Методика анализа технических возможностей реализации протоколов информационного обмена в среде автоматизированной системы управления

Размещено на http://www.allbest.ru/

Методика анализа технических возможностей реализации протоколов информационнго обмена в среде АСУ

Чистяков М.В.

Внедрение средств информационного обмена в телекоммуникационную среду предприятия и улучшение технико-экономических и эксплуатационных характеристик сетей возможны только на базе применения комплекса протоколов, ориентированных на организацию независимых служб информационного обмена. В качестве основы для построения этих протоколов естественно принять архитектуру взаимодействия открытых систем (ВОС). Вместе с тем специфика интеграции служб информационного обмена приводит к необходимости регламентации других понятий, выходящих за рамки указанных моделей. К ним относятся точки доступа пользователей к телекоммуникационной среде предприятия, службы передачи информации и телеслужбы, типы соединении. информационный телекоммуникационный сеть

Соответственно возникает потребность в привлечении и более «тонких» методов исследования протоколов, сопряженных с активным применением вычислительных алгоритмов. В настоящее время задачи создания и исследования протоколов телекоммуникационной среды предприятия находятся в начальной стадии проработки, и можно ожидать, что по мере интеграции служб информационного обмена на основе применения цифровых каналов проблемы проектирования и функционирования протоколов будут рационально решаться путем стандартизации отдельных протокольных элементов при минимальных затратах сетевых ресурсов.

Постановка задачи. Анализ характеристик протоколов телекоммуникационной среды предприятия при известных форматах информационных и служебных массивов сводится к анализу характеристик соответствующих им алгоритмов обмена информацией. При исследовании же алгоритмов значительные трудности представляет получение не оценок, а точных значении моментов любого порядка распределения случайных величин, задающих временные характеристики, характеристики достоверности и сложности реализации алгоритмов, а в необходимых случаях и более узкие специальные характеристики. Существующие подходы к исследованию протоколов [1,2] ориентированы на применение положений теории массового обслуживания, дискретных цепей Маркова, полумарковских процессов и дискретных цепей с потерями. Используем для расчета моментов распределения аналитических моделей и прикладной вычислительной процедуры, направленных на анализ алгоритмов обмена информацией различных служб телекоммуникационной среды предприятия, в соответствии с их назначением и требованиями со стороны пользователей. Постановка также исходит из учета источников ошибок, сбоев и отказов в элементах телекоммуникационной среды предприятия, охватываемых конкретным протоколом, которые описываются более сложными, чем биномиальное и пуассоновское вероятностными распределениями.

При решении проблем, возникающих в процессе создания средств информационного обмена телекоммуникационной среды предприятия, становятся нужными сведения о более тонких характеристиках алгоритма, входящего в состав конкретного протокола, чем те, которые содержатся в математическом ожидании и дисперсии анализируемой случайной величины. К этому классу проблем следует отнести:

1) определение «хвостов» распределения времени доставки информационного массива фиксированной или переменной длины заданного приоритета в сквозном тракте сети «абонент-отправитель - абонент-получатель»;

2) выявление динамических характеристик процесса занятия памяти средств информационного обмена в узлах коммутации (УК), концентратора (КЦ) и других элементах телекоммуникационной среды предприятия, а также в межсетевых шлюзах;

3) определение характеристик вариаций производительности УК и КЦ во времени.

Для решения поставленной задачи применяется аппарат GERT узлов стохастических сетей, рассмотренный в общей трактовке в [3]. В процессе решения вводятся ограничения, обусловленные отсутствием последействия при обработке информационных массивов в последовательных УК или КЦ и каналах информационного обмена телекоммуникационной среды предприятия.

Формальная модель. Последовательность действий, возникающих в процессе реализации некоторого ветвящегося алгоритма обмена информацией , представляется согласно общим принципам стохастических сетей множеством узлов и ориентированных дуг. Узлы соответствуют дискретным состояниям технических и программных средств, участвующих в реализации данного алгоритма, а дуги - возможным направлениям движения в пространстве дискретных состояний.

В рассматриваемом далее классе задач принимаются следующие условия.

1) Входная функция каждого узла характеризуется тем, что операция узла выполняется, если на любой его вход поступает сигнал только по одной из возможных дуг.

2) Выходные функции узлов классифицируются как детерминированные и вероятностные, соответствующие обозначения узлов с этими функциями приведены на рисунке 1. Во втором случае должно выполняться равенство:

,

где Z0 - число дуг, исходящих из узла, - вероятность включения -й дуги.

3) Процессы, связанные с осуществлением операций в отдельных узлах, являются независимыми. Следовательно, сфера применения данной модели не включает алгоритмы, динамика реализации которых описывается сложными цепями Маркова или включает эти цепи в качестве компонентов общего описания.

4) Исследуемые характеристики алгоритма аддитивны.

Условия 1) - 4) позволяют трактовать анализируемые стохастические сети как GERT-сети, а узлы - как GERT-узлы [4]. Общее описание стохастических сетей, отображающих конкретные алгоритмы обмена информацией, может быть сделано с учетом условий 1) - 3) стандартными методами вероятностных графов.

Представим алгоритм стохастической сетью K0 (D0, C0), которая включает множество D0 GERT-узлов и C0 GERT-дуг. Для каждой пары узлов x, yD0 введем условные вероятность (при дискретном распределении) или плотность распределения (при непрерывном распределении) f(gxy) случайной величины gxy, связанной с исследуемой характеристикой алгоритма. Если узлы х, y не соединены, то f(gxy) = 0.

Каждой паре х,уD0 может соответствовать ряд анализируемых gxy, часть которых задается дискретными, а часть непрерывными распределениями.

Первая ситуация типична, например, для расчета характеристик достоверности, вторая - времени доставки информационного массива. Такое распределение в известной степени условно, поскольку всегда допустим предельный переход от дискретной величины к непрерывной при достаточно большом значении длины информационного массива.

Введем далее совокупность условных производящих функций моментов (ПФМ) случайной величины gxy с аргументом s, определяемых как Мху (s) = E[esgху], где Е - символ усреднения по всем реализациям gxy.

Применительно к первой постановке:

,

где Rху - множество реализаций gху при движении по дуге (х, у).

Рисунок 1 - Выходные функции узлов.

В простейшем случае одной реализации отвечает непосредственная доставка информационного массива, а другой - доставка после привлечения специальных алгоритмов восстановления, использование которых оказалось необходимым вследствие ошибок и сбоев в контуре, охватываемом алгоритмом.

Применительно ко второй постановке:

,

где [] - диапазон изменения непрерывной случайной величины.

Независимо от характера gxу определим совокупность W-функций:

,

которая заключает в себе полную информацию о всех процессах в стохастической сети, имеющих место при прохождении информационного массива по всем каналам ПД и обработке его в УК, КЦ и других элементах. Эта совокупность функций в дальнейшем является основной для нахождения W-функций стохастической сети в целом, соответствующей сквозному тракту реальной сети, контролируемому данным алгоритмом.

Рассматривая вероятностные графы алгоритмов обмена информацией для сетей ПД с коммутацией пакетов, выделим наиболее типичные конфигурации фрагментов стохастических сетей, которые удовлетворяют условиям 1) - 4) принадлежности к GERT-сетям.

1) Последовательное соединение n-1 дуг, разделяемых n GERT-узлами (рисунок 1, а). Так как ПФМ суммы независимых случайных величин равна произведению ПФМ последних, а рxх+1 = 1, то результирующая W-функция последовательного соединения:

.

Данная структура характеризует алгоритм передачи пакетов между оконечными узлами сети с коммутацией пакетов при следующих предпосылках:

используется ПВК или канал, образованный в службе ВВ;

обратная связь на уровне обмена пакетами между соседними центрами коммутации пакетов сквозного тракта отсутствует;

исключается процедура переспроса пакетов между оконечными узлами.

2) Параллельные ветви (см. рисунок 1, б) с вероятностями включения . К такой конфигурации приводят следующие черты алгоритмов:

возможность доставки одного и того же информационного массива по параллельным независимым направлениям, например, в многоканальной процедуре передачи кадров HDLC;

включение процедуры восстановления, которая приводит к тому, что переход из узла х в узел у стохастической сети может произойти как в результате движения по основной дуге графа алгоритма, так и вследствие однократного или многократного действия процедуры восстановления (например, повторной синхронизации) при нарушении движения по основной дуге.

Результирующая W-функция:

.

3) Петли, ограничивающие возможность достижения соседнего узла (рисунок 1, в). Объективной предпосылкой к введению такой конфигурации является процедура многократной передачи информационного массива, вызванная интенсивными ошибками, воздействующими на область данных и/или поле управления при реализации основной ветви алгоритма, до принятия решения о переходе к процедуре восстановления. Например, петлями характеризуются последовательные попытки передать кадр HDLC при искажении проверочной области или последовательные действия по доставке многопакетного сообщения в межузловой сети ПД, когда отдельные пакеты передаются согласно принципам службы доставки пакетов и не собираются в полное сообщение в узле назначения после истечения тайм-аута фиксированной длительности.

При условии, что число последовательных передач информационного массива достаточно велико, стохастическая сеть (рисунок 1, в) преобразуется в сеть (рисунок 2), не содержащую циклов.

В этой сети каждая параллельная ветвь отображает многошаговый процесс с дискретными состояниями, включающий определенное число движений по петле и последнее движение по дуге (х, у). Результирующую W-функцию сети с петлей найдем, применив по отношению к структуре рис. 2 правила вычисления W-функций при последовательном и параллельном соединении дуг, а именно:

.

В случае ограничения числа повторных передач массива некоторым значением La стохастическая сеть (рисунок 1, в) уже неправомерна, адекватный алгоритм отображается сетью вида рис. 2, содержащей La + l параллельных ветвей, для которой:

.

Рисунок 2 - Сеть, не содержащая циклов.

Следовательно, во всех рассмотренных случаях стохастические сети, описывающие реальные алгоритмы, преобразуются в эквивалентную простейшую стохастическую сеть, включающую пару GERT-узлов и направленную дугу между ними. Полная информация о ветвях алгоритма с точки зрения исследуемой характеристики, связанной с совокупностью случайных величин gxy, содержится в результирующей W-функции, однако она еще не представляет возможности находить явным образом моменты распределения анализируемой характеристики алгоритма, поскольку из нее нельзя пока выделить ПФМ эквивалентной сети.

Литература

1. Зайцев С.С., Кравцунов М.И., Ротанов С.В. Сервис открытых информационно-вычислительных сетей. Справочник. М. Радио и связь, 1990. - 236 с.

2. Еременко В.Т. Математическое моделирование процессов информационного обмена в распределенных управляющих системах.: Монография /Под общей редакций Константинова И.С. - м.: Машиностроение - 1, 2004. - 224 с.

3. Давыдов Е.Б., Злотников Ю.С. Тенденции процессов разработки и исследования протоколов сетей связи. - Техника средств связи. Сер. ТПС, 1987, вып.2. С. 79 - 88.

4. Протоколы информационно-вычислительных сетей. Разработка, моделирование и анализ. / Под редакцией Мизина В.А. - М.: Финансы и статистика, 1990. - 501 с.

Размещено на Allbest.ru