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

Из полученных данных видно, что при применении методики обнаружения и коррекции прерываний вне протокола доля повторно переданных данных уменьшится, а коэффициент использования ПС увеличится за счет применения управляющих сообщений.

Выполненные исследования показали, что повысить качество обслуживания можно благодаря сокращению объема повторно переданных данных, причиной которого являются ПВП. Данный факт нашел свое обоснование на рисунке 7.

Рисунок 7

– Изменение доли повторно переданных данных D во времени t: 1 без применения алгоритма выявления ПВП, 2 – с применением алгоритма выявления ПВП

Для проведенных экспериментов повышение качества обслуживания достигается за счет меньшей доли повторно переданных данных, возникающих из-за прерываний вне протокола. Имитационная модель проверена на адекватность.

Шестая глава «Имитационная модель процесса информационного обмена на основе маркированных потоковых графов» содержит описание алгоритмов обнаружения и предотвращения несанкционированных прерываний ПИО в сетях передачи данных АСДУ территориально-распределенных охраняемых объектов. Имитационная модель ПИО использует предложенную во второй главе математическую модель и методику обнаружения и предотвращения несанкционированных прерываний, которая основана на теории маркированных графов и описывает сложные логические пути недетерминированных ПИО с произвольно структурированными данными.

Методика состоит из следующих этапов. Построение графа, соответствующего ПИО в сетях передачи данных. Задание минимальной разметки графа. Сопоставление полученному графу равносильного графа без контуров. Анализ свойств полученного графа. Проверка разметки графа на стационарность. Вывод о достижимости стационарной разметки. Интерпретация полученных результатов.

Предложено правило предотвращения блокировок, которое заключается в изменении назначения одной из попарно конкурирующих операций ПИО, при этом не уменьшается суммарное время использования коммуникационных узлов и не увеличивается суммарная загрузка каналов обмена данными, задействованных до возникновения блокировки.

Предложен критерий предотвращения блокировок операций обмена данными, который состоит в том, чтобы обеспечить минимум коэффициента использования каналов обмена с соблюдением необходимых ограничений. Управление ПИО осуществляется в зависимости от временных параметров контрольных событий, обусловленных взаимодействием процессов, занятостью ресурсов. Динамическое управление параллельными процессами информационного обмена может происходить на основе их статического прогнозирования.

Столкновения могут быть обусловлены неудачным выбором алгоритма маршрутизации коммуникационной сети при передаче данных. Известны две основные стратегии передачи сообщений – это коммутация каналов и коммутация пакетов. Первая стратегия характеризуется тем, что порты и буферы коммутаторов резервируются заранее, до посылки пакетов данных. В этом случае ресурсы сети могут использоваться неэффективно: пока не завершится передача пакетов, для которых зарезервирован канал, другие пакеты находятся в состоянии ожидания.

Этот недостаток преодолевает другая стратегия – коммутация пакетов. В этом случае сообщения разбиваются на пакеты, для передачи которых коммуникационные ресурсы заранее не резервируются. Необходимо предварительное разбиение сообщения в пункте отправления и последующая сборка пакетов в пункте назначения.

Состояния столкновения процессов могут быть обусловлены конкуренцией за право обладания портами и буферами СПД. Во избежание ситуаций столкновения целесообразно специальным образом структурировать буферный пул. Рассматриваемые распределенные СПД АСДУ используют стратегию передачи данных с коммутацией пакетов. Поэтому дальнейшее обсуждение будет подразумевать именно эту стратегию.

Сформулируем допущения, учитывающие особенности недетерминизма ПИО в распределенных сетях передачи данных:

во-первых, возможны различные истории информационного обмена для одних и тех же входных сообщений (одно и то же подмножество особых состояний). Формирование выходных сообщений, достигается процессами с разными историями: последовательности появления наборов компонентов одного сообщения могут быть произвольными.

во-вторых, любое из состояний k-го процесса (например, его выходного буфера), где , а K – число операторов, может переводить в начальные состояния входные буферы связанных с ним процессов.

Разработана имитационная модель процессов информационного обмена. Она допускает изучение влияния параметров входного потока сообщений, и параметров ограничения нагрузки типа «окна» на общее время доставки сообщения на транспортном уровне СПД АСДУ. Включает в себя функциональные блоки, реализующие алгоритмы и процедуры предложенной методики обнаружения и предотвращения блокировок, а также блоки, моделирующие работу транспортного протокола и пакетной сети (рисунок 8).

Рисунок 8

Структура имитационной модели

При моделировании рассматривались независимые задержки группы пакетов и упорядоченные задержки пакетов. Сделан следующий вывод: при зависимых (упорядоченных) задержках пакетов возросли средние времена доставки сообщений. Протокол TCP не может обходиться без потерь сегментов, которые создаются самим протоколом путем переполнения очереди, и которые ограничивают дальнейший рост скорости обмена.

С учетом временных соотношений имитируются события, возникающие при реализации функций транспортного протокола в процессе доставки сообщений от отправителя к получателю: отправка сообщений, повторная передача групп пакетов по истечении тайм-аута отправителя, квитирование доставленных пакетов. При заданном наборе входных характеристик (числе пакетов в сообщении, параметрах пакетной сети и протокола транспортного уровня) модель позволяет вычислять вероятностно-временные характеристики процесса передачи сообщений. В том числе:

– средние и дисперсии случайных времен, связанных с доставкой сообщений (время получения сообщения приемником, время от его отправки до получения подтверждения, время ожидания в очереди на передачу в пакетную сеть);

• вероятности различных случайных событий, связанных с доставкой (вероятность получения сообщения приемником, вероятность одинаковой информированности отправителя и получателя о результате передачи сообщения).

Если W обозначает размер «окна», понимаемый как максимальное число сообщений, отправку которых отправитель может осуществлять одновременно, а обозначает интенсивность случайного потока сообщений, поступающих в транспортную станцию отправитель с верхнего уровня, для дополнительных задержек в передаче сообщения из-за возможного ожидания в очереди имеют место следующие формулы:

,

где TQ среднее время ожидания в очереди; дисперсия времени ожидания в очереди; Tw среднее время обслуживания (время использования одного из W допустимых каналов на передачу сообщения); дисперсия времени обслуживания.

Данные соотношения с достаточной для практического использования точностью, описывают среднее значение и дисперсию времени ожидания начала обслуживания с позиций требования в системе массового обслуживания.

Эффективность использования ПС канала протоколом TCP при задании размеров буферов в соответствии с предложенной методикой не зависит от вероятности битовых ошибок на канале рис. 9. На канале с вероятностью битовых ошибок превышающей 110-5 протокол. Такая сеть существенно превосходит типичную СПД АСДУ по эффективности использования ПС канала.

Рисунок 9 Зависимость коэффициента использования ПС канала от вероятности

битовых ошибок канала: 1 с использованием предложенной методики;

2 без использования

Результаты модельного эксперимента показали существенные преимущества использования методики предотвращения блокировок ПИО. В условии перегрузки, объем успешно переданных данных за единицу времени при использовании методики повышается на 3–24 %. Такой большой разброс значений объясняется различными выборами параметров очередей сообщений в сети без использования разработанной методики.

В заключении сформулированы основные результаты работы и сделаны предложения по их использованию для совершенствования автоматизации построения и эксплуатации сетей передачи данных АСДУ территориально-распределенных охраняемых объектов средствами МЧС России. Также приведен список основных публикаций по теме диссертации.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

В диссертационной работе решены научно-технические задачи по управлению ПИО в сетях передачи данных АСДУ территориально-распределенных охраняемых МЧС России объектов. В рамках проведенных исследований получены следующие основные результаты.

1. Практическое применение сетей на основе полевых шин потребовало:

• разработать математическую модель ПИО, базирующуюся на теории многопотоковых систем массового обслуживания сложной структуры, отличающуюся использованием замкнутых сетей Маркова для описания трафика сообщений и позволяющую оптимизировать ресурсы сети;
• предложить методику оптимизации ресурсов СПШ, использующую в качестве критерия оптимизации минимизацию среднего времени нахождения сообщения в сети. В исходных данных задаются: интенсивности потоков сообщений, множество пропускных способностей каналов, множество топологий сети. Методика включает алгоритмы: отклонения потока для выбора маршрутов, отыскания реализуемого начального потока, поиска локальных минимумов для средней задержки сообщения, выбора топологии, пропускных способностей и распределения потоков; учитывает ограничения по стоимости, и согласованность потоков с пропускными способностями и ограничениями на внешний трафик;
• разработать имитационную модель ПИО, включающую их математическую модель и методику оптимизации ресурсов сетей, которая состоит из управляющей, функциональной и информационной частей. В модели события: поступление заявок на один из терминалов; функционирование канала; режим ожидания; поиск оптимальной пропускной способности сети; окончание моделирования. Модель предусматривает аналитическое задание параметров сети, оптимизацию ее пропускной способности и реализует методы покоординатного спуска и линейного поиска. Варьируемым параметром выступает пропускная способность сети, а критерием эффективности функционирования системы – минимальное значение среднего времени задержки сообщения. Имитационное моделирование осуществлялось исходя из того, что ПИО в СПШ осуществляют некоторую последовательность действий (операций), связанных с передачей сообщения или его отдельных фрагментов от источника информации к потребителю;
• разработать предложения по построению комплекса оптимизации ресурсов СПШ, который представляет собой совокупность программных и аппаратных средств, предназначенных для контроля за параметрами сети, их анализа и формирования предложений по оптимизации. Применение программно-аппаратного комплекса для разработки распределенной системы управления технологической установкой с использованием сети P-NET позволило в 1,19 раза повысить пропускную способность сети. Проведенная проверка работоспособности предложенной модели с данными большой размерности позволила почти в 2 раза уменьшить количество используемого оборудования в оптимизируемой сети.

2. При решении задачи автоматизации поддержки работоспособности СПД были разработаны:

• оригинальная формализованная модель представления сети;
• метод поиска нарушений функционирования сети;
• метод выбора рекомендаций по устранению нарушений функционирования сети;
• алгоритм поиска компонентов сети, вызвавших нарушение ее функционирования, и выбора рекомендаций по ее восстановлению;
• структура системы поддержки работоспособности;
• программная система поддержки работоспособности корпоративной сети Санкт-Петербургского университета Государственной противопожарной службы МЧС России, что позволило сократить время устранения ее неисправностей на 19 %.

3. В рамках управления ПИО на основе обнаружения и коррекции прерываний вне протокола были решены следующие задачи:

• поскольку реакции протокола зависят от предыстории входных событий, то показано, что можно поставить в соответствие входные состояния ПИО входным состояниям недетерминированным конечным автоматом c предикатами, реакции – выходным состояниям, а предысторию представить в виде внутренних состояний;
• разработана математическая модель ПИО, использующая недетерминированные конечные автоматы с предикатами, отличающаяся возможностью описания логических путей прерываний вне протокола. Модель позволяет описать взаимодействие ПИО через точку доступа и характеризует систему предоставления телекоммуникационных услуг;
• разработана методика обнаружения и коррекции прерываний вне протокола ПИО на прикладном уровне в сетях, базирующаяся на разработанных алгоритмах, отличающаяся регламентацией этих процессов и позволяющая восстановить их на основе информации о приоритетах и фиксации логического времени пути;
• 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. Неопределённости вызываются своеобразными 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, сформулированы условия логической завершенности протокола информационного обмена;
• разработана имитационная модель ПИО на прикладном уровне, включающая предложенную методику обнаружения и коррекции прерываний вне протокола, сформулированы критерии оценки эффективности имитационной модели: коэффициент использования пропускной способности, доля повторно переданных данных.

4. В области повышения качества обслуживания сообщений:

• показано, что механизмы обеспечения качества обслуживания сообщений в большинстве случаев учитывают только общую загруженность сети, что не позволяет дифференцированно задавать размеры буферов. Существующие подходы не используют информацию о маршрутах движения и преобразования информации;
• предложено обобщение динамического порождения неоднородных процессов без ограничения их числа, описание поведения которых носит недетерминированный характер и взаимодействие осуществляется посредством асинхронного обмена управляющими сигналами;
• отмечено, что опасность возникновения несанкционированного прерывания необходимо учитывать при разработке и эксплуатации систем синхронизации и при модернизации среды взаимодействия ПИО;
• предложена математическая модель потоков информационного обмена, учитывающая допустимые состояния оконечных устройств и предотвращающая несанкционированное прерывание ПИО за счет согласования параметров очередей сообщений (входных и выходных буферов);
• показано, что выбор маркированных потоковых графов представляет сообщение в виде двумерного массива, положение любого из элементов (токенов) в котором однозначно определяется двумя параметрами – принадлежностью к некоторому компоненту и местом в этом компоненте сообщения;
• разработан алгоритм сопоставления, ставящий в соответствие исходному графу равносильный граф, не содержащий контуров, что позволяет упростить дальнейшие операции с маркированным потоковым графом. Доказана семантическая корректность указанных преобразований;
• разработан алгоритм анализа свойств маркированного потокового графа для оценки реализуемости ПИО в сетях передачи данных, посредством разметки соответствующего маркированного потокового графа;
• внедрение результатов модельных экспериментов позволило повысить в условиях перегрузки объем успешно переданных данных за единицу времени до 24 %, что указывает на правомерность и эффективность использования предложенной методики обнаружения и предотвращения несанкционированных прерываний процессов информационного обмена.

Список работ, опубликованных по теме диссертации:

Статьи, опубликованные в ведущих рецензируемых научных
журналах и изданиях, рекомендованных в перечне ВАК Министерства образования и науки РФ:

1. Крутолапов А.С. Структурная декомпозиция сети информационного обмена ГПС МЧС России / А.С. Крутолапов, Г.А. Абрамян // Проблемы управления рисками в техносфере. – 2010.– № 2 [14]. – 0,9/0,6 п.л.

2. Крутолапов А.С. Методика построения правил выбора организационно-технических мероприятий при управлении работоспособностью сети передачи данных / А.С. Крутолапов, А.С. Поляков // Электронный научно-аналитический журнал «Вестник Санкт-Петербургского университета ГПС МЧС России», vestnik.igps.ru, № 3. – 2011. – 0,8/0,6 п.л.

3. Крутолапов А.С. Алгоритм распределения потоков в сетях передачи данных / А.С. Крутолапов, В.А. Гадышев, Д.А. Сычев // Системы управления и информационные технологии, № 4.1(46), 2011. – 0,5/0,4 п.л.

4. Крутолапов А.С. Методика поиска нарушений функционирования сети передачи данных ГПС МЧС России / А.С. Крутолапов, М.Д. Маслаков,
Ф.А. Абдулалиев // Научный интернет-журнал «Технологии техносферной безопасности», ipb.mos.ru, № 1. – 2012. – 0,7/0,6 п.л.

5. Крутолапов А.С. Модель сети передачи данных на примере ГПС МЧС России / А.С. Крутолапов // Научный интернет-журнал «Технологии техносферной безопасности», ipb.mos.ru, – № 1. – 2012. – 0,5 п.л.

6. Крутолапов А.С. Организация обслуживания пользователей в сетях передачи данных подразделений ГПС МЧС России / А.С. Крутолапов // Научные и образовательные проблемы гражданской защиты. – № 1. – 2012. – 0,5 п.л.

7. Крутолапов А.С. Процессы информационного обмена в сетях передачи данных на основе полевых шин / А.С. Крутолапов, Н.С. Хлобыстин, Д.А. Сычев // Научно-технические ведомости СПбГПУ. Сер. Информатика. Телекоммуникации. Управление. – 2012. – № 2 (145) – 0,5/0,4 п.л.