Введение к работе
Актуальность темы. Интенсивное развитие информационных технологий и широкое внедрение реализующих их автоматизированных систем обработки информации и управления (АСОИиУ) практически во все сферы человеческой деятельности, увеличение объемов и сложности осуществляемых ими преобразований информации требуют обеспечения соответствующего уровня надежности и достоверности выполняемых преобразований. Особую остроту вопросы обеспечения и поддержания высокого уровня надежности и достоверности функционирования приобретают для систем управления наиболее ответственными объектами и процессами - систем критических приложений (энергетика, транспорт, экология, оборона и т.д.), для которых ошибки в функционировании могут привести к тяжелым или катастрофическим последствиям.
Опыт эксплуатации АСОИиУ свидетельствует о том, что наиболее подверженными влиянию причин возникновения ошибок являются каналы передачи данных и запоминающие устройства (каналы хранения данных), для которых самым адекватным аппаратом обеспечения их отказоустойчивости и, следовательно, достоверности функционирования является помехоустойчивое кодирование данных.
Анализ разработанного к настоящему времени достаточно обширного арсенала методов и средств кодовой зашиты позволяет заключить, что среди них нет достаточно эффективных кодов, исправляющих многократные ошибки.
В то же время практика вплотную подошла к более высокому уровню требований по надежности и достоверности передачи и хранения данных - необходимости исправления в данных двух, трех, а в ряде случаев и большей кратности ошибок.
С учетом вышеизложенного тема работы, посвященная разработке и исследованию методов обнаружения и коррекции возможных в каналах передачи и хранения данных многократных ошибок, является актуальной как в научном, так и в прикладном аспектах.
Объектом исследования являются дискретные каналы передачи и хранения данных АСОИиУ.
Предметом исследования являются вопросы обеспечения и поддержания надежности и отказоустойчивости и, следовательно, достоверности функционирования дискретных каналов передачи и хранения данных АСОИиУ.
Целью диссертационной работы является разработка и исследование эффективных методов и алгоритмов обнаружения и коррекции в каналах передачи и хранения данных возможных многократных ошибок, позволяющих снизить сложности функционирования соответствующих каналов.
Для достижения поставленной цели решались следующие частные задачи:
1. Анализ причин возникновения и характеристик ошибок в дискретных каналах передачи и хранения данных. Исследование влияния конструк-торско-технологических и эксплуатационных параметров и факторов на кратность ошибок, возникающих в каналах передачи и хранения данных.
-
Проведение анализа существующих методов и средств кодовой защиты в каналах передачи и хранения данных, а также проведение анализа причин, ограничивающих широкомасштабное применение кодов, исправляющих многократные ошибки, в их чистом виде.
-
Разработка алгоритма формирования модели корректирующего кода, обнаруживающего и исправляющего в кодовых словах ошибки произвольной, наперед заданной кратности и исследование достоверности декодирования ошибок сформированным кодом путем моделирования его поведения при имитации в кодовых словах всех возможных комбинаций ошибок кратностей, подлежащих обнаружению и исправлению.
-
Разработка метода коррекции многократных ошибок в каналах передачи и хранения данных, основанного на делении слов на слоги и их автономном кодировании с помощью простых корректирующих кодов.
-
Разработка модели и метода обнаружения и коррекции многократных ошибок в каналах передачи и хранения данных, защищенных двумерным итеративным кодом и оптимизация параметров и характеристик модели.
-
Разработка прикладных программных средств, реализующих предложенные алгоритмы и методы коррекции многократных ошибок.
Методы проведений исследований. Для решения поставленных задач использованы методы теории надежности, теории вероятностей, комбинаторного анализа, помехоустойчивого кодирования, контроля и диагностирования цифровых устройств и систем.
Основные положения, выносимые на защиту
-
Алгоритм формирования модели корректирующего кода, обнаруживающего и исправляющего в кодовых словах ошибки произвольной, наперед заданной кратности.
-
Метод коррекции многократных ошибок в каналах передачи и хранения данных, основанный на делении слов на слоги и их автономного кодирования с помощью простых корректирующих кодов.
-
Модель и метод коррекции многократных ошибок в каналах передачи и хранения данных, основанный на кодировании данных с помощью итеративных кодов.
-
Комплекс прикладных программных средств, реализующих предложенные алгоритмы и методы коррекции многократных ошибок.
Научная новизна диссертационной работы состоит в следующем.
!. Разработан алгоритм построения модели кода, обнаруживающего и исправляющего в каналах передачи и хранения данных ошибки произвольной, наперед заданной кратности и позволяющий параллельное кодирование и декодирование. Предложенный алгоритм применен для построения корректирующих кодов: исправляющего до двух и обнаруживающего до трех ошибок, исправляющего до трех ошибок в кодовых словах, содержащих 2,4,8 и 16 информационных символов.
-
Обоснована необходимость проведения в каждом конкретном случае обстоятельного дополнительного исследования вопроса целесообразности применения кодов, исправляющих многократные ошибки в их чистом виде, поскольку между выдвигаемым практикой требованием увеличения кратности исправляемых ошибок, достоверностью и сложностью декодирования имеются существенные естественные противоречия.
-
Разработана концепция защиты каналов передачи и хранения данных от возможных многократных ошибок, отличающаяся комбинированием простых корректирующих кодов между собой, а также с некоторыми приемами и средствами, усиливающими эффект их применения. Концепция реализована в следующих моделях и методах коррекции многократных ошибок в каналах передачи и хранения данных:
-
Метод, основанный на делении слов на слоги и их автономного кодирования с помощью простых корректирующих кодов. Данный метод обладает меньшей сложностью кодирующих и декодирующих процедур среди известных аналогов корректирующих возможности.
-
Модель и метод, основанный на кодировании данных, защищенных двумерным итеративным кодом. На основе предложенной модели и разработанных алгоритмов создана программа, моделирующая процессы обнаружения и коррекции многократных ошибок в данных, представленных двумерной таблицей, позволяющая оптимизировать избыточность кода и определить скорость исполнения событий.
4. Разработан комплекс прикладных программных средств, реализую
щих предложенные алгоритмы и методы коррекции многократных ошибок.
Практическая значимость работы, В работе предложены конкретные практические решения и рекомендации, внедрение которых позволяет реализовывать параллельные методы помехоустойчивого кодирования с минимумом вычислительных затрат. Результаты исследования могут быть использованы при проектировании и изготовлении систем параллельной обработки информации, к которым предъявляются повышенные требования по надежности и достоверности работы.
Достоверность и обоснованность полученных результатов и выводов, представленных в диссертации, подтверждается обоснованным применением методов теории вероятностей, комбинаторного анализа и помехоустойчивого кодирования, совпадением теоретических вычислений и результатов машинного эксперимента, а так же подтверждается совпадением в частных случаях полученных аналитических выражений с известными.
Реализация полученных результатов работы. Программная реализации алгоритма формирования кода с заданными обнаруживающими и корректирующими возможностями и программа, моделирующая алгоритмы кодирования и декодирования данных, реализующая итеративный код прошли
экспертизу и зарегистрированы при федеральной службе по интеллектуальной собственности, патентам и товарным знакам (№ регистрации 2006612482 и 2006612481 соответственно).
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы и вопросы их практического использования докладывались и обсуждались на 8 международных и всероссийских конференциях, семинарах, основными из которых являются: Международная научно-техническая конференция и Российская научная школа молодых ученых и специалистов «Системные проблемы качества, математического моделирования, информационных, электронных и лазерных технологий» (Сочи, 2001); IV всероссийская научная конференция с международным участием молодых ученых и аспирантов «Новые информационные технологии. Разработка и аспекты применения» (Таганрог, 2001); Международная конференция и Российская научная школа «Системные проблемы качества, математического моделирования, информационных, электронных и лазерных технологий» (Москва, 2002); V всероссийская научная конференция с международным участием молодых ученых и аспирантов «Новые информационные технологии, Разработка и аспекты применения» (Таганрог, 2002); V конференция молодых ученых, (Нальчик, 2004); II Всероссийская конференция «Проблемы информатизации регионального управления» (Нальчик, 2006); II Международная конференция «Моделирование устойчивого регионального развития» (Нальчик, 2007).
Публикации. По результатам диссертационной работы опубликовано 14 работ, в том числе 8 статей, из них одна статья в научных изданиях из перечня ВАК и 2 зарегистрированные программы. Без соавторов опубликовано 6 работ.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка использованных источников и 8 приложений. Работа изложена на 157 страницах основного текста, содержит 46 рисунков, 30 таблиц, 9 страниц списка использованных источников, состоящего из 92 наименований. В приложениях приведены акты об использовании и внедрении результатов диссертации, свидетельства о регистрации программ для ЭВМ.
