (передать сообщение). Эта команда представляет собой результат наследования объекта классом Application родительского объекта класса Message.

Setup (установить) - результат наследования класса Session.

Answer Message (ответить на сообщение) является наследником класса Response.

Filter Message (фильтровать сообщения). Эта команда позволяет приостановить все операции, описанные в объекте класса Application, до тех пор, пока не будет получено сообщение, удовлетворяющее условиям фильтрации.

Process (обработка). С помощью этой команды осуществляется моделирование обработки, вызывающей загрузку процессора.

Read и Write (чтение и запись). Две эти команды также позволяют моделировать занятость процессора узла, но уже в контексте взаимодействия с дисковой подсистемой чтения и записи файлов.

Таким образом, с помощью классов Application, Message, Response, Session и Call возможно как гибкое моделирование текущей загрузки сети, так и детальное описание поведения программных систем, входящих в состав ИС. Исключительно важно, что эти классы позволяют моделировать сложные распределенные программные системы и их влияние на существующую сетевую инфраструктуру сети.

Объекты COMNET III: параметрическое абстрагирование

Говоря о базовом наборе классов COMNET III, крайне важно упомянуть о применимости к ним так называемого параметрического абстрагирования. Этот подход позволяет создавать новые объекты - экземпляры класса с различными свойствами. Такие важные технологические решения, как, скажем, Gigabit Ethernet, могут быть очень просто смоделированы путем изменения параметров рассматриваемой абстракции - свойств выбранного класса.

Рассмотрим пример. Допустим, мы моделируем локальную сеть, использующую на MAC-подуровне случайный метод доступа с контролем несущей и определением коллизий (CSMA/CD, класс соединений с множественным доступом), однако стандарт канального уровня, предложенный производителем сетевого оборудования, несколько отличается от “родного” IEEE 802.3. Подобная ситуация при использовании продукта, не реализующего объектно-ориентированный подход, могла бы вызвать некоторые неточности. Разработчик был бы вынужден использовать стандарт, предлагаемый производителем продукта, вероятнее всего - классический 802.3. На рис. 4 изображено интерфейсное окно COMNET III, с помощью которого пользователь может редактировать параметры этого стандарта - количество ретрансмиссий в случае обнаружения коллизий, длину заголовка кадра и т. д. Иными словами, пользователь сам осуществляет параметризацию объекта.

Рис. 4. Параметризация соединения 10BaseT стандарта IEEE 802.3

Итак, мы решаем вопрос о соответствии эталонного стандарта и стандарта производителя. Дальнейшие наши действия сводятся к тому, чтобы пополнить библиотеку объектов класса CSMA/CD новым стандартом, который определил пользователь. Для этого достаточно добавить новые параметры. Аналогично мы можем поступить с аппаратными узлами, источниками трафика, параметрами WAN Cloud и т. д.

Отсюда видно, что параметризация дает широкие возможности по расширению базовой библиотеки объектов, позволяя разработчику модели принимать более гибкие решения.

Расширить базовый набор классов можно при дальнейшем использовании механизма наследования.

Режим “Копирование-вставка внешней модели” (Intermodel copy-paste)

Предположим, что мы строим большую модель, имеющую очень сложное топологическое описание. Здесь мы можем пойти двумя путями: совместить всю топологию системы в одном файле или построить несколько фрагментов и впоследствии объединить их. Второй вариант для разработчика более удобен по целому ряду причин. Это и простота отладки каждого отдельного фрагмента, и хорошая обозримость, и, в конечном итоге, большая достоверность.

В дальнейшем вся проблема состоит в том, чтобы объекты из одной модели перенести в другую. Для решения удобно пользоваться режимом COMNET III Intermodel copy-paste (копирование - вставка внешней модели), обеспечивающим перенос из модели в модель вновь создаваемых объектов со всеми свойствами за исключением тех, которые локальны для модели-источника.

Приведем пример. Допустим, мы переносим из одной модели в другую фрагмент сети, имеющий некоторую загрузку. Трафик описывается объектами класса Message. Свойством таких объектов, локальным для модели-источника, является его направленность (destination). Остальные свойства будут перенесены без изменений из объектов, наследующих классы Node (C&C node, Computer group, Router, Switch), Link и др., не привязанных к модели-источнику.

Процедура параметризации в этом случае очень проста. В частности, для сообщения можно указать его направленность в соответствии со списком имен из новой модели, который присоединяется к объекту автоматически.

Применение описанного метода открывает широкие возможности в построении любых моделей из гибко расширяемого набора объектов - строительных блоков, позволяя существенно снизить затраты на моделирование.

Модульное построение узлов

Рассмотрим процедуру создания объекта нового класса на основе множественного наследования.

Предположим, перед разработчиком ставится задача построения подробной модели аппаратного устройства (например, маршрутизатора, несколько интерфейсных модулей которого объединены интерфейсной шиной). Целью построения модели является определение задержки на интерфейсной шине. В стандартном описании COMNET III шина описывается двумя параметрами: пропускной способностью и частотой. Ясно, что такого описания нам недостаточно. Однако в нашем распоряжении есть объект, позволяющий описать шину как отдельное устройство, - соединение. В общем-то это не совсем стандартное решение, но, проведя необходимую параметризацию объекта класса Link, мы получим модель шины как полнофункционального устройства, реализующего, например, функцию арбитража. Изображенный на рис. 5 объект MPRouter смоделирован именно таким способом. Интерфейсная шина здесь работает по алгоритму Token Bus.

Рис. 5. Параметризация источника трафика при переносе

фрагмента модели в другую модель (Session Source)

При этом следует сказать, что разработчику не стоит злоупотреблять подобными приемами, поскольку, как уже говорилось, слишком точное описание каждого объекта в некоторых ситуациях может дать обратный эффект, который выражается в снижении достоверности модели в целом. Такой прием применим в тех случаях, когда необходимо подробное описание характеристик объектов.

Возможность задания состояний объектов

Любой объект в COMNET может находиться в нескольких состояниях. К примеру, для объектов классов Link и Node возможны состояния up, down, failure (включен, выключен, ошибка). Можно также моделировать переходы между этими состояниями и анализировать влияние перехода на моделируемую ИС (рис. 6).

Рис. 6. Определение параметров текущего состояния объекта (Node Properties)

Это дает разработчику широкие возможности создания динамических сценариев типа “что будет, если...?” и тем самым существенно повышает гибкость создаваемой модели.

Итак, мы рассмотрели основные инструменты и наиболее общие методики построения моделей в COMNET III. Дальнейшие статьи авторы планируют посвятить моделированию различных решений, широко используемых в современных ИС.

Учебное пособие содержит: краткое изложение языка UML - той его части, которая может быть использована как основа языка моделирования сложных динамических систем; описание и возможности предлагаемого авторами нового языка моделирования на базе гибридных автоматов, являющегося расширением UML; исторический обзор и примеры различных подходов к конструированию инструментов моделирования; объектно-ориентированный анализ сложных динамических систем. Книга является второй из трех книг, объединенных общим названием Моделирование систем.

Необходимость в унифицированном языке описания моделей.
Традиционная технология проектирования сложных систем, не предполагающая предварительного компьютерного моделирования, включает в себя следующие основные этапы: формулировку требований к будущей системе, разработку на их основе проектной документации, создание опытного образца, его испытание на соответствие требованиям и сопровождение промышленного образца.

В идеальном случае полная функциональная спецификация, разработанная системными аналитиками или автоматически с помощью компьютерных технологий, уже является проектным решением, остается малое - построить физическую модель по этой спецификации, которая и будет проектируемой системой. К сожалению, это не так. Создание реальной системы, соответствующей разработанным функциональным спецификациям, требует творческих, не формализуемых инженерных решений и ручного труда.

Даже, казалось бы, полностью формализованная "мягкая часть" современных технических систем - встроенное программное обеспечение - чаще всего выполняется на специальных встроенных ЭВМ или микропроцессорах с особыми каналами обмена, специальными операционными системами и другими особенностями, предполагающими "ручную" доводку разработанного программного обеспечения. Без этого "ручного", плохо формализуемого, этапа трудно обеспечить специальные требования надежной работы системы при заданных температурах, вибрациях, перегрузках, уровнях излучения, ограничениях на объем и вес. В главе 5 обсуждаются условия, при которых возможна автоматическая генерация встроенного программного обеспечения но функциональной спецификации, и эти условия оказываются еще очень далекими от сегодняшних реалий.

Оглавление
Оглавление
Предисловие
Глава 1. Объектно-ориентированный подход к моделированию
Необходимость в унифицированном языке описания моделей
Классы, экземпляры и многокомпонентные системы
Использование UML на начальной стадии проектирования
Диаграммы классов
Атрибуты
Поведение
Операции и методы
Абстрактные и конкретные классы. Интерфейсы
Классы и отношения
Ассоциация
Обобщение
Агрегация
Наследование
Полиморфизм
Поведение. Диаграммы состояний
Структурированные классификаторы
Компоненты
События и сигналы
Пакеты
Модель
Глава 2. Объектно-ориентированное моделирование сложных динамических систем на основе формализма гибридного автомата
Активный класс и активный динамический объект
Пакеты и модель
Использование пассивных объектов
Переменные
Типы данных
Скалярные типы
Вещественный тип
Целые типы
Булев тип
Перечислимые типы
Символьные типы
Регулярные типы
Векторы
Матрицы
Массивы
Списки
Комбинированный тип (запись)
Явно определяемые типы
Сигналы
Автоматическое приведение типов
Система уравнений
Карта поведения
Состояния
Переходы
Структурная схема
Объекты
Связи
Регулярные структуры
Наследование классов
Добавление новых элементов описания
Переопределение унаследованных элементов
Полиморфизм
Параметризованные классы
Глава 3. Моделирование гибридных систем и объектно-ориентированный подход в различных пакетах
Моделирование гибридных систем в инструментальных средствах для "больших" ЭВМ
Язык SLAM II
Язык НЕДИС
Гибридные модели в современных инструментах моделирования
Моделирование гибридных систем в пакете Simulink ("блочное моделирование")
Моделирование гибридных систем на языке Modelica ("физическое моделирование")
Гибридное направление
Языки объектно-ориентированного моделирования
Simula-67 и НЕДИС
ObjectMath
Omola
Modelica
Инструменты "блочного моделирования"
Анализ существующих языков ООМ применительно к моделированию сложных динамических систем
Глава 4. Многообъектные модели
Глава 5. Объектно-ориентированное моделирование и объектно-ориентированный анализ
Сложная техническая система
Объектно-ориентированный анализ при разработке сложных технических систем
Объектно-ориентированное моделирование на последующих этапах разработки и сопровождения сложной технической системы
Системно-аналитическая модель как основа "сквозной" технологии проектирования
Литература
Дополнительная литература к главе 1
Дополнительная литература к главе 2
Дополнительная литература к главе 3
Дополнительная литература к главе 4
Дополнительная литература к главе 5
Предметный указатель.

Бесплатно скачать электронную книгу в удобном формате, смотреть и читать:
Скачать книгу Моделирование систем, Объектно-ориентированный подход, Колесов Ю., Сениченков Ю., 2012 - fileskachat.com, быстрое и бесплатное скачивание.

Скачать pdf
Ниже можно купить эту книгу по лучшей цене со скидкой с доставкой по всей России.

Понятие объектно-ориентированного моделирования (ООМ), безусловно, связано с объектно-ориентированным программированием (ООП). Этот подход к разработке программных средств, появившийся в средине 1980-х гг., первоначально был направлен на разрешение проблем, возникающих в результате неизбежного роста и усложнения программ, а также задач обработки данных и манипулирования ими. В то время стало очевидным, что традиционные методы процедурного программирования нс способны справиться ни с растущей сложностью программ и их разработки, ни с необходимостью повышения их надежности. При этом вычислительные и расчетно-алгоритмические задачи, особенно в области обеспечения бизнеса, постепенно стали уходить на второй план, а первое место стали занимать задачи именно обработки данных и манипулирования ими.

Фундаментальными понятиями ООП являются понятия класса и объекта. При этом под классом понимается некоторая абстракция совокупности объектов , которые имеют общий набор свойств и обладают одинаковым поведением. Каждый объект в этом случае рассматривается как экземпляр соответствующего класса. Объекты, которые не имеют полностью одинаковых свойств или не обладают одинаковым поведением, по определению, не могут быть отнесены к одному классу. Хотя приведенное определение класса может быть уточнено на основе учета других понятий ООП, оно является общим и достаточным для проведения ООМ.

Важная особенность классов состоит в возможности их организации в виде некоторой иерархической структуры, которая по внешнему виду напоминает схему классификации понятий формальной логики. В связи с этим следует отметить, что каждое понятие в логике имеет объем и содержание. Под объемом понятия понимают все другие мыслимые понятия, для которых исходное понятие может служить определяющей категорией или частью. Содержание же понятия составляет совокупность всех его признаков и атрибутов, отличающих данное понятие от всех других. В формальной логике известен закон обратного отношения: если содержание понятия А содержится в содержании понятия В, то объем понятия В содержится в объеме понятия А.

Иерархия понятий строится следующим образом. В качестве наиболее общего понятия или категории берется понятие, имеющее наибольший объем и, соответственно, наименьшее содержание. Это самый высокий уровень абстракции для данной иерархии. Затем общее понятие некоторым образом конкретизируется, тем самым уменьшается его объем и увеличивается содержание. Появляется менее общее понятие, которое на схеме иерархии будет расположено на уровень ниже исходного понятия. Этот процесс конкретизации понятий может быть продолжен до тех пор, пока на самом нижнем уровне не будет получено понятие, дальнейшая конкретизация которого невозможна либо нецелесообразна.

Очевидно, что если в качестве самого абстрактного понятия для достижения целей ООМ принять некоторую модель, то концептуальную схему объектно-ориентированного моделирования можно представить, как показано на рис. 4.5.

В настоящее время языком, реализующим объектно-ориентированные подходы (в том числе и к моделированию бизнес-процессов), является язык UML (Unified Modeling Language), представляющий собой общецелевой язык визуального моделирования, который разработан для спецификации, визуализации, проектирования и документирования компонентов программного обеспечения, бизнес-процессов и других систем. Этот язык может быть использован для построения концептуальных, логических и графических моделей сложных систем различного целевого назначения.

Формальное описание предметной области с использованием UML основывается на иерархической структуре модельных представлений (см. рис. 4.5), состоящей из четырех уровней: 1) мета-метамодели; 2) мегамо- дели; 3) модели; 4) объектов.

Рис. 4.5.

Уровень мета-метамодели образует исходную основу для всех мета- модельных представлений. Главное его назначение состоит в том, чтобы определить язык для спецификации метамодели. Мета-метамодель определяет формальный язык на самом высоком уровне абстракции и является наиболее компактным его описанием. При этом мета-метамодель может специфицировать несколько метамоделей, чем достигается потенциальная гибкость включения дополнительных понятий.

Метамодель является экземпляром или конкретизацией мета-мета- модели. Главная задача этого уровня - определить язык для спецификации модели. Данный уровень более конструктивный, чем предыдущий, поскольку обладает более развитой семантикой базовых понятий.

Модель в контексте языка UML - это экземпляр метамодели в том смысле, что любая конкретная модель системы должна использовать только понятия метамодели, конкретизировав их применительно к данной ситуации. Это уровень для описания информации о конкретной предметной области. Однако если для построения модели используются понятия языка UML, то необходима полная согласованность понятий уровня модели с понятиями языка уровня метамодели. Конкретизация же понятий модели происходит на уровне объектов.

С самой общей точки зрения UML состоит из двух взаимодействующих частей: семантики языка и нотации. Семантика определена для двух видов моделей: структурных моделей и моделей поведения. Структурные модели, известные также как статические, описывают структуру сущностей или компонентов (элементов) некоторой системы, включая их атрибуты и отношения. Модели поведения, называемые иногда динамическими моделями, описывают поведение или функционирование объектов системы, взаимодействие между ними, а также процесс изменения состояний отдельных элементов и системы в целом. Следует отметить, что именно для отображения поведенческого аспекта систем, в первую очередь, и создавался UML. Нотация же языка представляет собой графическую спецификацию для визуального представления семантики языка.

В рамках языка UML все представления о модели сложной системы фиксируются в виде специальных графических конструкций - диаграмм. В терминах UML определены следующие виды диаграмм (рис. 4.6):

• диаграмма вариантов использования (Use Case Diagram );
• диаграмма классов (Class Diagram );
• диаграммы поведения (Behavior Diagrams );
• диаграммы реализации (Implementation Diagrams).

Рис. 4.6.

Каждая из этих диаграмм детализирует и конкретизирует различные представления о модели сложной системы в терминах языка UML. При этом диаграмма вариантов использования представляет собой наиболее общую концептуальную модель сложной системы, которая является исходной для построения других диаграмм. Диаграмма классов является по своей сути логической моделью, отражающей статические аспекты структурного построения системы.

Особую роль играют диаграммы поведения, призванные отражать динамические аспекты функционирования сложной системы. К этому виду диаграмм относятся:

• диаграмма состояния (Statechart Diagram );
• диаграмма деятельности {Activity Diagram);
• диаграммы взаимодействия {Interaction Diagrams) :
• - диаграмма последовательности {Sequence Diagram);
• - диаграмма кооперации {Collaboration Diagram).

Наконец, диаграммы реализации служат для представления физических компонентов сложной системы. К ним относятся:

• диаграмма компонентов {Component Diagram);
• диаграмма развертывания {Deployment Diagram).

В современной литературе довольно подробно рассмотрены все перечисленные диаграммы и объекты уровня метамодели.

С точки зрения моделирования бизнес-процессов визуальное моделирование в IJML можно представить как некоторый процесс поуровневого спуска от наиболее общей и абстрактной концептуальной модели исходной системы к логической, а затем и к физической модели соответствующей программной системы. Для достижения этих целей сначала строится модель в форме так называемой диаграммы вариантов использования {Use Case Diagram ), которая описывает функциональное назначение системы или, другими словами, то, что система будет делать в процессе своего функционирования. Диаграмма вариантов использования является исходным концептуальным представлением или концептуальной моделью системы в процессе ее проектирования и разработки.

Разработка диаграммы вариантов использования преследует следующие цели:

• определить общие границы и контекст моделируемой предметной области на начальных этапах проектирования системы;
• сформулировать общие требования к функциональному поведению проектируемой системы;
• разработать исходную концептуальную модель системы для ее последующей детализации в форме логических и физических моделей;
• подготовить исходную документацию для взаимодействия разработчиков системы с ее заказчиками и пользователями.

Суть данной диаграммы состоит в следующем: проектируемая система представляется в виде множества сущностей или акторов, взаимодействующих с системой с помощью так называемых вариантов использования. При этом актором {actor) или действующим лицом называется любая сущность, взаимодействующая с системой извне. Это может быть человек, техническое устройство, программа или любая другая система, которая способна служить источником воздействия на моделируемую систему так, как определит сам разработчик. В свою очередь, вариант использования {use case) служит для описания сервисов, которые система предоставляет актору. Другими словами, каждый вариант использования определяет некоторый набор действий, совершаемый системой при диалоге с актором. При этом ничего не говорится о том, каким образом будет реализовано взаимодействие акторов с системой.

Основные объекты диаграммы вариантов использования сведены в табл. 4.1.

Основные объекты диаграммы вариантов использования UML

Таблица 4.1

Окончание табл. 4.1

	Обозначение	Назначение
Отношения на диаграмме вариантов использования
Отношение ассоциации (association relationship)		Ассоциация специфицирует семантические особенности взаимодействия акторов и вариантов использования в графической модели системы
Отношение расширения (extend relationship)		Отношение расширения определяет взаимосвязь экземпляров отдельного варианта использования с более общим вариантом, свойства которого определяются на основе способа совместного объединения данных экземпляров
Отношение обобщения (generalization relationship)		Отношение обобщения служит для указания того факта, что некоторый вариант использования Л может быть обобщен до варианта использования В. В этом случае вариант А будет являться специализацией варианта В
Отношение включения (include relationship)		Отношение включения между двумя вариантами использования указывает, что некоторое заданное поведение для одного варианта использования включается в качестве составного компонента в последовательность поведения другого варианта использования

Пример диаграммы вариантов использования показан на рис. 4.7.

Рис. 4.7.

С точки зрения имитационного моделирования наибольший интерес представляют диаграмма вариантов использования и диаграммы поведения. Именно эти диаграммы призваны описывать функциональность (активность, движение) компонентов системы. Кроме того, совокупность этих диаграмм полностью определяет концептуальный уровень описания сложной системы (концептуальную модель). В связи с этим следует рассмотреть указанные диаграммы более подробно. Для примера в качестве сложной системы примем отдел продаж и маркетинга некоторой фирмы. Основная цель моделирования данной системы заключается в автоматизации работы отдела, т.е. в создании и внедрении информационной системы управления продажами. При этом предполагается, что в отделе полностью отсутствует автоматизация производственной деятельности.

Не вдаваясь в описание семантики языка UML (она хорошо освещена в соответствующей литературе), приведем лишь результаты объектно-ориентированного анализа, показанные на рис. 4.8-4.12.

Нетрудно заметить, что время как важнейший атрибут любой поведенческой модели присутствует на приведенных диаграммах лишь опосредованно. Это означает, что при анализе поведения (или изменения состояний) возможны лишь качественные оценки типа «не раньше, чем...», «только после того, как...» и т.н. Однако при анализе, например, диаграммы состояний (см. рис. 4.9) естественным образом возникают следующие вопросы: «Как часто поступают заказы?», «Как долго они оформляются?», «Каково соотношение количества автоматизированных рабочих мест (АРМ) и числа менеджеров?», «Какой должна быть производительность сервера?» и т.д. Очевидно, что без привлечения аппарата имитационного моделирования получить ответы на эти вопросы по приведенным диаграммам просто невозможно.

Рис. 4.8.

Рис. 4.9.

Рис. 4.10.

Рис. 4.11.

Рис. 4.12.

При этом отметим, что при построении заключительных диаграмм (диаграммы компонентов и диаграммы развертывания) требуется явно указывать технические характеристики аппаратных средств, например, таких, как количество рабочих станций (АРМ), тактовая частота процессоров, скорость передачи по сети, емкость запоминающих устройств и др. Ясно, что завышенные показатели могут привести к неоправданным затратам, а заниженные - к снижению эффективности функционирования всей системы. Поэтому обоснование требуемых значений всех технических показателей возможно лишь но результатам имитационного моделирования.

Объектам диаграмм UML, моделирующим поведение системы, могут быть поставлены в соответствие объекты имитационной модели. Важнейшими диаграммами, несущими необходимую информацию, в данном случае являются диаграмма вариантов использования и диаграмма состояний. Взаимосвязь объектов этих диаграмм с объектами имитационной модели показана в табл. 4.2.

Таблица 4.2

Взаимосвязь объектов диаграмм UML и объектов имитационной модели

	Объект диаграммы состояний	Объект имитационной модели

Объект диаграммы вариантов использования	Объект диаграммы состояний	Объект имитационной модели

Анализ табл. 4.2 показывает, что, несмотря на достаточную выразительность языка UML для построения наглядной имитационной модели, его средств явно недостаточно. Приведенные абстрактные объекты имитационной модели составляют концептуальную модель функционирования отдела продаж и маркетинга.

При разработке программного обеспечения существует несколько подходов к моделированию. Важнейшие из них – алгоритмический (структурный) и объектно-ориентированный.

Структурный метод представляет традиционный подход к созданию про­граммного обеспечения. Основным строительным блоком является процедура или функция, а внимание уделяется прежде всего вопросам передачи управления и декомпозиции больших алгоритмов на меньшие.

Наиболее современным подходом к разработке программного обеспечения яв­ляется объектно-ориентированный. Здесь в качестве основного строительного блока выступает объект или класс. В самом общем смысле объект - это сущность, обычно извлекаемая из словаря предметной области или решения, а класс явля­ется описанием множества однотипных объектов. Каждый объект обладает иден­тичностью (его можно поименовать или как-то по-другому отличить от прочих объектов), состоянием (обычно с объектом бывают связаны некоторые данные) и поведением (с ним можно что-то делать или он сам может что-то делать с други­ми объектами).

В качестве примера можно рассмотреть трехуровневую архитектуру биллинговой системы, состоящую из интерфейса пользователя, программного обеспечения промежуточного слоя и базы данных. Интерфейс содержит конкрет­ные объекты - кнопки, меню и диалоговые окна. База данных также состоит из конкретных объектов, а именно таблиц, представляющих сущности предметной области: клиентов, продукты и заказы. Программы промежуточного слоя включа­ют такие объекты, как транзакции и бизнес-правила, а также более абстрактные представления сущностей предметной области (клиентов, продуктов и заказов).

Если принять объектно-ориентированный взгляд на мир, необходимо отве­тить на ряд вопросов. Какая структура должна быть у хорошей объ­ектно-ориентированной архитектуры? Какие артефакты должны быть созданы в процессе работы над проектом? Кто должен создавать их? И, наконец, как оценить результат?

Визуализация, специфицирование, конструирование и документирование объектно-ориентированных систем - это и есть назначение языка UML.

Объектно-ориентированные языки моделирования появились в период с сере­дины 70-х до конца 80-х годов, когда исследователи, поставленные перед необхо­димостью учитывать новые возможности объектно-ориентированных языков программирования и требования, предъявляемые все более сложными приложени­ями, вынуждены были начать разработку различных альтернативных подходов к анализу и проектированию.

Технология разработки программных систем, в основу которых положена парадигма представления окружающего мира в виде объектов, являющихся экземплярами соответствующих классов, получила название - объектно-ориентированный анализ и проектирование (ООАП) - OOA&D (Object-Oriented Analysis/Design). В рамках этой технологии язык UML является средством графического представления результатов моделирования не только программного обеспечения, но и более широких классов систем и бизнес-приложений, с использованием объектно-ориентированных понятий. При этом явным образом обеспечивается взаимосвязь между базовыми понятиями для моделей концептуального и физического уровня, достигается масштабируемость моделей, что особенно важно для сложных многоцелевых систем.

Сами разработчики языка определяют его как «общецелевой язык визуального моделирования, разработанный для спецификации, визуализации, проектирования и документирования компонентов программного обеспечения, бизнес-процессов и других систем» .

UML (англ. Unified Modeling Language - унифицированный язык моделирования) - язык графического описания для объектного моделирования в области разработки программного обеспечения. UML является языком широкого профиля, это - открытый стандарт, использующий графические обозначения для создания абстрактной модели системы, называемой UML-моделью. UML был создан для определения, визуализации, проектирования и документирования, в основном, программных систем. UML не является языком программирования, но на основании UML-моделей возможна генерация кода. (вики)

Бурное развитие 1980-ые годы.

Главное не процедура или функция, а объект .

Для различных ЯП созданы библиотеки стандартных классов объектов которые могут выполнять действия.

Появились средства визуального программирования (RAD), где программист создаёт прогу мышкой, а код программы генерируется автоматически. Внимание программистов переключилось с написания кода, на предшествующие этапы – анализ предметной области и проектирование программы.

Появились методы объектно-ориентированного анализа и проектирования OOA/OOD. Они позволяют проектировать системы до написания кода, так чтоб проект был задокументирован. С помощью модели можно исправить недочёты без затрат.

2 вида диаграмм:

1) Структурные модели

2) модели поведения

В дальнейшем UML стал использоваться не столько для проектирования ИС, сколько для анализа и перепроектирования БП.

Моделирование бизнеса с помощью UML предполагает построение двух моделей:

1) прецедентная модель (вопрос 16)

2) объектная модель (анализ структурной модели, описывающийся внешней структурой бизнеса и т.д)(вопрос 17).

Прецедентная модель бизнеса

Так же как и для прецедентов так и для акторов, различают понятия класса и экземпляра. Класс – описывает общие характеристики некоторого типа акторов, а экземпляр – характеристики конкретного актора. На диаграмме вариантов использования, как правило отображаются классы прецедентов и классы акторов. Причем их расположение может быть произвольное. Акторы принадлежащие к разным классам могут иметь общие характеристики или общие обязательства по отношению к бизнесу. Можно ввести обобщенный класс акторов объединяющие общие характеристики нескольких более конкретных классов. Например, для классов покупатели мебели и покупатели компьютеров может быть введен общий класс покупатель. В этом случае между обобщенном типом акторов и более конкретным устанавливается отношение-обобщение.

Между прецедентами и акторами устанавливается отношение коммуникации. Они моделируют информационные и материальные потоки, т.е. обмен прецедентов с субъектами окружения материальной и информационной природы (данными, документами, сырьем и т.д.).

Для каждого из элементов модели составляется спецификация. Спецификацией актора указывается наименование, стереотип, описание, перечень связанных с прецедентом поддиаграмм и документов. Наиболее важным для описания прецедентов является документ, называемый потоком событий. Он описывает сценарий осуществления прецедентов в виде последовательности шагов процесса.

Каждый шаг или событие прецедента представляет собой некоторое действие, переводящее прецедент в новое состояние. В свою очередь новое состояние прецедента является стимулом для выполнения следующего шага или события. Т.о., прецедент рассматривается как последовательность состояния и событий.

Объектная модель бизнеса.

Прецедентная модель иллюстрирует функции бизнеса. Однако для полного понимания бизнеса необходима модель, показывающая кем и с помощью чего реализуются прецеденты. Объектная модель раскрывает внутреннее устройство бизнеса: какие виды ресурсов используются и каким образом они взаимодействуют. Эту модель называют также моделью бизнес анализа. Основным понятием этой модели является понятие объекта.

Объекты модели бизнеса представляют людей, участвующих в выполнении процессов, и различного рода, сущности, которые обрабатываются или создаются бизнесом. Участники процессов называются активными объектами, сущности – пассивными. Похожие объекты группируются в классы, каждый конкретный объект рассматривается как экземпляр некоторого класса. Например объекты, соответствующие конкретным служащим могут быть объединены в класс «служащие». Свойство объекта описывается с помощью характеристик, называемых атрибутами, при этом состав атрибутов одинаков для всего класса. Класс «служащий» может иметь атрибуты: фамилия, стаж, и т.д. Разные объекты будут иметь разные значения (которые могут меняться во времени). Поведение представляется с помощью набора операций, которые может выполнять объект. Пример операций класса «служащий»: Принять заказ, оформить договор, принять оплату и т.д.

Виды анализа БП.

Существуют различные классификации видов анализа. Классификация по объекту анализа позволяет выделить:

1. Анализ окружения

~ Анализ макроокружения (Политического, Экономического, технологического)

~ Анализ микроокружения (клиентов, поставщиков, конкурентов)

2. Анализ бизнеса (Продукции, Оборудования, Кадров).

Анализ макроокружения включает анализ налоговой политики, трудового законодательства, изучение политической системы региона, анализ новейших достижений в производстве и т.д.

Важнейшими направлениями анализа микроокружения является изучение требование клиентов, анализ поставщиков и партнёров и анализ конкурентной позиции компании. В процессе анализа бизнеса производится анализ БП, технологии их выполнения, анализ выпускаемой продукции, анализ и оценка кадров.

Классификации в соответствии с анализируемыми состояниями системы (текущим, прошлым, будущим) – позволяет выделить сравнительный, ретроспективный и прогностический анализ.

Классификации по методам анализа – позволяет выделить две основные группы:

· количественный (основан на объективном измерении и дальнейшей обработке количественных параметров)

1) статистический (корреляционный, регрессионный, кластерный)

2) экономический (детерминированный факторный анализ, балансовый)

3) вычислительный (линейное программирование, анализ чувствительности и т.д.)

· качественный анализ (основан на мнениях, субъективных суждениях и оценках экспертов). При этом, как правило, используются неформальные или слабо-формализованные методы, такие как: Методы экспортных оценок, метод ДЭЛФИ, морфологический анализ, метод сценариев и метод построения дерева решений.