Application of Pseudo-Random Numbers in System Design

Цифрова платформа: інформаційні технології в соціокультурній сфері 2023, Том 6 № 1 УДК 004.94:519.216]:519.876.5 DOI: 10.31866/2617-796X.6.1.2023.283945 Катерина Коцюбівська, кандидат технічних наук, доцент, завідувач кафедри комп’ютерних наук, Київський національний університет культури і мистецтв, Київ, Україна https://orcid.org/0000-0002-3987-9871 Олена Тимошенко, доктор економічних наук, доцент, професор кафедри фешн та шоу-бізнесу, Київський національний університет культури і мистецтв, Київ, Україна https://orcid.org/0000-0003-3820-1492 Костянтин Булига, кандидат технічних наук, доцент кафедри комп’ютерних наук, Київський національний університет культури і мистецтв, Київ, Україна https://orcid.org/0000-0002-9537-3226 Ігор Ярохно, магістрант кафедри комп’ютерних наук, факультет післядипломної освіти, Київський національний університет культури і мистецтв, Київ, Україна https://orcid.org/0009-0003-6988-5564 ЗАСТОСУВАННЯ ПСЕВДОВИПАДКОВИХ ВЕЛИЧИН У ПРОЄКТУВАННІ СИСТЕМ Мета статті – дослідження та пошук оптимальних стратегій моделювання інформаційних систем з використанням псевдовипадкових величин для покращення продуктивності інформаційних систем, а також визначення оптимальних параметрів розподілів випадкових величин; аналіз ефективних алгоритмів генерації псевдовипадкових величин. © Коцюбівська К. І., © Тимошенко О. В., © Булига К. Б., © Ярохно І. В. 53 Цифрова платформа: інформаційні технології в соціокультурній сфері 2023, Том 6 № 1 Методи дослідження ґрунтуються на застосуванні системного підходу до аналізу переваг застосування псевдовипадкових величин під час проєктування інформаційних систем. Наукова новизна. У статті проаналізовано переваги стохастичного моделювання інформаційних систем з використанням різних підходів до генерації псевдовипадкових величин, а також уперше розглянуто застосування випадкового лісу дерев ухвалення рішень для моделювання систем масового обслуговування. Висновки. Застосування псевдовипадкових чисел у проєктуванні систем є актуальною проблемою та вимагає подальших досліджень і розвитку методів. Розробка ефективних алгоритмів генерації, валідації та використання псевдовипадкових величин відіграє важливу роль у багатьох галузях науки та технологій. Такий підхід дає змогу виконувати оптимізацію та планування в процесі проєктування систем, є важливим під час валідації та тестування систем. За допомогою генерації випадкових величин можна створити різні тестові сценарії та перевірити, як система реагує на різні умови, що допомагає виявляти потенційні помилки, недоліки й проблеми в системі та забезпечує якість проєктування. Отже, застосування псевдовипадкових величин у проєктуванні систем дає змогу враховувати випадковість, аналізувати ризики, виконувати оптимізацію та планування, проводити валідацію та тестування. Це важливий аспект розробки систем, що допомагає забезпечити їхню надійність, продуктивність й ефективність. Ключові слова: випадковість; закон розподілу; псевдовипадкові величини; імітаційне моделювання; моделювання систем; системи масового обслуговування. Вступ. Проблема моделювання реальних процесів і систем, що трапляються в повсякденному житті, полягає в розробці стохастичних моделей. Описати систему за допомогою детермінованих моделей неможливо через випадковий характер вхідних параметрів. Під час розв’язання завдань аналізу та проєктування таких систем, як наприклад системи масового обслуговування, важливо врахувати, що випадковість є визначальною в багатьох процесах. Спроба описати роботу системи або спрогнозувати її поведінку, не враховуючи випадкові величини, призводить до виникнення грубих помилок. У більшості ситуацій реального життя процес надходження даних до інформаційної системи та процес обслуговування відбуваються випадковим чином. Тому постає завдання моделювати випадковості, що дасть змогу створити достовірну модель проблемної ситуації. Одним зі способів моделювання випадковості є опис явища як випадкової змінної, що керується певним розподілом ймовірностей. Наприклад, якщо надходження до банку відбуваються відповідно до процесу Пуассона, то з теорії ймовірностей відомо, що розподіл часу між надходженнями є експоненціальним розподілом (ASU Open Door, 2021). Загалом інформація про процес має бути забезпечена або через пряме спостереження за системою, або через історичні дані. Побудова моделей, що оперують з імовірнісними та спектральними характеристиками випадкових числових послідовностей, є основою аналітичного імовірнісного моделювання (Квєтний та ін., 2013). Тут розглянуто закони розподілу ймовірності, спектральні щільності, кореляційні функції. Через складність побудови аналітичної імовірнісної моделі неможливо задати аналітично точні харак54 Цифрова платформа: інформаційні технології в соціокультурній сфері 2023, Том 6 № 1 теристики випадкових процесів. Є низка досліджень, орієнтованих на розробку й створення пакетів прикладного програмного забезпечення для реалізації чисельних алгоритмів розв’язання типових процедур аналітичного імовірнісного моделювання, включаючи методи описання структур системи. Але таке програмне забезпечення зазвичай є вузькоспеціалізованим і призначене для вирішення певного класу завдань під час побудови складної системи. Результати дослідження. Застосування псевдовипадкових величин у проєктуванні систем є важливою темою досліджень, особливо в контексті моделювання та аналізу систем, які мають випадкову поведінку або залежать від невизначеності. У галузі застосування псевдовипадкових величин у проєктуванні систем відомі науковці й автори провели дослідження, у яких пропонують різні підходи та методи для вивчення і оцінки впливу псевдовипадкових чисел на проєктування систем. Класифікація та аналіз різних алгоритмів генерації псевдовипадкових величин та обґрунтування доцільності вибору алгоритмічного генератора для потокового шифрування аудіоповідомлень представлені в роботі І. Медяни та Р. Белецького. Автори дійшли висновку про доцільність використання алгоритму BBS через його високу стійкість, обумовлену якістю генератора, що базується на обчислювальній складності завдання факторизації чисел (Медяна та Белзецький, 2020). Застосування генераторів псевдовипадкових послідовностей з нелінійною динамікою на основі хаотичних систем для захисту інформаційних систем розглянуто в роботі Г. Косована (2018). Також багато дослідників вивчали підходи та методи для оцінки якості псевдовипадкових чисел у проєктуванні систем, зокрема їх використання у криптографічних застосуваннях, для симуляції реальних процесів і тестування інформаційних систем, застосування псевдовипадкових величин у моделюванні й оптимізації систем, зокрема в галузі телекомунікацій і мережевого проєктування, у фінансовій математиці й управлінні ризиками. Дослідження в галузі застосування псевдовипадкових чисел у проєктуванні систем є актуальними з кількох причин: 1. Необхідність моделювання випадковості: багато систем мають випадкову поведінку або піддаються впливу невизначеності. Застосування псевдовипадко (...truncated)