Содержание к диссертации
Введение
1. Аналитический обзор 14
1.1. Сетевая инфраструктура АСУП как объект исследования 14
1.1.1. Задачи сети АСУП 14
1.1.2. Тенденции развития АСУП 15
1.1.3. Интеграция АСУП и АСУТП 17
1.1.4. Технологии сети АСУП 19
1.1.5. Механизмы QoS
1.2. Постановка задачи 25
1.3. Критерии выбора математического аппарата 26
1.4. Обзор подходов к анализу сетей АСУП
1.4.1. Анализ реально существующей сети 28
1.4.2. Графовые потоковые алгоритмы 30
1.4.3. Системы массового обслуживания 32
1.4.4. Сети массового обслуживания 34
1.4.5. Сети Петри различных расширений 35
1.5. Экспертная оценка подходов к решению задачи анализа сетей АСУП 38
2. Математический аппарат модифицированных нечетких Сетей Петри 42
2.1. Свойства раскрашенных СП в аппарате МНСП 42
2.2. Свойства нечетких СП в аппарате МНСП 44
2.3. Свойства временных СП в аппарате МНСП 45
2.4. Свойства приоритетных СП в аппарате МНСП 46
2.5. Свойства иерархических СП в аппарате МНСП 46
2.6. Модифицированные нечеткие сети Петри 47
2.7. Приведение модифицированной нечеткой сети Петри к виду раскрашенных сетей Петри 52
2.8. Свойства модифицированных нечетких сетей Петри и их анализ 54
2.9. Соответствие математического аппарата выдвигаемым требованиям 57
2.10. Выбор среды разработки моделей
3. Метод построения моделей объектов сетевой инфраструктуры асуп, метод композиции модели сети АСУП . 65
3.1. Организация имитационного моделирования 65
3.2. Метод построения моделей объектов сетевой инфраструктуры АСУП 66
3.3. Определение моделируемых характеристик 68
3.4. Декомпозиция объектов сети АСУП 69
3.5. Построение моделей элементов 74
3.6. Построение моделей объектов сети АСУП 75
3.7. Тестирование моделей
3.7.1. Анализ пространства состояний сети 77
3.7.2. Имитационное моделирование сети 77
3.7.3. Пошаговое выполнение 78
3.7.4. Тестирование на основе генераторов трафика 78
3.7.5. Получение характеристик модели за счет добавления измерительных фрагментов
3.8. Построение базы моделей 81
3.9. Интерфейс с системой нечеткого вывода 82
3.10. Условия активации системы нечеткого вывода 82
3.11. Метод композиции модели сети АСУП 83
3.12. Построение структурной схемы исследуемой сети 85
3.13. Определение потоков данных 85
3.14. Определение типов трафика и классов обслуживания 87
3.15. Композиция и моделирование сети 88
3.16. Анализ результатов моделирования 89
4. Модели объектов сетевой инфраструктуры, внедрение результатов исследования 101
4.1. Объявления типов, переменных, функций 101
4.2. Модель канала данных 103
4.3. Модель генератора трафика 104
4.4. Модель приемника трафика 106
4.5. Модель рабочей станции 107
4.6. Модели очереди FIFO 108
4.7. Модель приоритетной очереди Priority Queue 109
4.8. Модель справедливой очереди Fair Queue 110
4.9. Модель взвешенной справедливой очереди Class-Based Weighted Fair Queue Ill
4.10. Модель очереди с отсечением конца Tail Drop 114
4.11. Модель очереди со случайным ранним обнаружением Random Eearly Detect 115
4.12. Модели алгоритмов формирования и профилирования трафика 118
4.13. Модель маршрутизатора 120
4.14. Модель порта маршрутизатора, коммутатора 122
4.15. Внедрение результатов исследования
4.15.1. Существующая сетевая инфраструктура, оборудования, характеристики 125
4.15.2. Адекватность разработанных моделей 128
4.15.3. Моделирование сети 131
Заключение 136
Источники
- Тенденции развития АСУП
- Свойства временных СП в аппарате МНСП
- Определение моделируемых характеристик
- Модель очереди с отсечением конца Tail Drop
Введение к работе
Актуальность темы исследования.
Непрерывный технический прогресс приводит к появлению новых производств и расширению уже существующих, каждое производство должно иметь современное высокотехнологичное аппаратно-программное и математическое сопровождение.
В настоящее время задача интеграции автоматизированных систем управления предприятием (АСУП) и автоматизированных систем управления технологическими процессами (АСУТП) становится актуальной для большого количества предприятий. Это связано с несколькими причинами: необходимостью наличия оперативной технологической информации на уровне управления производством, ростом вычислительных возможностей аппаратной составляющей АСУП, повышением пропускной способности каналов данных, необходимостью оптимизации управления и устранения перекрывающихся функций. Подобная интеграция ведет к увеличению объема и усложнению структуры передаваемых данных, что значительно повышает нагрузку на сетевую инфраструктуру АСУП.
Сетевая инфраструктура современной АСУП должна отвечать высоким требованиям, со стороны различных приложений функционирующих в рамках системы. Примерами таких приложений могут служить сервера баз данных, приложения видео реального времени, IP телефония, сигналы с различных датчиков и многое другое. Обеспечение совместной, бесперебойной работы всего спектра данных приложений является необходимым условием эффективного функционирования сети АСУП.
Данная задача может быть решена при помощи внедрения широкого спектра технологий QoS (Quality of Service - качество обслуживания), обеспечивающих дифференцированное обслуживание потоков данных, предоставляющих методы управления перегрузками и формирования трафика. Однако внедрение подобных технологий связано с трудностями в настройке параметров сетевого оборудования и задании политик QoS.
Исследованию проблем моделирования и анализа сетевого трафика и сетевой инфраструктуры посвящены работы В. Н. Дубинина, С. А. Зинкина, СМ. Аракеляна, Д.А. Зайцева, СВ. Гурова, В. Хассоунеха, D. R. Fulkerson, А. V. Goldberg, R. K.Ahuja, а также ряда других авторов. Работы В.М. Глушкова, СА. Думлера, О.В. Козловой имеют фундаментальное значение для современных АСУП. Важные вопросы управления производством исследовались в работах Б.Я. Советова, Р.И. Макарова, Д.В. Александрова, А.Г. Мамиконова, В.Д. Чертовского.
В данном диссертационном исследовании предлагается использовать модели на базе аппарата модифицированных нечетких сетей Петри (МНСП) для определения параметров качества обслуживания и снижения задержек передачи трафика приоритетных классов. Поскольку при передаче данных АСУТП необходимы детерминированные значения задержек, то моделирование сетевой инфраструктуры при интеграции АСУП и АСУТП представляется актуальной задачей.
Целью диссертационного исследования является снижение задержек при передаче приоритетных данных подсистем АСУП и данных АСУТП, за счет настройки параметров качества обслуживания объектов сетевой инфраструктуры АСУП.
В соответствии с заявленной целью в диссертационном исследовании были поставлены и решены следующие задачи:
-
Проведен анализ современных математических аппаратов предназначенных для моделирования компьютерных сетей и объектов АСУП. На основе проведенного анализа выдвинуто предложение о целесообразности разработки модифицированного расширения сетей Петри (СП), как эффективного средства моделирования параллельных асинхронных систем.
-
На основе проанализированных подходов к моделированию и математического аппарата СП разработано модифицированное расширение СП -модифицированные нечеткие сети Петри, на базе нечетких, раскрашенных, временных, приоритетных и иерархических СП.
-
На основе модифицированного расширения СП, разработан метод построения моделей объектов сетевой инфраструктуры АСУП и их элементов. Данный метод предполагает композицию элементов с целью получения желаемых свойств модели.
-
На базе модифицированного расширения СП, в соответствии с методом построения моделей, разработаны модели объектов сетевой инфраструктуры АСУП, а также ряд вспомогательных моделей.
-
Опираясь на математический аппарат МНСП и метод построения моделей, разработан метод композиции модели сети. Метод предполагает композицию модели сети АСУП на базе моделей библиотеки.
-
Разработан метод построения системы нечеткого вывода на базе модифицированного расширения СП. Каждый этап работы системы нечеткого вывода может быть представлен в виде подмодели на базе аппарата МНСП.
Объект исследования - сетевая инфраструктура АСУП, взаимосвязь сети с подсистемами АСУП.
Предмет исследования - объекты сетевой инфраструктуры АСУП, активное оборудование сети АСУП.
Методы исследования. Теоретической базой исследования послужили методы теории сетей Петри, с различными расширениями, методы экспертных оценок, системного анализа, теории нечетких множеств, математической статистики и теоретико-множественные описания.
Научная новизна работы заключается в следующем:
-
Разработано модифицированное расширение СП. Аппарат МНСП был построен на базе нечетких, раскрашенных, временных, приоритетных и иерархических СП. Данное комбинирование расширяет выразительные свойства математического аппарата СП. Предложенное расширение может быть использовано для моделирования и анализа различных информационных потоков сети АСУП, с применением аппарата нечеткой логики.
-
Разработан метод построения моделей объектов сетевой инфраструктуры АСУП с поддержкой качества обслуживания на базе аппарата МНСП и метод композиции модели сети на базе моделей библиотеки элементов. Метод построения моделей допускает гибкую настройку за счет разнообразных вариантов компоновки и конфигурации моделей. В методе описан интерфейс между моделями и системой нечеткого вывода на базе МНСП, а также условия активации процесса нечеткого вывода. В методе композиции модели сети описаны формальные правила объединения моделей на базе МНСП. Метод композиции предполагает оценку качества обслуживания по классам на основе системы нечеткого вывода. В соответствии с данным методом построена модель компьютерной сети АСУП.
-
Разработаны формальные модели типовых элементов сетевых устройств (дисциплины очередей, алгоритмы предотвращения перегрузок, алгоритмы
формирования трафика), модели объектов сетевой инфраструктуры АСУП (рабочая станция, канал данных, маршрутизатор, коммутатор, датчик), а также вспомогательные модели (генератор трафика, модель системы нечеткого вывода), составлена библиотека элементов.
4. Разработан метод построения системы нечеткого вывода, на основе модифицированного расширения СП. Каждый этап работы системы нечеткого вывода представлен в виде фрагмента на базе МНСП. Метод позволяет проводить анализ качества обслуживания сети АСУП на основе базы правил нечеткого вывода по различным классам трафика.
Практическая значимость работы заключается в создании библиотеки моделей объектов сетевой инфраструктуры АСУП, моделей элементов сетевых устройств, а также вспомогательных моделей.
Библиотека моделей облегчает процесс построения и анализа модели сети АСУП. Модели элементов могут быть скомпонованы и сконфигурированы нужным образом, для получения модели сетевого устройства с требуемыми характеристиками. Модель сети АСУП может быть использована для анализа информационных потоков от различных подсистем, включая потоки АСУТП.
Важное практическое значение имеет разработанный метод построения системы нечеткого вывода на базе аппарата МНСП. Метод позволяет использовать базу нечетких правил для анализа и моделирования процесса управления.
Практически значимой является разработка конструкций на языке программирования CPN ML, позволяющих строить модели на базе аппарата МНСП в программном комплексе CPN Tools. Использование известного программного продукта (CPN Tools) в качестве среды для построения моделей значительно снижает затраты на внедрение и сопровождение.
Внедрение результатов работы. Результаты диссертационного исследования, в частности математический аппарат модифицированных нечетких СП, метод построения и композиции моделей, а также модели из библиотеки элементов, были внедрены в ООО «ХАРОВСКЛЕСПРОМ» и ИП «Паничев Игорь Валентинович» ОГРН 304352530800143, о чем имеются соответствующие акты.
Результатом внедрения является снижение задержек передачи для приоритетных классов обслуживания сети АСУП. Так, внедрение в сети ООО "ХАРОВСКЛЕСПРОМ" позволило сократить задержки передачи голосового трафика (внутренняя связь, видеоконференции) и потока параметров и команд контроллеров и датчиков АСУТП до приемлемого уровня.
Математический аппарат модифицированных нечетких СП и метод построения моделей на базе модифицированного расширения применялись в учебном процессе Череповецкого филиала Вологодского государственного технического университета в курсе «Теория вычислительных процессов».
Результаты диссертационного исследования были использованы в гранте в рамках федеральной целевой программы «Разработка методов формализации и верификации распределённых информационно-поисковых систем на основе сервис-ориентированной архитектуры» 2010-2012 г.
Апробация и реализация результатов исследования.
Основные положения и научные результаты исследования докладывались и обсуждались на международных конференциях: V международной научно-технической конференции «Информатизация процессов формирования открытых систем на основе СУБД, САПР, АСНИ и систем искусственного интеллекта(ИНФОС-2009)» (Вологда: ВоГТУ, 2009), V международной научно-технической конференции
«Автоматизация и энергосбережение машиностроительного и металлургического производств, технология и надежность машин, приборов и оборудования» (Вологда: ВоГТУ, 2009), десятый международный симпозиум «Интеллектуальные системы» INTELLS'2012 (Вологда ВоГТУ, 2012), международная научно-методическая конференция «Информатизация инженерного образования» ИНФОРИНО 2012 (Москва, 2012), международная молодежная конференция «Информационные системы и технологии» (Москва, 2012).
На всероссийских конференциях: VII всероссийской научно-технической конференции «Молодые исследователи - регионам» (Вологда: ВоГТУ, 2009), XI всероссийская научно-техническая конференция «Научная сессия МИФИ-2009 Нейроинформатика-2009» (Москва: МИФИ, 2009), Всероссийской научно-технической конференции «Молодые исследователи - регионам» (Вологда: ВоГТУ, 2010).
На региональных научных конференциях: II ежегодные смотры-сессии аспирантов и молодых ученых по отраслям наук (Вологда: ВоГТУ, 2008), IV ежегодные смотры-сессии аспирантов и молодых ученых по отраслям наук (Вологда: ВоГТУ, 2010).
Результаты диссертационного исследования также докладывались и обсуждались на ежегодных слушаниях аспирантов кафедры АВТ ВоГТУ.
Основные научные результаты, выносимые на защиту:
-
Модифицированное расширение математического аппарата сетей Петри, основанное на комбинировании свойств нечетких, раскрашенных, временных, приоритетных и иерархических СП.
-
Метод построения моделей объектов сетевой инфраструктуры АСУП с поддержкой качества обслуживания и их элементов, на базе модифицированного расширения СП. Метод композиции модели сети АСУП на основе разработанных моделей объектов сетевой инфраструктуры.
-
Модели объектов сетевой инфраструктуры АСУП с поддержкой качества обслуживания и их элементов, на базе модифицированного расширения СП.
-
Метод построения системы нечеткого вывода на базе модифицированного расширения СП.
Публикации. По теме диссертационного исследования опубликовано 13 статей, из них 2 в журналах, рекомендованных ВАК России («Информационные технологии в проектировании и производстве»), («Системы управления и информационные технологии »), 5 на международных НТК и 4 на всероссийских НТК.
Структура диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы и приложений. Содержит 122 страницы основного текста, включает 43 рисунка, 8 таблиц, 10 страниц приложений и список литературы из 92 наименований.
Тенденции развития АСУП
Развитие информационных технологий ведет к непрерывному усложнению технического и программного обеспечения современных АСУП, увеличению количества передаваемой и обрабатываемой информации, усложнению связей между системами и их внутреннего устройства. Необходимость автоматизации производственных и бизнес процессов ставит все более сложные задачи перед проектировщиками сетевой инфраструктуры АСУП. Перед тем, как сформулировать актуальные проблемы сетей АСУП рассмотрим основные тенденции современных промышленных предприятий в области автоматизации.
Разработка новых стандартов Ethernet касающихся среды передачи данных позволила значительно увеличить набор скоростей предоставляемых данной технологией. Увеличение скоростей, наряду с развитием коммутационного оборудования позволяет использовать Ethernet в качестве технологии для организации управления производственными процессами реального времени [56, 57]. Использование Ethernet позволяет отказаться от таких фирменных технологий-как Profibus, С AN-bus, WorldFIP, DeviceNet, Modbus, Pnet и других [49].
Многие функции, которые ранее использовали специализированные сети для организации информационного обмена, сегодня передают данные через общую сеть, например телефонная связь или видео наблюдение. Отказ от специализированных кабельных систем имеет неоспоримые финансовые выгоды, наряду с этим стандарт IEEE 802.3af определят технологию Power over Ehternet (РоЕ), позволяющую передавить через витую пару данные и электроэнергию. Данная технология предназначена для подключения IP-телефонов, ІР-камер, сетевых концентраторов, точек доступа беспроводных сетей и другого оборудования без необходимости протяжки силовых кабелей.
Организация эффективной системы управления производственными и бизнес процессами различных уровней неизбежно ведет к накоплению, обработке и анализу информации. Для хранения накопленных данных АСУП используется единая или распределенная база данных. С базой данных могут взаимодействовать множество сервисов и приложений, для накопления или получения информации по всем аспектам работы. Комплексная автоматизация предполагает организацию единой информационной системы включающей в себя систему управления ресурсами, основными средствами и оборудованием предприятия, автоматизацию бухгалтерского и налогового учета, средства анализа и мониторинга.
Большая нагрузка, связанная с автоматизацией процессов промышленных предприятий ложиться на сетевую инфраструктуру, объединяющую все подсистемы современной АСУП. Данная ситуация усложняется тем, что различные подсистемы предъявляют различные требования к сети передачи. Многие офисные приложения, связанные с электронным документооборотом требуют предоставления высокой пропускной способности. Приложения для передачи видео и голоса требуют стабильной скорости и отсутствие колебаний задержки доставки пакетов. Приложения, отвечающие за управление производственными процессами в реальном времени требуют детерминированных задержек передачи данных, измеряемых миллисекундами. Только учет всех этих факторов позволит построить сеть, необходимую для обеспечения эффективного функционирования промышленного предприятия. 1.1.3. Интеграция АСУП и АСУТП
На основе анализа литературы и статей посвященным развитию современных АСУП и АСУТП [44, 56, 49, 57, 38, 40, 60, 61, 54] можно сделать вывод о том, что процесс интеграции системы управления предприятием и подсистем управления технологическими процессами и производствами привлекает большое внимание исследователей. Можно выделить следующие причины подобной интеграции:
1. Необходимость получения объективной информации (включая оперативную) о состоянии производственных процессов. Исключение человеческого фактора при передаче количественных показателей технологических процессов. Возможность контроля показателей производства в реальном времени и корректировки в случае отклонения их значений от расчетных.
2. Необходимость построения единой, интегрированной системы управления предприятием, позволяющей оперативно реагировать на изменение показателей производственного процесса
3. Необходимость осуществления целевого управления производством на основе показателей качества продукции, производительности, расхода электроэнергии и других ресурсов.
4. Возможность получения и обобщение широкого спектра параметров производственного процесса для систем поддержки принятия решения. Передача информации о состоянии производственного процесса управляющему персоналу различных уровней.
5. Возможность на основании данных АСУТП определять место и время нарушения технологического процесса. Это позволяет скорректировать производственный процесс и сократить выпуск некачественной продукции.
Таким образом, можно сделать вывод о том, что построение единой системы управления предприятия на основе интеграции АСУП и АСУТП позволяет улучшить управляемость, оптимизировать производственные процессы и сократить издержки.
Современные аппаратные средства промышленной автоматизации обладают повышенными требованиями по бесперебойной работе, системе питания, электромагнитной защите, диапазону рабочих температур и влажности, защите от ударов, вибрации и пыли. Оборудование АСУТП насчитывает широкий спектр наименований датчиков, программируемых логических контроллеров, специализированного коммутационного оборудования, промышленных компьютеров, операторских панелей, мостов для преобразования сигналов промышленных шин в сигналы Ethernet (Modbus, USB, RS485, RS323), встраиваемых процессорных плат, серверов потоковой видеозаписи и т.д. Все эти средства могут быть интегрированы в единую сетевую инфраструктуру предприятия для организации информационного обмена подсистем АСУТП и АСУП.
Важным элементом АСУП и АСУТП является база данных, распределенная или централизованная для АСУП и база данных реального времени для АСУТП. Интеграция на основе базы данных (рис. 1.1) предполагает различные варианты реализации в зависимости от требований производительности конечной системы.
Использование распределенной базы данных для хранения оперативных технологических данных АСУТП с записью на основе SQL, позволяет реализовать унифицированный интерфейс, при уменьшении быстродействия. Применение базы данных реального времени для сохранения технологической информации АСУТП позволяет увеличить скорость внесения данных без использования SQL. Комбинированный вариант предполагает использования БД реального времени для хранения первичной технологической информации.
Свойства временных СП в аппарате МНСП
Одним из важных расширений сетей Петри, позволяющим более адекватно представлять работу реальных процессов, является добавление концепции времени [89, 14, 15, 73]. Особенностью данного расширения является то, что в дополнение к стандартному функционалу во временную сеть вносятся дополнительные возможности для контроля над временем работы. Временная составляющая может быть внесена в позиции, переходы, дуги. Внесение временных ограничений в элементы сети может быть применено в любом сочетании. В работе временной сети могут одновременно участвовать маркеры, как с временными атрибутами, так и без них.
Исторически первым было внесение временной составляющей в работу переходов. Каждому переходу присваивалось ограничение на время срабатывания Т = [d, D](d D), где: d - минимальное время, D - максимальное время. После того, как переход t, перешел в разрешенное состояние он может сработать не раньше чем через d шагов моделирования и не позже чем через D шагов моделирования, если он не будет заблокирован раньше. В случае, если Т = [0,+оо] считается, что переход не имеет временных ограничений.
Возможны две интерпретации данного временного ограничения сильная (Strong Time Semantics STS) и слабая (Weak Time Semantics WTS). При STS переход будет активирован по прошествии времени D, если он не был активирован ранее, а в случае WTS переход просто становиться неактивным после интервала времени D.
При внесении временных задержек в работу сети изменяются также и правила её работы. Если значение времени в маркере больше значения времени глобальных часов, то такой маркер не может использоваться для активации перехода. Расширение сетей Петри временным механизмом позволяет получить не только количественные, но и временные характеристики моделируемого процесса.
Для повышения удобства моделирования сложных процессов формализм сетей Петри может быть расширен концепцией приоритетов. Формально приоритетную сеть Петри можно представить следующим образом: PPN = {N, PR, PF}, где N = {Р,Т,1,0} - определение ординарной сети Петри, PR - конечное множество приоритетов, определяющих порядок срабатывания активных переходов, PF - функция сопоставляет каждому переходу приоритет срабатывания PF : Т —» PR.
Возможность регулирования порядка срабатывания в условиях наличия нескольких активных переходов, позволяет моделировать выполнение действий с различным приоритетом, например выбор очереди для обслуживания в приоритетной дисциплине очередей.
Иерархическая СП с концептуальной точки зрения не отличается от ординарной СП. Отличие заключается лишь в способе представления модели. Для облегчения процесса моделирования вводится понятие страницы. Каждая страница содержит в себе некоторую часть моделируемой системы. Страницы могут быть связаны двумя способами:
1. Сопряжение позиций, заключается в создании множества идентичных позиций. Изменение маркировки любой позиции из множества предполагает аналогичное изменение маркировок всех позиций данного множества. Объединение страниц происходит за счет размещения идентичных позиций на разных страницах.
2. Подстановка переходов. Данный способ заключается в следующем: в сети выделяются переходы, которые моделируют не элементарные действия по изменению маркировки, а некоторые более сложные процессы. Сеть соответствующая подстановочному переходу находится на специальной странице, которая является полстраницей для данной. Страница, содержащая полстраницы, называется суперстраницей. Соединение полстраниц и суперстраниц осуществляется за счет применения сопрягающих позиций. Каждой позиции суперстраницы, связанной с подстановочным переходом, называемой сокетом, соответствует сопряженная позиция полстраницы называемая портом.
Добавление в сеть сопряженных позиций и подстановочных переходов не изменяет порядок срабатывания атомарных переходов сети. Сеть продолжает функционировать в соответствии с правилами.
Иерархические сети Петри позволяют более наглядно представлять модели со сложной структурой и пользоваться при этом как методикой "сверху - вниз", когда процесс моделирования начинается с определения общей структуры модели, которая впоследствии наполняется моделями конкретных подсистем, так и методикой "снизу - вверх", когда сначала разрабатываются модели некоторых составных частей, которые в дальнейшем встраиваются в некоторую иерархическую структуру.
Определение моделируемых характеристик
На данном этапе происходит выделение функциональных элементов системы, построение структурной модели, определение связей между элементами. Полученная в результате структурная схема должна отражать моделируемые характеристики устройств, заявленные в первом пункте метода.
Маршрутизатор. На основе анализа литературы [1, 3, 4, 6, 16, 17, 22, 80] сформулируем следующую модель маршрутизатора. Функции маршрутизатора можно разделить на три уровня - уровень интерфейсов, уровень сетевого протокола и уровень протокола маршрутизации. Каждый уровень обладает рядом специфических функций.
Уровень интерфейсов обеспечивает физическое соединение со средой передачи, согласование уровней электрических сигналов, логическое кодирование. На уровне интерфейсов осуществляется поддержка различных протоколов канального уровня (Ethernet, Token Ring, FDDI), подсчет контрольной суммы и другие. Данные, полученные маршрутизатором, обрабатываются протоколами физического и канального уровней освобождаются от заголовков канального уровня и направляются на уровень сетевых протоколов.
Уровень сетевых протоколов осуществляет прием пакетов от уровня интерфейсов, проверяет контрольную сумму и время жизни пакета. Важной функций сетевого уровня является фильтрация пакетов, администратор может заблокировать доступ пакетов в сеть от определенных адресов или конкретных прикладных служб. На уровне сетевых протоколов осуществляется управление очередями. Современные маршрутизаторы предлагают различные дисциплины обслуживания очередей (FIFO, FQ, PQ, WFQ). Механизм случайного раннего обнаружения (RED — Random Early Detect) также осуществляется на уровне сетевых протоколов. При поступлении пакета осуществляется профилирование трафика (установление соответствия некоторому профилю), а при отправке пакетов осуществляется сглаживание. Эти функции позволяют снизить негативное влияние пульсирующего трафика и предотвращают возникновение задержек связанных с такой пульсацией. В функции сетевого уровня входит также определение маршрута пакета. Маршрут определяется на основании данных маршрутной таблицы. Если в таблице нет записи соответствующей сети назначения пакета, то такой пакет отбрасывается. После обработки пакет передается на уровень сетевых интерфейсов, где он упаковывается в кадр соответствующей сетевой технологии и отправляется в сеть.
Уровень протокола маршрутизации осуществляет функции построения таблиц маршрутизации. Для построения таблиц маршрутизаторы обмениваются специальными сообщениями, затем на основе анализа полученных данных и критерия маршрутизации выбираются оптимальные маршруты. Алгоритмы маршрутизации разделяются на основании используемого алгоритма маршрутизации и в зависимости от сферы применений.
При построении структурной схемы маршрутизатора, на основании которой в дальнейшем будет построена модель, необходимо абстрагироваться от ряда функций (подсчет контрольной суммы, фильтрация трафика, построение таблиц маршрутизации, и др.). Структурная модель маршрутизатора представлена на рисунке 3.2.
Сетевой модуяь Таблица маршрутов - Сетевой модуль III Сетевой модуль Рис. 3.2 - Структурная модель маршрутизатора Под сетевым модулем здесь понимается сетевой интерфейс маршрутизатора и процессорный модуль, который осуществляет обработку входных данных и обмен этими данными с другими процессорными модулями по внутренней шине данных. По шине данных сетевой модуль поучает маршрутную информацию из таблицы маршрутов. Рассмотрим более детально структуру сетевого модуля Рис. 3.3. Profile
Структура сетевого модуля представляет основные функциональные элементы, модели которых необходимо будет построить. Данная схема не является строго фиксированной и может быть изменена в зависимости от конфигурации конкретного маршрутизатора, в частности в конкретной конфигурации может отличаться дисциплина обслуживания очередей, использование алгоритма случайного раннего обнаружения, а также методов профилирования и сглаживания трафика.
Коммутатор. Коммутатор является активным сетевым устройством, работающим на канальном уровне модели OSI. Важной особенностью коммутатора является то, что он может анализировать поле адреса при получении данных и передавать их непосредственно получателю. Коммутаторы разделяют по режиму коммутации: 1. С промежуточным хранением (Store and Forward). В данном режиме коммутатор осуществляет сохранение всего кадра и проверку его на наличие ошибок. После проверки кадр либо отбрасывается, либо пересылается в порт назначения. 2. Сквозной (cuthrough). В этом режиме коммутатор осуществляет считывание только адреса назначения, после этого осуществляет коммутацию и отправку без проверки на наличие ошибок. 3. Бесфрагментный (fragment-free). Данный режим является модификацией сквозного режима. Буферизируются и проверяются на наличие ошибок только кадры размером 64 байта, кадры большей длины передаются на выходной порт без проверки. Выбор режима коммутации осуществляется исходя из требований надежности и времени передачи. Также коммутаторы могут поддерживать симметричную (все порты имеют одинаковую скорость) и ассиметричную (порты могут иметь разную скорость) коммутацию. Коммутаторы могут иметь буфер памяти для хранения пакетов общий или отдельный для каждого порта. При переполнении входного буфера, на соответствующий порт подается сигнал коллизии.
По аналогии со схемой маршрутизатора модель коммутатора (рис. 3.4) может иметь произвольное количество портов, ограниченное характеристиками реального моделируемого устройства.
Модель очереди с отсечением конца Tail Drop
Реальная компьютерная сеть может насчитывать сотни и даже тысячи рабочих станций, каждая из которых осуществляет работу в сети, передает и принимает данные. Моделирование каждой станции в отдельности может быть крайне сложной задачей, так как потребует значительных временных затрат на построение и имитационное моделирование. Альтернативой данному подходу может быть замена группы рабочих станций схожих по характеру передаваемых и получаемых данных в отдельный блок, который может быть представлен в виде генератора трафика. Генераторы трафика могут представлять различные подсети или группы рабочих станций по отделам. Помимо рабочих станций генераторы трафика могут представлять другие устройства, подключенные к сети, например камеры наблюдения, IP телефоны, различные датчики (система безопасности, управление производственным процессом).
Генератор трафика (рис. 4.2) может быть использован для моделирования потока пакетов с различными функциям распределения задержек и значениями полей. Размер пакета в байтах (psize), адрес источника (sre addr), адрес назначения (dest_addr), идентификатор потока (flow_id), количество пакетов (р num), минимальная (dmin) и максимальная (dmax) задержки между генерацией пакетов.
Благодаря применению встроенных функций CPN Tools для генерации случайных чисел с различными законами распределения, генератор трафика может генерировать поток пакетов с различными функциями распределения задержек пакетов (Бернулли, биноминальное, кси-квадрат, равномерное, Эрланга, экспоненциальное, нормальное, Пуассона, Студента, Рэлея, гамма, бета). аеп2_гес_11йл л[8еп2_гес] D3 noimal(x,0,l) student(x,l) Q2 unifoirru[x,-2,2)
GenParam - позиция, отвечающая за хранение команд нагрузочного сценария, выполняемого генератором трафика. NumGen - позиция, хранит количество пакетов, которое необходимо сгенерировать. PackQueue - позиция, хранит команды для генерации пакетов. Delay - позиция, сохраняет время задержки до следующего сгенерированного пакета. OutQueue - выходная позиция генератора трафика. GenPack- переход, отвечающий за выбор команд нагрузочного сценария. Выбор команд осуществляется последовательно. Generate - переход осуществляющий генерация пакетов на основании команд хранимых в позиции PackQueue. E(GenParam, GenPack)=gen2_rec::gen2_rec_list E(GenPack, GetParam) =gen2_rec_list [gen2_rec] E(Generate, Delay)=ri@+ceil(uniform(Real.fromlnt(#d_min gen2_rec2), Real.fromlnt(#d_max gen2_rec2))) E(GenPack, PackQueue)=(#p_num gen2_rec) {p_size=(#p_size gen2_rec), d_min=(#d_min gen2_rec), d_max=(#d_max gen2_rec), flow_id=(#flow_id gen2_rec), src_addr=(#src_addr gen2_rec), dest_addr=(#dest_addr gen2_rec)} E(Generate, OutQueue) if f#p_s/ze gen2_rec2) 0 then pack_//sfAAffs_adc(r=(#src_acMr ger 2_rec2), d_addr=(#dest_addr gen2_rec2),psize=(#p_sizegen2_rec2),ttl=curTime(),p_type=(#flow_idgen2_rec2)}] else packjist E(GenPack, NumGen)=#p_num gen2_rec; E(NumGen, GenPack)=numE(Generate, NumGen)=num-1; EfNumGen, Generate)=num
Модель приемника трафика предназначена для приема входящих пакетов и расчета некоторых характеристик, таких как количество доставленных пакетов, среднее и максимальное время доставки. Расчет характеристик происходит по каждому потоку отдельно. Модель приемника трафика на базе аппарата МНСП изображена на рисунке 4.3. In - входная позиция приемника трафика. Num - позиция, хранит количество принятых пакетов по каждому потоку. AvgDelay - позиция, хранит значение средней задержки для пакетов каждого потока. MaxDelay - позиция, хранит максимальное значение задержки для пакетов по каждому потоку. TotalDelay -позиция, хранит суммарное время задержки всех пакетов по каждому потоку. Receive — переход, осуществляющий прием пакетов. W Num ( p_type totatDelay)=(#p_type package) andalso (#p_type maxDelay)=(#p_type package) andalso (#p_type avgDelay)=(#p_type package) andalso (#p_type numRecelved)=(#p_type package) 1 {P_type=(#p_type package),value=(#value numReceived) + 1} numReeelved RECEIVE R_DATA I p_type=l,value=0}++ I {p_type=2,value=0}++ 1 {p_type=3,value=0}++ 1 p_type=4,value=0) l {P_type=(#p_type package},v$lue=({(#value totalDelay)+(curTtme()-(#m package))) div ((#value numReeelved) + l))} 1 {p_type=l,value=0}++ 1 {p_type=2,value=0}++ I p_type=3,value=0}++ 1 p_type=4,value=0 avgDelay AvgDel Receive mJLZ In } H TPACKAGE RECEIVER DATA P_type= l,value=0}++ 1 P_type=2,va!ue»0}++ 1 {p_type=3,vatue=0}++ 1 p_type=4,va!ue=0} maxDelay If (curTlme )-(#ttl p ic cage)) (#value maxDelay) RECEIVER DATA I {p_type=l,value=u}++ 1 {p_type=2,value=0}++ 1 {p_Jype=3,value=0}++ 1" p_type=4,value=0 then 1 {p_type=(#p. else 1 maxDelay vpe package),value=(curTlme{)-(#ttl package). totalDelay RECE1VER_DATA 1 {P_type=(#p_type package),value=(#value totalDetay)+curTlme()-( tH package)} Рис. 4.3 - Модель приемника трафика на базе аппарата МНСП E(Receive, Num)=1 {p_type=(#p_type package),value=(#value numReceived) + 1} E(Receive, AvgDelay)=1 {p_type=(#p_type package),value=(((#value totalDelay)+(curTime()-(#W package))) div ((lvalue numReceived) + 1))} 106 EfReceive, MaxDelay)= if (curTime()-(#W package)) (#value maxDelay) then 1 {p_type=(#p_type package), value=(curTime()-(#ttl package))} else Г maxDelay E(Receive, TotalDelay)=1 {p_type=(#p_type package), value=(#value totalDelay)+curTime()-(#ttl package)} G(Receive)=(#p_type totalDelay)=(#p_type package) andalso (#p_type maxDelay)=(#p_type package) andalso (#p_type avgDelay)=(#p_type package) andalso (#p_type numReceived)=(#p_type package)
Модель рабочей станции на базе аппарата МНСП Gen 1, Gen_2, Gen_3 - подмодели генераторов трафика, предназначенные для задания некоторых информационных потоков, Receiverl - подмодель приемника трафика. GenOutl, GenOut2, GenOut3 - позиции предназначенные для хранения сгенерированных пакетов. MuxOut - позиция, хранит пакеты перед отправкой в сеть, Out - выходная позиция рабочей станции, WireReady - входная позиция, показывает доступность канала данных, In - входная позиция рабочей станции, маркеры из этой позиции передаются в подмодель Receiver_l. Мих_1, Мих_2, Мих_3 — переходы, осуществляющие объединение потоков от различных генераторов. Send - переход, осуществляющий отправку пакетов в канал данных при условии его доступности. E(GenOut1, Мих_ 1)=package::packjist Е(Мих_1, GenOut1)=pack_list
