Модели и методы анализа процессов информационного обмена в автоматизированных системах диспетчерского управления мчс россии

Предложенные алгоритмы в комплексе решают задачу автоматизации процессов поиска сбоев в работе сети и формирования рекомендаций по их устранению. В дальнейшем проводится разработка и исследование структуры, алгоритмов функционирования и информационного обеспечения системы поддержки работоспособности СПД. Приведена группа алгоритмов функционирования системы. Наиболее весомыми из них являются алгоритмы поиска компонентов сети, вызвавших нарушение ее функционирования, и выбора рекомендаций по восстановлению работоспособности вычислительной сети. Предложены варианты информационного обеспечения системы и структура базы знаний системы. Приведен список контролируемых признаков для определения текущего состояния сети.

В целях доказательства практической применимости модели и основанных на ней методик была описана структура сети Санкт-Петербургского университета Государственной противопожарной службы МЧС России посредством предлагаемой модели. Для доказательства корректности рекомендаций по устранению сбоев в работе сети была собрана группа экспертов из числа специалистов, обслуживающих данную сеть. Была проведена имитация ряда сбоев в работе сети и сформированы правила для исследуемых ситуаций. Для доказательства практической целесообразности предлагаемых методик, были проведены наблюдения за фрагментом данной сети до и после внедрения системы поддержки обеспечения ее работоспособности.

Для наглядности была сформирована общая статистика неполадок в работе сети путем вычисления показателей, полученных в результате группировки выявленных при анализе повседневной статистики отказов. Фиксировались общее количество сбоев в сети, общее и среднее время их устранения. После этого аналогичная статистика велась для сети после внедрения программного комплекса системы поддержки работоспособности СПД территориально-распределенных охраняемых объектов. При наблюдении фиксировались параметры таких неисправностей, как «Отказ канала», «Ненадежность канала», «Отказ устройства», «Высокая задержка реакции устройства», «Некорректная работа устройства». Общая статистика, полученная в результате наблюдений за функционированием сети, представлена рисунке 5.

Рисунок 5

– Общее время (минут) устранения конкретных сбоев в сети
за исследуемый период

Общее время устранения сбоев в сети уменьшилось на 19 %. Это свидетельствует о том, что внедрение системы поддержки работоспособности СПД позволяет более оперативно устранять нарушения работы устройств сети. Программный комплекс системы поддержки работоспособности СПД был успешно внедрен в Санкт-Петербургском университете Государственной противопожарной службы МЧС России, что доказывает практическую значимость методик, на которых основан принцип его функционирования.

В пятой главе «Алгоритмическая модель процессов информационного обмена в сетях передачи данных при наличии прерываний вне протокола» рассмотрена модель ПИО, основанная на предложенной во второй главе математической модели восстановления процессов информационного обмена при наличии прерываний вне протокола ПИО в СПД АСДУ территориально-распределенных охраняемых объектов.

Модель базируется на аппарате недетерминированных конечных автоматов (НКА) с предикатами и включает прерывания вне протокола, возникающие в ПИО. Линейные предикаты, используемые в модели, позволяют сократить вычислительную сложность обнаружения прерываний вне протокола.

Методика обнаружения и коррекции прерываний вне протокола (ПВП) построена на основе математической модели восстановления процессов информационного обмена, и позволяет обнаружить при эксплуатации прерывания и восстановить ПИО на основе информации о текущем состоянии сети передачи данных.

Методика обуславливает создание гибкой настройки параметров обнаружения и коррекции под реальные условия эксплуатации и ориентирована на восстановление ПИО на прикладном уровне в СПД.

Выделено два вида прерываний вне протокола, образующих полную группу событий: столкновение, неопределенность. Столкновения возникают вследствие инициализации разными процессами одной и той операции, что может привести к блокировкам в работе протокола. Данный вид прерывания нарушает формальные внешние правила построения протокола, он может быть отнесен к синтаксическим логическим ошибкам.

Неопределённости вызываются столкновениями различных последовательностей операций одного и того же процесса. Данный вид прерывания возникает, когда у процесса существуют несколько различных последовательностей операций, ведущих к одному и тому же состоянию. Прерывания вне протокола типа «неопределённости» не входят в противоречие с формальными правилами и не блокируют процессы протокола, однако могут приводить к созданию более сложных воздействий на его функционирование. На основе модели разработана методика обнаружения и коррекции прерываний вне протокола ПИО в СПД, которая состоит из четырех этапов.

На первом этапе производится формирование начальных условий для определения нормального режима функционирования сети передачи данных. Сформулированы условия логической завершенности и допустимости, относящиеся к протоколу информационного обмена С. Два множества G p1 (s,e) и R p2 (s) называются логически завершенными при выполнении следующих условий для пары состояний s1 S p1 и s2 S p2. Если s2 G p1 (s,e), то операция е должна принадлежать множеству R p2 (s2). Если s1 G p2 (s,e), то операция е должна принадлежать множеству R p1 (s1). Протокол информационного обмена С будем считать логически завершенным, если все состояния и переходы соответствующего ему НКА с предикатами удовлетворяют условиям, описанным выше. Отсюда вытекают условия логической завершенности протокола, проверяемые путем анализа любых пар множеств R pi (si) и G pj (s,e):

Исходное условие Результат

si G pj (s,e) e R pi (si)

sj G pi (s,e) e R pj (sj )

Если протокол С является логически завершенным, то некоторое объединенное состояние , где si S pi и sj S pj, называется допустимым ( SДоп ), если имеют силу следующие соотношения:

Исходное условие Результат

е Трi (si ) si G pi (s, e)

е Трj (sj) sj G pj (s, e)

На втором этапе информационного обмена осуществляется последовательный перебор операций e. Если в описании процесса Р1 имеется дуга s s, помеченная операцией ei и в описании процесса P2 имеется дуга s s, помеченная операцией ei, то добавить , если это объединенное состояние не было ранее зафиксировано. Далее происходит проверка на допустимость объединенного состояния.

На третьем этапе определяется логическое время пути , как число переходов процесса при следовании его из корня дерева. Характеристика присваивается любой операции е', выполняемой конкретным процессом Рi. Если другие процессы получают сведения об операции е', то им становится известным факт прохождения удаленного процесса через любую вершину на определенном расстоянии от корня, выраженном величиной размерности .

Прерывание вне протокола обнаруживается при сопоставлении состояния протокола для процесса Рi в известный момент логического времени с аналогичными состояниями протокола, соответствующими другим процессам при том же .

Прерывания вне протокола могут иметь место, если только параллельные процессы исходят из общей вершины при фиксированном . Совпадение некоторых состояний в путях, отвечающих сочетаниям отдельных процессов, не приводят к прерываниям вне протокола, если это совпадение происходит при различных величинах . Объединенное состояние проверяется на допустимость, и недопустимое состояние корректируется. Применительно к каждому состоянию sf S протокола С вводится соотношение приоритетов QC [sf (Pi,еi )] QC [s0 (P1, e1)]. Тогда, при условии, что столкновение процессов в вершине с логическим временем 0 обнаружено, процедура возвращает процессы в заданную вершину. Разработанная методика позволяет обнаружить прерывания вне протокола и восстанавливать ПИО на основе информации о текущем состоянии.

Для решения задачи повышения качества обслуживания ПИО была разработана имитационная модель протокола прикладного уровня RFB (remote framebuffer), используемого в системе удалённого доступа к рабочему столу компьютера VNC (Virtual Network Computing). В ней моделируется обмен сообщениями между компьютером, использующим VNC и сервером, к которому происходит удаленный доступ. Имитационная модель включает математическую модель ПИО в СПД, и методику обнаружения и коррекции прерываний вне протокола. Структура алгоритмической модели представлена на рисунке 6.

Рисунок 6

– Структура алгоритмической модели в среде GPSS

Имитационная модель была реализована средствами языка GPSS. Модель позволяет произвести моделирование с учетом данных о параметрах компонентов сети передачи данных, связях между ними. Был определен характер зависимости основных характеристик протокола от параметров сети. Средняя длина очереди зависит лишь от числа потоков и не зависит от пропускной способности сети. Коэффициент использования пропускной способности для нескольких одновременных потоков близок к единице при всех значениях пропускной способности сети от 64 Кб/с до 2.048 Мб/с. Процесс передачи сообщений в сеть моделируется реализацией имитационными средствами случайных задержек, передаваемых сообщений и актов их возможной потери. Для описания передачи каждого отдельного сообщения задаются такие параметры, как вероятность доставки сообщения адресату и среднее значение времени доставки.

Использовались два сценария моделирования VNC в сетях передачи данных предприятия с использованием методики обнаружения и коррекции прерываний вне протокола и без использования методики. Проведены эксперименты при двух различных значениях пропускной способности каналов: 128 Кб/с и 1024 Кб/с.

Параметры для ПС канала, равные 128 Кб/с и 1024 Кб/с, представлены в таблице 1.

Таблица 1 – Параметры моделирования

Параметр	Значение для ПС 128 Кб/с	Значение для ПС 1024 Кб/с
ПС вспомогательных каналов 0, 1, 2, 3	100 Мб/с	100 Мб/с
Задержка каналов 0, 1,2.3	0.01 с	0.01 с
ПС основных каналов 4, 5	128 Кб/с	1024 Кб/с
Задержка каналов 4, 5	0.1 с	0.1 с
Время моделирования	20000с	20000с
Макс. размер очереди маршрутизатора	16 Кбайт	16 Кбайт

Результаты моделирования представлены в таблице 2.

Таблица 2 – Результаты моделирования

	Пропускная способность
	Без применения методики		С применением методики
	128	1024	128	1024
Коэффициент использования ПС	95.38%	97.81%	97.2%	98.1%
Средняя скорость потока, б/с	122285	1001627	127402	1028652
Число прерываний вне протокола	5716	47051	5716	47051
Число переданных сегментов	300841	2476392	300841	2476392
Число повторно переданных сегментов	5716	47051	1504	12382