Управление процессами информационного обмена в сетях передачи данных АСУ машиностроительного предприятия

Современные экономические условия ставят перед предприятием новые задачи: необходимо развивать службу маркетинга и искать выгодные для предприятия рынки сбыта готовой продукции и приобретения сырья, материалов и комплектующих изделий.

Это приводит к увеличению числа пользователей, количества и функциональности сетевых приложений, к росту интенсивности информационного обмена и, как следствие, — повышению требований к его производительности. Характерной особенностью современных АСУ машиностроительного предприятия (АСУ МП) является их распределенность, что определяет необходимость разработки для каждого компонента: критериев эффективности, моделей функционирования, процедур обработки данных. Поэтому особое значение для обеспечения более высокого качества обслуживания приобретает задача повышения пропускной способности сетей передачи данных АСУ МП.

В основе настоящего исследования лежат результаты работ в области теории графов (В.А. Емеличев, О. И. Мельников, В. И. Сарванов, Р. И. Тышкевич, О. Оре), теории построения распределенных систем (B.C. Бурцев, В. В. Воеводин, В. В. Корнеев, Э. Таненбауэм), теории распределенных вычислений (А.Б. Барский, В. В. Воеводин, Н. Коновалов, В. Крюков, Б. И. Коган, В. В. Топорков, В. Н. Касьянов, Ю. В. Капитонова,.

A.А. Летичевский), теории информационных процессов в автоматизированных системах (А.Д. Иванников, И. С. Константинов,.

B.П. Кулагин, В. Т. Еременко, А.Н. Тихонов), теории вероятностей и случайных процессов (Ю.К. Беляев, И. И. Коваленко, В. М. Шуренков, Б. А. Севастьянов, А. Д. Соловьев, Д. Кокс, В. Смит), теории расписаний (B.C. Гордон, B.C. Танаев, Р. В. Конвей, B.JI. Максвелл, JI.B. Миллер, Я.М. Шафранский).

В этих работах имеются достаточные научные предпосылки для решения поставленной задачи. Между тем, до настоящего времени существующие подходы к решению проблемы исследования процессов информационного обмена (ПИО) в распределенной АСУ носят, как правило, локальный по областям применений и разрозненный по методам характер.

Поэтому научный аспект работы связан с разработкой способов и приемов обнаружения и коррекции столкновений в сетях передачи данных АСУ МП с целью повышения качества обслуживания. Практическая часть решаемой задачи включает в себя моделирование процессов информационного обмена и получение их вероятностно-временных характеристик (ВВХ) как на стадии разработки, так и эксплуатации компонентов АСУ.

Объект исследования — сеть передачи данных АСУ машиностроительного предприятия.

Предмет исследования — процессы информационного обмена в сети передачи данных АСУ машиностроительного предприятия.

Цель исследования — повышение качества обслуживания в сети передачи данных АСУ машиностроительного предприятия при жестко заданной топологии сети, заключающееся в уменьшении количества несанкционированных прерываний и потерь сообщений.

Для достижения сформулированной цели были поставлены следующие задачи:

1. Анализ тенденций развития АСУ машиностроительного предприятия на современном этапе;

2. Анализ способов и приемов предотвращения несанкционированных прерываний процессов информационного обмена в сетях передачи данных АСУ машиностроительного предприятия.

3. Выбор метода описания процессов информационного обмена в сетях передачи данных АСУ машиностроительного предприятия;

4. Построение и исследование имитационной модели среды сетей передачи данных АСУ машиностроительного предприятия.

Методы исследования. Для достижения цели исследования использовались: методы системного анализа, теория построения распределенных систем, теория графов, теория распределенных вычислений, теория расписаний, методы имитационного моделирования.

Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций достигнута: за счет корректного применения используемых методов исследования и подтверждена результатами практического внедрения в промышленное производство.

Научная новизна диссертационного исследования заключается в том, что разработаны:

1 .Математическая модель потоков информационного обмена в АСУ машиностроительного предприятия, использующая ориентированные маркированные графы, отличающаяся возможностью описания логических путей недерминированных процессов информационного обмена с произвольно структурированными данными, формализующая их взаимодействие при асинхронной посылке сообщений.

2. Методика обнаружения и предотвращения несанкционированных прерываний процессов информационного обмена, включающая разработанную математическую модель и алгоритмы анализа и изменения свойств маркированного потокового графа.

3. Имитационная модель процессов информационного обмена, включающая разработанную методику и компонент вероятностного моделирования среды в сетях передачи данных АСУ машиностроительного предприятия.

Практическая значимость заключается:

— во внедренных руководящих материалах (РМ) по передаче информации в технологических процессах и установках на ОАО «ОРЕЛТЕКМАШ» (г.Орел);

— в созданных алгоритмах специального аппаратно-программного обеспечения и тестирования современных средств информационного обмена на ЗАО «ДОРМАШ» (г. Орел);

— в созданных руководящих нормативно-методических материалах по модернизации и комплексной отладке на ООО «СТРОЙМАШКОМПЛЕКТ».

Апробация и публикации. Материалы публиковались и докладывались на: XI Всероссийской научно-методической конференции «Телематика-2004» (Санкт-Петербург, 7−10 июня 2004 г.), IX ежегодной научной конференции преподавателей ОрелГТУ (2004, г. Орел), Международной научно-практической конференции «Информационные технологии в науке, образовании и производстве (ИТНОП)» (2004, г. Орел), X ежегодной научной конференции преподавателей ОрелГТУ (2005, г. Орел), Первой международной электронной научно-технической конференции «Бизнес-процессы и бизнес-системы» (2005, г. Тула), Всероссийской научно-практической конференции «Современные проблемы борьбы с преступностью» (г.Воронеж), XI ежегодной научной конференции преподавателей ОрелГТУ (2006, г. Орел), II Международной научно-практической конференции «Информационные технологии в науке, образовании и производстве (ИТНОП)» (2006, г. Орел), Пятой международной электронная научно-технической конференции «Технологическая системотехника» (2006, г. Тула).

Положения, выносимые на защиту:

1. Математическая модель потоков информационного обмена в АСУ машиностроительного предприятия;

2. Методика обнаружения и предотвращения несанкционированных прерываний процессов информационного обмена в сетях передачи данных АСУ машиностроительного предприятия;

3. Имитационная модель процессов информационного обмена в сетях передачи данных АСУ машиностроительного предприятия.

Выводы по главе:

1. ПИО моделируются на ЭВМ «событийным» методом. Т. е. имитируются с учетом временных соотношений все 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 и т. д.

2. Процесс передачи пакетов в пакетную сеть моделируется реализацией имитационными средствами случайных задержек передаваемых пакетов и актов их возможной потери. Для описания передачи каждого отдельного пакета сообщения задаются такие параметры, как: вероятность доставки пакета адресату, среднее значение времени доставки, среднеквадратичное отклонение времени доставки. Вводится параметр коррелированности задержек пакетов, который позволяет судить о степени упорядоченности моментов доставки пакетов.

3. Модель допускает изучение влияния параметров входного потока сообщений и параметров ограничения нагрузки типа «окна» на общее время доставки сообщения на транспортном уровне СПД.

4. Разработанная имитационная модель позволяет при заданном наборе входных характеристик (при параметрах входного потока, числе пакетов в сообщении, параметрах пакетной сети и протокола транспортного уровня) вычислять довольно широкий набор вероятностно-временных характеристик процесса передачи сообщений — средние и дисперсии различных случайных времен, связанных с доставкой сообщений (время получения сообщения приемником, время от отправки сообщения до получения подтверждения, время ожидания в очереди на передачу в пакетную сеть и т. д.), а также вероятности различных случайных событий, связанных с доставкой (вероятность получения сообщения приемником, вероятность одинаковой информированности отправителя и получателя о результате передачи сообщения).

5. Полученные результаты моделирования позволяют обнаружить ряд качественных закономерностей: для небольшого интервала значений таймаута отправителя вероятности доставки и информированности о доставке отправителя «достаточно близки к единице», что дает основание для обоснованного выбора значения тайм-аута отправителявероятность информированности отправителя быстро убывает уже при «умеренных» значениях таймаута отправителя. Это говорит о том, что исследуемый вариант транспортного протокола, в котором отправитель прекращает реагировать на квитанции получателя через время равное нескольким таймаутам (от начала передачи сообщения), далеко не лучший. Естественнее после последней попытки передачи пакетов данного сообщения увеличить тайм-аут ожидания подтверждения.

6. В состав имитационной модели входят разработанные математическая модель и методика предотвращения блокировок процессов информационного обмена.

7. Результаты модельного эксперимента, проведенного на имитационной модели, показали существенные преимущества использования методики предотвращения блокировок процессов информационного обмена. Особенно хорошие результаты демонстрируются в условиях перегрузки или высокой загруженности сети. Так, 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), которые зачастую обуславливаются лишь интуитивными соображениями.

В диссертационной работе решена научно-техническая задача по разработке эффективной методики обнаружения и предотвращения блокировок процессов информационного обмена, позволяющей повысить качество обслуживания пользователей в распределенных СПД АСУ предприятия. В рамках проведенных исследований получены следующие основные результаты:

1. Выявлено, что информационные процессы СПД АСУ МП имеют распределенный характер, при этом сбор, систематизация, обработка и хранение информации осуществляются в отделе АСУП, а функции принятия решений — в производственных отделах. Наиболее целесообразным вариантом построения вычислительной сети является топология сети с клиент-серверной архитектурой, позволяющая интегрировать информационные потоки, а значит наиболее эффективно решать проблемы их координации. При этом в техническом аспекте выделяется развитие распределенной СПД по структурным подразделениям в качестве клиентской части и осуществление централизованных способов систематизации, классификации, обработки, хранения информации в серверной части.

2. Применяемые на данный момент механизмы обеспечения качества обслуживания сообщений обладают рядом существенных недостатков: в большинстве случаев они учитывают только общая загруженность сети, что не позволяет дифференцированно задавать размеры буферов и зачастую на практике приводит к тому, что размеры буферов оказываются либо избыточными, либо недостаточнымисуществующие подходы не используют информацию о маршрутах движения и преобразования информации.

3. В работе распределенные ПИО рассматриваются с точки зрения неоднородного характера передаваемых сообщений. Под неоднородностью сообщений понимается, что процессы могут передавать и принимать данные порциями произвольных размеров.

4. В предлагаемой модели рассматривается динамическое порождение неоднородных процессов без ограничения их числа. При этом, описание поведения носит недетерминированный характер, т. е. предусмотрено произвольное независимое их чередование. Взаимодействие процессов, в отличие от известных моделей, осуществляется посредством асинхронного обмена управляющими сигналами.

5. В распределенной СПД в процессе функционирования возникают проблемы, связанные с возможностью блокировок, когда процессы потребители не могут быть инициированы, не имея достаточного количества требуемых данных от процессов-производителей. Блокировки появляются в результате столкновения процессов или перехода их в состояние неопределенности. Опасность возникновения столкновения необходимо учитывать при разработке и эксплуатации систем синхронизации и при модернизации среды взаимодействия ПИО.

6. В исследовании разработана потоковая математическая модель информационного обмена в АСУ МП, базирующаяся на теории маркированных графов, отличающаяся возможностью описания сложных логических путей недерминированных ПИО с произвольно структурированными данными и позволяющая формализовать их взаимодействие при асинхронной посылке сообщений через входные буферы. Представленная математическая модель позволяет учесть все допустимые состояния оконечных устройств и предотвратить блокировку ПИО из-за отсутствия входных сообщений за счет согласования параметров очередей сообщений (входных и выходных буферов).

7. Выбор маркированных потоковых графов позволяет представить сообщение как двумерный массив, положение любого из токенов в котором однозначно определяется двумя параметрами — принадлежностью к некоторому компоненту и местом в этом компоненте сообщения. При этом компоненты сообщения от процесса-производителя пересылаются сразу же по мере формирования в соответствующие каналы процессов-потребителей. Процесс-потребитель инициируется лишь тогда, когда переданы все необходимые компоненты сообщения от процессов-производителей. В модели допускаются различные последовательности формирования токенов в компонентах и самих компонентов входных и выходных сообщений.

8. Разработанная методика включает в себя: процедуру построения графа, соответствующего оптимизируемым ПИО в СПДалгоритм сопоставленияалгоритм анализа свойств маркированного потокового графаалгоритм проверки разметки графа на стационарность.

9. В ходе выполнения процедуры построения графа создаётся граф, соответствующий СПД, где узлам сети соответствуют вершины графа, а дуги представляют соответствующие каналы связи.

10.Алгоритм сопоставления ставит в соответствие исходному графу равносильный граф, не содержащий контуров, что позволяет упростить дальнейшие операции с маркированным потоковым графом. Доказано, что указанное преобразование является семантически корректной.

11.Алгоритм анализа свойств маркированного потокового графа позволяет исследовать реализуемость ПИО в СПД и сводится к процедуре разметки соответствующего маркированного потокового графа. Здесь маркировка входных и выходных позиций вершин графа соответствует ширине буфера, а метки дуг позволяю получить число сообщений, соответствующее глубине буфера и гарантирующее отсутствие блокировок при любых допустимых историях ИО. При этом стационарная разметка рассматривается как неизбыточная, если метки дуг вершин являются наименьшими из возможных. Если в результате работы алгоритма анализа свойств маркированного потокового графа полученная разметка окажется не стационарной, то стационарная разметка недостижима для данного графа. В этом случае делается вывод о недостатке архитектурных решений СПД.

12.Проведен анализ вычислительной сложности алгоритма анализа свойств маркированного потокового графа и выявлено, что разработанный алгоритм обладает квадратичной асимптотической вычислительной сложностью.

13.ПИО моделируются на ЭВМ «событийным» методом. Т. е. имитируются с учетом временных соотношений все 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 и т. д.

14.Разработанная имитационная модель позволяет при заданном наборе входных характеристик (при параметрах входного потока, числе пакетов в сообщении, параметрах пакетной сети и протокола транспортного уровня) вычислять довольно широкий набор вероятностно-временных характеристик процесса передачи сообщений — средние и дисперсии различных случайных времен, связанных с доставкой сообщений (время получения сообщения приемником, время от отправки сообщения до получения подтверждения, время ожидания в очереди на передачу в пакетную сеть и т. д.), а также вероятности различных случайных событий, связанных с доставкой (вероятность получения сообщения приемником, вероятность одинаковой информированности отправителя и получателя о результате передачи сообщения). В состав имитационной модели входят разработанные математическая модель и методика предотвращения блокировок процессов информационного обмена.

15.Результаты модельного эксперимента, проведенного на имитационной модели, показали существенные преимущества использования методики предотвращения блокировок процессов информационного обмена. Особенно хорошие результаты демонстрируются в условиях перегрузки или высокой загруженности сети. Так, 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), которые зачастую обуславливаются лишь интуитивными соображениями.