Разработка унифицированного стека сетевых протоколов для полевых шин корабельных систем управления техническими средствами

Актуальность темы

Структура корабельных систем управления техническими средствами (СУ ТС) в большинстве случаев является распределенной [1], что обусловлено размерностью объекта управления и требованиями по живучести и надежности СУ ТС [10, 11]. Функции управления при такой структуре реализуются вычислительными приборами, объединенными с помощью межприборных сетевых каналов обмена в сеть ЭВМ. Время реакции такой системы на изменения состояния объекта управления и управляющие воздействия должно быть детерминированным, поскольку процессы управления, реализуемые в СУ ТС, выполняются в реальном времени. В свою очередь, время реакции системы во многом определяется эффективностью межприборных сетевых каналов. Эффективность сетевых каналов принято характеризовать такими статистическими параметрами как средняя задержка передачи пакетов, пропускная способность и средний коэффициент загрузки канала [21, 22]. Эффективность является одним из показателей качества сетевого канала, определяющим выбор того или иного типа канала. Другими показателями качества, влияющими на выбор канала, являются отказоустойчивость, обеспечение гарантированного времени доставки сообщений, наличие резервирования, автоматическая реконфигурация, цена [1].

Анализ используемых в корабельных системах управления сетевых каналов, относящихся к разряду полевых шин, выявил несколько наиболее распространенных типов каналов. К ним относятся каналы МАНЧЕСТЕР {ГОСТ 52 070;2003, MIL-STD-1553B [40]), CAN, RS-485. В дальнейшем изложении эти каналы будут называться типовыми. Канал МАНЧЕСТЕР обеспечивает физическое резервирование линий связи, обладает повышенной помехоустойчивостью и обеспечивает детерминированный доступ к среде передачи. Канал CAN позволяет минимизировать загрузку процессора' за счет аппаратно реализованных функций уровня передачи данных и транспортного уровней. К таким функциям относятся: приоритетный доступ к среде передачи, контроль достоверности данных за счет использования циклических избыточных 5 кодов (CRC) и достоверная доставка пакетов. К достоинствам канала RS-485 можно отнести низкую стоимость и высокую распространенность.

Следует отметить, что к типовым сетевым каналам при их использовании в СУ ТС предъявляются особые требования в части обеспечения гарантированного времени доставки сообщений, доставки сообщений с размером, превышающим максимально допустимый, размер пакета для уровня передачи данных, резервирования-каналов обмена и автоматической реконфигурации сети в случае отказов. Данные сетевые каналы не обеспечивают реализацию перечисленных требований или обеспечивают их не в полной мере. Для реализации этих требований используются программные средства. Однако главной проблемой, возникающей при использовании этих каналов, является несовместимость протоколов верхних уровней (здесь и далее имеется1 в виду эталонная-семиуровневая-модель взаимодействия открытых систем [33])-и, как следствие этого, отсутствие единого программного интерфейса для функциональных программ, что не позволяет использовать одинаковые программные модули для различных каналов.

Опыт эксплуатациии особенности существующей реализации типовых каналов выявили также следующие недостатки.

Передачей сообщений' в, канале МАНЧЕСТЕР' может управлять только один абонент, называемый контроллером канала. Эта особенность затрудняет использование канала в распределенных корабельных системах, где требуется высокая отказоустойчивость. Другая1 особенность этого канала состоит в" малой эффективности его использования, что связано со сложностью оптимизации* планированияюбмена в системах с различными конфигурациями сетей.

Канал CAN не позволяет передавать полезные данные объемом более восьми байт, не гарантирует время^ доставки низкоприоритетных сообщений, а протоколы верхних уровней для этого канала не обеспечивают резервирование каналов обмена и автоматическую реконфигурацию.

Протоколы верхних уровней для канала RS-485 не обеспечивают программный интерфейс, единый с каналами МАНЧЕСТЕР и CAN.

На основании указанных выше особенностей, разработка и отладка сетевого программного обеспечения является трудоемкой задачей для каждой вновь разрабатываемой системы. Это связано с необходимостью использования для конкретных проектов кораблей различных конфигураций и типов сетей, требующих использования специфических протоколов обмена верхних уровней и разнообразных программных интерфейсов.

Таким образом, актуальной задачей является разработка набора взаимосвязанных сетевых протоколов различных уровней, называемого стеком, унифицированного для типовых каналов * с обеспечением более высокого, по сравнению с существующими протоколами уровня эффективности использования сетевых и вычислительных ресурсов1.

Целью диссертационной работы является разработка унифицированного стека сетевых протоколов для типовых каналов, обеспечивающего высокий уровень эффективности использования сетевых и вычислительных ресурсов, снижение стоимости разработки систем управления. Разрабатываемый* стек сетевых протоколов должен обладать высокой эффективностью и" вместе с тем обеспечивать межсистемную и межканальную унификацию, надежность и отказоустойчивость. Основные задачи исследования:

1. Анализ протоколов типовых сетевых каналов.

2. Исследование способов планирования обмена.

3. Разработка оптимальной структуры унифицированного стека сетевых протоколов.

4. Разработка эффективного способа планирования обмена.

5. Разработка универсального способа передачи функций контроллера канала для канала МАНЧЕСТЕР.

6. Разработка ПО, реализующего унифицированный стек сетевых протоколов.

7. Анализ показателей эффективности передачи данных с применением теории массового обслуживания.

Методы исследования. В работе использованы элементы теории массового обслуживания и методы моделирования на основе СРбХ.

Научная* новизна работы. В* работе получены следующие научные результаты, которые выносятся на защиту:

1. Способ оптимального распределения функций между уровнями.

2. Структура унифицированного стека сетевых протоколов.

3. Метод обслуживания доступа к каналу, обеспечивающий равномерное распределение времени использования канала между абонентами и гарантирующий доступ к каналу в течение детерминированного временного интервала.

4. Универсальный метод передачи функций контроллера для сетей с выделенным узлом обслуживания доступа к каналу.

Публикации и' апробация работы. Способ передачи функций контроллера канала и процедура обслуживания^ доступа для канала МАНЧЕСТЕР4защищены, патентом РФ>№ 2 209 521, МПК 7, Н 04 Ы2/00, Н 04 Ы2/28 от 29.04.2002. По теме диссертации опубликованы девять научных работ. По теме диссертации опубликованыдевять научных работ, одна из которых опубликована' в издании из перечня ВАК (журнал «Морской вестник»), один патент и одно свидетельство о регистрации. Основные результатьгдиссертационнойфаботы. докладывались на научных конференциях в ФГУП «НПО «АГАТ» (М., 2005) [23] и ЦКБ МТ «Рубин» (СПб., 2006) [24], а также на конференции «МОРИНТЕХ-2008» (СПб., 2008) [26].

Практическая.ценность работы состоит в разработке унифицированного стека сетевых протоколов для корабельных систем управления техническими средствами и его программной реализации, обеспечивающей унифицированный для различных типовых сетевых каналов интерфейс прикладного уровня. Использование унифицированного стека сетевых протоколов и его программной реализации позволяет существенно уменьшить объем и стоимость, вновь разрабатываемого ПО дляразличных корабельных СУ ТС, уменьшить затраты на отладку и сопровождение сетевых аппаратно-программных средств, обеспечив высокую эффективность использования сетевых каналов обмена и вычислительных ресурсов.

Внедрение результатов работы. Результаты работы внедрены в программном обеспечении для следующих корабельных систем управления.

1. Система управления главной энергетической установкой «Буря-11 356» кораблей проекта «Фрегат-11 356».

2. Система управления общекорабельными-техническими-средствами «Онега-11 356» кораблей проекта «Фрегат-11 356».

3. Интегрированная система управления дизель-генератором, электроэнергетикой и общекорабельными техническими, средствами СУ «Лена» (Комплексная Автоматизированная Система «Литий»),.

4. В КСУ ТС «Булат-Б»: в системе управлениями защиты-«Алиот-Б», системе управления маневрированием «Селенит-Б», электроэнергетической системе «Луга-Б», общекорабельной. системе управления- «Радий-Б», системе измерения глубиньг «Лотос-Б» и в центральной координирующей системе управления* «Ирис-Б».

Кроме того, результаты работы внедрены в ряде других корабельных систем управления, например сторожевой катер 21 630- корвет 20 380: Получены акты-внедрения, подтверждающие результаты внедрения. Результаты внедрения показали^ высокую эффективность использования унифицированного стека сетевых протоколовзаключающуюся в уменьшенииколичества аппаратуры и снижении объемов разрабатываемого ПО. Планируется использование результатов диссертации в перспективных проектах.

Структура диссертацииДиссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка источников, приложения. Объем диссертации 141 станица. Она содержит рисункии таблицы. Список источников содержит 60 наименований.

Выводы по главе 5.

1. Степень межсистемной унификации сетевого ПО, реализующего унифицированный стек протоколов, для КСУ ТС «Фрегат-11 356», СУ 1.

Лена", КСУ ТС «Булат-Б» близка к 100%, поскольку ' основные изменения связаны с устранением ошибок, добавлением функциональности в части тестирования сетей, статистики ошибок обмена и незначительной модификацией программного интерфейса прикладного уровня в части расширения возможностей приема широковещательных посылок. Во всех случаях сохранена совместимость протоколов, входящих в унифицированный стек и программного интерфейса прикладного уровня с более ранними версиями.

2. Степень межприборной унификации составляет 100% поскольку во всех программных комплексах приборов любой КСУ или СУ, где используется унифицированный стек протоколов,. применяется одна и та же программная компонента.

3. Степень межканальной унификации также составляет 100%, поскольку программный интерфейс прикладного уровня одинаков для всех каналов обмена, поддерживаемых унифицированным сетевым ПО.

4. Дополнительная загрузка процессоров. при использовании унифицированного ПО не превышает в худшем случае 16% для процессора РепНит133, что должно учитываться на этапах расчета потребных вычислительных ресурсов проектируемых систем.

5. Экономический эффект от внедрения в нескольких системах СУ ОКС унифицированного сетевого ПО, обеспечивающего автоматическую передачу функций контроллера для канала МАНЧЕСТЕР, приведен в табл. 5.2.