Содержание к диссертации
ВВЕДЕНИЕ 4
ГЛАВА 1. АНАЛИТИЧЕСКИЙ ОБЗОР МЕТОДИКИ АНАЛИЗА ИНФОРМАЦИОННЫХ ПОТОКОВ В СЕТЯХ ОБРАБОТКИ ИНФОРМАЦИИ АСУП 10
1.1. Концепция интеграции современных АСУП и АСУ ТП на базе сетей Ethernet 10
1.2. СОИ АСУП на базе Ethernet как объект исследования 11
1.2.1. Качество обслуживания (Quality of Service, QoS) 14
1.2.2. Технологии коммуникационного оборудования Ethernet 19
1.2.3. Принципы классификации пакетов .' 22
1.3. Определение проблемы и предварительных требований к математическому аппарату для анализа информационных потоков в СОИ АСУП 24
^ 1.4. Существующие системы анализа 26
1.5. Обзор подходов к анализу информационных потоков СОИ АСУП 27
1.5.1. Основные методики подходов к анализу информационных потоков СОИ АСУП 27
1.5.2. Накопление статистики по работе реальной системы 29
1.5.3. Основанные на правилах системы 31
1.5.4. Графовые потоковые алгоритмы 32
1.5.5. Системы и сети массового обслуживания 36
1.5.6. Сети Петри 39
1.5.7. Комбинирование аналитических потоковых алгоритмов и моделирования узлов сетями Петри 43
ГЛАВА 2. МЕТОДИКА "АНАЛИЗА~ОБРАБОТКИ ПОТОКОВ ТРАФИКА В СОИ АСУП С РАЗЛИЧНЫМИ ТРЕБОВАНИЯМИ К КАЧЕСТВУ ОБСЛУЖИВАНИЯ 45
2.1. Общий подход 45
2.2. Теория сетей Петри 48
2.2.1. Раскрашенные сети Петри 48
2.2.2. Расширение раскрашенных сетей временным механизмом 50
2.2.3. Нечёткие сети Петри 51
2.2.4. Обоснование выбора разновидности сетей Петри 52
2.3. Свойства сетей Петри и их анализ 55
2.4. Определение маршрутов в сети и её предварительное упрощение..58
2.5. Расчёт потоков в информационной сети с помощью классического потокового алгоритма Форда-Фалькерсона 59
2.6. Моделирование нагрузки в сети 60 -
2.6.1 Требования к качеству обслуживания 63
2.6.2. Объединение потоков с одинаковыми требованиями к КО в классы обслуживания 66
2.6.3. Внесение нечёткости 67
2.6.4. Задание потоков данных в сети 72
2.6.5. Определение правил кондиционирования потоков 73
2.6.6. Получение матриц требований к передаче 74
ГЛАВА 3. ПОСТРОЕНИЕ МОДЕЛЕЙ МЕХАНИЗМОВ ОБРАБОТКИ Y ИНФОРМАЦИОННО-УПРАВЛЯЮЩИХ ПОТОКОВ В СОИ АСУП с ТРЕБОВАНИЯМИ К КАЧЕСТВУ ОБСЛУЖИВАНИЯ 77
3.1. Описание модифицированной атрибутной сети Петри 77
3.2. Описание маркера в МАСП 83
3.3. Преобразование элементов модифицированной атрибутной сети Петри к классическому виду 83
3.4. Метод с промежуточной буферизацией в аппарате МАСП 85
3.5. Предоставление дифференцированных услуг (QOS) СОИ АСУП 88
3.6. Моделирование ограниченной пропускной способности канала передачи с помощью МАСП 88
3.7. Механизмы обслуживания очередей при наличии требований к качеству обслуживания 89
3.7.1. Приоритетное обслуживание 91
3.7.2. Взвешенные настраиваемые очереди 93
3.8. Моделирование очереди коммутирующего устройства СОИ АСУП .95
3.8.1. Модепирование очереди FIFO 95
3.8.2. Модепирование очереди с tail drop (отсечение конца) 97
3.8.3. Моделирование очереди с RED (произвольное раннее обнаружение) 98
3.8.4. Моделирование очереди с WRED(e3eeuieHHoe произвольное раннее обнаружение) с штрафованием 101
3.8.5. Моделирование очереди с WRED на основе потока (flow WRED). 104
3.9. Моделирование логического кабельного сегмента СОИ АСУП аппаратом МАСП 107
ГЛАВА 4. РЕАЛИЗАЦИЯ МЕТОДИКИ АНАЛИЗА ОБРАБОТКИ ПОТОКОВ ТРАФИКА В СОИ АСУП С РАЗЛИЧНЫМИ ТРЕБОВАНИЯМИ К КАЧЕСТВУ ОБСЛУЖИВАНИЯ 113
4.1. Программная реализация методики анализа обработки потоков трафика в СОИ АСУП с различными требованиями к качеству обслуживания 113
4.2. Задание экспертных оценок по генерации потоков СОИ АСУП с различными требованиями к качеству обслуживания 115
4.3. Составление блок-схемы обработки потоков в элементе СОИ АСУП из моделей МАСП 119
4.4. Компоновка общей модели элемента и определение связей между полученными подсистемами МАСП 120
4.5. Алгоритм Фаркаса для структурного анализа моделей элементов построенных с помощью МАСП 121
4.6. Алгоритм Форда-Фалкерсона и его применение в методике 127
4.7. Пример применения метода для анализа вычислительной сети 130
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 144
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ 146
ПРИЛОЖЕНИЯ 157
Введение к работе
Одной из важнейших задач на современном промышленном предприятии все чаще становится интеграция между автоматизированными системами управления производством (АСУП) и автоматизированными системами управления технологическими процессами (АСУ ТП). Эта тенденция характеризуется, прежде всего, переходом от "фирменных" сетевых технологий к таким мировым стандартам, как Ethernet TCP/IP, Java, ОРС (OLE for Process Control) и DNA.[10] Еще недавно четкое, разделение сфер информационных технологий (IT) и промышленной автоматизации приобретает в последнее время все более условный характер. Высокие функциональные свойства продуктов, V доступность и дешевизна коммерческих технологий, их открытость и распространенность - это лишь некоторые из достоинств, привлекающих пользователей промышленных систем управления к продуктам IT. Прозрачный и легкий доступ получения данных в масштабах всего предприятия (от датчиков и исполнительных механизмов, до уровня управления и планирования предприятием) возможен при наличии стандартной, интегрированной сети, обеспечивающей множество сервисных уровней. Такой сетью становится корпоративная сеть предприятия (Intranet), обеспечивающая создание единого информационного пространства.[89] Потоки информации в современной СОИ могут иметь различные
требования к задержкам, скорости, надёжности передачи. В то время как требования одних приложений могут быть невысоки, требования других, функционирующих режиме реального времени, могут быть критичны к скорости передачи и времени отклика. Функционирование современных СОИ АСУП связано с вводом, обработкой, хранением и выдачей, в соответствии с требованиями пользователей, больших объемов информации. Их характеризует параллельная и распределенная обработка информации, работа в реальном масштабе времени и режимах многопользовательского обслуживания. Развитие сетей обработки информации (СОИ) АСУП заставляет администраторов использовать более сложные способы управления информационно-управляющими потоками, /л наиболее перспективными из которых является система стандартов, называемая качеством обслуживания (QoS).
Качество обслуживания (QoS) - это сетевая архитектура, позволяющая администраторам контролировать такие параметры передачи трафика, как задержка, колебания задержки и потери пакетов в сети. Создание СОИ АСУП с эффективным управлением качеством обслуживания должно учесть все эти требования и обеспечить необходимые параметры передачи для всех потоков сети. Это представляется возможным только при комплексном анализе всей СОИ, сё загруженности, характеристик коммуникационных устройств, требований к обслуживанию всех потоков в сети. Постольку, механизмы качества обслуживания для сетей Ethernet приобрели широкое распространение совсем недавно, то видится необходимым иметь аппарат, позволяющий промоделировать работу сетей оснащённых таким оборудованием. При проектировании СОИ АСУП с качеством обслуживания необходимо определить достаточное количество классов обслуживания, выбрать оборудование, которое будет удовлетворять по своим стоимостным и техническим характеристикам, оценить нагрузку на сеть и характеристики этой нагрузки. Сложность ситуации заключается в том, что многие параметры системы задаются в нечёткой форме, и комплексное решение этих задач является весьма непростым делом. Исследованию этой проблемы посвящены работы БЛ.Советова[83], С.АЛковлева[82], В.М. Вишневского[20], СВ. Гурова[26], A. Orda[131], R. K.Ahuja[99], А. V. Goldberg а[ 119], L. R. Ford a[112], D. R. Fulkerson a[113], L. Kleinrock a[114] и др. Опираясь на труды предшественников, автор диссертационной работы видит путь к её решению в применении аппарата модифицированных атрибутных сетей Петри (МАСП) для описания механизмов обработки трафика в коммуникационных узлах и в методике задания режимов загруженности сети при нечётко заданной информации.
Данный аппарат призван помочь администраторам СОИ АСУП в вопросах выбора оборудования, проектирования вычислительных сетей, настроек политик качества обслуживания, выявления причин возможных неисправностей и определить пути их устранения.
Целью диссертационной работы является разработка теоретических основ, моделей и методов повышения эффективности проектирования и анализа функционирования существующих СОИ АСУП, ориентированных на создание и использование механизмов обеспечения необходимых уровней быстродействия и надёжности СОИ АСУП, построенных на базе Ethernet.
В соответствии с указанной целью в работе поставлены и решены следующие задачи:
1. Исследование способов, моделей и средств анализа информационных потоков в СОИ АСУП
2. Разработка методики оценки обработки информационных потоков в СОИ АСУП с различными требованиями к качеству обслуживания, при имеющихся экспертных данных об отдельных элементах системы.
3. Формализация задания экспертных оценок элементов вычислительных сетей при нечёткой исходной информации.
4. Определение МАСП, как развитие аппарата сетей Петри, для применения в анализе обработки информационных потоков в узлах СОИ АСУП.
5. Разработка моделей элементов вычислительных сетей с помощью МАСП.
6. Оценка загруженности СОИ АСУП и характеристик потоков при частично нечётко заданной информации.
7. Программная реализация методики.
Объектом исследования является локальная вычислительная сеть Ethernet с поддержкой QoS, как сложная взаимосвязанная система устройств СОИ АСУП.
Методы исследования Теоретические исследования при решении поставленных задач проведены с использованием методов теории нечёткой логики, теории сетей Петри, теории графов, матричной алгебры, оптимизация на сетях и графах, теории вероятностей и случайных процессов.
Основные научные результаты, выносимые на защиту:
1. Методика анализа обработки потоков информации в СОИ АСУП с поддержкой QoS. В ходе анализа производится нечёткая оценка загруженности СОИ АСУП информационно-управляющими потоками с различными требованиями к качеству обслуживания, моделируется их обработка в коммуникационных узлах сети.
2. Аппарат модифицированных атрибутных сетей Петри (МАСП), как развитие аппарата сетей Петри, для применения в анализе обработки информационных потоков в узлах СОИ АСУП с поддержкой QoS. Предлагаемые модифицированные атрибутные сети Петри (МАСП) более адекватно и удобно выражают в терминах сетей особенности функционирования реальных дискретных систем. Здесь каждому потоку данных (группе потоков) может ставиться в соответствие свой цвет меток, задаваться сложные функции срабатывания переходов, вводиться элементы теорий возможности и вероятности.
3. Комплекс моделей элементов СОИ АСУП, с требованиями к качеству обслуживания, построенных на аппарате МАСП. На основании предлагаемого аппарата МАСП создана библиотека типовых элементов обработки трафика, используемых в коммуникационных узлах СОИ АСУП. В понятиях МАСП описаны модели классификации, обработки трафика в СОИ с требованиями к качеству обработки потоков, дано описание генераторов трафика элементов сети, описаны механизмы обслуживания очередей.
4. Формализация задания экспертных оценок характеристик информационно-управляющих потоков и приведение этих оценок к виду подходящему для применения в моделировании с помощью МАСП.
Научная новизна работы:
1. Предлагается методика анализа обработки потоков информации в СОИ АСУП с поддержкой QoS, как комплекс графовых потоковых алгоритмов, моделирования с помощью модифицированных атрибутных Петри, механизма задания загруженности СОИ при чёткой и нечёткой исходной информации, использования правил вывода и принятия решений.
2. Дается описание модифицированных атрибутных сетей Петри (МАСП), как аппарата для построения моделей элементов СОИ АСУП, с требованиями к качеству обслуживания
3. Предлагается комплекс моделей, позволяющий проводить анализ эффективности практически любых вариантов СОИ с поддержкой QoS с учётом особенностей функционирования вычислительных сетей с поддержкой требований к качеству обслуживания, заключающихся в использовании необходимости учёта надёжностных, стоимостных и временных характеристик коммуникационных элементов, а также топологии вычислительных сетей.
. Даётся методика формализации задания экспертных оценок характеристик информационно-управляющих потоков и приведение этих оценок к виду подходящему для применении в моделировании с помощью МАСП.
Практическая ценность полученных результатов заключается в разработанной методике и её математическом и программном обеспечении, позволяющих получать модели устройств СОИ АСУП, с требованиями к качеству обслуживания и производить на их основе анализ функциональности сети, а также методике задания режимов загруженности сети при нечётко заданной информации. Применение такой системы позволяет оценивать работоспособность существующей или проектируемой СОИ АСУП с поддержкой QoS и избежать необоснованных затрат на оборудование.
В первой главе работы даётся анализ предметной области исследования -СОИ АСУП на основе сетей Ethernet, описываются основные принципы функционирования механизмов качества обслуживания QoS. Определяются предварительные требования к математическому аппарату — анализ большинства отдельных механизмов обработки трафика, возможность использовать на этапе проектирования, развитый аналитический аппарат, возможность работы в условиях нечётких данных.
Во второй главе даётся описание методики анализа информационных потоков в системах обработки информации АСУП с требованиями к качеству обслуживания. В ходе анализа показывается, что ни один из известных аппаратов сетей Петри не может удовлетворить в чистом виде задачам нашего анализа. Поэтому предлагается использовать комбинированный аппарат сетей Петри — МАСП. Даётся схема механизма оценки параметров трафика, основываясь на нечеткой, лингвистически заданной его оценке.
В третьей главе описывается аппарат модифицированных атрибутных сетей Петри (МАСП). В ней приводятся описания структуры МАСП, переходов, позиций, дуг, маркеров, вводятся механизмы обработки нечеткости в позициях и переходах. Показаны правила составление я графической и описательной частей модифицированных атрибутных сетей Петри. Даны правила преобразования модифицированных атрибутных сетей Петри к классическому виду для последующего анализа моделей алгоритмами линейной алгебры. Приводятся примеры моделей механизмов обработки очередей, и некоторых общих потоковых механизмов в вычислительных сетях.
В четвёртой главе содержатся описание использованных в работе и методов матричного анализа сетей Петри методом Фаркаса, графовые потоковый алгоритм Форда-Фалькерсона, приводится описание разработанной по представленной методике программе и приведены её результаты.
Предлагаемые решения и результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на Пятом международном симпозиуме «Интеллектуальные системы» Intels 2002 МГТУ им Н.А. Баумана г. Калуга 2-4 июля 2002г.; на международной научной конференции «Информация коммуникация общество» Санкт-Петербургского электротехнического государственного университета г. Санкт-Петербург 12-13 ноября 2002г.; на II международной научно-технической конференции «Повышение эффективности теплообменных процессов и систем» г. Вологда, ВоГТУ, 19-22 апреля 2000г.; на международной научно-технической конференции «Информатизация процессов формирования открытых систем на основе СУБД, САПР, АСНИ и искусственного интеллекта» г. Вологда, 25-27 июня 2003г.; на международной научно-технической конференции «Информатизация процессов формирования открытых систем на основе СУБД, САПР, АСНИ и искусственного интеллекта» г. Вологда, 26-28 июня 2001г.; на других научно-технических конференциях Вологодского # государственного технического университета г. Вологда 1999-2003 г.
По теме диссертационной работы опубликовано 10 печатных работ, из них 7 на международных конференциях НТК.
