Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Современные тенденции развития сетей и перспективы их использования в сетях передачи оптико-электронной информации 15
1.1 Организация процесса сбора измерительной информации при обеспечении испытаний изделий РКТ. Общие сведения 15
1.2 Назначение, цели и задачи оптико-электронного комплекса полигона 17
1.2.1 Общие сведения 17
1.2.2 Организация обработки данных оптико-электронных средств измерений 21
1.3 Программно-ориентированные сети SDN 25
1.4 Сетевые структуры для многопотоковой передачи информации. Алгоритм сетевого управления TRUMP 28
1.5 Масштабирование потоков через сети OpenFlow, оптимизация показателей качества 30
1.5.1 Введение 30
1.5.2 Оптимизация маршрутизации QoS 33
1.6 Выводы 36
Глава 2. Реализация базового канала двухфазовых сетей передачи измерительной информации с многопотоковой маршрутизацией 39
2.1 Характеристики информационных потоков 39
2.2 Модель базового канала передачи измерительной информации 41
2.3 Передача потока по агрегированному каналу 46
2.4 Получение распределения времени передачи потока на основе теории аналитических функций 48
2.5 Нахождение значений действительной и мнимой частей характеристической функции времени передачи потока 53
2.6 Расчет тракта сети передачи измерительной информации с защитой каналов 1+1 54
2.7 Нахождение характеристик времени передачи кадра 56
2.8 Основные результаты 59
Глава 3. Моделирование базовых структур передачи измерительной информации 60
3.1 Введение 60
3.2 Нахождение скрытого параллелизма протоколов для улучшения характеристик сети передачи данных оптико-электронных средств полигонного измерительного комплекса 63
3.3 Нахождение периода занятости сети передачи данных ОЭС полигонного измерительного комплекса 79
3.4 Сеть передачи измерительной информации с разделением трафика на профили 91
3.5 Основные результаты 97
Глава 4. Имитационное моделирование каналов и сети передачи данных опто-электронных средств полигонного измерительного комплекса 99
4.1 Постановка задачи имитационного моделирования 99
4.2 Проведение имитационного эксперимента (обычный и агрегированный каналы) 103
4.3 Моделирование пути в VLB-сети 114
4.4 Моделирование сети передачи данных ОЭС ПИК 119
4.5 Основные результаты 128
Глава 5. Экспериментальные расчеты фрагмента сети передачи данных оптоэлектронных измерений полигонного измерительного комплекса 130
5.1 Расчет характеристик фрагмента сети космической линии связи 131
5.2 Планирование потоков в базовом фрагменте сети передачи измерительной информации 142
5.2.1 Определение вероятностей мутации генетического алгоритма в сетях с двухфазной маршрутизацией 143
5.2.2 Нахождение числа полезных особей в популяции генетического алгоритма для планирования потоков в сетях с двухфазной маршрутизацией 147
5.3 Основные результаты 152
Заключение 153
Перечень сокращений 158
Библиографический список
- Организация обработки данных оптико-электронных средств измерений
- Получение распределения времени передачи потока на основе теории аналитических функций
- Нахождение периода занятости сети передачи данных ОЭС полигонного измерительного комплекса
- Моделирование пути в VLB-сети
Организация обработки данных оптико-электронных средств измерений
Эти средства предназначены для высокоточного определения параметров движения (дальности, радиальной скорости, угловых координат) высокодинамичных ОН (ракет, боевых ступеней, боевых блоков и космических аппаратов), а также их оптических сигнальных (отражательных и излучательных) характеристик в лазерно-локационном спектральном диапазоне работы системы в активном и пассивном режимах.
Существующие оптические и оптико-электронные средства районов выведения РН используются для определения координатных и скоростных параметров движения РН на начальной части активного участка траектории до высот начала уверенной работы радиотехнических средств измерений (РСИ). Кроме того, при необходимости проводятся совместно с РСИ измерения параметров движения ракет по излучению факелов ступеней до окончания работы двигателей, в том числе в интересах оценки по результатам фоторегистрации внешних явлений (картины полета), сопровождающих движение РН на этих участках. При этом координатные параметры движения РН определяются триангуляционным методом по результатам измерений (засечки) угловых координат с двух или более пунктов (постов), разнесенных на местности относительно контролируемого участка траектории, а скоростные параметры (составляющие вектора скорости) - посредством численного дифференцирования полученных координат.
Наряду со стационарными ОЭС, в составе ПИК для проведения ТИ используются мобильные ОЭС, построенные на шасси автомобиля повышенной проходимости и предназначенные для высокоточного измерения в реальном масштабе времени параметров траектории перемещающихся, как оснащенных оптическими уголковыми отражателями, так и площадных (самолетов, вертолетов) объектов, с их автоматическим сопровождением. В состав ОЭС могут входить: оптико-электронный теодолит, состоящий из телевизионной и тепловизионной следящих измерительных систем, лазерный импульсный дальномер, станция управления.
Задачи, решаемые оптико-электронным комплексом (ОЭК) полигона включают: получение траекторных характеристик (параметров) движения -траекторной информации (ТИ), включая пространственные координаты, составляющие линейной и угловой скоростей, углов пространственной ориентации, на заданных участках полета ракетно-космической техники (РКТ); получение оптических сигнальных (спектрометрических) измерений (СИ) РКТ в разных спектральных диапазонах на разных участках траектории; документирование визуальных изображений, процессов разрушения конструкции РКН при аварийном старте; выдачу данных измерений в каналы связи для передачи их в Центры управления и обработки.
СИ (включая спектрометрические, отражательные и излучательные характеристики объекта ЛИ) необходимы для оценки качества теплозащиты, расчета и оценки качества функционирования двигательной установки и т.п. СИ может обеспечить обнаружение предаварийного состояния двигательной установки или других элементов конструкции РН или КА, излучающих энергию в различных спектральных диапазонах, начиная от ультрафиолетового и кончая дальним ИК диапазоном. Комплекс измерений СИ обеспечивает измерения интенсивности светового излучения одновременно по нескольким объектам.
ТИ о параметрах движения объекта летных испытаний (ЛИ) используется для оценки качества работы системы управления полетом, обеспечения безопасности ЛИ на траектории движения объекта, для расчета и привязки к траекторным параметрам аэробаллистических, теплофизических, сигнальных и т.п. характеристик.
Технологический процесс получения и обработки ТИ и СИ представляет собой совокупность следующих этапов: – межсеансные работы; – подготовка измерительного эксперимента, включая метрологический контроль, априорные расчеты, планирование эксперимента; – проведение измерительного эксперимента и обработка ТИ и СИ в РВ; – послесеансная обработка данных эксперимента непосредственно измерительными системами; – полная послесеансная обработка данных на ВЦ. При проведении ЛИ функционирование средств обработки данных измери тельных систем включает их взаимодействие с вычислительным центром (ВЦ).
Организация и управление взаимодействием осуществляется ВЦ, а средства обра ботки измерительных систем обеспечивают получение, регистра цию/воспроизведение, сжатие и передачу ТИ и СИ, при условии получения необ ходимых исходных данных. Эти исходные данные получаются либо путем апри орных расчетов, либо выбором из базы данных. Исходные данные передаются с автоматизированного рабочего места (АРМ) расчета целеуказаний в центр связи. Центр связи передает данные измерительным средствам, расположенным на не большом (до 200 км) удалении от ВЦ, или по спутниковым каналам для средств, находящихся на значительном удалении от ВЦ (более 1000 км). В измерительных системах исходные данные, поступившие по каналу связи, через универсальную канальную станцию передаются в подсистемы. В процессе проведения эксперимента вся информация с измерительных средств после предварительной обработки, устраняющей всю специфику источников измерительной информации, регистрируется на носитель, обеспечивающий необходимую емкость и пропускную способность регистрации при относительно малых удельных затратах. Одновременно часть информации выделяется и через средства сбора и связи передается на ВЦ, где осуществляется обработка ТИ и СИ в РВ. Данные от системы сбора поступают на АРМ подготовки ТИ и СИ, где они запоминаются, расшифровываются и т.п., т.е. проходят обработку, обеспечивающую дальнейшую обработку ТИ и СИ на функциональных АРМ. Результаты обработки ТИ и СИ в РВ передаются в рабочую станцию отображения, где средства отображения, включая коллективные табло, отображают реальную траекторию полета объекта ЛИ на фоне карты местности для сравнения ее с расчетной. При отклонении реальной траектории от расчетной более допустимого предела выдается соответствующее сообщение в АРМ руководителя для принятия решения и в АРМ расчета ЦУ для уточнения ЦУ для тех средств, которые будут работать позже.
Получение распределения времени передачи потока на основе теории аналитических функций
Множество агрегированных каналов составляют путь (тракт) маршрутизации, который проложен от одного пограничного маршрутизатора до другого. Резервирование канала осуществляется по схеме 1+1. В момент поступления очередного кадра анализируется состояние каналов. Если оба канала работоспособны, то кадр делится на две части и каждая из них передается параллельно по двум каналам. Если только один из каналов готов к работе, то кадр передается по этому каналу. Если оба канала неработоспособны, то фиксируется отказ агрегированного канала (рис. 2.5).
Ранее была предложена модель базового канала, на основе которой могут быть рассчитаны основные характеристики этого канала: распределение времени передачи, среднее время передачи пакетов и его дисперсия. Сначала была рассмотрена модель агрегированного канала при передаче одного кадра, а потом она была расширена на случай передачи потока измерительных кадров.
Производящая функция моментов времени кадра по агрегированному каналу i определяется выражением (2.4):
По этому выражению численным методом эквивалентных упрощающих преобразований [48] находится плотность распределения вероятностей времени передачи потока по тракту между оконечными маршрутизаторами, среднее время передачи и его дисперсия.
Найдем математическое ожидание (характеризующее среднее время передачи t ) и дисперсию времени передачи пакета через агрегированный канал связи с защитой 1+1. Они необходимы для формирования целевой функции (функции полезности) генетического алгоритма.
В практическом отношении наиболее важными являются такие варианты моделирования, когда ц = 0,1; 0,175; 0,25; 0,5; 1; 2. Возьмем типичное значение по 57 стоянной составляющей задержки в канале Г = 5мс. Тогда изменение среднего времени передачи кадра по агрегированному каналу и его дисперсия в зависимости от коэффициента готовности приведены на рис. 2.6 и 2.7.
Из рис. 2.6 видно, что применение агрегирования канала позволило обеспечить незначительное уменьшение среднего времени передачи кадра в достаточно широком диапазоне изменения коэффициента готовности (от 0,5 до значений, близких к 1).
Из рис. 2.7 можно сделать вывод, что для обеспечения минимальной дисперсии (или приемлемых значений интервала «трех сигм») надо стремиться обеспечить значения // в пределах от 1 до 2 и коэффициент готовности канала порядка 0,995.
Рис. 2.7. Зависимость дисперсии времени передачи кадра от коэффициента готовности канала
Для функционирования генетического алгоритма оптимизации структуры и параметров СПД ОЭC с двухфазной, многопутевой маршрутизацией нужно знать временные характеристики при передаче кадров на путях между различными маршрутизаторами. Для этой цели удобно использовать среднее время передачи и дисперсию, по которой можно оценить «джиттер» - величину колебаний среднего времени передачи. Это можно сделать, например, задав величину «джиттера», не превышающую значение к т, где 3 к 4.
Если N - число фаз между оконечными маршрутизаторами, то среднее время передачи кадра между ними
Основные результаты
1. Предложена методика аппроксимации результатов измерений времени передачи пакетов измерительной информации в условиях полигона нормирован ным распределением Эрланга.
2. Разработаны модели каналов передачи измерительной информации по агрегированному и резервируемому каналу с нахождением распределения веро ятностей времени передачи потока в отличие от прототипов, в которых нахо дится только дисперсия времени передачи кадра по неагрегированному каналу между оконечными маршрутизаторами суммированием дисперсий времени пере дачи по отдельным каналам.
3. Предложена методика определения диапазонов значений средней задерж ки передачи кадра и его дисперсии в агрегированном резервируемом канале в за висимости от коэффициента готовности отдельного неагрегированного канала.
В данной главе рассматривается методы оптимизации базовых вариантов сети передачи данных ОЭС полигонных комплексов, необходимых для создания математического обеспечения автоматизированного проектирования. Предполагается их использование в двухфазных системах с многопотоковой передачей информации. Физические каналы функционируют с прокладкой множества виртуальных соединений между пограничными маршрутизаторами сети.
Выполняется балансировка нагрузки на основе генетических алгоритмов с целью повышения совокупной резервной мощности каналов для обработки пульсаций трафика, организации новых параллельных путей при возможных отказах каналов без выполнения перемаршрутизации сети, реализации явных обратных связей в канальной инфраструктуре. Организационно и географически такие сети можно отнести к специализированным автономным системам (AS) глобальной сети. Такие базовые сети служат основой для построения информационных систем на наиболее крупных и важных объектах испытаний сложных технических комплексов. Например, головной вычислительный центр, стартовая позиция, район приземления изделий, наиболее крупные измерительные пункты. Кроме того, сюда в ряде случаев можно отнести и информационные центры заказчиков изделий, предприятий изготовителей, аналитические центры организаций – разработчиков изделий и т. п.
Нахождение периода занятости сети передачи данных ОЭС полигонного измерительного комплекса
На основе использования производящих функций моментов находятся вероятностно-временные характеристики резервируемой сети передачи измерительной информации. Предлагается метод разделения трафика на профили с учетом приоритета передаваемых кадров. Для стационарного режима работы находятся средние значения числа кадров в системе и в очереди, среднее время нахождения кадра в системе и очереди, длительность периода занятости системы трафиком реального времени.
Сеть передачи данных ОЭС полигонного измерительного комплекса производит прием двух потоков кадров от измерительных систем (ИС) и выполняет их передачу в центр обработки по резервируемому каналу связи. В одном из потоков передается синхронная информация, характеризующаяся жесткими требованиями к задержке передачи кадров и ее вариации. Это могут быть кадры телеметрической или траекторной информации, передаваемой в реальном масштабе времени в режиме «репортаж». В другом потоке передаются кадры, передача которых может быть задержана на определенное время, в том случае, если на входе СПД ОЭС есть более приоритетная синхронная информация.
Информационные сообщения от ИС поступают на вход устройства предварительной обработки информации (УПО), в котором и определяются профили трафика. Для синхронного и асинхронного потоков просматривается содержательная часть кадра, исключаются ошибочные измерения и избыточная
Кадр измерительной информации (ИИ) имеет постоянную длину. Передаваемые параметры записываются во множестве строк кадра. Кадры сопровождаются служебными полями - маркерами строк и маркерами начала и окончания кадра. Для уменьшения времени передачи и повышения надежности канал связи резервируется. Предусмотрена возможность разделения кадра на две равные части для передачи по двум каналам связи с выходным маршрутизатором. Каждая половина кадра образует пакет, который снабжается дополнительной служебной информацией, необходимой для функционирования протокола передачи. Это байты посимвольной и побитовой синхронизации, байты начала и конца кадра, контрольная последовательность, поле управляющей информации. В поле кадра для этого предусмотрены специальные байты так, что при формировании пакета общая длина кадра не меняется. Если линия связи исправна, то оба пакета передаются по разным каналам. Протоколы управления каналов функционируют независимо друг от друга, за исключением того, что перед началом передачи происходит разделение кадра на две части, а на приемной стороне после того, как без искажений поступят оба пакета, выполняется восстановление единого кадра. Данные операции выполняются с использованием аппаратных регистров и занимают пренебрежимо малое время (единиц микросекунд и менее) по сравнению со временем передачи по линии связи (единицы и десятки милисекунд). В том случае, когда один из каналов неисправен, передача обоих пакетов выполняется по оставшемуся в исправном состоянии каналу связи между маршрутизаторами. Передача асинхронного трафика возможна только после окончания периода занятости сети передачей синхронного трафика (в момент начала периода простоя синхронного трафика). В этом случае передается кадр асинхронной информации, занимающий случайное время. Вновь поступающие кадры синхронного трафика должны ожидать окончания перерыва, связанного с передачей асинхронного кадра. Если система остается пустой к моменту завершения перерыва, то сразу же начинается новый перерыв для передачи еще одного асинхронного кадра.
Целью исследований является определение вероятностно-временных характеристик СПД ОЭС ПИК, передающей виды трафика разного профиля, в зависимости от коэффициента готовности отдельного канала связи между маршрутизаторами.
Постановка задачи. На вход СПД ОЭС поступает два потока: синхронный трафик, характеризующийся пуассоновским потоком кадров с интенсивностью Л и асинхронный трафик кадров ИИ. На входе УПО накоплен такой объем асинхронных кадров, что в момент окончания периода занятости системы синхронным трафиком в ней будет находиться такое число асинхронных кадров, которое необходимо для непрерывной занятости СПД ОЭС до момента появления нового синхронного кадра. Обозначим через V1,V2,... продолжительности последовательных перерывов, которые делает СПД ОЭС на передачу асинхронных кадров. Величины V являются независимыми и случайно распределенными, которые не зависят от интервалов между моментами поступления требований и длительностей обслуживания требований на передачу синхронного трафика. Длительности передачи как синхронных, так и асинхронных кадров через канал связи являются независимыми и имеют произвольное распределение. Каналы передачи информации между маршрутизаторами [37-39] имеют идентичные технические характеристики. Задан коэффициент готовности канала q.
Сеть передачи данных ОЭС может функционировать как в режиме передачи синхронных кадров, так и в режиме с перерывами. Для стационарного режима передачи синхронных кадров необходимо определить: среднее число кадров в системе N, среднее время пребывания кадра в системе Т , среднее число кадров в очереди NQ, среднее время нахождения кадра в очереди W , среднее значение периода занятости g и его дисперсию, среднее число требований, обслуженных за период занятости, и его дисперсию.
Оценки характеристик СПД ОЭС при работе с постоянной передачей синхронных кадров (без перерывов). СПД ОЭС ПИК может быть представлена системой массового обслуживания M/G/1 с простейшим входным потоком синхронных кадров интенсивности А и произвольным законом распределения случайной величины t. Тогда основные характеристики системы определяются с использованием формул Полячека-Хинчина [2, 18].
Моделирование пути в VLB-сети
В данном прогоне модели получены средние значения числа заявок в очередях Q1 и Q2 соответственно 0,22 и 0,21. Таким образом, в обеих линиях агрегированного канала установлен примерно такой же режим работы, что и в неагрегированном канале относительно возможной потери пакетов. Но так как режим работы стационарный, то можно констатировать, что средний интервал следования заявок во входном потоке уменьшен не в два, а в четыре раза по сравнению со средним интервалом поступления неагрегированного канала. Диаграммы следования заявок в неагрегированном и агрегированном каналах при указанных входных потоках приведены на рис. 4.15 и 4.16.
Выводы. На основании проведенного моделирования работы неагрегиро-ванного и агрегированного каналов можно сделать следующие заключения: 1) расчетные соотношения, полученные в гл. 2 подтверждаются результатами имитационного моделирования; 2) выполнение теоретических закономерностей преобразования простейшего потока в эрланговский при распределении заявок по линиям агрегированного канала и смешение двух эрланговских потоков, порождающих поток со свойствами простейшего потока на его выходе подтверждает корректность имитационных моделей базовых каналов в VLB-сети (сети с дозированной балансировкой нагрузки.
Рассмотрим модель пути, соединяющего два узла, принадлежащие разным сетям VLB. В каждой VLB-сети между входным и выходным узлами используется двухфазная линия. Такая линия реализована на основе агрегированного канала, работа которого рассмотрена в разделе 4.1. Пограничные узлы VLB-сетей соединены пиринговым каналом. Используется обычный (неагрегированный) канал. Компьютерная диаграмма модели приведена на рис. 4.17.
Данная модель позволяет провести анализ процесса передачи пакетов из конца в конец сети, состоящей из двух автономных систем (AS), каждая из которых является VLB-сетью. Модель легко масштабируется, например, для моделирования параллельной передачи потока по двум, трем и т. д. путям из одной VLB-сети в другую достаточно количественно увеличить число путей в модели.
Моделирование проводится при следующих исходных данных. Блок-генератор G1 вырабатывает 2000 пакетов и посылает их в модель с интервалами, определяемыми экспоненциальным распределением со средним значением 10 мс. Агрегированные каналы имеют идентичные параметры в модели. Приведем их только для канала 1-й фазы сети VLB-1. Постоянная задержка (на дуге W1) составляет 15 мс; переменная составляющая задержки задается экспоненциальным распределением с математическим ожиданием 0,5 мс (в дугах W2, W3). Аналогичные характеристики имеют и дуги W4, W5, W6. Задержки в пиринговых каналах незначительны, поэтому в модели выбраны следующие значения: постоянная задержка – 2 мс (в блоке W13), а переменная определяется экспоненциальным распределением с математическим ожиданием 0,1 мс (в блоках W14, W15).
Модель канала является пятифазовой. Она не относится к экспоненциальным моделям СМО, так как каждая фаза модели отражает работу двух параллельных каналов, задержка в каждом из которых задается сдвинутым по оси времени распределением Эрланга второго порядка. Это подтверждается диаграммой приведенной на рис. 4.18, соответствующей распределению Эрланга четвертого порядка.
Нагрузки в разных фазах модели являются в совокупности зависимыми величинами. Из этого следует вывод о том, что подстройка параметров данной имитационной модели производится итерационно. Результаты моделирования показывают, что нагрузка первой фазы несколько больше, чем нагрузка остальных фаз. На рис. 4.19 приведена машинная диаграмма текущей длины очереди Q1 (первая фаза модели). Средняя длина очереди равна 0,82. Аналогичная картина наблюдается и в очереди Q2 со средней длиной 0,85. Эти характеристики в большинстве случаев являются приемлемыми на практике. Вместе с тем можно отметить, что длины очередей и средние задержки в очередях остальных фаз модели заметно меньше (см. например, рис. 4.20; средняя длина очереди Q5 равна 0,06).
Эти задержки характеризуются произвольным распределением вероятностей. При планировании режимов работы сети на основе многопутевой маршрутизации следует обратить внимание на то, что следствием появления пульсаций трафика будут не только потери пакетов, но и разбалансировка (рассинхрониза-ция) всего процесса маршрутизации. Поэтому особое внимание нужно уделить обеспечению достаточной резервной полосы пропускания, а также использованию безинерционных коммутаторов, которые рассчитаны таким образом, что очереди возникают редко и они незначительны, а средняя скорость входного потока информации равна средней скорости выходного потока.
