Введение к работе
Актуальность работы. В настоящее время одним из приоритетных направлений развития науки и техники является развитие информационных технологий. Особенностью современного этапа является качественная смена методов обработки и технологий обслуживания в системах реального времени.
Все чаще Ethernet становится основой для связи информационных систем предприятий и помогает перейти от традиционной среды, состоящей из множества разнородных сетей, к единой открытой сетевой инфраструктуре, объединяющей сети сборочных цехов и офисные сети. Технологии Ethernet привлекают низкой стоимостью, простотой реализации и максимальной эффективностью. Некоторые стандарты уже предусматривают возможность интеграции устройств и различного оборудования на базе технологии Ethernet, что позволяет уменьшить количество шлюзов, а, следовательно, задержки в передаче данных и число ошибок при преобразовании протоколов.
Случайный метод доступа к среде передачи, на котором основывается Ethernet, вносит стохастичность времени передачи данных. При реализации открытых информационных систем необходимо учитывать не только неопределенность времени доставки данных (пакетов, заявок, сообщений), но и возможность потери информации. Также необходимо расширить задачи обработки, хранения и передачи данных при проектировании и эксплуатации открытых информационных систем в реальном времени.
Для решения этих задач необходимо проведение экспериментальных и теоретических исследований, включающих проведение анализа функционирования систем реального времени, разработка математических моделей обмена информационными потоками с учетом возможных причин задержек (коллизии, очереди и сбои в канале передачи данных), разработку алгоритмов и программ расчета параметров и области устойчивого функционирования подобных систем.
Работа выполнена на кафедре информационных технологий моделирования и управления ГОУ ВПО «Воронежская государственная технологическая академия (ГОУ ВПО «ВГТА») с 2005 по 2010 гг. по программе Министерства образования РФ по теме «Математическое и компьютерное моделирование в задачах проектирования и оптимизации функционирования информационных и технологических систем» (№ г.р. 01.2006.05298); а также по теме «Разработка открытых информационных систем перерабатывающих производств» в рамках федеральной целевой программы «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» (№ П947). Результаты работы использовались в проекте «Развитие Центра коллективного пользования научным оборудованием для обеспечения исследований в области метрологии систем централизованного контроля и управления оборудованием электрических сетей зданий и сооружений» в рамках целевой программы «Исследо-
вания и разработки по приоритетным направлениям развития научно - технического комплекса России на 2007 - 2012 гг.» (№ 02.552.11.7053)
Цель работы заключается в разработке и анализе математической модели систем реального времени со стохастической передачей данных с учетом возможности потери информации.
Для достижения поставленной цели в диссертационной работе сформулированы следующие задачи исследования:
провести анализ существующих математических моделей сетей случайного доступа к среде передачи данных;
синтезировать структурную модель и разработать математическую модель передачи потока данных в системе реального времени со стохастической передачей данных; проверить адекватность полученной математической модели;
провести анализ и определить оптимальную численную схему расчета времени доставки пакетов с учетом возникновения коллизий в канале передачи данных;
исследовать влияние параметров математической модели на изменение основных качественных показателей обмена информацией в системах реального времени (вероятностные состояния канала передачи, закон распределения времени доставки заявки, временные характеристики передачи данных, условия гарантированной доставки сообщений);
провести апробацию результатов и разработать комплекс прикладных программ синтеза и анализа систем реального времени со стохастической передачей данных; провести численные и физические эксперименты.
Методы исследования. Поставленные в работе задачи решались на основе системного подхода, с использованием методов теории вероятности, вычислительной математики, теории случайных процессов, а также современных методов и технологий программирования.
Научная новизна.
-
Предложена методика моделирования системы реального времени со стохастической передачей данных, в основе которой лежит взаимодействие трех объектов моделирования (канала передачи, выделенного устройства и заявки).
-
Разработана математическая модель системы реального времени со стохастической передачей данных, учитывающая возможную потерю и случайный характер доставки информации. Определена оптимальная численная схема решения для расчета времени доставки пакетов.
-
Определены основные вероятностно - временные характеристики системы реального времени: вероятностные состояния канала передачи, плотность распределения вероятности времени передачи данных, среднее и максимальное гарантированное время обслуживания сообщения от конкретного устройства; оценивающие качество функционирования системы как в целом, так и составляющих ее компонентов.
4. Разработан комплекс программ для моделирования и исследования систем реального времени со стохастической передачей данных.
Практическая значимость. Разработанный численный метод определения времени доставки пакетов позволяет рассчитывать параметры систем реального времени с каналом конкурирующего доступа. Предложенная методика математического моделирования позволяет исследовать передаваемый поток данных открытых информационных систем, как в совокупности, так и ее отдельных составляющих. Что позволит повысить эффективность функционирования уже существующих, так и вновь проектируемых систем, поддерживающих современные способы обмена данными.
Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на VII и VIII международной научной конференции «Кибернетика и высокие технологии XXI века» (г.Воронеж, 2006, 2007 г.), XIX международной научной конференции «Математические методы в технике и технологиях» (г.Воронеж, 2006 г.), II международной научной конференции «Современные проблемы прикладной математики и математического моделирования» (г.Воронеж, 2007 г.), I всероссийской школе - семинаре молодых ученых и преподавателей, аспирантов студентов и менеджеров малых предприятий (г.Тамбов, 2008 г.)
Публикации. По теме диссертации опубликовано 15 печатных работ, из которых 4 - в изданиях, рекомендуемых ВАК РФ.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, основных выводов, списка литературы и приложений. Материал изложен на 126 страницах, содержит 56 рисунков и 14 таблиц. Библиография включает 137 наименований.
