авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ РОССИЙСКАЯ БИБЛИОТЕКА - WWW.DISLIB.RU

АВТОРЕФЕРАТЫ, ДИССЕРТАЦИИ, МОНОГРАФИИ, НАУЧНЫЕ СТАТЬИ, КНИГИ

 
<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ

Pages:   || 2 | 3 |

Проектирование программных моделей сетевых протоколов для встроенных систем

-- [ Страница 1 ] --

На правах рукописи

ОЛЕНЕВ Валентин Леонидович

ПРОЕКТИРОВАНИЕ ПРОГРАММНЫХ МОДЕЛЕЙ СЕТЕВЫХ ПРОТОКОЛОВ ДЛЯ ВСТРОЕННЫХ СИСТЕМ

Специальность 05.13.11 – Математическое и программное обеспечение вычислительных машин, комплексов и компьютерных сетей

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

Санкт-Петербург 2011

Работа выполнена на кафедре «Информационных систем» в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Санкт-Петербургский государственный университет аэрокосмического приборостроения» (ГУАП).

Научный руководитель: доктор технических наук

Шейнин Юрий Евгеньевич

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Водяхо Александр Иванович

кандидат технических наук, доцент

Щекин Сергей Валерьевич

Ведущая организация Санкт-Петербургский институт

информатики и автоматизации РАН

Защита состоится «____» __________ 2011 г. в ______ часов на заседании диссертационного совета Д 212.233.02 при Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Санкт-Петербургский государственный университет аэрокосмического приборостроения» по адресу:

190000, Санкт-Петербург, ул. Б. Морская, 67, ГУАП.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ГУАП.

Автореферат разослан «____» __________ 2011 г.

Ученый секретарь диссертационного совета доктор технических наук, профессор Осипов Л.А

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Встроенные системы стали использоваться повсеместно: в автомобилестроении, мобильной индустрии и других вещах, без которых жизнь современного человека уже сложно представить. Многие встроенные системы состоят не только из одного процессора, а могут содержать целые сети-на-кристалле. Составляющие элементы таких сетей должны взаимодействовать между собой, руководствуясь жесткими правилами для достижения требований энергопотребления, физических размеров и стоимости, выдвигаемых к встроенной системе. Такие правила называют протоколами для встроенных систем. Разработка протоколов передачи данных для таких систем является очень трудоемкой задачей, состоящей из нескольких этапов: она начинается с концептуального проектирования системы и заканчивается сбором устройства, работающего по заданному протоколу. Однако в процессе разработки спецификации протокола зачастую возникают моменты, когда необходимо выбирать тот или иной путь решения проблемы, анализировать различные подходы к реализации и проверять спецификацию на ошибки разработчиков. Именно поэтому программное моделирование становится все более необходимым элементом проектирования протоколов передачи данных для встроенных систем. Оно позволяет обнаружить ошибки на ранних этапах разработки спецификаций, значительно уменьшить само время разработки, а так же в дальнейшем использовать полученные программные модели для тестирования реальных плат. Программное моделирование протоколов ведется во многих крупных компаниях, таких как Nokia, STErricsson, Qualcomm, в работах, курируемых Европейским Космическим Агентством (ESA), в разработках авиационных компаний и т.д. Однако каждая компания ведет разработку своими путями. Методы проверки на программных моделях широко используются и описаны в работах таких авторов как Э. М. Кларк, О. Грамберг и Д. Пелед, Ю.Г. Карпов, в результатах исследований компании Cadence. Однако на данный момент не существует четко сформулированных и описанных формальных методов организации программного обеспечения для моделирования стеков протоколов встроенных систем, что осложняет их разработку и реализацию. Поэтому, разработка методики построения программного обеспечения для написания программных моделей протоколов передачи данных для встроенных систем и верификации этих программных моделей является актуальной проблемой.





В данной диссертации предлагается использовать широко используемый в последнее время подход компонентного проектирования, описанный в работах Э. Дж. Брауде, Кулямина В.В., Э. Ванга и К. Квана, для разработки набора стандартных модулей, предназначенного для построения архитектурных диаграмм программных моделей протоколов встроенных систем. А также предлагается разработать методику, позволяющую строить архитектурные диаграммы на основе этого набора модулей, что позволит значительно упростить процесс проектирования программной модели. Кроме того, предлагается осуществлять верификацию полученных архитектурных диаграмм на предмет ошибок построения и организации взаимодействий между модулями, пользуясь теорией сетей Петри и в частности, теорией раскрашенных сетей Петри, развитой и доработанной К. Енсеном. Результатом такой работы может быть сгенерированный из полученной архитектурной диаграммы скелет программной модели на языке SystemC.

Целью работы является разработка методов и алгоритмов проектирования программных моделей сетевых протоколов для встроенных систем. Разработка методики проектирования программного обеспечения для реализации и верификации архитектурных диаграмм программных моделей стеков протоколов передачи данных, обеспечивающей повышение эффективности разработки и корректности программных моделей.

Для достижения поставленной цели в работе решались следующие задачи:

  • разработка метода проектирования и анализа программных моделей протоколов передачи данных;
  • разработка набора типовых модулей для построения архитектурных диаграмм программных моделей протоколов встроенных систем;
  • разработка метода организации межмодульных взаимодействий в программных моделях сетевых протоколов;
  • разработка метода перехода от архитектурной диаграммы программной модели к интерпретирующей ее раскрашенной сети Петри;
  • разработка алгоритма разметки раскрашенной сети Петри для осуществления верификации архитектурных диаграмм программных моделей;
  • исследование и разработка метода перехода от раскрашенной сети Петри к эквивалентной ей классической сети Петри в целях применения методов анализа классических сетей Петри к раскрашенным сетям;
  • разработка методики верификации архитектурной диаграммы на основе данных, полученных при анализе набора классических сетей Петри.

Методы исследования. Для решения поставленных задач использовались методы теории имитационного моделирования, теорий сетей Петри и раскрашенных сетей Петри, методы теории программирования и принципы объектно-ориентированного и компонентного программирования, методы теории множеств, теории комплектов.

Научной новизной обладают следующие результаты работы:

  1. метод проектирования архитектурной диаграммы программной модели протокола передачи данных для встроенных систем по его спецификации;
  2. набор модулей для проектирования архитектурных диаграмм программных моделей протоколов передачи данных для встроенных систем;
  3. метод построения раскрашенной сети Петри на основе архитектурной диаграммы программной модели;
  4. алгоритм разметки раскрашенной сети Петри для осуществления анализа движения фишек при помощи деревьев достижимости;
  5. метод верификации архитектурной диаграммы программной модели протокола на основе результатов анализа сетей Петри.

Практическая значимость диссертации заключается в том, что в ней предложена методика построения программного обеспечения для разработки программных моделей протоколов и стеков протоколов передачи данных во встроенных системах, обеспечивающая упрощение и ускорение этого процесса разработки. Для апробации результатов работы был разработан программный комплекс ESPMS, реализующий методы и алгоритмы, описанные в данной диссертационной работе.

Внедрение и реализация результатов работы. Основные исследования и результаты диссертационной работы использованы в Институте высокопроизводительных компьютерных и сетевых технологий Государственного Университета Аэрокосмического Приборостроения для разработки программных моделей протоколов передачи данных для таких компаний как Nokia и ОАО «НИИ Авиационного оборудования». Результаты внедрения подтверждены соответствующими актами.

Апробация результатов работы. Основные положения и результаты диссертации докладывались и обсуждались на конференции Cadence CDNLife (2008 г.), Научных сессиях ГУАП (2008, 2009, 2010 гг.), а также международных конференциях FRUCT в 2009 и 2010 гг.

Публикации. По теме диссертации опубликовано семнадцать печатных работ, в том числе две статьи в рецензируемых журналах по перечню ВАК.

Основные положения, выносимые на защиту:

  1. Метод перехода от спецификаций протоколов передачи данных к архитектурным диаграммам программных моделей этих протоколов, составленных из набора типовых модулей;
  2. Метод формального описания архитектурных диаграмм программных моделей раскрашенными сетями Петри;
  3. Алгоритм разметки раскрашенных сетей Петри для осуществления анализа движения фишек по сети Петри методом построения деревьев достижимости;
  4. Метод верификации архитектурной диаграммы программной модели на основе результатов анализа достижимости набора классических сетей Петри, эквивалентных раскрашенной сети Петри по поведению.

Объем и структура работы. Диссертационная работа состоит из введения, списка используемых сокращений, четырех глав, заключения, списка использованных источников и трёх приложений. Диссертация содержит 144 страницы машинописного текста, 56 рисунков и 16 таблиц, а также приложения объемом 38 страниц, включая 10 рисунков и 3 таблицы. В списке использованной литературы 119 наименований.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность выбранной темы, определена цель и сформулированы решаемые в работе задачи. Перечислены новые научные результаты, полученные при выполнении работы, показаны практическая значимость и апробация работы, описаны внедрение и реализация результатов. Приведены основные положения, выносимые на защиту.

В первой главе диссертации дано понятие встроенных систем и разрабатываемых для них сетевых протоколов, а также описан сам процесс разработки этих протоколов.

Встроенной системой называют специализированную компьютерную систему управления, встроенную непосредственно в устройство, которым она управляет. Она основана на работе микропроцессоров и спроектирована таким образом, что конечный пользователь не может перепрограммировать ее.

Сетевым протоколом называют набор правил, а также технических процедур, которые регулируют порядок и позволяют осуществлять соединение и обмен данными между двумя и более включёнными в сеть устройствами. Сетевые протоколы, проектируемые для межкристальных коммуникаций во встроенных системах, ориентированы на минимальное энергопотребление, минимальные аппаратные затраты, высокую точность и скорость передачи данных, не высокую стоимость реализации. Протоколы передачи данных по своей сути являются параллельными системами, поскольку ориентированы на одновременное выполнение нескольких задач на разных уровнях. Например, независимо друг от друга и параллельно работают сервисные точки доступа между уровнями, параллельно работают сами уровни. Данные, передаваемые на удаленное устройство и принимаемые от него, тоже передаются параллельно, принимающая и передающая части сетевого устройства тоже работают независимо и параллельно. Далее в диссертации под термином протокол подразумеваются протоколы для межкристальных коммуникаций во встроенных системах.

Также в первой главе диссертации дано понятие программной модели. Программная модель является представлением объекта, системы или понятия в форме, отличной от реальной, но приближенной к алгоритмическому описанию, включающей набор данных, характеризующих свойства системы и динамику их изменения со временем. Исходя из параллельности протоколов, сделан вывод, что программные модели протоколов передачи данных для встроенных систем являются параллельными программными системами. В работе дано понятие верификации и проверки проектируемых сетевых протоколов на программной модели.

В первой главе показано место программного моделирования в процессе разработки стеков протоколов передачи данных на различных этапах проектирования, показана сложность и трудоемкость этих процессов. Сформулированы требования к языку проектирования и написания программных моделей протоколов, основываясь на которых был выбран язык проектирования SystemC.

На основе проведенного анализа в первой главе показано, что на данный момент не существует четко сформулированных и описанных методов организации программного обеспечения для моделирования стеков протоколов для встроенных систем, что осложняет их разработку и реализацию. Программные модели разрабатываются каждый раз полностью с нуля и абсолютно разными способами. Зачастую выбранные способы являются не самыми удобными. Отсутствие формализованных подходов и методик написания подобного программного обеспечения в значительной степени усложняет процесс проектирования и тестирования встроенных систем. Разработка методов и алгоритмов проектирования программных моделей могла бы ускорить работу и облегчить процесс разработки.

Ставится задача создания метода компонентного проектирования программных моделей протоколов, позволяющего строить программные модели протоколов передачи данных на основе набора типовых модулей и верифицировать эти модели на предмет ошибок построения. Процесс написания программной модели включает проектирование архитектурной диаграммы, на которой будут присутствовать все необходимые модули и межмодульные связи. Следуя определению, данному П. Клементсом, архитектурной диаграммой называется описание составляющих элементов программы, их внешних свойств и установленных между ними отношений. Внешними свойствами называются те предположения, которые сторонние элементы могут выдвигать в отношении данного элемента – в данном случае это интерфейсы, предоставляемые модулем. Таким образом, исходя из требований к архитектурным диаграммам, при проектировании должны быть определены их программные элементы и приведена информация об их взаимоотношениях, в состав которой должен входить целый ряд структур, каждая из которых должна решать свои определенные задачи. Архитектурная диаграмма ориентирована на независимую и параллельную работу каждого из модулей. При приходе данных в интерфейс модуль начинает выполняться, поэтому данные, идущие по архитектурной диаграмме двумя разными путями, обрабатываются параллельно и независимо.

При построении архитектурной диаграммы указывается задача, решаемая каждым модулем, но не алгоритм ее решения. То есть на архитектурной диаграмме отображается модуль, цель которого выполнить определенную задачу протокола, описанную в спецификации. Из этой спецификации известно, какие данные поступают на вход модуля, и какие должны получиться на выходе. При этом алгоритм работы модуля при проектировании архитектурной диаграммы не описывается. Количество модулей на архитектурной диаграмме обусловлено количеством задач, выполняемых протоколом, каждая из которых описана в спецификации. Типы модулей также определяются в зависимости от задачи, которую этот модуль должен выполять в рамках модели. Исходя из спецификации протокола, определяются требуемые данные, которые поступают на уровень протокола или в модуль. Зная задачу, выполняемую этим модулем, и отталкиваясь от описания этой задачи в спецификации, определяются данные, которые являются для модуля выходными. Взаимосвязи между модулями расставляются, основываясь на связях между задачами, выполняемыми протоколом. Если после выполнения одной задачи над данными, они обрабатываются следующей задачей, то между модулями архитектурной диаграммы, соответствующими этим задачам, ставится связь, передающая нужные данные. Так формируются маршруты следования данных между модулями.

На основе такой архитектурной диаграммы в дальнейшем генерируется «скелет» программной модели. Скелетом программной модели называется код, полученный (возможно, автоматически) на основе архитектурной диаграммы; он включает в себя описания модулей, портов, интерфейсов и методов, отвечающих за передачу данных между модулями. Вышеописанный метод приведен в следующей главе диссертации. На основе скелета программной модели может писаться код, описывающий алгоритмы работы каждого из модулей.

Вторая глава начинается с описания основных принципов компонентного проектирования. Даются понятия архитектурного проектирования программных моделей. Приведено описание принципа модульности, который предписывает организовывать сложную систему в виде набора более простых систем. Основываясь на этом, дано понятие компонента или модуля программной модели протокола и приведено описание типа, к которому относятся компоненты, разработанные в данной диссертационной работе. На основе этих свойств определен набор модулей, необходимых и достаточных для программного моделирования выделенного класса протоколов.

Также во второй главе определен ряд свойств спецификаций протоколов, к которым могут быть применены методы, описанные в данной диссертации:

  1. Моделируемый протокол должен быть описан по слоям или составлять целиком один уровень;
  2. Между уровнями могут быть описаны сервисные точки доступа;
  3. Спецификация протокола должна описывать структуру передаваемых данных относительно каждого уровня;
  4. Спецификация должна содержать описание основных функций протокола, описанных для каждого из уровней.

Под данную классификацию подходит большинство стандартов для стеков протоколов передачи данных встроенных систем.

Разработан метод перехода от спецификации стандарта протокола передачи данных к архитектурной диаграмме программной модели этого протокола. Метод позволяет составить архитектурную диаграмму протокола по слоям (уровням) при помощи предложенного в работе набора типовых модулей: модуль инициализации (IM), стандартный модуль (CM), симплексный канал (SC), дуплексный канал (DC), сервисная точка доступа (SAP). Взаимодействие модулей осуществляется посредством портов и интерфейсов.

Множество модулей, необходимых для реализации программных моделей протоколов передачи данных для встроенных систем выглядит следующим образом:

M={IM, CM, SC, DC, SAP}



Pages:   || 2 | 3 |
 



Похожие работы:







 
© 2013 www.dislib.ru - «Авторефераты диссертаций - бесплатно»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.