Содержание к диссертации
Стр.
ВВЕДЕНИЕ 6
1. ПРОТОКОЛЫ ПЕРЕДАЧИ В СЕТЯХ ОБМЕНА ИНФОРМАЦИЕЙ АСУ 13
1.1. Сети обмена информацией автоматизированных
систем переработки информации и управления ....... 13
-
Протоколы передачи в сетях обмена информацией .... 21
-
Критический анализ существующих подходов к исследованию и реализации протоколов передачи .... 27
-
Постановка задачи исследования 32
Выводы к главе I 37
2. МОДЕЛИ СИСТЕМНОГО АНАЛИЗА ПРОТОКОЛОВ ПЕРЕДАЧИ 39
2.1. Модель спецификации протокола 39
-
Абстрактная протокольная машина и концептуальная модель взаимодействия 41
-
Формализация протоколов средствами Е-сетей 44
-
Исследование эффективности процедур протоколов передачи 53
-
Верификация протоколов передачи 55
-
Модель реализации 61
-
Логические матрицы 64
-
Логические функции 66
2.5. Структура разработки ПО протоколов передачи 68
Выводы к главе 2 73
3. КОМПЛЕКС МОДЕЛЕЙ АНАЛИЗА И РЕАЛИЗАЦИИ ПРОТОКОЛОВ
ПЕРЕДАЧИ 75
3.1. Предикатное исчисление сетей Петри 75
3.1.I. Основные определения 76
Стр.
-
Подклассы сетей Петри 78
-
Основные свойства сетей Петри 82
3.2. Сведение Е-сетей к сетям Петри 85
-
Процедура перехода .- 85
-
Основные теоремы 88
-
Переход от Е-сетевого описания к моделям имитации 95
-
Связь Е-сетей с логическими матрицами 99
Выводы к главе 3 100
4. РЕЗУЛЬТАТЫ ПРИМЕНЕНИЯ ПРЕДЛАГАЕМОГО КОМПЛЕКСА МОДЕЛЕЙ ДЛЯ АНАЛИЗА ДВОИЧНО-СИНХРОННОГО МЕТОДА УПРАВЛЕНИЯ ЗВЕНОМ ДАННЫХ СЕТЕЙ ТЕЛЕОБРАБОТКИ ИНФОРМАЦИИ АСУ ... 102
4.1. Формальное описание протокола В>$С
с привлечением АПМ 103
-
Основные положения 103
-
Передача информации первичной станцией
протокола В5С 106
4.1.3. Прием информации вторичной станцией
протокола Ь$С 109
-
Формализация протокола ВС средствами Е-сетей 112
-
Анализ протокола BSC на сетях Петри 116
-
Исследование эффективности протокола В>$С Ц9
-
Алгоритмы реализации протокола В$С 125
Выводы к главе 4 135
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 137
ЛИТЕРАТУРА 139
ПРИЛОЖЕНИЕ
_ 4 -СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ
АОС - архитектура открытых систем
AIM - абстрактная протокольная машина
АСУ - автоматизированная система управления
БС - блок сообщений
ВС - вторичная станция
ГКВУ - генератор команд для верхнего уровня
ИВС - информационно-вычислительная среда
ИВУ - интерфейс с верхним уровнем
КВхК - контекст входных команд
КВхС - контекст входных сообщений
КВыхК - контекст выходных команд
КВыхС - контекст выходных сообщений
КОП - код операции
КП - коммутация пакетов
КТК - кабельный телефонный канал
МККТТ - международный консультативный комитет по телефонии
и телеграфии
МОС - международная организация стандартов
ЩЮй - международная федерация по обработке информации
ОБ - обрабатывающий блок
ПБ - процедурный блок
ПКВУ - приемник команд от верхнего уровня
ПО - программное обеспечение
ПрБ - протокольный блок
ПрС - протокольная станция
ПС - первичная станция
РРТК - радиорелейный телефонный канал
СОИ - сеть обмена информацией
СП - сеть Петри
ТД - телеобработка данных
ТТК - тропосферный телефонный канал
ЭВМ - электронно-вычислительная машина
ЭМ - эталонная модель
Введение к работе
"Основные направления экономического и социального развития СССР на I98I-I985 годы и на период до 1990 года" ставят задачу обеспечения дальнейшего развития и повышения эффективности автоматизированных систем управления и вычислительных центров коллективного пользования, продолжая их объединение в единую общегосударственную систему сбора и обработки информации для учета, планирования и управления народным хозяйством, что обуславливает острую потребность исследования и разработки новых высокоэффективных методов организации и построения сетей обмена информацией (СОИ) в АСУ с максимальным использованием современных достижений в области вычислительной техники, внедрением перспективных концепций сетевой телеобработки данных и с учетом новейших стандартов и рекомендаций международных организаций.
Применение методов и средств сетевой телеобработки данных в АСУ предусматривает необходимость обеспечения согласованного функционирования разнородных программно-аппаратных компонент СОИ на основе единых (стандартизированных) интерфейсов и протоколов взаимодействия. Особая роль при этом отводится протоколам передачи, регламентирующим процедуры обмена информацией различных объектов СОИ АСУ и ответственным за качественную и надежную связь информационно-вычислительных процессов. Поскольку протоколы относятся к программной структуре СОИ АСУ, то реализация протоколов передачи выливается в создание соответствующего программного продукта - комплекса программ управления передачей и обработкой данных.
Вопросам проектирования и промышленного проектирования ком- плексов программ АСУ реального времени в настоящее время посвящено большое количество работ советских и зарубежных ученых (см., например, [37, 38, 39]). Однако технология проектирования комплексов программ базируется на уже готовых и отработанных алгоритмах, обсуждаются лишь методы их реализации в конкретном программном продукте. За рамками исследований остается этап системного анализа, на котором определяются функциональные задачи и формируются алгоритмы их решения. Это объясняется тем, что вопросы, решаемые на этапе системного анализа, сильно зависят от специфики приложения и отрабатываются отдельно в каждом конкретном случае или для некоторого класса задач. К особому классу задач относятся вопросы разработки программного обеспечения (ПО) протоколов передачи.
Сложность и многообразие современных протоколов, наличие большой совокупности параметров, требующих учета, асинхронный характер процедур взаимодействия определяют важность и значимость этапа системного анализа.
Системный этап разработки ПО протокола призван оценить эффективность протокольных процедур применительно к характеристикам конкретного окружения, выявить нежелательные свойства функционирования до реализации протокола и получить готовые алгоритмы. Это может быть решено на основе применения формальных моделей анализа протоколов. Существующие подходы к формализации и исследованию протоколов не охватывают всех вопросов, которые необходимо решать на системном этапе, направлены на выяснение отдельных свойств протокола и используют один и тот же формальный аппарат, независимо от его адекватности задачам системного анализа.
Основной целью диссертационной работы является выбор и об- основание модельных средств и формирование комплекса моделей анализа и реализации протоколов передачи, ориентированного на автоматизацию важнейших этапов разработки и позволяющего существенно упростить и ускорить создание программного продукта и максимально исключить ошибки спецификаций и реализации. При этом область исследования ограничивается крутом задач, связанных с формированием комплекса моделей исследования и реализации протоколов передачи для целей системного анализа протоколов при их программной реализации по существующим и вновь предлагаемым рекомендациям.
В соответствии с поставленной целью в работе решены следующие задачи:
Выбраны и обоснованы методы формализации для моделей спецификации, имитации, верификации и реализации протоколов передачи.
Сформирован комплекс моделей анализа и реализации протоколов передачи, ориентированный на автоматизацию важнейших элементов (процедур) системного этапа разработки программного продукта.
Осуществлена экспериментальная проверка основных положений этапа системного анализа на примере версии реального протокола передачи ВС . диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы и приложения.
В первой главе рассматриваются основные тенденции в области телеобработки информации АСУ, отмечается возросшая роль методов и средств сетевой обработки информации и перспективность принципа пакетной коммутации в СОИ АСУ. Показана особая важность разработки и реализации протоколов передачи в сетях об- - 9 -мена информацией, что выливается в создание соответствующего программного продукта протокольных процедур. Проводится анализ существующих подходов к исследованию и реализации протоколов передачи. Показано, что имеющиеся решения не охватывают всех вопросов разработки программного обеспечения протоколов и, в особенности, на этапе системного анализа. Формулируется основная цель диссертационной работы, и определяется спектр задач, требующих своего решения для достижения поставленной цели.
Во второй главе диссертационной работы осуществлен выбор и обоснование модельных средств системного этапа для спецификации, имитации, верификации и реализации протоколов передачи. Приводится двухуровневая модель формализации протоколов на базе средств Е-сетевого описания и абстрактной протокольной машины. Предлагается подход к построению имитационных моделей протоколов передачи на языке GPS3 . В качестве модели верификации рекомендуется использовать сети Петри. Модель реализации базируется на логических матрицах. Описывается общая струя-тура процесса разработки ПО протоколов на этапе системного анализа.
В третьей главе рассматриваются вопросы формирования комплекса моделей анализа и реализации протоколов передачи на базе моделей системного этапа, описанных в главе 2. Решается задача сведения Е-сетей к сетям Петри при определенных ограничениях с целью адекватной взаимосвязи моделей спецификации и моделей анализа синтаксической корректности протоколов передачи и возможностью автоматизации процесса исследования. В качестве основы взаимосвязи Е-сетевых моделей и моделей на базе сетей Петри выступает предикатное исчисление сетей Петри, которое впервые вводится в данной работе. Описывается переход от Е-сетевых структур к моделям имитации на языке QP$$ . В заключительной части третьей главы рассматриваются вопросы перехода от Е-сетевых моделей к моделям реализации.
В четвертой главе осуществлена экспериментальная проверка основных теоретических положений на примере исследования версии реального протокола управления информационным каналом В$С. Приводится формализация процедур протокола с привлечением понятия абстрактной протокольной машины и Е-сетевых средств. Дается пример верификации процедур протокола В$С . Описывается построение имитационной модели для исследования эффективности процедур протокола и выбора его системных параметров применительно к заданным каналам связи. Приводятся основные результаты моделирования и алгоритмы реализации рассматриваемой версии протокола В$С .
Научная новизна работы заключается в следующем:
Осуществлен выбор и обоснование модельных средств системного анализа протоколов передачи.
Построена иерархическая двухуровневая модель спецификации протоколов на базе Е-сетевого описания и абстрактной протокольной машины.
Предложен подход к построению имитационных моделей протоколов передачи на базе языка GP с предварительной формализацией процедур протоколов средствами Е-сетей.
Предложен и теоретически обоснован алгоритм построения логических функций для матричной модели реализации.
Сформирован комплекс моделей анализа и реализации протоколов передачи.
Построено предикатное исчисление сетей Петри.
Решена задача сведения Е-сетей к сетям Петри при опреде- - II - ленных ограничениях.
Практическая ценность результатов диссертационной работы заключается в сформированном комплексе моделей анализа и реализации протоколов передачи, ориентированном на автоматизацию важнейших элементов системного этапа разработки ПО протоколов, а также в построенных имитационной модели и алгоритмах реализации протокола ВС .
По результатам диссертации опубликовано 8 печатных работ. Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на:
Седьмой Всесоюзной школе-семинаре по вычислительным сетям (Ереван, 1982 г.);
Республиканской научно-технической конференции "Повышение эффективности систем передачи и обработки информации" (Севастополь, 1982 г.);
Республиканской научно-технической конференции "Повышение эффективности и помехоустойчивости систем связи" (Севастополь, 1984 г.);
Республиканской научно-практической конференции "Разработка и применение периферийного оборудования для управляющих вычислительных комплексов" (Киев, 1982 г.);
Региональной научно-технической конференции "Вычислительная техника и дискретная математика" (Новосибирск, 1983 г.);
ХХУ областной научно-технической конференции, посвященной Дню радио (Новосибирск, 1982 г.); научно-технических конференциях ЛЗТИ им. В.И.Ульянова (Ленина) в 1982 - 1983 гг.; научно-техническом семинаре "Проблемы построения АСУ" в ЛЭТЙ им. В.И.Ульянова (Ленина) в 1984 г.; - научно-техническом семинаре кафедры АСУ в Тюменском индустриальном институте им. Ленинского комсомола (Тюмень, 1982 г.).
Исследования, выполненные в диссертационной работе, проводились в рамках научно-исследовательских работ кафедры Автоматизированных систем обработки информации и управления ЛЭТЙ им. В.И.Ульянова (Ленина) по темам АТ-224 и АСОИУ-3. - ІЗ -ГЛАВА І
ПРОТОКОЛЫ ПЕРЕДАЧИ В СЕТЯХ ОБМЕНА ИНФОРМАЦИЕЙ АСУ І.І. Сети обмена информацией автоматизированных систем переработки информации и управления
Эффективность функционирования АСУ любого уровня в значительной степени зависит от использования вычислительной техники на всех стадиях процесса сбора и обработки информации, необходимой для нахождения оптимальных плановых решений и управления общественным производством. Однако электронно-вычислительные машины, позволяя существенно ускорить этот процесс, не решают полностью проблемы из-за постоянного и неизбежного роста количества источников и потребителей информации, увеличения расстояния между ними в рамках различных АСУ, повышения требований к оперативности и качеству доставки информации при непрерывном увеличении ее объемов, интеграция вычислительной техники и средств связи, являясь логическим развитием технологии переработки информации в автоматизированных системах, привела к созданию сетей обмена информацией и появлению качественно новых методов и принципов использования ЭВМ в АСУ: системной и сетевой телеобработке данных (ТД).
Телеобработка данных представляет собой обработку данных, поступающих от удаленных абонентов (объектов автоматизации), и управление передачей данных по каналам связи между этими объектами и ЭВМ [I]. Это объединение средств вычислительной техники и связи в единый организационно-технический комплекс на программно-логическом и техническом уровнях [21.
Использование методов и средств ТД и построение СОИ в АСУ позволяют создавать различные информационно-поисковые, запрос-но-ответные и диалоговые системы, системы, работающие в реальном масштабе времени и реализующие функции контроля и управления производством, системы с разделением времени и удаленным вводом заданий, распределенные банки данных с дистанционным доступом р!-7, II], что предопределяет новые перспективы и возможности автоматизированных систем, дальнейшее развитие ТД в АСУ связано с внедрением концепций сетевой телеобработки данных [8], расширением состава и увеличением функциональных возможностей технических и программных средств ТД [9]. динамику роста телеобработки в мире характеризуют следующие цифры (на примере США): количество терминальных устройств ТД в СОИ возросло с 1970 по 1980 год в 15 раз (см. рис. I.I) [10], на удаленную обработку в 1978 году приходилось 80% всей обработки информации, а доля капиталовложений в телеобработку в конце 70-х годов ведущей в области вычислительной техники фирмы IBM составила 70% [9].
Развитие телеобработки данных и в особенности сетевой телеобработки и построение сетей обмена информацией в АСУ существенно определяют дальнейшее совершенствование и повышение эффективности функционирования автоматизированных систем, являются основой создания государственной сети вычислительных центров и на ее базе общегосударственной автоматизированной системы сбора и обработки информации для учета, планирования и управления народным хозяйством. Уже сейчас сети обмена информацией в АСУ играют значительную роль в процессе переработки информации, что делает актуальным исследование и разработку новых эффективных методов и принципов организации и построения таких
Кол-во (млн) U о Л
Ш /970 /97а Mq WG /97$ ШО
Рис. I.I Рост количества терминальных устройств в СОИ ыэ ш мъ ws
Рис. 1.2 Виды коммутации в СОИ сетей и их элементов, работающих на перспективу.
Анализ наиболее крупных сетей обмена информацией [5, 12-16, 71] ряда зарубежных стран, ведущих в области вычислительной техники (см. табл. I.I), позволил сделать следующие выводы:
Наибольшее распространение получили СОИ с распределенной топологической структурой, обеспечивающей высокую надежность функционирования сети и ее устойчивость к отказавшим элементам: узлам коммутации и каналам связи.
Наличие большого количества аналоговых телефонных сетей привело к широкому использованию в качестве магистральных каналов высокоскоростных (около 50 кбит/с) и среднескоростных (4,8 кбит/с и 9,6 кбит/с) телефонных линий.
Применение неоднородных ЭВМ в СОЙ обусловило преобладающую роль гетерогенных сетей обмена информацией с самыми разнообразными протоколами, как специально разработанными, так и стандартными. Наиболее распространенными протоколами второго уровня стали протоколы управления информационным каналом В$С и HftLC и их модификации.
Несмотря на различия областей применения, сети обмена информацией предоставляют своим пользователям следующий основной сервис: режим разделения времени, удаленный ввод заданий, дистанционную пакетную обработку, диалоговый режим, передачу файлов, организацию и доступ к банкам данных.
Резко обозначилась тенденция на построение крупномасштабных СОИ, в разработке которых участвует не одна, а группа стран.
Предпочтение получил метод коммутации пакетов, который по ряду параметров превосходит методы коммутации каналов и сообщений [15, 17, 18, 19] и позволяет эффективно реализовывать
Таблица I.I Основные характеристики крупнейших зарубежных СОИ
Продолжение таблицы I.I
Продолжение таблицы I.I как диалоговое взаимодействие абонентов СОИ, так и передачу больших объемов информации.
По данным табл. I.I на рис. 1.2 построен график, характеризующий основные этапы и тенденции развития методов коммутации в СОИ. Так, начиная с конца 60-х годов и до середины 70-х годов наибольшее распространение имел метод- коммутации сообщений, но уже с 1973 года наблюдается заметное увеличение роли пакетной коммутации в сетях обмена информацией. Период с 1973 по 1976 год отмечен бурными исследованиями и разработками в области проектирования СОИ с коммутацией пакетов, а 1976 год знаменателен тем, что были приняты стандарты и рекомендации МККТТ (Международный консультативный комитет по телефонии и телеграфии) по сетям передачи данных общего пользования, ориентированные именно на пакетную коммутацию [20, 21, 72]. В настоящее время метод коммутации пакетов в СОИ признан основным, и значительные исследования в этой области ведутся такими авторитетными международными организациями, как МККТТ, МОС, ЩОИ.
Характерными особенностями современных СОИ с коммутацией пакетов являются [15, 22, 73,.74]: высокие скорости передачи и максимальное использование дорогостоящих каналов связи; контроль передачи информации по информационному и логическому каналам и обеспечение низкого уровня ошибок ( РоиГ = Ю"12) [15]; использование мини и микро-ЗВМ в качестве коммуникационных и интерфейсных машин; модульность аппаратных и программных средств, разграничение функциональных уровней в архитектуре СОИ и регламентация их иерархией протоколов; реализация всех или основных протоколов транспортной станции в интерфейсных и связных ЭВМ; неоднородный состав вычислительных машин и широкий набор протоколов из-за отсутствия некоторых стандартов и наличия большого количества ведомственных сетей ( AR РА , $ ГТА, El/ROA/ЕТидр.) со свойственной им спецификой приложения.
Таким образом, можно отметить, что телеобработка информации является превалирующей формой обработки в автоматизированных системах переработки информации и управления; тенденция к использованию сетевой телеобработки в АСУ привела к широкому внедрению сетей обмена информацией; наибольшее распространение получили СОЙ с коммутацией пакетов.
