Проблемы функциональной стандартизации протоколов информационного обмена в распределенных управляющих системах

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Орловский государственный технический университет

Проблемы функциональной стандартизации протоколов информационного обмена в распределенных управляющих системах

Еременко В.Т., к.т.н., доцент

Еременко С.В., студент

В статье рассмотрены основные положения теории функциональной стандартизации распределенных управляющих систем. Сформулированы исходные посылки, обоснованы пути и разработана структура решения научной проблемы.

In article the main positions of theory of function standardization portioned controlling systems are considered. The initial parcels are formulated, the ways are proved and the structure of decision scientific problem is developed.

Современный этап развития распределенных управляющих систем (РУС) характеризуется повышением их функциональной насыщенности. Так, замкнутые на себя системы управления предприятием (R3, BAAN, Галактика и др.) решают только задачи автоматизации административно-управленческого уровня предприятия. Для использования всех возможностей таких систем в полном объеме необходим ввод в них оперативных и достоверных данных с уровня технологических и производственных процессов. Оперативность получения производственной информации позволит всем уровням управления предприятием обеспечить текущий контроль и мониторинг основных и вспомогательных производственных процессов в реальном масштабе времени. Идеи интеграции подсистем уже сегодня находят свое воплощение в самых различных отраслях: в нефтехимии, нефтепереработке, металлургии, энергетике, транспортировке нефти и газа [1,2].

В настоящее время РУС представляют собой объект активных теоретических исследований. Исследователи, используя новый технологический уровень, вернулись к созданию моделей комплексной автоматизации процессов, производств и производственных структур, позволяющих управлять децентрализованными эволюционирующими структурами с ограниченным взаимодействием, способными поддерживать по мере потребностей механизм налаживания новых межуровневых информационных связей или углублять их взаимодействие. Серьезная проблема здесь состоит в создании системы протоколов информационного обмена. Если решение задач бухгалтерских, маркетинговых и прочих офисных приложений успешно решается при помощи протоколов стандартных локальных компьютерных сетей, то привнесение в РУС задач АСУТП предъявляет новые требования к ее функционированию: возможность работы в режиме реального времени, максимальный приоритет при работе с объектом управления, надежность протоколов связи с объектами и самотестирование системы на предмет утери связи с контролируемым процессом.

Указанные обстоятельства вызывают необходимость исследования путей совершенствования взаимосвязанных протоколов информационного обмена (ПИО), способных выполнять относительно независимые функции. Их представление, как совокупности формализованных синтаксических и семантических правил, определяет работу средств информационного обмена в процессе обработки данных, позволяет описать статические и динамические свойства взаимодействия протокольных объектов (функциональных модулей одного уровня) и может служить основой документирования. Выбор ПИО позволяет определить сигналы, форматы данных, способы проверки ошибок, а также алгоритмы для интерфейсов, включая принципы подготовки сообщений, передачи и анализа на различных уровнях детализации, обеспечить защиту от угроз, вносимых средой обработки данных. В этом смысле рассмотрение протоколов с точки зрения соглашений между двумя протокольными объектами о формате и содержании служебной информации управления позволяет осуществлять наблюдение за состоянием области обработки, а также определить последовательность управляющих сигналов и процедуры обмена данными в среде РУС.

Анализ известных подходов к реализации приемов и способов информационного обмена в РУС показывает, что при его организации появляется ряд противоречий:

- действующие принципы и методы информационного обмена ориентированы на традиционные возможности доставки сообщений, возможности воздействия на них через транспортную среду учитываются не в полном объеме;

- динамическое изменение технологий обработки в среде РУС не находит своего отражения в модернизации средств информационного обмена;

- существующие подходы к процессам информационного обмена игнорируют системный эффект проектирования и на практике логическая корректность и надежность реализаций ПИО на системном уровне не достигается и в них обнаруживаются дефекты разной степени тяжести.

Указанные противоречия, в первую очередь, выступают как результат основного противоречия между традиционными принципами и методами разработки средств информационного обмена и изменившимся содержанием процессов ее обработки в современных РУС. Это вызывает необходимость исследования путей решения проблемы увеличения спектра предоставляемых услуг в условиях возрастания масштабности и разнородности среды РУС, количества и качества информационных ресурсов, а также вероятности возможных несанкционированных воздействий на систему.

Анализ ретроспективы развития предметной области показывает, что исследованию вопросов протоколов информационного обмена в распределенных информационно-управляющих системах посвящено большое количество работ. В институте системного программирования (Липаев В. В.) решались научные задачи системного проектирования программных средств, обеспечивающих надежность функционирования информационных систем. В рамках научного направления "Развитие и применение открытых систем в России" получен опыт по формированию прототипа среды открытых систем и предложена автоматизированная методика проектирования профилей (Гуляев Ю.В., Олейников А.Я. - Институт радиотехники и электроники РАН). Ряд работ, выполненных непосредственно и под руководством профессора В.А. Сухомлина (МГУ им. М.В. Ломоносова) и В.К. Щербо, В.А. Козлова (Международный центр научной и технической информации), обобщает опыт международной стандартизации.

В основе настоящего исследования лежат результаты разработки методов применения техники формального описания для построения спецификаций, тестирования протоколов (И.В. Алексеев С.В. Антонов, Н.А. Анисимов, О.Б. Макаревич, В.А. Мизин, Л.М. Ухлинов, В. Б. Фунтиков), исследования механизмов повышения надежности информационного обмена (Ю.С. Злотников, Д. Конард, Д.И. Мельников), анализа инструментальных средств и методов оценки надежности РУС (В. В. Липаев, М. Липов, Э. Нельсон, Д. Дж. Нессер, Т. Тейер)

В существующих академических изданиях и специальных трудах имеются достаточные научные предпосылки для решения поставленной проблемы. Между тем до настоящего времени существующие подходы к решению проблемы адаптации РУС к изменению параметров внешней среды носят, как правило, локальный по областям применений и разрозненный по методам характер [3,4].

В исследовании сформулировано понятие профиля протоколов информационного обмена (ППИО), как взаимоувязанной, упорядоченной совокупности требований к ПИО и содержащих определенный набор функций. Множество функций, содержащихся в стандартах на протоколы, всегда заведомо больше множества функций, реализованных в средствах информационного обмена, в частности, за счет рекомендаций по их обязательному и факультативному использованию. Кроме того, все ППИО должны быть идентичны по набору базовых функций и могут отличаться по специфическим функциям. В рамках РУС профили целесообразно реализовывать в рамках отрасли и в масштабах предприятия. Для получения дополнительного эффекта от крупномодульного проектирования на основе ППИО должны строиться функциональные стандарты путем определения их общих и специфических функций.

Научный аспект решения сформулированных проблем связан с использованием протокольного подхода к надежности информационного обмена и возможностью воспроизвести модели структуры, объектами которых выступают функции информационного обмена (определенным образом выделенные части деятельности протокольных реализаций). Практическая часть решаемых проблем включает в себя структурно-функциональный синтез средств обработки протоколов, позволяющих контролировать процессы обмена информацией как на стадии разработки, так и эксплуатации компонентов РУС.

Учитывая обширность предметной области, исследования проводились при следующих ограничениях:

архитектурное построение РУС и динамика процессов рассматривается в объеме условий и факторов, образующихся на пересечении процессов управления надежностью информационного обмена и административного управления;

процессы профилирования и аттестационного тестирования (АТ) реализаций ПИО исследуются в согласованном единстве, с общими задачами и целями РУС. Влияние других составных частей в работе учитывается лишь в части, касающейся воздействия на состав, структуру и порядок функционирования элементов и компонентов;

исследуются процессы разработки и использования ПИО и возможные деструктивные информационные воздействия (ДИВ) на них. В качестве реализаций ППИО рассматриваются программно-аппаратные средства межсетевого взаимодействия;

внешняя среда рассматривается с точки зрения ее воздействия на процессы обмена информацией.

Введение указанных ограничений по объекту исследований позволяет при решении проблемы сосредоточить основные усилия на поиске объективных закономерностей процессов ФС ПИО и на разрешении основных системных противоречий, проявляющихся при разработке и использовании ППИО.

Методы исследования базируются на аппарате теории алгоритмов, конструктивной математической логики, а также методологии общей теории систем.

В работе учтены современные положения теории построения распределенных управляющих систем, теории анализа и синтеза ПИО; опыт разработки и применения международных стандартов; мировые тенденции развития средств информационного обмена. Постановка и проведение экспериментов осуществлялась методом математического моделирования процессов взаимодействия.

Научная новизна и теоретическая значимость исследования заключается в том, что в ней впервые предложен структурно-функциональный подход к профилированию ПИО в РУС, позволяющий исключить дублирование, избыточность ППИО, повысить согласованность работы, снизить объем и сложность решения задач аттестационного тестирования за счет многократного применения общих модулей и текстов базовых стандартов. Предлагаемый подход базируется на совокупности разработанных методик:

Формирования протокольных классов (ПК) - базирующаяся на стандартных функциях и механизмах протоколов ИО. Её отличительной особенностью является то, что для обязательных и факультативных функций ИО вводятся динамические требования, обеспечивающие предоставление пользователю определенного сервиса - нарастающего набора протокольных классов, характеризующего качество информации в среде обработки.

Выбора ПК - использующая аппарат нечетких множеств, шкалы оценок Хоара, процедуру парных сравнений коэффициентов относительной важности для получения экспертных оценок.

Обнаружения и коррекции логических ошибок в реализациях ППИО - базирующаяся на формальном описании процессов информационного обмена, использующая детерминированные конечные автоматы и позволяющая уменьшить эффект их неполного и неоднозначного описания, моделировать сложные воздействия на синтаксис, семантику и предотвращать динамическую блокировку процессов.

Аттестационного тестирования реализаций ППИО - отличительной особенностью которой является то, что она предусматривает два вида тестирования: на соответствие стандартам и на взаимодействие. Тестирование соответствия должно подтвердить, что протокольные реализации ведут себя в соответствии со стандартами. Тестирование взаимодействия относится к реализации ППИО, охватывает равноправные объекты (процессы, программы, рабочие станции, серверы, локальные вычислительные сети), имитирует реальные условия, в которых будет функционировать элемент РУС и позволяет обнаружить несовместимые факультативные возможности конфигураций.

Анализа гарантированности реализаций ППИО - базирующаяся на выборочном методе, учитывающая основные аспекты испытаний реализаций и использующая методы теории вероятностей в тех случаях, когда невозможно получение полной информации о том или ином факторе. Доказано существование нижней границы гарантированности для реализаций и представлены способы и приемы их ее оценки.

Оценки неопределенности данных испытаний реализаций ППИО - базирующаяся на определении параметров функционального разреза и их взаимосвязи с тестовыми прогонами на входных наборах данных, выбранных случайным образом.

Математические модели отражают существенные свойства и формализованные схемы отношений протокольных объектов, отношения взаимодействия процессов информационного обмена в РУС, позволяют определить множество допустимых операций и контролировать их выполнение. Разработаны следующие математические модели: управления доступом; функциональная и информационная модели взаимодействия протокольных объектов; возникновения логических ошибок. Выход на уровень формализации устойчивых отношений между протокольными объектами обеспечивает возможность их применения в широком диапазоне неопределенности проявления внешних факторов, определяющих условия профилирования и тестирования реализаций ППИО.

Алгоритмы, представленные в исследовании, позволяют определить эффективные процедуры спецификации поведения протокольных объектов РУС. Представлены алгоритмы: обнаружения и коррекции столкновений процессов; алгоритм проверки синтаксиса.

Моделирование процессов информационного обмена осуществлялось в соответствии с целью проверки стратегиями обеспечения надежности, верификацией и тестированием протоколов транспортного уровня на основе их формальных спецификаций и имитационных методов; выбора их конструктивных и системных параметров.

Практическая значимость исследования. Систематизация разработки и использования ППИО РУС является логическим воплощением аппарата конструирования и сертифицирования новых технологий в пространстве базовых стандартизованных решений; позволяет осуществить модульное построение подсистем в РУС; упрощает и облегчает процессы приобретения и контроля средств ИО; обеспечивает взаимную совместимость всех технических и программных средств; существенно снижает затраты на разработку, приобретение программного обеспечения; дает практике внедрения РУС концепцию системной разработки.

стандартизация информационный обмен распределенный

Литература

1. Еременко В.Т. Математическое моделирование процессов информационного обмена в распределенных управляющих системах.: Монография / Под общей редакций Константинова И.С. - м.: Машиностроение - 1, 2004. - 224 с.

2. Еременко В.Т., Туякбасарова Н. А. Теоретические основы построения распределенных управляющих систем с использованием структурно-функционального подхода: Монография. - Курск: Курский институт менеджмента, экономики и бизнеса, 2004. - 122 с.

3. Еременко В.Т. Базовые положения теории профилирования и тестирования распределенных управляющих систем // Международная научно-практическая конференция «Информационные технологии в науке, образовании и производстве (ИТНОП)» 11-12 мая 2004 г. Орел. Труды конференции. Т.2, С.20 - 27.

4. Еременко В.Т. Принцип построения функционального стандарта для распределенных управляющих систем // Международная научно-практическая конференция «Информационные технологии в науке, образовании и производстве (ИТНОП)». 11-12 мая 2004 г. Орел. Труды конференции. Т.2, С.75 - 80.

Размещено на Allbest.ru