Содержание к диссертации
Введение
1 Микропроцессорный терминал в системе передачи метеоданных как объект исследования 12
1.1 Постановка задачи 12
1.1.1 Организация системы передачи метеоданных 12
1.1.2 Анализ особенностей передачи метеоданных для труднодоступных объектов 16
1.1.3 Зависимость критериев выбора алгоритма передачи метеоданных от типа передаваемой информации 17
1.1.4 Неравномерность загрузки каналов связи ...20
1.2 Анализ существующих аналогичных систем и комплексов 21
1.2.1 Анализ решений, осуществлённых в существующих системах 25
1.3 Предложения по повышению эффективности управления процессом
передачи метеоданных 26
1.3.1 Существующая (не модифицированная) структура программного обеспечения ВИП-МК 27
1.3.2 Модифицированная структура программного обеспечения ВИП-МК .; 28
2 Исследование системы передачи метеоданных и алгоритмов функционирования: абонентского терминала . 30
2.1 Построение модели исследуемой системы 30
2.1.1 Требования к модели исследуемой системы и её структура. 30
2.2 Формализация основных процессов каналов связи 34
2.2.1 Исследование характеристик каналов связи 34
2.212 Особенности передачи метеоданных на труднодоступных метеостанциях 43
2.2.3 Способы сбора информации с абонентов 44
2.2.4 Классификация каналов связи 46-
2.2.5 Количественные характеристики каналов связи.. ..50
2.2.6 Динамическаяоценка качества каналов связи. ...53
2.2.7 Оценка стоимости и времени передачи сообщения;... 1...59
2.2.8 Исследование динамической оценки?качества канала связи. 60
2.2.9 Способ прогнозированияхостояния каналов связи, качество связи которых изменяется периодически 66
2.2.10 Классификация сообщений, содержащих метеоданные. 69
2.3 Зависимость алгоритмов передачи метеоданных от категории срочности 84
2.4 Разработка алгоритмов управления каналами передачи мётеоданных 85
2.4.1 Декомпозиция задачи управления передачей данных 85
2.4.2 Динамическая оценка качества каналов связи 85
2.4.3 Классификация передаваемых сообщений 88
2.4.4 Выбор алгоритма передачи сообщения 90
2.4.5 Анализ особенностей алгоритма передачи метеосообщений 90
2.5 Алгоритмы передачи сообщений различных категорий срочности 92
2.6 Выводы по главе 2 94
3 Программная реализация алгоритмов 96
3.1 Анализ и обоснование выбора средств разработки 96
3.2 Принципы построения программного обеспечения микропроцессорного терминала ВИП-МК 100
3.3 Способ организации межпрограммного взаимодействия 104
3.3.1 Выбор способов межпрограммного взаимодействия 104
3.3.2 Требования к системе межпрограммного взаимодействия ВИП-МК 106
3.3.3 Способ межпрограммного взаимодействия ВИП-МК 106
3.4 Выводы по главе 3 109
4 Верификация разработанного программного обеспечения 111
4.1 Оценка работоспособности программных средств 111
4.1.1 Верификация программы классификации сообщений meteoclass 111
4.1.2 Верификация программы выбора алгоритма.передачи сообщения meteosend 113
4.1.3 Верификация программы динамической оценки состояния каналов связи meteostat 115
4.2 Выводы по главы 4 122
Заключение 123
Список сокращений и определений 125
Список использованных источников 129
Приложение 137
- Анализ существующих аналогичных систем и комплексов
- Формализация основных процессов каналов связи
- Принципы построения программного обеспечения микропроцессорного терминала ВИП-МК
- Верификация программы выбора алгоритма.передачи сообщения meteosend
Введение к работе
Актуальность работы.
Системы автоматизации сбора и передачи метеоданных являются важным звеном в общей технологии получения достоверных исходных данных с низовой сети метеостанций.
Абонентами нижнего уровня одной из широко используемых систем — «АПС-Метео» [1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10] — являются специализированные микропроцессорные терминалы семейства ВИП [2, 6, 7, 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17]. Эти терминалы используются в качестве базовых устройств, позволяют организовать удобный ввод данных пользователем, обеспечивают работу в автоматическом или полуавтоматическом режимах формирования метеосообщений. Для повышения надёжности доставки метеосообщений, микропроцессорный-терминал имеет несколько типов каналов связи, различных по своим характеристикам (скорости, надёжности, стоимости и т. п.). В связи с большим количеством абонентов, территориальной распределенностью, разнородностью каналов связи, возникает задача повышения эффективности сбора метеосообщений по некоторым заданным критериям, например минимальной стоимости передачи метеосообщения, минимального времени доставки метеосообщения.
Одним из вариантов решения поставленной задачи является обеспечение динамической адаптации вычислительного процесса управления каналами связи-^ к меняющемуся во времени качеству каналов. Под термином* «динамическая адаптация» понимается настройка, параметров программных средств- микропроцессорного терминала в реальном масштабе времени. Под термином- «вычислительный процесс» понимается технология взаимодействия, программных средств микропроцессорного терминала, обеспечивающая решение поставленной задачи.
Надёжность канала связи характеризуется параметром, называемым «качество канала связи».
Широкое распространение в гидрометеослужбах России, а так же Узбекистане и Таджикистане получили многофункциональные интеллектуальные микропроцессорные терминалы семейства BPffl (ВИП-М и ВИП-МК), являющиеся специализированными микрокомпьютерами, обеспечивающими передачу сообщений по различным каналам связи.
Терминалы семейства ВИЛ прошли в своём развитии несколько этапов:
серия ВИЛ — аппаратно-программная реализация режимов пакетной передачи данных по KB, УКВ радиоканалам;
серия ВИП-М — аппаратно-программная реализация режимов пакетной передачи данных с использованием различных каналов связи (телефонный, телеграфный, спутниковые каналы систем «ГОНЕЦ» и «ГлобалСтар»);
серия ВИП-МК (см. ПРИЛОЖЕНИЕ А) — поддержка Internet-каналов связи (локальной сети, GPRS, Inmarsat BGAN и других), реализация специализированных микрокомпьютеров с POSIX-совместимой операционной системой Linux.
Создание новых алгоритмов динамической адаптации вычислительного процесса управления каналами связи является актуальной задачей, поскольку её решение позволяет осуществить автоматическую настройку параметров передачи метеосообщения и, как следствие, повысить эффективность работы как отдельного микропроцессорного терминала так и системы передачи метеоданных в целом.
Цель работы и задачи диссертации.
Целью диссертационной работы является исследование проблем, разработка алгоритмов и программных средств повышения эффективности передачи метеоданных микропроцессорным терминалом за счёт динамической адаптации вычислительного процесса к изменяющемуся состоянию каналов связи.
Для реализации поставленной цели в диссертационной работе сформулированы и решены следующие задачи:
разработка способов и алгоритмов динамической оценки качества каналов связи, не зависящих от физической природы канала;
разработка способов адаптивного выбора алгоритма для передачи метеосообщения, основанного на вычислении динамической оценки качества каналов связи;
разработка алгоритма автоматической классификации метеосообщений и определения критерия выбора алгоритма передачи;
разработка новой структуры программного обеспечения (ПО) и специализированного ПО с функциями динамической оценки качества каналов связи, классификации метеосообщений и адаптивного выбора алгоритма передачи каждого конкретного метеосообщения;
верификация разработанного алгоритмического и программного обеспечения в составе микропроцессорного терминала.
Методы исследований.
При проведении исследований и разработке алгоритмического и программного обеспечения в диссертационной работе использованы методы теории информации, теории алгоритмов, теории вероятностей; теории программирования.
Апробация работы.
Основные результаты работы докладывались и обсуждались на следующих конференциях:
молодежь и современные информационные технологии. V Всероссийская научно-практическая конференции студентов, аспирантов и молодых учёных - Томск, 27 февраля - 1 марта 2007;
молодежь и современные информационные технологии. VI Всероссийская научно-практическая конференции студентов, аспирантов и молодых учёных - Томск, 26-28 февраля 2008.
Программное обеспечение, реализующее разработанные алгоритмы, внедрено в составе широко тиражируемого микропроцессорного терминала ВРШ-МК, разработанного инновационно-технологическим предприятием ООО «ИНКОМ», в рамках следующих программ и проектов:
программы РФФИ № 05-07-98006 «Разработка и создание аппаратно-программного комплекса сбора,, обработки и передачи гидрометеорологической информации для Кустового информационного центра»;
Федеральной целевой программы «Снижение рисков и смягчение последствий чрезвычайных ситуаций природного и техногенного характера в Российской Федерации до 2010 года», мероприятие 21;
проекта МБРР RHM/1/B.l.a «Модернизация и техническое перевооружение учреждений и организаций Росгидромета»..
Программное обеспечение, разработанное на основе подходов, предложенных в диссертации,. внедрено более чем на четырёхстах объектах Росгидромета.
По результатам исследований опубликовано 7 работ, в том числе 4 в? изданиях, рекомендованных ВАК.
Далее кратко изложено основное содержание диссертационной работы.
В первой главе проведён анализ особенностей, отличающих системы передачи метеоданных от других подобных систем.
Сформулирована в общем виде основная задача, решаемая системой передачи метеоданных при передаче метеосообщения: «адаптивный выбор алгоритма передачи метеосообщения, производящийся на основании класса срочности метеосообщения и динамической оценки качества каналов связи».
На основе анализа существующих многоканальных систем передачи данных сделан к вывод об отсутствии аппаратно-программных средств, позволяющих решить задачу автоматического выбора алгоритма передачи метеоданных. В следствие этого предложены основные требования по модификации структуры программного обеспечения микропроцессорного терминала ВИП-МК.
Вторая глава посвящена разработке модели системы, передачи метеоданных и, алгоритмов функционирования абонентов этой системы.
На основе анализа структуры системы передачи метеоданных сделан вывод о том, что способ доставки метеосообщений инвариантен к маршруту в том смысле, что абонент-источник и абонент-приёмнк — фиксированы. Абонент-источник всегда передаёт метеоданные одному и тому же абоненту-приёмнику независимо от того какой из каналов связи выбран для передачи.
Под структурой системы передачи метеоданных понимается совокупность связей между абонентами данной системы.
На основе анализа форматов метеосообщений, предложен способ определения типа (формата) метеосообщений, формируемых как пользователями, так и автоматически.
Для классификации метеосообщений по категории срочности' (регламентируемое сроком, регламентируемое экстренное, прочее) предложен способ классификации метеосообщений по категории срочности. В основу способа
положен комплексный анализ метаданных метеосообщения, его содержимого и регламента отправки метеосообщений.
Предложен способ динамической оценки качества каналов связи для расчёта ожидаемой стоимости и времени передачи метеосообщения. В основу данного способа положено накопление статистической информации о качестве каждого канала связи.
Предложен способ прогнозирования периодически изменяющегося состояния каналов связи, основанный на сборе статистической информации, применяемый для расчёта ожидаемой стоимости и времени передачи метеосообщения.
Разработан общий алгоритм управления каналами связи. Алгоритм основан на предложенных способах определения типа метеосообщения, прогнозирования периодически изменяющегося состояния каналов связи, разработанных алгоритмах расчета ожидаемых времени и стоимости передаваемого метеосообщения.
В третьей главе производится обоснование выбора средств разработки, обоснование и описание структуры программного обеспечения.
Определяются функции программного обеспечения с учётом особенностей эксплуатации микропроцессорного терминала, на основе которых производится выбор средств разработки, структуры, программного обеспечения и средств межпрограммного обмена.
Исходя из аппаратных особенностей ВИП-МК и особенностей используемой1 операционной системы Linux, предложено использовать в качестве средств разработки компиляторы языков С и C++. На основании анализа информации по существующим компиляторам выбран программный пакет — коллекция компиляторов gcc. Разработанные алгоритмы реализованы на языках С и C++. Общий объём программного кода составляет 63207 условных строк.
С целью повышения надёжности работы программного обеспечения предложен оригинальный способ межпрограммного обмена сообщениями, отвечающий следующим требованиям:
терминал должен обеспечивать работоспособность ПО в жёстких условиях, в которых возможно случайное отключение питающей сети;
межпрограммные сообщения должны быть обработаны после восстановления питающей сети и загрузки программного обеспечения. (Требование дообработки сообщений при восстановлении работоспособности).
В четвёртой главе описывается технология верификации программного обеспечения и результаты тестов каждой из разработанных программ в отдельности и комплексного тестирования программного обеспечения.
Технология верификации заключается в проведении серии тестов на множестве входных данных и сравнении результата работы программы с эталонным, рассчитанным на основании входных данных заранее без использования тестируемой программы.
Получены следующие результаты, обладающие научной новизной.
Созданы новые алгоритмы динамической оценки качества каналов связи, позволяющие адаптировать вычислительный процесс к изменяющемуся во времени качеству каналов связи на основе статистической информации вне зависимости от физической природы канала.
Разработан новый способ адаптивного выбора алгоритма для передачи сообщения, ориентированный на передачу метеоданных.
Применены новые алгоритмы расчёта ожидаемой стоимости и времени передачи метеосообщения по выбранному каналу связи при заданной вероятности ошибки передачи единицы информации по этому каналу.
Разработана оригинальная структура специализированного программного обеспечения интеллектуального микропроцессорного терминала ВИП-
МК, обеспечивающая унификацию интерфейса между разнородными
программными модулями.
Практическая ценность результатов работы.
Разработанные алгоритмы обеспечивают динамическую адаптацию вычислительного процесса терминала ВИП-МК, управляющего передачей данных по каналам связи, к изменяющемуся во времени качеству каналов.
Разработанные алгоритмы классификации метеосообщений позволяют однозначно классифицировать метеосообщение несколькими способами. Возможность выбора способа классификации метеосообщений позволяет использовать разработанные алгоритмы как на автоматических, так и на автоматизированных метеостанциях и метеопостах.
Разработанные способы расчёта ожидаемых стоимости и времени передачи метеосообщения в сочетании с алгоритмами динамической оценки качества каналов связи позволяют выбрать алгоритм передачи для каждого отдельного метеосообщения.
Программное обеспечение, реализующее разработанные алгоритмы, внедрено в составе широко тиражируемого микропроцессорного терминала ВИП-МК, разработанного инновационно-технологическим предприятием ООО «ИНКОМ», в рамках следующих программ: программе РФФИ № 05-07-98006 «Разработка и создание аппаратно-программного комплекса сбора, обработки и передачи гидрометеорологической информации для Кустового информационного центра»; Федеральной целевой программе «Снижение рисков и смягчение последствий .чрезвычайных ситуаций природного и техногенного характера в Российской Федерации до 2010 года», мероприятие 21; а так же в рамках проекта RHM/1/B.lla «Модернизация и техническое перевооружение учреждений и организаций Росгидромета». Программное обеспечение, разработанное на основе подходов, предложенных в диссертации, внедрено более чем на четырёхстах объектах Росгидромета.
Анализ существующих аналогичных систем и комплексов
Рассматриваются некоторые системы, аналогичные системе передачи гидрометеорологических данных в смысле использования нескольких разнородных каналов связи для передачи информации с целью выявления особенностей этих систем. Комплекс метеорологический малый МК—26 [19] производится ЗАО НТЦ «Гидромет» и предназначен для измерения метеорологических и гидрологических параметров и передачи их потребителю. Связь комплекса с потребителем информации осуществляется по сотовому каналу связи посредством GPRS-модема по протоколу FTP, либо непосредственно через интерфейс RS32 по протоколу MODBUS-RTU. При связи по протоколу FTP данные помещаются на FTP-сервер в виде файла специального формата. При очевидных достоинствах комплекса МК-26 — широком диапазоне измеряемых параметров, простоте в эксплуатации и настройке — имеется существенный недостаток: отсутствует резервирование каналов и досылка данных при потере связи. В связи с этим, применение комплекса невозможно при отсутствии сотовой связи или аппаратуры, адаптирующий комплекс к иным каналам связи. Система гидрометеорологических измерений MAWS301 . [20] производится фирмой VAISALA и предназначена для для измерения метеорологических и гидрологических параметров и передачи, их потребителю по различным каналам связи.
Система MAWS301 позволяет передавать данные по нескольким каналам каналам связи: спутниковым — GOES, METEOSAT, Inmarsat-C, Argos/SCD, Iridium, Autotrac; проводным — RS232, RS485 bus, Fixed line, PSTN, LAN, MODBUS; беспроводным — GSM, GPRS, CDMA, UHF VHF ISM. Несмотря на большое разнообразие поддерживаемых каналов связи и возможность одновременного использования нескольких из них, в данной системе отсутствует автоматическая поддержка резервирования каналов. Отсутствие автоматического резервирования каналов делает систему непригодной для эксплуатации в тех случаях, когда возможно пропадание связи на время, превышающее время актуальности измеренных данных. Автоматизированная система централизованного наблюдения «КРОНОС-СК» [21] является комплексным решением в сфере организации систем охранно-пожарной сигнализации. Система предназначена для двухсторонней передачи информации между пультом централизованного наблюдения ПЦН и контролируемыми объектами в целях телесигнализации и телеуправления объектами.
В системе «КРОНОС-СК» используются каналы связи УКВ и GSM. Кроме того, для связи неподвижных ретрансляторов с пультом централизованного наблюдения могут использоваться телефонные линии. Наряду с уникальными характеристиками данной системы в области передачи данных наблюдения от удалённых объектов на пульт централизованного наблюдения, ей присущи некоторые недостатки: повышение надёжности достигается путём нескольких повторов передачи метеосообщения, что неприемлемо при выходе канала связи из строя, а так же отсутствуют средства автоматического перехода на исправный канал, в случае, когда объект наблюдения имеет несколько каналов связи. Система мониторинга подвижных объектов «КУПОЛ» [22] служит для обеспечения эффективного оперативного управления группами быстрого реагирования, технологическим транспортом. Система «Купол» производит определение координат и параметров движения отслеживаемого объекта с помощью спутниковой системы GPS, передачу их на пульт центрального наблюдения и отображение информации в графическом виде на мониторе диспетчера ПЦН. При осуществлении охранной деятельности отображение местоположения и параметров движения группами быстрого реагирования на карте местности позволяет обеспечить принятие правильного решения диспетчером и, тем самым, минимизировать время прибытия групп на охраняемый объект. Данная система обладает рядом неоспоримых преимуществ: широким диапазоном охраняемых объектов, в системе имеется резервирование путём одновременного использования нескольких каналов связи — УКВ, GPRS, GSM. Недостатком данной системы является отсутствие автоматизации выбора режима работы (по одному каналу связи, по нескольким, автоматическое переключение на резерв). Это приводит либо к снижению надёжности системы из-за отключения резервных каналов, либо к увеличению стоимости обслуживания системы, вызванной тем, что резервные каналы используются постоянно. Интегрированная система документированной связи и обработки информации «АПС-Метео». производимая группой компаний «ИНКОМ» [1, 6, 10], служит для организации автоматизированного сбора информации от гидрометеорологических станций и постов и передачи её в центры сбора данных.
Система «АПС-Метео» является на сегодняшний день одной из наиболее развитых систем сбора и передачи метеоданных, включающей в себя уровни метеостанции и ЦСД, позволяющий поддерживать различные форматы представления метеоданных — как стандартные (ГАО, ГМС, ВМО), так и специфические форматы автоматических метеостанций. Функционально система «АПС-Метео» делится на два уровня: АПК-ЦСД - аппаратно-программный комплекс для центра сбора данных (как правило, размещается в управлениях или территориальных гидрометеоцентрах); АПК-МЕТЕО - аппаратно-программный комплекс для метеостанций. Нижний уровень системы «АПС-Метео» комплекс «АПК-МЕТЕО» строится на базе персональных компьютеров или микропроцессорных терминалов семейства, ВИЛ (ВИП-М, ВИП-МК). Микропроцессорные терминалы, используются главным образом на тех труднодоступных и автоматических метеостанциях, на которых по условиям эксплуатации невозможно установить.персональный компьютер; Микропроцессорные терминалы семейства ВИП, используемые в системе «АПС-Метео», помимо неоспоримых достоинств, таких как нетребовательность к энергетическим ресурсам, поддержка большого числа различных типов каналов связи — радио, интернет, спутниковых, сотовых - обладают рядом недостатков, свойственных так же рассмотренным ранее системам и устройствам
Формализация основных процессов каналов связи
Анализ используемых в системах передачи метеоданных каналов связи проведён на основании материала изложенного в [24, 25, 26, 27, 28, 29, 30, 31]. Спутниковая система "Гонец". Основные виды услуг, предоставляемые системой: обмен данными между абонентами, находящимися в любой точке Земного шара; определение местоположения транспортного средства, контроль состояния перевозимого груза и передача этой информации в центр управления движением, двусторонняя связь с транспортным средством; сбор информации от датчиков сетей экологического и промышленного мониторинга; доставка всем терминалам системы или группе терминалов циркулярных сообщений: важнейших новостей, прогнозов погоды, информации о дорогах и т.д. Сообщения могут передаваться в двух режимах: в масштабе времени, близком к реальному, когда отправитель и получатель сообщений находятся одновременно в зоне радиовидимости космического аппарата (КА); в режиме "электронная почта" с запоминанием и хранением сообщений на борту и переносом сообщения спутником в зону расположения получателя, когда отправитель и получатель сообщений расположены в различных зонах. Основные характеристики обслуживания в системе "Гонец - Д1": 1. Организуется связь в направлениях: от группы пользователей в центр управления этой группы; циркулярная и индивидуальная доставка от центра пользователям; в ограниченном объеме прямые личные телекоммуникации. 2. Используемый диапазон частот 259,0-264,5 МГц. 3. Число обслуживаемых терминалов до 4000-10000 тысяч в зависимости от интенсивности обращения в систему и режима обслуживания. 4. Пропускная способность спутниковых каналов для группировки из 6 спутников 100 Мбит в сутки. 5. Время ожидания спутника (сеанса связи) до 3 часов. 6.
Время доставки информации 1-2 минуты при расположении отправителя и получателя в общей зоне обслуживания (до 1000 км). 7. Вероятность ошибки на двоичный символ данных 10"6. В системе «Гонец» обмен информации между абонентами происходит за счёт передачи коротких однопакетных сообщений (256 символов и менее). Оборудование и программное обеспечение космических аппаратов и абонентских терминалов спроектировано таким образом, что для работы системы не требуется непрерывное нахождение абонентов в зоне радиовидимости космического аппарата. При отсутствии радиовидимости сообщение буферизуется в абонентском терминале или в космическом аппарате и передаётся при первой предоставившейся возможности. Когда отправитель и получатель сообщения находятся в зоне действия одной и той же региональной станции, сообщение передаётся непосредственно между их терминалами и космическим аппаратом. Когда регионы отправителя и получателя разные, сообщение передаётся от отправителя через космический аппарат на свою региональную станцию, далее через наземный канал связи на региональную станцию получателя, и далее оттуда через космический аппарат на абонентский терминал получателя. Время доставки сообщения в настоящее время составляет от одной-двух минут, если отправитель и получатель находятся в зоне видимости одного КА, до 6 часов.
По мере дальнейшего развёртывания орбитальной группировки, максимальное время доставки сообщения должно сокращаться. Система спутниковой связи Inmarsat BGAN. Широкополосная сеть Инмарсат (Inmarsat) BGAN - это новая мобильная спутниковая система, обеспечивающая высокоскоростную передачу данных (на скоростях до 492 кбит/с), высококачественную телефонную связь, а также прием/передачу факсимильных сообщений. Она работает в самой удаленной точке Земли, где нет ни стандартных телефонных сетей общего пользования, ни сотовой связи. Сеть Inmarsat BGAN функционирует на базе новейших геостационарных спутников Inmarsat 1-4. Основные отличительные особенности спутниковой системы Inmarsat BGAN: пакетная и потоковая передача данных на скоростях до 492 кбит/с. Вне зависимости от местонахождения, пользователь может быть уверен, что загрузка 10-мегабайтного файла займет не более 5-6 минут; в режиме пакетной передачи данных пользователь постоянно находиться в состоянии подключения с оплатой услуг связи согласно переданным (и полученным) объемам данных без оплаты времени простоя; отсутствуют задержки в установлении соединения; доступ к частным корпоративным сетям (VPN); высокоскоростной доступ в интернет; телефонная и факсимильная связь; работа в синхронном (дуплексном) режиме; возможность отправки SMS с терминала и приема на терминал. Среди ключевых достоинства, выделяющих систему BGAN среди других видов мобильных спутниковых систем передачи данных, следует отметить: широкое покрытие земной поверхности - порядка 82%; высокая скорость передачи данных - до 492 кбит/с; небольшой размер терминалов; простота в эксплуатации; высокая конфеденциальность передачи и хранения информации - BGAN поддерживает наиболее жесткие стандарты защиты информации. Передача данных осуществляется в пакетном и потоковом режимах.
Принципы построения программного обеспечения микропроцессорного терминала ВИП-МК
В настоящее время можно выделить два крайних подхода к созданию ПО [46, 57, 58]: все задачи прикладного уровня выполняет одна монолитная, выполненная в виде одного запускаемого файла, программа («монолитный» подход к разработке ПО); задача разбивается на подзадачи, каждая из которых реализуется в виде отдельной программы («атомарный» подход к разработке ПО).
Каждый из названных подходов имеет свои преимущества и недостатки. «Монолитный» подход к созданию программного обеспечения имеет то преимущество, что исполняемый файл получается меньшего объёма и выполняется быстрее, чем при разбиении задачи на несколько взаимодействующих программ. Это обусловлено, что тем, что межпрограммное взаимодействие требует дополнительных ресурсов процессорного времени и памяти. К недостаткам «монолитного» подхода относятся: необходимость всего ПО при изменении любой функции, а так же трудности, связанные с отладкой программ.
«Атомарный» подход к созданию программного обеспечения имеет такие преимущества как простоту отладки и лёгкую перенастройку ПО, но, как уже отмечалось, требует больше временных ресурсов процессора и ресурсов памяти.
В процессе реализации алгоритмов в виде программного обеспечения для микропроцессорного терминала ВИП-МК были выработаны и использованы принципы, приведённые ниже [59, 60, 61, 62, 63, 64, 65].
«Модульность». Данный принцип заключается в разбиении задачи на ряд логически законченных задач-модулей, которые имеют унифицированный интерфейс обмена. Достоинство такого принципа — возможность разрабатывать каждую задачу отдельно, а так же изменять реализацию отдельных подзадач, независимо от остальных. При этом унифицированный интерфейс межмодульного обмена сохраняется вне зависимости от того — используются ли модули в виде одной «монолитной» программы или реализованы в виде отдельных программ. Это позволяет, при необходимости, отлаживать каждый модуль в виде законченной программы, а затем компилировать несколько модулей в единый исполняемый файл.
«Одна задача — одна программа». Принцип заключается в том, что каждая логически законченная задача-модуль (или несколько тесно связанных задач) реализуется в виде законченной программы. Это позволяет повысить безопасность работы системы в целом и ускоряет локализацию проблемных мест при возникновении сбоев.
«Обмен посредством файловой системы». Такой способ организации интерфейса выбран исходя из соображений наибольшей универсальности. Каждое сообщение, которое одна программа-модуль посылает другой программе-модулю, сохраняется в виде файла в файловой системе ВИП-МК. Каждая программа-модуль имеет специальные каталоги для приёма сообщений от других программ. Данный способ обмена данными обладает рядом недостатков, например, более низкой скоростью обмена, чем другие, но выбор произведён исходя из соображений универсальности и безопасности.
«Метаданные в именах этих файлов». Метаданные файлов-сообщений, находятся в именах этих файлов. Это позволяет использовать функции операционной системы для работы с файлами-сообщениями и не пользоваться специальными серверами баз данных, что уменьшает требования к ресурсам, необходимым для работы специализированного программного обеспечения. Программное обеспечение имеет структуру, соответствующую приведённой на рис. 1.4. Подробная структура приведена на рис.3.2.
Программное обеспечение управления каналами связи выполнено в виде нескольких программ, каждая из которых включает несколько программных модулей.
Программа meteoclass включает в себя модуль определения типа сообщения и модуль классификации сообщений по категории срочности. Входные данные для программы meteoclass : исходное сообщение, его тип, таблица сроков, таблица экстренных сообщений и текущее время. Выходные данные — тип и класс срочности сообщения.
Программа meteosend включает в себя модуль выбора алгоритма передачи сообщения, программные модули реализующие каждый из возможных алгоритмов передачи сообщения и модуль оценки стоимости и времени передачи сообщения. Входные данные для программы meteosend: таблица описания каналов связи, тип и класс срочности сообщения. Выходные данные: номера каналов, по которым производится передача сообщения. Программа принимает решение на основе алгоритма управления каналами связи и ставит сообщение на передачу по выбранным каналам.
Программа meteostat включает в себя модуль сбора статистической информации и модуль прогнозирования состояния каналов связи. Данные, используемые программой meteostat: данные о результатах каждой передачи по каждому каналу связи, таблица статистических данных, корректируемая при получении результатов передачи, таблица описания каналов связи, так же корректируемая при получении результатов передачи.
Обмен данными между программами производится с помощью файлов-сообщений определённого формата, имя которых содержит метаданные сообщения.
Достоинства такого способа межпрограммного взаимодействия:максимальная безопасность. Достигается за счёт того, программы не имеют общих участков памяти и, следовательно, одна программа не может повредить другую; текстовый формат файла позволяет передавать произвольную информацию, причём программа-приёмник информации извлекает только нужную;
Верификация программы выбора алгоритма.передачи сообщения meteosend
Программа meteosend включает в себя модуль выбора алгоритма передачи сообщения, программные модули реализующие каждый из возможных алгоритмов передачи сообщения и модуль оценки стоимости и времени передачи сообщения. В качестве входных данных для программы meteosend использовалось: Класс срочности сообщения; Описание каналов связи в виде таблицы, содержащей для каждого из каналов связи: - Ktype - код типа канала связи (тип канала связи); - РеггОк - динамическая оценка качества канала связи в текущий момент времени; - V0 - скорость обмена данными по каналу связи при отсутствии ошибок; - Ck{L) - зависимость стоимости использования канала связи к от объёма переданной информации при отсутствии ошибок передачи; - Ck(t) - зависимость стоимости использования канала связи к от длительности сеанса связи при отсутствии ошибок передачи; - tK - константа для данного канала связи, определяемая типом канала; - Саб - абонентская плата за пользование каналом связи определённый период времени; - La0 - максимально возможное количество данных, которое возможно передать по каналу связи за период времени, определяемый абонентской платой. Верификация программы meteosend произведена с целью определения корректности выбора алгоритма передачи сообщения при различных характеристиках каналов связи и категории срочности сообщения. Часть результатов верификации программы meteosend приведена в табл. 4.2. Стоимость С к (табл.4.3) определяется как константа и рассчитывается для каналов, тарифицируемых по объёму как Ct(/)=/ Cw , для каналов тарифицируемых по времени как QU U+ J . Результаты верификации, часть которых приведена в табл.4.2, позволяют заключить, что программа выбора алгоритма передачи сообщения корректно осуществляет выбор каналов связи в соответствии с алгоритмом, определённым на основании входных данных. Программа meteostat является ключевой для реализации алгоритма динамической адаптации вычислительного процесса к изменяющемуся состоянию каналов связи. Динамическая качества оценка каналов связи, полученная в результате работы этой программы, определяет принятие решения о выборе того или иного алгоритма передачи сообщения. Верификация программы meteostat произведена с целью определения корректности определения динамической оценки состояния каналов связи. Верификация производилось для различного количества измерений состояния каналов связи Nизм ; Ю, 50, 100, средней длине сообщения Lm } изменяющейся в пределах от 16 до 40 случайным образом и заданной ВерОЯТНОСТИ Ошибки Передачи СООбщеНИЯ Реггк . Часть результатов верификации программы meteostai приведена в табл.4.4.
В качестве входных данных для программы meteostat использовались: данные о результатах каждой передачи по каждому каналу связи; таблица, содержащая для каждого канала связи последние Nизм измерений; таблица каналов связи, содержащая динамическую оценку качества канала связи в текущий момент времени PerrOk . Результаты работы программы meteostat представлены в графическом виде на рис. 4.1, рис. 4.2 и рис. 4.3. Сравнение графиков на рис. 4.1, рис. 4.2 и рис. 4.3 позволяет заключить, что с ростом числа измерений вид графика приближается к прямой, то есть к идеальному случаю. С целью определения практически целесообразного числа измерений Nизм было проведено исследование, в результате которого выяснено, что выбор числа измерений Nизм больше 100 представляется нецелесообразным, поскольку не несёт существенного увеличения точности определения динамической оценки канала связи.
Наглядно это можно увидеть, сопоставив графики на рис. 4.2 и рис. 4.3. определения оценки увеличивается с ростом числа измерений N изм , используемых для расчёта динамической оценки каналов связи Реггок . На основе результатов проведения верификации программного обеспечения сделаны следующие выводы: 4.2.1 Программа классификации сообщений meteoclass корректно определяет как тип сообщения, так и его категорию срочности на основании следующих входных данных: текущего времени tr и таблицы STBL , содержащей описания (шаблоны) каждого из типов сообщений, время начало срока t , и время актуальности данных сообщения Ка . Программа корректно обрабатывает ситуацию, когда на вход поступает не соответствующее ни одному из описанных в таблицы STBL форматов (сообщении с ошибкой). 4.2.2 Программа выбора алгоритма передачи сообщения meteosend корректно осуществляет выбор каналов связи в соответствии с алгоритмом, определённым на основании входных данных. 4.2.3
Программа динамической оценки качества каналов связи meteostat сделан вывод, что программа корректно вычисляет величину динамической оценки Рсггок . Точность определения оценки увеличивается с ростом числа измерений Nиш , используемых для расчёта динамической оценки каналов связи Реггок .
![Коррекция программ адаптации в управлении системными эффектами алкоголя [Электронный ресурс]](/i/i/4293/168208.png "Коррекция программ адаптации в управлении системными эффектами алкоголя [Электронный ресурс] Гальцев Александр Сергеевич")
