Методы оптимизации показателей качества цифровых промышленных сетей на основе моделей GERT

Актуальность работы. В настоящее время известно большое число теоретических исследований, рассматривающих различные вопросы проектирования систем управления АСУТП и сложными техническими системами. Можно выделить, например, работы Баканова A.C., Вишневского В. М., Ляхова А. И., Богуславского Л. Б., Шевчика К. С. по проектированию беспроводных сетей с централизованным и децентрализованным управлением, при высокой нагрузке и в условиях помех, локальных сетей с многопроцессорными серверами и т. д.- Брехова О. М., Максимова А. П., Корнеенковой A.B., Крапивного A.B., Николаева Н. С. и др. — по вопросам аналитической оценки производительности и надежности управляющих вычислительных комплексов реального времениКорячко В.П. по проблемам автоматизированного проектирования специализированных структур для испытаний сложных объектов и многих других авторов. По проблемам построения эффективных систем передачи и обработки телеметрической информации при летных испытаниях ракетно-космической техники следует отметить работы Воронцова В. Л. Практическими вопросами построения образцов нового поколения АСУТП и АСУП на базе ЦПС занимались Затуливер Ю. С., Топорищев A.B., Михале-вич И.Ф., Сычев К. И., Лузин В. Ю., Низамутдинов О. Б., Белковский C.B., Топорков В. В., Blake S, Black D., Etschberger К., Floyd S., Jacobson V. и многие другие авторы.

Проведенные до настоящего времени исследования создали прочную научно-методологическую базу для проектирования структур управления промышленными и технологическими объектами. Однако внедрение новых все более совершенных технологий ставит и ряд новых задач, требующих своего решения.

В последние несколько лет в развитии промышленных сетей отчетливо выявились следующие тенденции: произошел отказ от традиционных схем построения с выраженным ядром, в котором сосредоточены основные вычислительные мощности, а к исполнительному оборудованию тянется множество кабельных соединений. Такие решения не удовлетворяют современным требованиям по масштабируемости сети, надежности и отказоустойчивости, обеспечению безопасности, а самое главное — не гарантируют выполнение требований по быстродействию для трафика реального времени — передачи голоса, видеои команд управления, объем которого постоянно возрастаетпроизошел переход к распределенной обработке информации с активным использованием промышленных локальных сетей, перепрограммируемых в процессе работы микроконтроллеров, микропроцессоров и интеллектуальных датчиковдля управления производственными и технологическими процессами активно используется сеть Internet, в том числе и в режиме реального временидля построения центральной части ЦПС крупных предприятий и сложных технических комплексов используются самые современные высокоскоростные канальные технологии, такие как технология синхронной цифровой иерархии SDH/SONET, технология уплотненного волнового мультиплексирования DWDM, технологии 10 Gigabit Ethernet и Metro Ethernet. Для повышения скорости передачи маршрутизаторы сети Internet работают по новой высокоскоростной технологии MPLSна среднем и низшем уровнях ЦПС стали активно использоваться беспроводные технологии, такие как WiFi, WiMAX, GSM, 3G и т. п.- внедрение в ЦПС вышеуказанных новых сетевых технологий обусловило появление в сети новых видов информационных потоков: информации от видеокамер, предназначенных для наблюдения за ходом испытаний сложных изделий, за ходом технологического процесса, перемещением роботов и т. п.- передачи экстренных голосовых сообщенийпередачи в реальном времени шифрованной речи и видеовидеоклипов, файлов большой длины от цифровых фотоаппаратов, программ оперативной перезагрузки флэш-памяти управляющего оборудования и т. д.- дополнительную нагрузку на сеть создают распределенные по сети компоненты информационной защиты, некоторые из которых также генерируют потоки реального времени, например при передаче экстренных сообщений о признаках обнаружения атаках злоумышленниковвсе большие масштабы принимает внедрение комплексных решений крупных фирм — системных интеграторов, например проект SCADA TRACE MODE 6. Системы такого рода характеризуются очень большой функциональностью, интегрируют работу всех служб крупного предприятия, а в методологическом плане вписываются в концепцию CALS-технологии.

Внедрение целого ряда технологических новаций породило и целый ряд проблем. Чисто механическое соединение разных сетевых технологий может привести и к нежелательным последствиям. Без больших затрат на внедрение новых технологий все равно не обойтись, но какой при этом будет достигнут эффект, не всегда ясно.

Наиболее трудной проблемой является обеспечение в ЦПС противоречивых требований к параметрам качества передачи информационных потоков с разной структурой. Передача данных характеризуется большой степенью пульсации трафика, что недопустимо для речи, аудиои видеоинформации, для которых установлены жесткие ограничения на общую задержку и вариацию величины интервалов между пакетами. В то же время при передаче данных искажения и потери пакетов недопустимы, а при передаче речи, аудиои видеоинформации небольшой процент потерь пакетов допускается. Информационные потоки не являются постоянными во времени. Поэтому коммутация и маршрутизация таких потоков возможна только при выполнении предварительного исследования их структуры в пределах некоторого интервала времени. Такая процедура, определяемая как профилирование трафика, является необходимой для управления ресурсами сети с целью достижения установленных показателей качества ее работы.

Наглядным примером активно развивающейся компьютерной сети, с характерными задачами и проблемами, является RUNNet — действующая опорная сеть национального масштаба, имеющая высокоскоростную магистральную инфраструктуру, международный канал, обеспечивающий выход в глобальный Интернет, и участвующая в обмене трафиком с большинством российских IP-сетей.

Для достижения нужных показателей качества производится оптимизация структуры компьютерной сети. Данная задача является чрезвычайно сложной, поскольку на показатели качества сети влияют такие основные параметры протоколов передачи, как время доступа к общей среде передачи (для неперегруженной сети), величина тайм-аута неподтвержденных пакетов, установленное значение максимальной длины кадра в промежуточной сети MTU, доля служебной информации в пакете, время жизни пакета TTL и т. д. Если эти величины брать как варьируемые переменные, то задача оптимизации сети становится чисто комбинаторной с экспоненциальным временем решения [58]. Попытка решить ее путем натурного моделирования, обречена на неудачу, так как изменение только одного из параметров требует перезагрузки компьютера. Параметрами целевой функции являются основные показатели качества для наиболее важных приложений, например, среднее время задержки при передаче пакетов и ее вариация, среднее значение и вариация интервалов между пакетами и т. д.

Самый простой, и самый дорогостоящий, путь решения этих проблемэто прямое увеличение производительности каналов связи и коммутационного оборудования. Однако в условиях жесткой конкуренции на рынке мало кто из сетевых интеграторов идет по этому пути. До последнего времени использовались преимущественно две стратегии управления потоками в сети.

DiffServ и IntServ. Первая из них обеспечивает: профилирование трафика (разделение потоков трафика на классы) по алгоритму «дырявого ведра», его синхронизацию по алгоритмам типа «ведра токенов», что уменьшает величину очередей в коммутаторах и маршрутизаторах, а также разные способы приоритетной обработки в промежуточных коммутационных устройствах. Показатели качества сети обеспечиваются «по возможности», но не гарантируются. Однако достоинством стратегии DiffServ является то, что она проще реализуется на практике. Стратегия IntServ предусматривает гарантированное обеспечение полосы пропускания многих пользователей, в частности гарантированной средней скорости передачи, передачи пульсаций трафика в течение согласованного, относительно небольшого интервала времени. При этом выполняются и другие показатели качества, такие, как требования к задержкам отдельных пакетов, достоверности передачи, времени включения резервного оборудования и т. д. Реализовать такую стратегию на практике очень сложно.

В последнее время решение проблем обеспечения показателей качества в сетях реального времени наметилось в рамках высокоскоростной технологии коммутации меток MPLS. Эта технология должна совместить достоинства сети Internet с развитыми возможностями ее приложений, таких, как Web-, электронная почта и широкими возможностями масштабирования, и достоинства сетей с виртуальными каналами, таких как frame relay и ATM с их высокой скоростью передачи и защищенностью. Сети такого рода должны обеспечивать резервирование полосы пропускания, инжиниринг трафика, обеспечивающий параллельную и сбалансированную передачу трафика через маршрутизаторы MPLS по многим путям, и, в конечном итоге — решение задачи оптимизации сети, так, как это формулируется в работе [58] с учетом варьирования параметров протоколов в отдельных звеньях сети. Решения этой проблемы возлагается на расположенные вне сети автоматизированные комплексы, включающие в свой состав средства имитационного моделирования.

Даже краткий анализ особенностей предаваемого в ЦПС трафика и предварительного рассмотрения показателей качества говорит о том, что в этих сетях возникают такие же проблемы оптимизации, что и в сетях MPLS и Metro Ethernet. Более того, отдельные сегменты, как MPLS, так и Metro Ethernet могут использоваться в центральной части ЦПС.

Можно констатировать тот факт, что технологический рывок в области создания нового поколения ЦПС произошел, но адекватные ему средства моделирования и оптимизации ЦПС еще не созданы. Поэтому задача разработки специализированного математического обеспечения, методов и инструментальных средств моделирования и оптимизации цифровых промышленных сетей, поставленная в данной диссертационной работе, является весьма актуальной.

Работа выполнена при финансовой поддержке Российского фонда фундаментальных исследований в форме гранта, шифр 07−07−0146а.

Цель работы — уменьшение сроков проектирования, сокращение материальных затрат на основе разработки математических методов и алгоритмов повышения показателей качества функционирования цифровых промышленных сетей. Для достижения этой цели необходимо решить следующие проблемы: выполнить анализ функционального наполнения и структуры ЦПС, и оценить характер передаваемого в них трафикаразработать общие подходы к оптимизации трафика реального времени, критичного к задержкамнайти процедуры проведения процесса оптимизации протоколов, алгоритмов и программ ЦПС при заданных временных ограничениях на время оптимизацииразработать методы улучшения синхронизации процесса передачи пакетов, несущих речь, аудио-, видеоинформацию, а также зашифрованные речь и видео-.- разработать методы обеспечения необходимых вероятностно-временных характеристик передачи информации, критичной к задержкам, при воздействии помех в цифровой промышленной сетивыполнить экспериментальную проверку разработанных методов и алгоритмов в реальных условиях.

Задачи исследований. Для достижения целей диссертационной работы необходимо решение следующих задач:

1. Определения общих подходов и разработки методик параметрической оптимизации алгоритмов и программ цифровых промышленных сетей на основе графовых моделей при передаче трафика реального времени. Это позволяет повысить показатели качества телекоммуникаций и уменьшить материальные затраты на сетевое оборудование.

2. Разработки методов обеспечения синхронизации передаваемых потоков реального времени, что позволяет уменьшить случайный разброс интервалов между пакетами при передаче голоса, аудиои видео-, что, в конечном итоге, приводит к повышению качества передачи информации.

3. Разработки методов повышения надежности при обеспечении вероятностно-временных характеристик алгоритмов и программ передачи информации за счет введения контрольных точек.

4. Разработки методов повышения эффективности оптимизации отдельных подсистем ЦПС, описываемых ориентированными графами, при итерационном характере процесса оптимизации.

5. Проведения экспериментов на реальных системах для проверки корректности разработанных теоретических положений, методов и рекомендаций.

Методы исследования. Основные теоретические положения, выводы, рекомендации и экспериментальные результаты диссертационной работы, получены с использованием теории GERT-сетей, теории планирования параллельных вычислительных процессов, теории вероятностей, теории массового обслуживания, теории имитационного моделирования сложных систем, теории оптимизации.

Публикации. По итогам исследований опубликовано 12 работ, в том числе в ведущих научных журналах и изданиях, выпускаемых в Российской Федерации и утвержденных ВАК РФ для изложения основных научных результатов диссертаций: на соискание ученой степени доктора наук — 1 статья, кандидата наук — 1 статья. Опубликованы материалы 4 докладов всероссийских и межвузовских конференцийиздано 6 статей в межвузовских сборниках научных трудов.

Личное участие автора в проведении исследований. В работах, выполненных по теме диссертационной работы, автору принадлежат постановка целей и задач, разработка основных теоретических положений, методов и алгоритмов применения GERT-сетей для оптимизации цифровых промышленных сетей, представляемые как результаты, обладающие научной новизной.

Разработка численных методов нахождения распределений выходных величин GERT-сетей принадлежат Шибанову А. П., программ моделирования GERT-сетей и системы имитационного моделирования — Шибанову В.А.

Апробация работы. Результаты настоящей работы докладывались и обсуждались на 4 всероссийских и межвузовских конференциях: «Научная сессия МИФИ» 2006; на VIII всероссийской конференции «Новые информационные технологии в научных исследованиях и в образовании». Рязань: РГРТА, 2003; на XI Всероссийской научно-технической конференции студентов, молодых ученых и специалистовРязань: РГРТУна 31-й Межвузовской научно-практической конференции «Хранить традиции. Готовить профессионалов. Растить патриотов». Рязань: РВВКУС. 2006.

Научная новизна. В диссертации содержится решение задачи разработки методов оптимизации протоколов, алгоритмов и программ с использованием сетей GERT, имеющей существенное значение для сокращения сроков, уменьшения материальных затрат и повышения качества проектирования цифровых промышленных сетей.

При проведении исследований в рамках данной диссертационной работы получены следующие новые научные результаты.

1. Предложена методика параметрической оптимизации протоколов, алгоритмов и программ передачи пакетов в цифровой промышленной сети на основе использования обобщенных сетей GERT, которая заключается: 1) в сведении одномодальных распределений с затянутыми «хвостами» к одномо-дальным распределениям с удовлетворительными значениями коэффициентов асимметрии- 2) в сведении многомодальных распределений к одномо-дальным распределениям. Это позволяет добиться улучшенных вероятностно-временных характеристик протоколов передачи информации.

2. Найдено разложение GERT-сети на совокупность параллельно соединенных частичных графов GERT-сети, порожденных простыми s-t-путями, что позволяет выявлять неявный параллелизм протоколов и алгоритмов и упростить дальнейший анализ цифровой промышленной сети.

3. На основе применения моделей GERT предложен метод синхронизации процесса передачи пакетов в цифровой промышленной сети, а, соответственно, и показателей качества сети, за счет использования запасов времени передачи по разным параллельным путям.

4. Впервые найден метод организации контрольных точек протоколов, алгоритмов и программ цифровых промышленных сетей, работающих со сторожевыми таймерами, что позволяет добиться повышения надежности функционирования оборудования ЦПС в условиях существенного воздействия помех.

5. Найдено представление среднего времени прохождения GERT-сети через линейную комбинацию средних времен прохождения отдельных ветвей, характеризуемых сложными распределениями, что обеспечивает более эффективное решение задач оптимизации за счет уменьшения времени расчетов при итерационном характере процесса оптимизации.

Достоверность научных положений определяется: корректностью полученных математических результатовсравнением результатов, полученных расчетными методами, с результатами, полученными с использованием моделирующих программсравнение распределений выходных величин графовых моделей программ с контрольными точками, определенными на основе разработанных автором методов, и распределений времени выполнения соответствующих реальных программ.

Практическая значимость работы. На основе полученных автором новых результатов разработаны инженерные методики проведения оптимизации протоколов, алгоритмов и программ, предназначенные для получения наилучших показателей качества работы цифровых промышленных сетей. Они нашли применение при разработке программ микроконтроллеров, работающих в условиях воздействия помех. Универсальность разработанных методов позволяет использовать их в следующих областях:

• при разработке протоколов, алгоритмов и программ телекоммуникаций высокоскоростных сетей с коммутацией меток MPLS;

• при создании систем передачи и обработки телеметрической и траекторией информации;

• при создании промышленных сетей на основе стандартов сотовых сетей GSM, беспроводных сетей WiFi, WiNAX, G3 и т. п.;

• при разработке комплексных систем управления производством и технологическими процессами на основе ЦПС Interbus, Profibus, Foundation Fieldbus, промышленного Ethernet и т. д.

Реализация и внедрение результатов работы. Результаты исследований внедрены в ОАО НИИ ГРП «Плазма», г. Рязань, при проектировании программ микроконтроллеров для управления промышленным оборудованием, а также в ОАО завод «Красное знамя» (г.Рязань) при проектировании сети инженерных служб предприятия.

Результаты, полученные в диссертационной работе, внедрены в учебный процесс студентов специальности 220 300 в ГОУВПО Рязанском государственном радиотехническом университете.

Копии актов о внедрении результатов диссертационной работы приведены в Приложении 2.

Структура работы. Диссертация содержит 145 страниц основного текста и состоит из введения, пяти глав, заключения, библиографического списка из 120 наименований и 2 приложений на 16 страницах. В диссертацию включено 73 рисунка и 10 таблиц.

Основные результаты диссертации опубликованы в следующих работах: [1,45, 46,47, 48, 49, 50, 51, 52, 91].

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

В результате выполнения исследований по теме диссертации разработаны теоретические положения и алгоритмы, позволяющие повысить показатели качества цифровых промышленных сетей нового поколения при передаче информации, чувствительной к задержкам. Разработаны новые научные подходы и рекомендации по проведения параметрической и структурной оптимизации протоколов, алгоритмов и программ функционирования цифровых промышленных сетей: предложена методика изменения параметров протоколов, алгоритмов и программ цифровых промышленных сетей на основе анализа распределений времени прохождения пакетов по различным параллельным путям. Методика обеспечивает проведение итерационного процесса улучшения формы распределения — уменьшение «хвостов распределения», сведение многомодального распределения к одномодальному, изменение коэффициентов ассиметрии и эксцесса до желательных значений, точную оценку вероятностных нормативных времен процесса передачи информационных пакетовдоказана теорема о возможности эквивалентного преобразования СЕЯТ-сети на множество параллельных частичных графов, каждый из которых имеет только один простой путь из источника я в сток Использование данного результата позволяет существенно упростить анализ параллельных процессов передачи информации в режиме реального временипредложен метод синхронизации процесса передачи информационных пакетов, критичных к задержкам, по множеству параллельных путей. Метод основан на расчете имеющихся запасов времени передачи и состоит в ведении задержек на некоторых путях для выравнивания средних времен передачи и их дисперсий по разным параллельным путям. Предварительно может быть выполнено сведение многомодальных распределений к одномодальным, уменьшение «хвостов» распределений и внесены другие необходимые изменения в форму распределения. Метод основан только на введении задержек (если не считать факультативные функции, связанные с изменением формы кривой распределения) и не требует дополнительных затрат на приобретение оборудования с большим быстродействиемпредложен метод построения структурированной ОЕЯТ-сети из частичных графов, для времен прохождения которых выполняется свойство аддитивности. Метод позволяет повысить эффективность процесса оптимизации отдельных подсистем, описываемых вЕЯТ-сетями, а в конечном итоге и всей системы в целом, при итерационном характере процесса параметрической оптимизации цифровой промышленной сети. доказана теорема о возможности представления среднего времени передачи вЕЯТ-сети или любой ее частичной подсети через линейную комбинацию средних времен прохождения отдельных ветвей. Дается способ нахождения коэффициентов при переменных, в том числе и при использовании сложных распределений, характеризующих время прохождения ветви вЕЯТ-сети. На основе доказанной теоремы предложены алгоритмы оптимизации подсистем цифровой промышленной сети, описываемых вЕЯТ-сетями, без наложения ограничений на их структуру. предложен метод повышения надежности протоколов и программ ЦПС на основе организации контрольных точек в программах или микропрограммах оборудования цифровой промышленной сети. Метод позволяет существенно повысить надежность работы протоколов и управляющего оборудования цифровой промышленной сети, работающей в условиях воздействия помех при практическом сохранении ее вероятностно-временных характеристик. выполнена экспериментальная проверка разработанных теоретических положений, алгоритмов методик и рекомендаций, которая подтвердила корректность доказанных теорем, сходимость алгоритмов, оценки их характеристик по трудоемкости и расходу памяти, адекватность применения моделей.

Применение на практике новых научных результатов, полученных при проведении исследований, позволяет сократить сроки проектирования протоколов, алгоритмов и программ цифровых промышленных сетей, передающих информацию реального времени, повысить их показатели качества, сократить время отладки программного обеспечения, минимизировать затраты материальных и человеческих ресурсов. I I.

Также полученные результаты могут быть использованы при создании! высокоскоростных участков глобальных сетей общего пользования, например сети образования и науки.

Разработанные методы внедрены в ОАО НИИ ГРП «Плазма», г. Рязань, при проектировании программ микроконтроллеров для управления промышленным оборудованием, в ОАО завод «Красное знамя» (г.Рязань) при проектировании сети инженерных служб предприятия, а также на кафедре САПР ВС Рязанского государственного радиотехнического университета в учебный процесс.

В диссертации содержится решение задачи разработки методов и ал-| горитмов повышения показателей качества цифровых промышленных сетей при передаче трафика реального времени, имеющей существенное значение для сокращения сроков, уменьшения материальных затрат и повышения эффективности функционирования промышленных комплексов и систем автоматизированного контроля сложных технических объектов.