Методы оценки качества функционирования магистральных каналов передачи данных глобальных сетей тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.13.13, кандидат технических наук Бельтов, Андрей Георгиевич

• Бельтов, Андрей Георгиевич
• кандидат технических наук
• 2006

Оглавление диссертации кандидат технических наук Бельтов, Андрей Георгиевич

Введение.

1. АНАЛИЗ ПРИНЦИПОВ ПОСТРОЕНИЯ ГСПД И СПЕЦИФИКИ ОРГАНИЗАЦИИ ПКР КАК СРЕДСТВА, ОБЕСПЕЧИВАЮЩЕГО ЗАДАННОЕ КАЧЕСТВО ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ.

1.1 Общие принципы построения ГСПД как элемента корпоративной сети связи. Основные функции подсистемы контроля и управления.

1.2 Средства обеспечения надежности и качества функционирования МКПД.

1.3 Выбор критериев и обзор существующих методов оценки эффективности резервирования в сочетании с контролем работоспособности МКПД.

1.4. Выводы.

2. ИССЛЕДОВАНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ РЕЗЕРВИРОВАНИЯ И КОНТРОЛЯ РАБОТОСПОСОБНОСТИ МКПД ПО КРИТЕРИЮ НАДЕЖНОСТИ.

2.1 Модель процесса отказов и восстановлений нерезервированного варианта

МКПД.

2.2. Математическая модель ПОВ МКПД для дуального режима с периодическим тестовым контролем резерва.

2.3 Математическая модель ПОВ МКПД для дуального режима с непрерывным тестовым контролем резерва.

2.4. Модель процесса отказов и восстановлений резервированного МКПД в режиме разделения каналов.

2.5. Модель процесса отказов и восстановлений резервированного МКПД в режиме дублирования.

2.6. Исследование эффективности резервирования и контроля МКПД по критерию надежности.

2.7. ВЫВОДЫ.

3.1 Анализ существующих моделей оценки эффективности резервирования и контроля работоспособности МКПД по критерию качества функционирования.

3.2. Математическая модель процесса функционирования МКПД в режиме дублирования.

3.3 Математическая модель процесса функционирования МКПД режиме разделения нагрузки.

3.4 Исследование эффективности резервирования и контроля по критерию качества Функционирования.

3.5. ВЫВОДЫ.

4, ОПТИМИЗАЦИЯ ПОДСИСТЕМЫ КОНТРОЛЯ РАБОТОСПОСОБНОСТИ МКПД.

4.1 Разработка методики выбора рационального варианта построения ПКР

4.2 Определение характеристик аппаратного и программного контроля нерезервированного МКПД.

4.3. ВЫВОДЫ.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Методы оценки качества функционирования магистральных каналов передачи данных глобальных сетей»

В условиях подъема народного хозяйства все большую необходимость приобретает проектирование сетей связи с использованием современных перспективных информационных технологий. Конечной целью является создание взаимоувязанной сети связи Российской Федерации [1]. Эта сеть в идеале будет представлять интегрально - цифровую сеть связи (ИЦСС), объединяющую все виды сетей связи, обеспечивающую передачу всех видов информации.

В настоящее время в связи интеграцией производства, созданием крупных предприятий: концернов, трестов, холдинговых компаний и др., одним из шагов к созданию ИЦСС все большее распространение приобретают корпоративные сети. Корпоративные сети представляют собой совокупность 3-х видов сетей передачи данных: локальных вычислительных сетей (ЛВС), городских сетей передачи данных (ГрСПД) и глобальных сетей передачи данных (ГСГТД) [2]. Локальные вычислительные сети располагаются, как правило, на территории отдельного предприятия и строятся на базе средств вычислительной техники, объединенных волоконно-оптическими линиями связи. Городские сети передачи данных используют как цифровые, так и аналоговые каналы связи в пределах города. Глобальные сети строятся на базе магистральных каналов связи.

Наиболее быстродействующими и надежными являются ЛВС, менее надежными и менее быстродействующими являются ГрСПД. В связи с тем, что в ГСПД используются магистральные каналы связи большой протяженности, эти сети являются наименее надежными и низкоскоростными.

Глобальная сеть представляет собой сеть передачи данных, узлами которой являются узлы коммутации пакетов (УКП) и связывающие их магистральные каналы передачи данных (МКГТД). В данной диссертационной работе предметом исследования являются МКПД. В большинстве случаев ГСПД строят по более экономичному варианту, при котором каждый УКП непосредственно соединяется каналами связи только некоторыми ближайшими УКП таким образом, чтобы для любой пары абонентов обеспечивался хотя бы один связывающий их путь. При обмене информацией между УКП, не имеющих непосредственной связи, передача информации осуществляется через промежуточные УКП.

Одной из важных задач, решаемых на всех этапах проектирования, внедрения и эксплуатации ГСПД, является достижение максимального качества функционирования УКП и КПД. При решении этой задачи возникает необходимость тщательного изучения большого числа противодействующих факторов и изыскание способов сокращения их негативного влияния. Наиболее важное значение имеет фактор возникновения отказов оборудования и его влияния на характеристики надежности и качества функционирования как компонентов, так и сети передачи данных в целом.

Известно, что надежность любого изделия - это свойство, характеризующееся безотказностью, ремонтопригодностью, долговечностью и сохраняемостью [3,77,82].

Наиболее эффективным способом обеспечения заданных показателей безотказности и ремонтопригодности является резервирование компонентов ГСПД. На практике, как правило, используется наиболее экономичный однократный нагруженный резерв, который обеспечивает существенный прирост значений показателей надежности. В значительной степени эффективность резервирования зависит от способа его использования, который в свою очередь зависит от совершенства подсистемы контроля работоспособности компонентов ГСПД, что, в свою очередь, существенно влияет на их качество функционирования.

Современные УКП в основном проектируются с использованием промышленных компьютеров (ПК) импортного производства типа «Indastral» и блоков отечественного производства, встраиваемых в ПК и обеспечивающих сопряжение с каналами связи и оконечным оборудованием данных (ООД).

Актуальность диссертационной работы заключается в том, что до настоящего времени недостаточно разработаны практические методы исследования эффективности резервирования МКПД с учетом специфики использования средств вычислительной техники и реальных характеристик эффективности подсистемы контроля работоспособности (ПКР), а также методы оценки их качества функционирования. Не разработаны также методы, обеспечивающие выполнение требований по показателям безотказности, ремонтопригодности, долговечности и сохраняемости.

Целью диссертационнойработы является разработка математических моделей и исследование влияния режимов использования резерва и параметров контроля работоспособности на эффективность резервирования МКПД, моделей оценки качества функционирования МКПД с учетом кратковременных и длительных отказов и с учетом международных протоколов взаимодействия открытых систем.

Методика исследования основана на использовании математического аппарата полумарковских процессов, теории надежности, теории восстановления, теории массового обслуживания и методов математической статистики. Разработаны и апробированы аналитические и статистические модели, которые могут быть использованы на различных стадиях проектирования компонентов ГСПД и сети передачи данных в целом.

Научная новизна заключается в разработанных аналитических моделях, позволяющих с высокой точностью описывать процессы отказов и восстановлений (ПОВ) как не резервированных, так и резервированных МКПД с учетом реальных характеристик ПКР и общий процесс функционирования с учетом различных режимов использования резерва, а также в результатах проведенных с их помощью исследований, позволивших при достаточно общих предположениях определить характер влияния таких факторов, как особенности алгоритмов функционирования, характеристики входящих потоков, организация аппаратного и программного контроля и т.д., на показатели качества функционирования компонентов ГСПД.

Практическая ценность заключается в полученных количественных зависимостях параметров ПОВ и показателей качества функционирования резервированных МКПД от характеристик аппаратного и тестового контроля, позволяющие выбрать наилучший режим использования резерва и решить задачу оптимального соотношения аппаратных и программных средств контроля работоспособности с учетом кратковременных и длительных отказов, а также в инженерной методике оптимизации ПКР и выбора наиболее эффективного режима использования резерва.

Достоверность результатов исследования подтверждается корректным использованием математического аппарата, результатами экспериментальных исследований на программных моделях и результатами испытаний реальных систем, при создании которых использовались предложенные модели и методики.

Внедрение результатов заключается в использовании разработанной методики при проектировании ряда коммутационных систем, в том числе:

В разработке корпоративной сети Санкт-Петербургского морского пароходства, Глобальной банковской сети передачи данных, а также в ряде НИР и ОКР по разработке корпоративных сетей.

В работе рассматриваются следующие основные вопросы:

Заключение диссертации по теме «Телекоммуникационные системы и компьютерные сети», Бельтов, Андрей Георгиевич

4.3. ВЫВОДЫ

Расчет вероятности обнаружения отказа необходимо вести в следующем порядке:

1. Все рабочее оборудование отдельных модулей условно разбивается на ЭКУ. Под ЭКУ понимается узел в модуле: цепь, блок, устройство, состоящее из совокупности логических элементов, работоспособность которых может быть проконтролирована данным методом контроля.

2. Для каждого ЭКУ рассчитывается значение [Лу и приведенное общее количество элементов.

3. По формуле (4.1) рассчитывается вероятность обнаружения отказа для каждого модуля.

4. Вычисляется вероятность обнаружения отказа нерезервированного МКПД путем усреднения а и рассматриваемых модулей по интенсивности отказов.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. Проведен анализ базовых функций и принципов структурного построения МКПД и показано, что наиболее важным фактором, обеспечивающим показатели надежности и качества функционирования МКПД, является выбор эффективного режима использования резерва в сочетании с оптимальной подсистемой контроля работоспособности. Определены основные показатели качества средств ПКР, выбраны критерии эффективности, необходимые для выбора оптимальных ПКР и наилучшего режима использования резерва.

2. Предложен подход к проектированию ПКР вычислительного комплекса и исследования режимов использования резерва, основанный на использовании двух групп моделей, которые в зависимости от стадии проектирования могут применяться как отдельно, так и совместно.

3. Разработаны аналитические и статистические модели ПОВ и общего процесса функционирования, с помощью которых проведено исследование эффективности ПКР и режимов использования резерва, и показано в каких областях изменения характеристик МКПД целесообразно производить оптимизацию по критерию надежности или качества функционирования.

4. Разработаны основы инженерной методики проектирования ПКР и выбора наиболее эффективного режима использования резерва. Разработаны и реализованы алгоритмы, в основе которых положены математические модели ПОВ и общего процесса функционирования МКПД. Предложенная методика была апробирована при реализации ряда реальных проектов.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Бельтов, Андрей Георгиевич, 2006 год

1. Москвитин В.Д. От взаимоувязанной сети связи к Единой сети электросвязи России// Вестник связи. Вып. №8, 2003 г с 33-48 с.

2. Максим Кульгин. Технологии корпоративных сетей. Энциклопедия. Изд-во «Питер». С-Петербург, Москва, Харьков, Минск. 2000 г., 669 стр.

3. Максим Кульгин. «Методология построения корпоративной сети» (часть 1).ВУТЕ/Россия, №1, 1999 г.

4. Максим Кульгин. «Методология построения корпоративной сети» (часть 1 ).ВУТЕ/Россия, №2, 1999 г.

5. Максим Кульгин. «Корпоративная сеть на коммутаторах». ЭкспрессЭлектроника, ноябрь 1997 г.

6. Майк Гурвиц. «В поисках идеальной глобальной сети». LAN, №1,1997г.

7. Надежность в технике. Термины и определения. ГОСТ 27.002-89

8. Надежность технических систем. Справочник / Ю.К. Беляев, В.А. Богатырев В.В. Болотин и др. / Под ред. И.А. Ушакова- М.: Радио и связь, 1985.-608 с.

9. Надежность и эффективность в технике. Справочник в 10 т. (Ред. совет: B.C. Адуевский (пред.) и др. Т.1. Методология. Организация. Терминология / Под ред. А.И. Рембезн.-М.: Машиностроение, 1989. 224 с.

10. Бутрименко А.В. Разработка и эксплуатация сетей ЭВМ. Изд-во «Финансы и статистика». Москва, 1981 г., 256 стр.

11. П.Папернов А. А. Логические основы цифровых машин и программирования. Изд-во «Наука». Москва, 1965 г.

12. Кузьмин И.В., Бурназян А.В., Ковергин А.А. Аппаратный контроль электронных вычислительных машин. Изд-во «Энергия». Москва, 1974 г.

13. Ушакова Г.Н. Аппаратный контроль и надежность специализированных ЭВМ. Изд-во «Советское радио».Москва,1969 г.

14. Михаил Гук. Аппаратные средства IBM РС.Энциклопедия. Изд-во «Питер». С-Петербург, Москва, Харьков, Минск. 2002 г., 922 стр.

15. Олифер А.К. Организация тестового контроля для систем из двух ЭВМ.-В кн. «Вычислительные системы», вып. 13, СО АНСССР, 1964 г.

16. Мачулин В.В., Пятибратов А. П. Эффективность систем обработки информации. Изд-во «Советское радио». Москва, 1972 г.

17. Карцев М.А., Кислинский JI.3., Либуркин Л.З. Использование естественной избыточности много модульных вычислительных систем для их контроля. «Вопросы радиоэлектроники», серия ЭВТ вып.9,1970 г.

18. Сидоров A.M. Методы контроля электронных цифровых машин. Изд-во «Советское радио». Москва, 1963 г.

19. Скосырев О.Н., Колобков А. Д., Мирошников В. И. О режимах функционирования комплекса вычислительных средств центра коммутациисообщений. «Вопросы радиоэлектроники», серия ТПС, вып. 2, 1975 г.

20. Алтарев В.П., Шакун Г.И., Трофимов П.И. Процессы отказов и восстановлений в системах ПД. Изд-во «Связь», Москва, 1977 г.

21. Цветков А.Г. Принципы количественной оценки эффективности радиоэлектронных средств. М. «Энергия», 1971 г.

22. Бельтов А.Г., Трофимов П.И. Математические модели для оценки вероятностно-временных характеристик звена передачи данных. Научно-технический сборник ВУС/ Экономические преобразования в России. Проблемы и перспективы. Вып. №3,2002 г.

23. Арипов М.Н., Захаров Г.П. и др. «Проектирование и техническая эксплуатация сетей передачи дискретной сообщений». Учебное пособие для вузов. Под ред. Захарова Г.П. М. 1988 г.

24. Борисов В.И. Проблемы векторной оптимизации. Исследование операций. Методические аспекты. «Наука», М., 1972 г.

25. Надежность и эффективность в технике. Справочник Т2. Математические методы в теории надежности и эффективности / Под ред. Б.В. Гнеденко. М.: Машиностроение, 1989. 224 с.

26. Раков Г.К. Методы оптимизации структур вычислительных систем. М., «Энергия», 1974 г.

27. Основы построения автоматизированных систем контроля сложных объектов Под ред. Кузнецова П.И., М., «Энергия, 1969 г.

28. Кузьмин И.В. Оценка эффективности и оптимизация АСКУ. М., «Советское радио», 1971 г.

29. Журавлев А.П. Системное проектирование управляющих ЦВМ. М., «Советское радио», 1974 г.

30. Консон А.С. Экономика электротехнической промышленности. М., «Высшая школа», 1966 г.

31. Шастова Г. А., Коекин А. И. Выбор и оптимизация структуры информационных систем.М., «Энергия, 1972 г.

32. Подгородецкий и др. Экономика связи.М., «Связь» ,1967 г.

33. ГОСТ 2.103-68. ЕСКД. Стадии разработки.

34. Козлов Б.А., Ушаков И.А. Справочник по расчету надежности. М., «Советское радио», 1975 г.

35. Алтарев В.П., Шакун Г.И. Оценка влияния периодического тестового контроля каналов передачи данных на качество функционирования сети, н/т сборник «Вопросы радиоэлектроники», серия ТПС, вып. 2, 1975 г.

36. Козлов Б.А. Резервирование с восстановлением. (Библиотека радиоинженера), М., «Советское радио», 1969 г.

37. Данилов К.П., Медведев А.Н. Учет влияния характеристик неконтролируемых элементов на надежность резервированной аппаратуры. В н/т «Вопросы радиоэлектроники», серия «Техника радиосвязи», вып. 5,1971 г.

38. Аладжев Б.В. Применение полумарковских процессов для оценки надежности восстанавливаемой дублированной системы. «Автоматика и телемеханика», №6,1972 г.

39. Атовмян И.О., Реутов В.Ф., Чуренков А.П. Среднее время безотказной работы дублированной системы с учетом контроля работоспособности. «Изв. АН

40. Шакун Г.И. Исследование эффективности периодического контроля каналов передачи данных в сети с коммутацией сообщений. Кандидатская диссертация. JL, ЛЭИС, 1973 г.

41. Бельтов А.Г., Трофимов ПИ. Надежность резервированного комплекса в переменном режиме функционирования. В н/т сб. ВУС. Перспективы развития Российской экономики, вып.№4, Санкт-Петербург, 2003 г.

42. Захаров Г.П. Методы исследования сетей передачи данных.- М.: «Радио и связь», 1982. 208 с.

43. Бельтов А.Г., Трофимов П.И. Математические модели для оценки вероятностно-временных характеристик звена передачи данных. В н/т сб. Экономические преобразования в России: Проблемы и перспективы. Межвузовский сборник научных трудов, 2002 г.

44. Бельтов А.Г. Методология оценки надежности и качества функционирования сетей передачи данных с пакетной коммутацией. Научно- технический сборник «Телекоммуникационные технологии», вып. 1.Санкт-Петербург, 2002 г.

45. Клейнрок Л. Теория массового обслуживания. М.: Машиностроение, 1979 г.

46. Петрович В.И., Беридзе Д. Законы распределения времени доставки при коммутации сообщений и кадров. Научно-технический сборник «Телекоммуникационные технологии», вып. 2. Санкт-Петербург, 1996 г.

47. Бусленко Н.П. Моделирование сложных систем. Изд-во «Наука»// М., 1968г.

48. Кокс ДР., Смит В.Л. Теория восстановления. М., «Советское радио», 1967 г.

49. Ежов И.И., Королюк B.C. Полумарковские процессы и их приложения. «Кибернетика», №5, 1967 г.

50. Трофимов П.И. Анализ эффективности резервирования и контроля вычислительного комплекса в центре коммутации сообщений. «Техника средств связи», серия ТПС, вып4(25), 1978 г.

51. Тарасов В. А. Оптимизация коэффициента готовности управляющих ЭВМ/ В сб. «Труды Рязанского радиотехнического института», вып. 30, 1972 г.

52. Петров Л.В. Определение зависимости коэффициента готовности радиоэлектронной аппаратуры с двукратным резервированием от параметров непрерывного и периодического контроля. Депонированная рукопись, ВИМИ,- в сб. рефератов рукописных работ, 1976 г.

53. Лейбман Ю.А., Зверева Г.И. Оптимальный период контроля с целью выявления необнаруженных отказов. «Электросвязь, №11, 1971 г.

54. Барзилович Е. Ю. Некоторые случаи профилактического обслуживания систем с резервированием. М., «Энергия», т.2, 1964 г.

55. Голубев-Новожилов Ю.С. Многомашинные комплексы вычислительных средств. М., «Советское радио», 1967 г.

56. Беллман Р. Динамическое программирование. М., ИЛ, 1960 г.

57. Беллман Р., Дрейфус С. Прикладные задачи динамического программирования. Мю, «Наука» 1966 г.

58. Трофимов П. И. Исследование эффективности резервирования и контроля вычислительного комплекса в центре коммутации сообщений. -Автореферат канд. дис, ЛЭИС, 1977.

59. Яблонский П. М. Оценка надежности систем, работающих с переменным режимом использования. Автоматика и вычислительная техника, 1977, № 1.

60. Пешее Л.Я. Оценка надежности объектов с переменным режимом функционирования.—Известия АН СССР. Техническая кибернетика, 1975, № 1.

61. Смирнов Н.В., Дунин Барковский И.В. Курс теории вероятностей и математической статистики. М, «Наука», 1969 г.

62. Мироненко Ю.А. О методе построения статистических моделей систем массового обслуживания с ненадежным прибором. «Вопросы радиоэлектроники», серия ТПС, вып. 8, 1974

63. Data communication High Level Data Link Control Procedures - Elements of procedures/ ISO 4335 - 1979(E), p. 1- 28.

64. Trivedi K.S. Probability and Statistics with Reliability, Queueing, and Computer Science Applications, 2nd Edition, Wiley-Interscience; 2001, 830 pages

65. Kleinrock L., Gail R. Queueing Systems : Problems and Solutions, Wiley-Interscience 1996, 227 pages

66. Kleinrock L. Computer Applications, Volume 2, Queueing Systems Wiley-Interscience; 1 edition 1976 576 pages

67. Bolch G., Greiner S., Meer H., Trivedi R. Queueing Networks and Markov Chains : Modeling and Performance Evaluation With Computer Science Applications : Wiley-Interscience; 1 edition 1975 448 pages

68. Gross D., Harris C. Fundamentals of Queueing Theory (Wiley Series in Probability and Statistics) Wiley-Interscience; 3rd edition 464 pages 1998

69. Deeter D. Economic design of reliable networks.(Special Issue of Quality and Reliability Engineering on Reliability Economics Institute of Industrial Engineers, Inc. (HE) Volume: 30 Issue: 12 Page: 1161(1) 1998

70. Birman K. Reliable Distributed Systems Springer-Verlag New York 2004 , 668pp

71. Shooman M. Reliability of Computer Systems and Networks: Fault Tolerance, Analysis, and Design Wiley, John & Sons 2002 552pp

72. Shooman M Probabilistic Reliability: An Engineering Approach Krieger Publishing Company 1990 722pp74 .Noam E. Interconnecting the Network of Networks MIT Press 2001 375pp

73. Rai S., A. Dharma P. Distributed Computing Network Reliability (IEEE Computer Society Press tutorial 2nd edition IEEE Computer Society1990347 pages

74. Rupe J. Reliability of Computer Systems and Networks Fault Tolerance, Analysis, and Design. Institute of Industrial Engineers, Inc. (HE) Volume: 35 Issue: 6: 2003 586 pp

75. Хорошевский В.Г. Инженерный анализ функционирования вычислительных машин и систем. М.: Радио и связь, 1987. 256с.

76. Rennels D.A. Fault-tolerant computer-concepts and examples. IEEE Trans. Comput. 1984, 33, N12, 1116-1129.

77. Додонов А.Г., Кузнецова М.Г. Проблемы и тенденции создания живучих вычислительных систем. Киев: Наукова думка, 1981. 55с.

78. Trevathan С.Е., Taylor T.D. Development and application of NASA's first standard spacecraft computer. Commun. ACM., 1984, 27, N9, 902-913.

79. Rennels D.A. Fault-tolerant computer-concepts and examples. IEEE Trans. Comput. 1984, 33, N12, 1116-1129.

80. Таненбаум Э., ван Стеен M. Распределенные системы. Принципы и парадигмы. -СПб.: Питер, 2003ю -877с.

81. Cristian F. Understanding Faut-Tolerant Distributed Systems // Commun. ACM, vol. 34, no 2, 1991, pp 146-158

82. Johnson К. An Introduction to the Design and Analysis of Fault-Tolerant Systems //In Pradham D.K. (ed.) Fault-Tolerant Computer System Design, pp. 1-87, Prentice Hall, 1995к