Содержание к диссертации
Введение
1 Организационное управление машиностроитель-ным предприятием 9
1.1 Анализ и системное моделирование организационного управления машиностроительным предприятием 12
1.2 Организационное управление основным и вспомогательным производством машиностроительного предприятия 13
1.3 Автоматизированные системы управления в сетях передачи данных предприятия 14
1.4 Основные этапы реинжиниринга АСУ машиностроительного предприятия 35
1.5 -Проблемы взаимодействия процессов информационного обмена в объединенных сетях передачи данных 37
1.6 Формальная постановка задачи исследования 41
Выводы по первой главе 44
2 Математическая модель процессов информационного обмена в сетях передачи данных предприятия 45
2.1 Формальное описание процессов информационного обмена предприятия 45
2.2 Процедурная характеристика внепротокольных прерываний процессов информационного обмена 57
Выводы по второй главе 60
3 Методика обнаружения и коррекции внепротокольных прерываний 61
3.1 Виды внепротокольных прерываний 62
3.2. Алгоритмы обнаружения и коррекции столкновений в протоколах 68
Выводы по третьей главе 75
4 Моделирование процессов информационного обмена в сетях передачи данных 77
4.1 Оценка вычислительной сложности 77
4.2 Имитационное моделирование процессов информационного обмена в сетях передачи данных предприятия 80
4.3 Оценка адекватности имитационной модели 96
Выводы по четвертой главе 99
Заключение 101
Список литературы
- Анализ и системное моделирование организационного управления машиностроительным предприятием
- Формальное описание процессов информационного обмена предприятия
- Виды внепротокольных прерываний
- Оценка вычислительной сложности
Введение к работе
В настоящий момент на предприятиях особое внимание уделяют
повышению эффективности производства и улучшению качества управления
за счет создания единого информационного пространства предприятия. Это
достигается в результате своевременной обработки оперативной
информации, передаваемой от различных объектов производства. Для получения данной информации необходима комплексная интеграция отдельных подсистем автоматизированных систем управления предприятием, объединение различных источников информации в единое информационно-техническое поле, своевременный сбор данных с технологических участков и цехов и, как следствие, модернизация и объединение-сетей-передачи данныхг Объединенная 1^етъ~^^о~вшугшость соединенных друг с другом сетей передачи данных, функционирующих как единое целое.
Целесообразность использования множества источников данных приводит к необходимости постоянного анализа структуры сети, качества обслуживания процессов информационного обмена, выявлению прерываний нормального функционирования протоколов. При этом уделяется внимание не только протокольным прерываниям, описанным разработчиками протокола, но и внепротокольным прерываниям. Внепротокольные прерывания - это нарушения нормального функционирования работы протокола, не описанные в его спецификации. Они связаны с тем, что спецификации описывают состояния протокола информационного обмена и не характеризуют среду передачи. Среда передачи - физическая среда, используемая для распространения информационных сигналов.
Качество обслуживания (Quality' of Service - QoS) процессов информационного обмена в сетях передачи данных описывается следующими параметрами:
Вероятность возникновения ошибки в процессе передачи данных.
Задержка при передаче сообщения.
Количество данных, потерянных во время передачи, в том числе и за счет внепротокольных прерываний.
Восстановление процессов информационного обмена после обнаружения внепротокольных прерываний является одним из способов повышения качества обслуживания объединенных сетей передачи данных. Развитая производственная структура предполагает интенсивный информационный обмен и оперативное управление, как в отдельных подразделениях, так и между ними, с помощью протоколов прикладного уровня. Поэтому задача исследования процессов информационного обмена на прикладном уровне в объединенных сетях передачи данных в настоящий моментявляется актуальной.
В основе настоящего исследования лежат результаты работ в области теории автоматов (М.А. Гаврилов, О.Б. Лупанов, М.А. Айзерман, Л. А. Гусев, Б. А. Трахтенброт, Н. Е. Кобринский, А.Ф. Петренко), теории построения распределенных систем (B.C. Бурцев, В.В. Воеводин, В.В. Корнеев, Э. Таненбауэм), теории распределенных вычислений (А.Б. Барский, В.В. Воеводин, Н. Коновалов, В. Крюков, Б.И. Коган, В.В. Топорков, В.Н. Касьянов, Ю.В. Капитонова), теории информационных процессов в автоматизированных системах (Г.И. Пранявичус, А.Д. Иванников, И.С. Константинов, В.П. Кулагин, В.Т. Еременко).
В данных работах имеются достаточные научные предпосылки для решения поставленной задачи. Однако следует отметить, что существующие подходы к решению задачи управления качеством обслуживания процессов информационного обмена в сетях передачи данных, как правило, носят локальный по областям применений и разрозненный по методам характер.
Объект исследования - объединенные сети передачи данных.
Предмет исследования - методы, модели и алгоритмы обнаружения внепротокольных прерываний и восстановления процессов
6 информационного обмена на прикладном уровне в объединенных сетях передачи данных.
Цель исследования - повышение качества процессов информационного обмена на прикладном уровне за счет обнаружения и коррекции внепротокольных прерываний.
Для достижения сформулированной цели были поставлены следующие задачи:
Анализ тенденций развития сетей передачи данных предприятия и способов повышения качества процессов информационного обмена на прикладном уровне.
Анализ способов и приемов обнаружения и коррекции внепротокольных прерываний на прикладном уровне в сетях передачи данных предприятия. "
Разработка алгоритмов обнаружения внепротокольных прерываний и восстановления процессов информационного обмена на прикладном уровне в сетях передачи данных предприятия.
Построение и исследование процессов информационного обмена в среде сетей передачи данных предприятия.
Методы исследования. Для решения указанных задач использовались: теория информационных процессов в автоматизированных системах, методы системного анализа, теория автоматов, методы имитационного моделирования, теория графов, теория протоколов.
Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций, приведенных в диссертационной работе, достигнута за счет корректного применения аппарата недетерминированных конечных автоматов с предикатами; непротиворечивости и воспроизводимости результатов, полученных теоретическим путем.
Научная новизна диссертационного исследования заключается в том, что разработаны:
Математическая модель процессов информационного обмена, базирующаяся на недетерминированных конечных автоматах с предикатами и отличающаяся введением в автомат логических условий возникновения внепротокольных прерываний.
Методика восстановления процессов информационного обмена на основе разработанных математической модели и алгоритмах обнаружения и коррекции внепротокольных прерываний, отличающаяся регламентацией этих процессов на основе фиксации логического времени пути и позволяющая восстановить их, используя информацию о приоритетах.
Имитационная модель процессов информационного обмена на прикладном уровне в сетях передачи данных предприятия, включающая разработанную методику восстановления процессов информационного
"обмена7реализованную~в среде имитационного моделирования GPSS.
Практическая значимость. Разработанные алгоритмы обнаружения и коррекции внепротокольных прерываний использованы при совершенствовании специального аппаратно-программного обеспечения АСУ ОАО «Промприбор» (г. Ливны) - акт от 23.10.2008 г., применены в программном средстве по формированию и выбору протокольных классов для службы обмена сообщениями «Профиль» (свидетельство о регистрации № 2007610941 от 01.03.2007).
Апробация и публикации. Материалы публиковались и докладывались на: XI ежегодной научной конференции преподавателей ОрелГТУ (2006, г.Орел), II Международной научно-практической конференции «Информационные технологии в науке, образовании и производстве (ИТНОП)» (2006, г. Орел), Пятой международной электронная научно-технической конференции "Технологическая системотехника" (2006, г.Тула), XII ежегодной научной конференции преподавателей ОрелГТУ (2007, г.Орел), III Международной научно-практической конференции «Информационные технологии в науке, образовании и производстве (ИТНОП)» (2008, г. Орел).
Положения, выносимые на защиту:
Математическая модель процессов информационного обмена, включающая их внепротокольные прерывания.
Методика восстановления процессов информационного обмена на прикладном уровне в сетях передачи данных предприятия.
Имитационная модель процессов информационного обмена на прикладном уровне, включающая среду формирования внепротокольных прерываний.
Анализ и системное моделирование организационного управления машиностроительным предприятием
С точки зрения практики управления структура машиностроительного предприятия является типовой, регламентированной рядом отраслевых стандартов и положений, а также включающей в себя конструкторскую подготовку производства (КПП), технологическую подготовку производства (ГІДІ) и производство продукции (ІДІ).
Эти задачи закреплены на предприятии за отделом главного конструктора, отделом главного технолога, планово-диспетчерским отделом, цехами основного производства и цехами вспомогательного производства. Для организации управления КПП, ТПП и ПП на предприятии существуют функциональные подсистемы: технико-экономического планирования, управления-трудом и-заработной"шіатой,"оперативного управления основным производством, управления материально-техническим снабжением, управления кадрами, управления качеством, бухгалтерского учета, управления реализацией и сбытом и др. Выделим наиболее значимые подсистемы машиностроительного предприятия: подсистема технико-экономического планирования: планирование объемов выпускаемой продукции; расчет численности производственных рабочих; расчет материальных ресурсов; расчет потребного количества оборудования; расчет цен на готовую продукцию; подсистема оперативного управления основным и вспомогательным производством: составление диспетчерских план-графиков на месяц; оперативный учет выполнения ежесуточных заданий; подсистема управления качеством продукции: анализ информации о дефектах и неисправностях изделий в процессе производства; подсистема управления кадрами: оформление приема на работу; оформление увольнений с работы; оформление перемещения работника на предприятии; подсистема бухгалтерского учета: расчет заработной платы; учет основных средств; учет материальных ценностей; учет основного производства; учет расчетно-финансовых операций; составление баланса предприятия; подсистема учета реализации и сбыта продукции: учет готовой и реализованной продукции; учет, контроль и отчетность по финансово-банковским операциям предприятия; подсистема управления трудом и зарплатой: составление штатных расписаний по подразделениям предприятия; ведение пооперационных норм времени; расчет фонда зарплаты; расчет стоимости нормо-часа по предприятию; ведение часовых тарифных ставок; учет плановых заданий и расчет премии рабочим-сдельщикам; учет выполнения норм выработки рабочими-сдельщиками.
Основную задачу в функциональной модели управления машиностроительным предприятием выполняет функция управления основным и вспомогательным производством. Для целей исследования и проектирования организационного управления основным и вспомогательным производством машиностроительного предприятия были осуществлены следующие этапы системного анализа: определение (задание) целей; системное описание условий работы, связей и элементов (узлов); разработка структуры (топологии) объединенных сетей передачи данных предприятия (ОСЦЦП); расчет по блокам (подсистемам); реализация (анализ реализуемости); анализ свойств системы, построенной из выделенных подсистем; корректировка на тех или иных этапах (при необходимости). Этапы проведения системного анализа имеют свою специфику в зависимости от конкретных условий проектирования и эксплуатации ОСПДП.. Анализ особенностей их работы одновременно с разработкой стратегии автоматизации позволил определить цель создания современной ОСПДП, в которой возможно устранить ограничения существующей системы и реализовать с наименьшими трудовыми затратами проектировщиков реинжиниринг её элементов. При этом возможным становится быстрое и качественное развитие элементов ОСПДП в существующих проектных решениях, а также переход с одного математического и программного аппарата описания элементов и частей на другой математический и программный аппарат, с одного типа ЭВМ на другие типы. В качестве инструментария, позволяющего описать современный вариант ОСПДП, использована методология структурного анализа и проектирования. Условия работы типового машиностроительного предприятия, производственные, управленческие, информационные функции были изучены в их взаимосвязи [43, 89, 107].
Системный анализ и формализация сведений о работе подразделений типового машиностроительного предприятия позволяют построить функциональные модели управления по правилам построения IDEF-диаграмм.
Формальное описание процессов информационного обмена предприятия
При рассмотрении с целью сравнения таблиц переходов двух автоматов по внешнему поведению будем считать, что используемая входная последовательность покрывает все переходы эталонной модели. Как правило, фиксированным начальным состоянием эталонной модели является so- Для того, чтобы перевести модель в другое состояние, необходим внешний фактор воздействия на это состояние путем подачи на него входной последовательности. Процесс перехода расширенного автомата происходит при выполнении предиката перехода. В большинстве случаев вид предиката перехода может быть произвольным. В частности, предикат может представлять собой булеву функцию, решение общего случая булева
уравнения можно найти только с помощью полного перебора значений переменных. Следовательно, когда в произвольном недетерминированном конечном автомате с предикатами для достижения заданного перехода из состояния so необходима входная последовательность длины 1, то поиск нужной последовательности может потребовать перебора \Y\] последовательностей. С учетом значений параметров в расширенном автомате мощность входного алфавита может быть достаточно велика. Например, для протокола TCP возможно задать 296 сегментов с различными значениями полей, влияющих на поведение протокола. Такое количество сегментов просмотреть путем перебора просто невозможно, следовательно, возникает необходимость разработки новых путей повышения эффективности поиска нужных входных последовательностей. В случае „выбора предикатов специальноговидагнапримерлинейных, можно сократить трудоемкость перебора.
Рассмотрим НКА с предикатами A=(S,E, Y,P, V, Т, а), где S - множество состояний протокола информационного обмена (ожидание приема сообщения, ожидание передачи сообщения и т.п.); so — начальное состояние; sp - конечное состояние; Sff - множество внепротокольных состояний протокола; Е = {е} - множество операций в протоколе (передача сообщений, прием сообщений и т.п.); = {у} — множество выходных сигналов; Р — множество элементарных процессов связанных с переходами между состояниями; V = {v} - множество внутренних переменных; Т - функция поведения, кусочно-линейная функция: T:(SxExV)- (SxYxV); а- множество сигналов управления. НКА с предикатами представлен ориентированным графом, вершины которого соответствуют состояниям, а дуги - переходам. Дуги характеризуются системой ограничений и системой присваиваний. Каждому пути поставлена в соответствие линейная функция (система присваиваний), имеющая область входных значений, описываемую системой линейных неравенств (системой ограничений). При этом система ограничений задает область входных значений пути, а система присваиваний - зависимость значений параметров выходных сигналов от начальных условий и значений параметров входных сигналов. Особенностью представления состояний в таких автоматах является то, что решается задача выбора пути между возможными переходами в следующие состояния. Это позволяет описать процессы внепротокольных прерываний, используя предикаты для снижения вычислительной СЛОЖНОСТИ;- Начальное состояние s0. Отправитель ждет данных от пользователя. После получения данных пользователя отправитель переходит в состояние sj. Из состояния S] отправитель может перейти в состояние s2, когда сообщение отправлено удачно. Сообщение может не дойти, тогда переход осуществляется в состояние sj и происходит повторная передача сообщения. T - функция поведения Т: (SxExV) - (SxYxV). Рассматриваем детерминированные функции поведения 7=1 (для любого элемента множества (SxExV) 71 возвращает один элемент множества (SxYxV)).
Функция поведения Т задается как кусочно-линейная функция на множестве SxExV. Области входных значений, в которых функция имеет линейный вид, задаются системами линейных неравенств (системами ограничений) P(SxExV), причем область линейности включает только одно значение s є S. Вид функции в областях линейности задается линейными функциями ExV - ExYxS (системами присваиваний).
Виды внепротокольных прерываний
Рассмотрим существующие методы восстановления процессов информационного обмена после сбоев. Можно выделить два основных подхода к обработке внепротокольных прерываний по умолчанию: - при возникновении внепротокольных прерываний протокол не меняет состояние, внепротокольные прерывания либо игнорируются, либо выдается сигнал об ошибке, который должен обработать пользователь; - при внепротокольных прерываниях запускается механизм восстановления от ошибок. Первый способ имеет серьезный недостаток в плане времени, которое - пользователь затратит-на-исправление ошибки.-При-этом следуетучитывать, что не всегда пользователь может иметь физический доступ к техническому средству, на котором возникла ошибка.
Рассмотрим более подробно второй способ. Выделим основные механизмы восстановления от ошибок: 1. Перезапуск процесса в случае возникновения ошибки. 2. Уничтожение одного из двух процессов в случае, когда процессы претендуют на один и тот же ресурс. Однако каждая из предложенных методик имеет ряд недостатков. Перезапуск процесса не гарантирует, что ошибка не повторится снова. В результате может возникнуть циклическое возникновение ошибок, что приводит к блокировке работы протокола. Уничтожение же одного из двух процессов может привести к потере данных.
Рассмотрим случай возникновения внепротокольного прерывания для системы удаленного доступа VNC (Virtual Network Computing). Данный вид прерывания известен как VNCLOOP (рисунок 3.1). Происходит установка систем VNC на две различные рабочие станции. При соединении каждой станции к рабочему столу другой происходит рекурсивное зацикливание. - сбоев и отказов при передаче по каналам связи информационных массивов, содержащих данные пользователя, и служебных массивов, содержащих информацию управления; - сбоев и отказов технических средств узлов коммутации, воздействующих на информационные и служебные массивы при их обработке и пересылке. - параллельного выполнения ряда процессов, участвующих в реализациях протоколов и протекающих в общем случае асинхронно из-за некорректного описания. Эта асинхронность и приводит к появлению неопределенных ситуаций.
Первые два источника ошибок, которые можно классифицировать как источники "физического" происхождения, изучены достаточно глубоко [25,33]. В распоряжении разработчиков и исследователей протоколов имеется достаточно широкий набор методов их обнаружения и коррекции. Что касается третьего источника ошибок, являющихся по существу ошибками—проектирования и результатом недостаточного"" описания протоколов, то проблема его изучения возникла в ходе испытаний протоколов в реальных условиях эксплуатации сетей передачи данных.
Этот источник вызывает появление в протоколах некорректностей, обусловленных действиями разработчиков, которые получили название внепротокольных прерываний.
Выявление внепротокольных прерываний в протоколах обходится зачастую очень дорого и осуществляется на этапах отладки, испытаний или в процессе эксплуатации [26,93]. Сущность же их использования состоит в том, что при реализации пользователем неописанных в документации действий он получает доступ к ресурсам СПДП, которые в обычных условиях для него закрыты (например, вход в привилегированный режим обслуживания). Более того, ситуация неопределенности в протоколе может быть специально создана для того, чтобы получить несанкционированный доступ к определённым ресурсам и данным.
Анализ внепротокольных прерываний протоколов особенно важен для цифровых систем с интеграцией служб, так как цифровые каналы характеризуются существенно меньшей степенью группирования ошибок, чем используемые в настоящее время аналоговые каналы[35]. Таким образом, при организации служб, ориентированных на применение цифровых каналов, влияние источников ошибок "физического" происхождения сократится, тогда как интенсивность внепротокольных прерываний в общем случае останется такой же, как и в случае аналоговых каналов [22, 24,28]. Обозначенная тенденция характерна для разработки любого программного обеспечения, базирующегося, в значительной степени, на квалификации и интуиции конкретного специалиста, и становится исключительно значимой для процессов информационного обмена [22, 24,33].
Рассмотрим математические модели процессов возникновения внепротокольных прерываний для СПДП.
Остановимся более подробно на классификации внепротокольных прерываний и выяснения их последствий. Для этих целей представим протокол информационного обмена С" конечным автоматом, удовлетворяющим условиям: 1) Имеется множество S дискретных состояний С", из которых выделяется одно исходное so и, по крайней мере, одно финальное состояние s P. 2) В любом из состояний, за исключением s р, есть один или более путей перехода в множество других состояний S /. 3) Любое состояние множества S может быть достигнуто ИЗ So по некоторой цепи переходов.
Оценка вычислительной сложности
Оценим вычислительную сложность алгоритма. Временной сложностью алгоритма [21] называют время, затрачиваемое алгоритмом, как функции размера задачи. Временную сложность будем определять с точностью до функции порядка 0(/[п)).
Алгоритм поиска покрытия перехода для автомата Данный алгоритм строит корневое дерево путей, исходящих из состояния s. Для ветвей дерева производится проверка, что соответствующий ветви путь, выполним для начальных условий [s, v). Напомним, что путь выполним для начальных условий \s,v), если существует входная последовательность, которая заставляет НКА последовательно выполнить переходы данного пути. Если ветвь соответствует невыполнимому пути, она отсекается от дерева. Алгоритм останавливается, когда одна из ветвей дерева будет соответствовать пути, содержащему переход t.
Путь определяет входную последовательность с точностью до типа сигнала. Разрешение системы предикатов возможно путем последовательной подстановки входных последовательностей сигналов хі,...,хі , для чего потребуется 7 \Х2\ ... \Х1\ подстановок. //,...,//-типы сигналов, J -у -й элемент разбиения множества входных сигналов по типам Jf. Если принять, что множества сигналов разного типа имеют одинаковую мощность Rx (например, сигналы разного типа имеют одинаковый набор параметров), то количество подстановок при определении разрешимости пути равно Rx1. Вычислительная сложность шага 4 алгоритма будет составлять 0(Rx ). В цикле 2-10 основные затраты приходятся на шаг 4, поэтому временными затратами на остальные шаги можно пренебречь. Вычислительная сложность алгоритма будет составлять . =0 ). N, /=1 среднее количество переходов, исходящих из одного состояния; L - длина пути
Информационная часть состоит из реляционной базы данных, содержащей сведения о параметрах сети, а также полученные в результате экспериментов данные моделирования. Схема сети представляет собой участок сети, на котором моделируются процессы информационного обмена. Q-схема позволяет задать элементы, составляющие схему, и описать алгоритм ее функционирования, который определяет набор правил поведения заявок в системе в различных ситуациях.
Система GPSS - это среда компьютерного моделирования общего назначения. Данная среда обладает хорошим уровнем представления визуальной информации. Система GPSS охватывает области непрерывного и дискретного компьютерного моделирования. Функциональная часть представляет собой модель процессов информационного обмена, а также включает методику обнаружения и коррекции внепротокольных прерываний. Управляющая часть является внутренними средствами языка GPSS. Статистика языка GPPS является стандартным средством и представлена в виде файлов отчета, а также в виде графиков с результатами моделирования.
Рассмотрим систему удаленного доступа Virtual Network Computing (VNC) к рабочему столу компьютера [130, 131], использующую протокол RFB (Remote FrameBuffer) [98]. В качестве транспортного сетевого протокола используется стандартный протокол TCP. Управление осуществляется путём передачи нажатий клавиш на клавиатуре и движений мыши с одного компьютера на другой и ретрансляции содержимого экрана через-компьютерную- сеть. -Важной особенностькгпрограммнопг комплекса VNC является открытость исходных кодов и используемых протоколов. VNC является свободным ПО и доступен для множества популярных платформ, включая Unix, Win32 и MacOS.
VNC состоит из двух частей: клиента и сервера. Сервер — программа, предоставляющая доступ к экрану компьютера, на котором она запущена. Клиент (или viewer) — программа, получающая изображение экрана с сервера и взаимодействующая с ним. VNC - протокол, основанный на графических примитивах: «Положить прямоугольник пиксельных данных на заданную координатами позицию». Сервер посылает небольшие прямоугольники клиенту.
Технология VNC предлагает только базовую функциональность, поэтому дополнительная функциональность, например повышенная надежность требует дополнительной разработки.
Разнообразие реализаций VNC с открытым исходным кодом, означает, что можно легко разобраться, как программируются клиентская и серверная часть RFB. Также существуют несколько наборов разработчика, таких как tclRFB, которые упрощают программирование для VNC.
В процессе установки соединения, именуемом в терминологии VNC "начальным рукопожатием", VNC-сервер информирует клиента о диапазоне поддерживаемых версий протокола, из которого клиент выбирает ему подходящую и сообщает о ней серверу. После согласования версий сервер оповещает клиента о необходимости и схеме аутентификации, и наступает короткая фаза определения прав клиента. Сервер отправляет клиенту 16 байтовый случайный запрос, из которого с помощью DES-алгоритма и предъявленного пользователем пароля создается 16-байтовый ответ, возвращаемый серверу. Если в результате процедуры аутентификации успешно определены права клиента, сервер уведомляет его о переводе "общения" в новую фазу_ инициализацию Цель инициализации - выработка механизмов устранения барьеров в отличиях организаций и физических реализаций так или иначе связанных с графической подсистемой аппаратных и программных средств. Следует отметить, что разработчиками VNC такая непростая задача решена "малой кровью" и с тщательным соблюдением одного-единственного, но гарантирующего сохранение "тонкости" реализации VNC-клиента правила -все ресурсоемкие операции трансформации форматов данных выполняются на серверной стороне.
