автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.06, диссертация на тему:Автоматизация испытаний конформности модульных структур сбора и обработки данных

На правах рукописи

ЕРЕМЕНКО АЛЕКСЕЙ ВЛАДИМИРОВИЧ

АВТОМАТИЗАЦИЯ ИСПЫТАНИЙ КОНФОРМНОСТИ МОДУЛЬНЫХ СТРУКТУР СБОРА И ОБРАБОТКИ ДАННЫХ

05.13.06 — Автоматизация и управление технологическими процессами и производствами (промышленность)

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

005535353

1 7 ОКТ 2013

Орел 2013

005535353

Работа выполнена в федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Государственный университет — учебно-научно-производственный комплекс» (г. Орел).

Научный руководитель доктор технических наук, профессор

Константинов Игорь Сергеевич

Официальные оппоненты - Фисун Александр Павлович,

доктор технических наук, профессор, Филиал Федерального государственного унитарного предприятия «Радиочастотный центр Центрального федерального округа» в Орловской области, заместитель директора

Баранов Игорь Юрьевич, кандидат технических наук, доцент, Академия ФСО Российской Федерации, доцент кафедры «Информатика и вычислительная техника»

Ведущая организация: Федеральное государственное бюджетное

образовательное учреждение высшего профессионального образования «Брянский государственный технический университет»

Защита состоится «01» ноября 2013г. в 13-00 часов на заседании диссертационного совета Д 212.182.01 при ФГБОУ ВПО «Госуниверситет -УНПК» по адресу: 302020, г. Орел, Наугорское шоссе, д. 29, ауд. 212.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО «Госуниверситет - УНПК»

Автореферат разослан «01» октября 2013 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета а' Волков Вадим Николаевич

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. В настоящее время тенденция комплексной автоматизации опирается на растущую потребность совместного использования производственных данных (текущие значения выхода готовой продукции, параметров производственных процессов, состояния оборудования) в бизнес-процессах, бухгалтерском учете, системах планирования и управления ресурсами предприятий (ERP) и взаимодействия с заказчиками (CRM), программах инвентаризации. В результате независимого развития АСУП и АСУ ТП возникают определенные технологические барьеры для использования данных и применения стандартных протоколов в интегрированной среде информационного обмена.

Модульные структуры сбора и обработки данных (МССОД) осуществляют автоматизированный сбор информации о значениях физических параметров в заданных точках объекта контроля с аналоговых и/или цифровых источников сигнала, а также первичную обработку, накопление и передачу данных.

Под конформностью МССОД в исследовании понимается соответствие объектов их нормативно-технической документации. Любой объект в стандарте описывается на каком-нибудь языке. Объектом могут быть система, программа, функциональный блок, протокол обмена данными. Конформность объекта, как правило, определяется в результате процесса его тестирования. Под испытаниями в работе понимается экспериментальное определение количественных и качественных характеристик, параметров объекта путем воздействия на него или его модель спланированного комплекса внешних возмущающих факторов. Одной из целей испытаний конформности является устранение дефектов взаимодействия компонентов в составе МССОД.

Испытания конформности проводятся, как правило, над серийно изготавливаемыми компонентами МССОД. В исследовании рассматривались компоненты МССОД, основными функциями которых, является обмен данными в соответствии с некоторым протоколом.

Реализации протоколов, используемых в МССОД, не реализуют значительного числа функций, необходимых для систем автоматизации и содержат большое количество логических ошибок. Попытка проблему с помощью инкапсуляции (данные систем автоматизации вставляются в кадры протоколов TCP или UDP) приводит к снижению эффективности функционирования протоколов МССОД и увеличению накладных расходов.

Диссертационное исследование базируется на результатах работ в области: теории алгоритмов (К. Гедель, К. Черч, С. Клини, А. Тьюринг, Э. Пост, А. Марков, А. Колмогоров); теории конечных автоматов (В. М. Глушкова, В.Б. Кудрявцева, А. Гилла, Б.И. Плоткина, И.Б. Куфарова); формального описания протоколов (В.А. Мизин, Т.М. Парамохина, А. Е. Георгиевский); методов тестирования протоколов информационного обмена (Б.С. Гольдштейн, H.A. Анисимов, О.Б. Макаревич, В.Б. Фунтиков); способов и приемов повышения надежности процессов информационного обмена (И.В. Алексеев, C.B. Антонов, Ю.С. Злотников, Д.И. Мельников); процессов

информационного обмена в коммуникационной среде предприятий (И. С. Константинов, В. Т, Еременко, А. Д. Иванников).

За пределами работ указанных авторов остаются проблемы интеграции данных в коммуникационной среде промышленных предприятий, унификации оборудования, а методы решения таких научных задач носят разрозненный характер. Решение указанных проблем неотъемлемо связано с понятием конформности МССОД и определяет актуальность темы исследования, выбор объекта, предмета и формулировку цели исследования.

Объект исследования — процессы испытаний конформности компонентов модульных структур сбора и обработки данных.

Предмет исследования — методики, модели и алгоритмы, обеспечивающие испытания конформности модульных структур сбора и обработки данных.

Цель исследования — повышение эффективности испытаний конформности объектов модульных структур сбора и обработки данных.

Для достижения сформулированной цели были поставлены и решены следующие задачи:

1. Анализ тенденций построения и проблем развития модульных структур сбора и обработки данных.

2. Исследование методов формального описания процессов сбора и обработки данных в модульных структурах.

3. Разработка способов и приемов формирования тестов конформности.

4. Разработка способов и приемов тестирования конформности протоколов модульных структур сбора и обработки данных.

5. Имитационное моделирование процессов сбора и обработки данных в модульных структурах.

6. Оценка результатов моделирования и вычислительной сложности алгоритмов.

Методы и средства исследования. При решении указанных задач использовались: теория конечных автоматов, аппарат теории множеств, методы математического программирования, методы математической логики, аппарат теории графов, методы анализа вычислительных алгоритмов, имитационное моделирование.

Научная новизна диссертационного исследования заключается в том, что поставлена и решена задача автоматизации испытаний конформности модульных структур сбора и обработки данных АСУ ПП и получены новые научные результаты:

1. Предложена математическая модель взаимодействия протокольных объектов модульных структур сбора и обработки данных на основе расширенного автомата, отличающаяся использованием линейных неравенств и позволяющая описать степень соответствия реализации эталонной модели протокола.

2. Разработана методика формирования тестов для протоколов модульных структур сбора и обработки данных, базирующаяся на критерии

эквивалентности соответствия реализации эталонной модели, отличающаяся процедурами выявления несоответствия в описании протоколов и учитывающая внутрипротокольные прерывания.

3. Разработана методика тестирования конформности реализации процессов сбора и обработки данных, отличающаяся возможностью оценить ее формальную спецификацию с точки зрения логической правильности.

4. Предложена имитационная модель процессов сбора и обработки данных в модульных структурах, отличающаяся учетом внутрипротокольных прерываний.

Практическая значимость заключается в применении теоретических положений методик и алгоритмов для тестирования соответствия реализаций протоколов модульных структур сбора и обработки данных для разработки программ для ЭВМ, зарегистрированных Федеральной службой по интеллектуальной собственности, патентам и товарным знакам.

Кроме того, полученные результаты использованы:

- в ОКР «Оса-БЕСТ», в процессе подготовки нормативно-методических документов и спецификаций протоколов информационного обмена, разрабатываемых в Краснодарском филиале ФГУП НТЦ «Атлас»;

- в НИОКР ЗАО «Гудвин-Европа» г. Москва для определения конструктивного решения по построению специализированного аппаратно-программного комплекса;

в НИР «Тетра-БА» ФГУП НТЦ «Атлас» (г. Москва) в спецификациях протоколов информационного обмена.

Результаты внедрения подтверждены соответствующими актами.

Для ФГУП НТЦ «Атлас» и Краснодарского филиала ФГУП НТЦ «Атлас» применение методики и алгоритмов генерации тестов позволило оптимизировать состав протоколов, сервисов, услуг, функций и сократить сроки интеграции и комплексной отладки специализированных средств информационного обмена.

Работа выполнена в рамках Государственного контракта №16.740.11.0041 «Разработка распределенных автоматически профилируемых средств обработки, архивирования и защиты диагностической информации» (Заказчик — Министерство образования и науки РФ), выполняемого по Федеральной целевой программе «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009 - 2013 гг.

Достоверность и обоснованность научных положений достигнута: за счет непротиворечивости результатов, полученных теоретическим и экспериментальным путем; достаточно полного учета исходных данных; верификации отдельных результатов в рамках подходов, используемых в теории систем.

Апробация и публикации. Материалы диссертации докладывались на: Научно-технической конференции «Защита информации в сетях и системах связи и управления» (г. Пенза, 2000); I Международной научно-практической конференции «Информационные технологии в науке, образовании и производстве (ИТНОП)» (г. Орел, 2004); IV Международной электронной

научно-технической конференции «Технологическая системотехника - 2005» (г. Тула, 2005); V Международной электронной научно-технической конференции «Технологическая системотехника - 2006» (г. Тула, 2006); IV Международная научно-практическая Интернет-конференция «Энерго- и ресурсосбережение XXI век» (г. Орел, 2006); II Международной научно-практической конференции «Информационные технологии в науке, образовании и производстве (ИТНОП)» (г. Орел, 2006); III Всероссийской научно-практической Интернет-конференции «Методы прикладной математики и компьютерной обработки данных в технике, экономике и экологии» (г. Орел, 2006); XIV Всероссийской научно-методической конференции «Телематика — 2007» (г. Санкт-Петербург); Международной научно-практической конференции «Информационные системы и технологии» (г. Орел, 2013).

Положения, выносимые на защиту:

1. Математическая модель взаимодействия протокольных объектов модульных структур сбора и обработки данных.

2. Методика формирования тестов для протоколов модульных структур сбора и обработки данных.

3. Методика тестирования конформности реализации процессов сбора и обработки данных.

4. Имитационная модель процессов сбора и обработки данных в модульных структурах.

Публикации. По материалам диссертации имеется 33 публикации, в том числе: 14 статей в журналах из перечня ВАК, 13 публикаций в научных журналах и материалах конференций, 6 свидетельств о регистрации программ для ЭВМ.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы. Работа изложена на 195 страницах машинописного текста, включающего 26 рисунков, 3 таблицы, список литературы из 170 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ:

Во введении обоснована актуальность работы, сформулированы ее цель и задачи, научная новизна, практическая значимость и основные положения, выносимые на защиту.

Первая глава. Использование технологии Ethernet на уровне единой коммуникационной инфраструктуры предприятия, позволяет собирать и обрабатывать информацию с различных уровней для применения в различных приложениях, включать в контур управления различные устройства контроля, обеспечивать централизованное управление устройствами автоматизации технологических процессов и производств, унифицировать оборудование, снизить стоимость эксплуатационного обслуживания и обучения персонала.

Разработка совместимых технологий сбора и обработки данных в настоящее время осуществляется на основе Единого стандарта обмена данными и межсерверных коммуникаций для Industrial Ethernet и унаследованных промышленных протоколов ОРС Data Exchange Standard for Ethernet, что

позволяет получить единые спецификации на сетевые компоненты и кабельную инфраструктуру.

Все спецификации протоколов информационного обмена содержат разделы, допускающие различную их интерпретацию разработчиками, что приводит к необходимости определения соответствия (конформности) реализаций различных протоколов стандартам. Реализации протоколов разных фирм-производителей не могут работать совместно из-за неоднозначности спецификации функций, процедур и параметров информационного обмена, а также за счет рекомендаций по их обязательному и факультативному использованию.

В модульных структурах сбора и обработки данных при тестировании конформности реализаций протоколов проверяется, в какой степени и при каких условиях разные реализации одного и того же протокола могут совместно работать. Тесты конформности применяются ко всем протоколам стека, используемого на интерфейсе.

Кроме того, эффективность работы протоколов модульных структур сбора и обработки данных снижается при возникновении внутрипротокольных прерываний на этапе установления соединения или передачи данных, вызванные сбоем в работе внутри протокола (при взаимодействии между протокольными объектами) в результате столкновения или неопределенности процессов.

Во второй главе представлена математическая модель взаимодействия протокольных объектов модульных структур сбора и обработки данных.

При постановке задачи тестирования конформности тестирования на основе формальной модели будем считать, что протокольные блоки данных (ПБД) с ошибками испытаний отображаются в некорректные сигналы. Рассмотрим множество тестируемых протокольных объектов Т*. Будем считать, что каждый объект Т из множества Т* обладает следующими свойствами:

- для каждого объекта Т е Т* можно выделить множество входных сигналов X и множество выходных сигналов У. Множество последовательностей входных сигналов (входных последовательностей) будем обозначать X*; множество входных последовательностей будем обозначать У*;

- на объекте Те Т* может быть проведен эксперимент, заключающийся в установке Т в начальное состояние (инициализации объекта), подаче входной последовательности а е X* и наблюдении выходной последовательности Р е У*. Реакция объекта, находящегося в начальном

состоянии, на входную последовательность определяется функцией ./(а): А41 -» у*

Рассмотрим множество конечных автоматов А*= { Л=(2> X У, А, 6, д)}; А -конечный автомат.

Выделим подмножество Т*А с Т*, тестируемых объектов, которые могут быть представлены (смоделированы) конечным автоматом: для каждого Т е Т*А существует автомат А е А*; А= (2, X, У, Я, <5, такой что для любой входной последовательности а е X* выполняется: р\ = <5(д0, а); /?2 = Да);

Р\=Рг■ Отношение моделирования на множествах и А* будем обозначать Л/с/*А хА*.

Пусть протокол описывается эталонным конечным автоматом Аэ = ((¿э, Хэ, ¥э, Яэ, <5э, дю), а тестируемый объект Т может быть представлен некоторым неизвестным нам конечным автоматом Ат= Хт, Ут, 1т, <5/, Qтo)■

При тестировании сравниваются эталонная модель и объект, представленные конечными автоматами Аэ и Ат Процедура тестирования заключается в применении к объекту тестовой последовательности у е Г; Г — множество тестовых последовательностей. Под тестовой последовательностью будем понимать последовательность пар входного и выходного сигналов: « л, / у, >,...,< х[ / у1 » Последовательность входных сигналов, включенных в тестовую последовательность, будем называть входной частью тестовой последовательности ат. Последовательность выходных сигналов будем называть выходной частью тестовой последовательности и обозначать Рт-Применение тестовой последовательности заключается в подаче на объект входной части ат, сравнении полученной от объекта выходной последовательности /?„ с выходной частью Рт и вынесении вердикта. Для эталонной модели Аэ и объекта Т положительный вердикт выносится, если Д, = Рт, а отрицательный вердикт выносится, если Д, * рт. Получение вердикта обозначим функцией К:х/*->{0,1}, где 0 соответствует отрицательному вердикту, а 1 - положительному.

Г1 ,еспир0 = Д«г )&Д, =/?г,

[О, еогаД, = У (агг) & раФ рт.

Под расширенным автоматом (РА) с предикатами в виде линейных неравенств будем понимать конечный автомат Р(Х,У,<2,д0,У,Т), где

X = - множество входных сигналов; х =< л,>;

К = — множество выходных сигналов; у =< у1 ,-,уутзх >;

С> — множество состояний;

<70 - начальное обобщенное состояние <?0 = (д0, у0), е <2, у0 е V;

V-множество внутренних переменных у=<ур..,уутдх >;

И - функция поведения Б: ((ЗхХхУ) -> (ОхУхУ).

Функция поведения Б задается, как кусочно-линейная функция на множестве 2 х Хх V. Области входных значений, в которых функция имеет линейный вид, задаются системами линейных неравенств (системами ограничений) Щ()х Хх V), причем область линейности включает только одно значение я е Я- Вид функции в областях линейности задается линейными функциями ХхУ —> ЛхКх<2 (системами присваиваний). Область значений каждой линейной функции включает в себя только одно значение д е £).

Проведённый анализ основных свойств модели РА с предикатами показывает, что РА с предикатами может быть представлен ориентированным графом, вершины которого соответствуют состояниям РА, а дуги — переходам РА. Дуги помечены системой ограничений и системой присваиваний. Каждому пути в РА с предикатами можно поставить в соответствие линейную функцию

8

(систему присваиваний) Г у 1 _ , Г у 1 г > имеющую область

и7>гМ<г>]

входных значений, описываемую системой линейных неравенств (системой ограничений) А | \(смр )ь,т (где СМР - столбец сравнений, состоящий

" 1< * > J

из элементов {>, <, , =}, а матрицы Ьр, и Ар, состоят из элементов {0, 1}). При этом система ограничений будет задавать область входных значений пути, а система присваиваний - зависимость значений параметров выходных сигналов от начальных условий и значений параметров входных сигналов.

В третьей главе представлена методика формирования тестов для протоколов модульных структур сбора и обработки данных.

На основе представленной модели (глава 2) разработана методика формирования тестов для модульных структур сбора и обработки данных, основанная на эвристических методах: анализа исключительных последовательностей, поиска и исправлении ошибок, включающая этапы: поиска исключительных последовательностей в РА; поиска исключительной входной области; построения тестового комплекта; оптимизации поиска покрытия перехода в РА. Для каждого этапа разработаны алгоритмы, позволяющие реализовать методику подготовки тестов на практике.

На основе оценки общей длины теста, а также количества сигналов, включаемых в тест обоснован выбор метода уникальных последовательностей (УП) для тестирования конечного автомата. В работе под уникальной последовательностью понимается исключительная последовательность (ИП), приводящая к положительному вердикту тестирования.

Разработан алгоритм поиска ИП в расширенном автомате, позволяющий их выделить из множества О групп (Э-группа — множество всех 0<3 групп (множество всех путей, исходящих из заданного состояния <3 и помеченных входной последовательностью х)); производить генерацию нового пути и сформировать исключительную последовательность. Рассматриваемый алгоритм поиска ИП отличается от известных ранее отсутствием проверки наличия состояний, для которых найденные последовательности сохраняют уникальность.

При использовании расширенного автомата вероятность нахождения ИП снижается, так как при переходе от детерминированного автомата к расширенному выполняется объединение группы состояний в одно состояние, а группы входных сигналов в один сигнал. Для идентификации состояний РА с предикатами был введен аналог исключительной последовательности — исключительной входной области (ИВО), обеспечивающей на множестве входных сигналов корректное функционирование реализаций.

На основе алгоритма поиска ИП для РА построен алгоритм поиска ИВО. Единственным различием в алгоритмах поиска ИП и поиска ИВО является реализация функции позволяющей выделять исключительные последовательности, поскольку для поиска ИВО используется дополнительный критерий: выполнимости условия уникальности выходной последовательности пути.

Рассматриваемая процедура тестирования является тестированием путем одиночного безусловного эксперимента. Поэтому тестовый сегмент задает одну входную последовательность с точностью до значений параметров и задает корректную выходную последовательность.

Тестовая последовательность построена таким образом, чтобы при тестировании выносился положительный вердикт, если эталонная модель Аэ и автомат Ат , моделирующий объект, эквивалентны и отрицательный вердикт в противном случае, что отражается свойством:

V{y,J) = \o А =п Ат.

При построении теста возникает подзадача достижения выбранного перехода эталонной модели из начального состояния Q0. Выполнение перехода РА происходит при выполнении предиката перехода. В исследовании предикат представляет собой булеву функцию, что приводит к сокращению трудоемкость перебора.

В исследовании представлена оценка вычислительной сложности алгоритма поиска входной последовательности, покрывающей заданный переход РА с предикатами в виде линейных неравенств. Вычислительная сложность поиска покрытия перехода в РА с произвольными предикатами переходов составляет О (Rx Nt ) _ ¡yt _ Среднее количество переходов, исходящих из одного состояния; L - длина покрывающего пути; Rx - мощность множества сигналов одного типа. Вычислительная сложность поиска покрытия перехода в РА с предикатами в виде линейных неравенств составляет 0(LlNtL)

В четвертой главе представлена методика тестирования конформности реализации модульной структуры сбор и обработки данных включает в себя эталонную модель, методику формирования тестов, блоки анализа данных и решений по результатам испытаний конформности (рисунок 1). В качестве входных данных используется описание тестируемого протокола на языке SDL.

На основе анализа уточнены типы ошибок, выявляемых в процессе аттестационных испытаний. При проектировании модульной структуры сбора и обработки данных на основе тестирования определяется соответствие ее протоколов техническим условиям (ТУ) или версиям стандартов.

Тестирование конформности производится с применением разработанной эталонной модели взаимодействия протокольных объектов.

В качестве внешнего воздействия на среду информационного обмена рассматриваются имитации ошибок характеристик каналов связи. При этом, ошибки структуры протокольных блоков данных (ПБД) будут выражаться в ошибках значений параметров сигнала автомата. Формальная модель включает в себя разработанную модель процессов информационного обмена, методику подготовки тестов (4 алгоритма), разрешение систем ограничений для переходов и путей РА с предикатами с использованием симплекс-метода линейного программирования. На уровне автомата, моделирующего поведение протокола, разрешенные и неразрешенные ПБД обрабатываются одинаково, как сигналы автомата.

Ре зупьтат решения

Внешнее Спецификация Тестовый системы воздействие протокопа комплект неравенств

Генерация Системы ИБО пинейных

неравенств

Рисунок 1. Методика испытаний конформности модульных структур сбора и

обработки данных

В пятой главе представлены результаты имитационного моделирования протоколов с учетом внутрипротокольных прерываний. Рассматривался транспортный уровень соединения, обеспечиваемый протоколом TCP и протоколом TCP с исправленной спецификацией. Целью моделирования являлось определение эффективности работы данных протоколов при возникновении внутрипротокольных прерываний.

Рассматриваемый процесс передачи данных представляет собой систему массового обслуживания, которая характеризуется: протокольными блоками обслуживания; неограниченным источником заявок (пакетов); конечным получателем заявок; сложным алгоритмом перемещения заявок.

С учетом этого, а так же неравномерного характера поступления заявок и распределения времени обслуживания в качестве критерия оценки эффективности функционирования рассматриваемой системы было выбрано распределение случайной величины — среднее значение коэффициента внутрипротокольных прерываний.

В качестве эндогенных (зависимых) переменных рассматривалось время, необходимое для передачи одного пакета данных. В качестве экзогенной (независимых) переменной было выбрано распределение величины возникновения внутрипротокольных прерываний.

При этом, за единицу модельного времени была выбрана величина равная скорости передачи данных по каналу. При этом, размер пакета измерялся в единицах, кратных величине скорости передачи данных.

В ходе выполнения программы моделировалось 48000 единиц модельного времени. За это время генерировались пакеты со случайной длиной, которая распределена по нормальному закону. Вероятность возникновения внутрипротокольных прерываний была принята равной 0,1.

В ходе построения моделей были реализованы две независимые программы, выполняющие имитацию процессов передачи данных, одна из которых представлена на рисунке 2.

Є 7П

9 231 М70 НО 219

15 2М і 18 23?

і» гп

Пв 71«

2« ггз » 233 :2в 207 .27 230 28 278

і 29 168 2П0 30 2С6

:31 290

і 32 186

і М 1»

13« 279

К 303

ІХ 163

137 247

'іПТ

Г 'Г і

: Іі-і1!| Д л і їй 'і і,

Рисунок 2. Экранная форма программной реализации имитационной модели.

В заключении сформулированы основные результаты работы.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ:

1. Для описания взаимодействия протокольных объектов модульной структуры сбора и обработки данных разработана модель расширенного автомата (РА) с предикатами в виде линейных неравенств. Модель предполагает существование разбиений множеств входных и выходных сигналов по типу сигнала. Проведен анализ достаточности разработанной модели для описания свойств протоколов модульных структур сбора и обработки данных.

2. В качестве типовой ошибки при тестировании конформности можно рассматривать отсутствие описанной возможности протокола, приводящее к изменению внешнего поведения объекта. В рамках модели РА с предикатами изменение внешнего поведения приводит к нарушению эквивалентности между конечными автоматами, представляющими эталонную модель и объект.

3. Для анализа эффективности поиска покрытия перехода использовался алгоритм, основанный на поиске в ширину и имеющий временную сложность, экспоненциально зависящую от длины пути (это связано с экспоненциальным ростом количества ветвей дерева поиска, отражающего количество рассматриваемых при поиске вариантов). Определено, что значительное количество рассматриваемых при поиске путей не изменяют

глобальное состояние РА с предикатами, то есть являются глобальными циклами.

4. В процессе исследования подтвержден теоретический предел невозможности достижения 100%-го покрытия для расширенных автоматов и наличие множественных ошибок. Оценка покрытия теста на основе метода ИП выполнялась с помощью вычислительного эксперимента, в процессе которого генерировались автоматы с внесенной по отношению к эквивалентной модели ошибкой.

5. Разработана методика испытаний конформности для протоколов сбора и обработки данных модульных структур, реализующая модель и методику формирования тестов.

6. Показано, что анализ испытаний конформности может быть сведен к подзадаче достижения выбранного перехода эталонной модели из начального состояния q0. При этом, выполнение перехода РА происходит при исчислении предиката. В исследовании трудоемкость перебора сокращена за счет выбора линейных предикатов.

7. Полученные результаты имитационного моделирования подтвердили, что среднее значение коэффициента возникновения внутрипротокольных прерываний для обычного протокола TCP расположилось на отметке 1,71. В тоже время, для протокола TCP с исправленной спецификацией среднее значение этого же коэффициента равно 1,28. Данные, полученные в результате моделирования, свидетельствуют о том, что при данной величине вероятности выпадения внутрипротокольных прерываний равной 0,1 протокол TCP с исправленной спецификацией работает эффективнее, чем стандартный протокол передачи данных TCP.

Основные публикации по теме диссертации: Статьи в журналах из перечня ВАК

1. Еременко, А. В. Автоматизация испытаний конформности модульных структур сбора и обработки данных АСУ промышленного предприятия. [Текст] //Информационные системы и технологии. - 2013- № 5. - С. 24 - 30 (Личное участие - 100%)

2. Еременко, А. В. Имитационное моделирование внутрипротокольных прерываний процессов информационного обмена в промышленных сетях. [Текст] // Информационные системы и технологии. - 2013- № 4. - С. 19 - 25. (Личное участие - 100%)

3. Еременко, А. В. Анализ и синтез алгоритмов обмена информацией в телекоммуникационной среде предприятий. [Текст] / A.B. Еременко, М.В. Чистяков // Вестник компьютерных и информационных технологий - № 10. - 2007. - С. 34 - 37. (Личное участие - 50%)

4. Еременко, А. В. Моделирование асинхронных процессов информационного обмена в распределенных автоматизированных системах машиностроительных предприятий. [Текст] / A.B. Еременко, А. Н. Савенков // Известия Тульского государственного университета. Серия «Бизнес-процессы и бизнес-системы». - 2006. - Выпуск. 4. - С. 97 - 103. (Личное участие-50%)

5. Еременко, А. В. Автоматизированная генерация аттестационных тестов для реализаций протоколов информационного обмена. . [Текст] / A.B. Еременко, Т.М. Парамохина // Известия Тульского государственного университета. Серия «Технологическая системотехника». Труды участников IV Международной электронной научно-

технической конференции «Технологическая системотехника — 2005». — 2006. — Выпуск 7. — С. 8 - 14. (Личное участие - 50%)

6. Еременко, А. В. Методика разработки протоколов информационного обмена на основе сетей Петри. [Текст] / A.B. Еременко, С.И. Афонин, А.Е. Георгиевский // Известия Тульского государственного университета. Серия «Технологическая системотехника». Труды участников IV Международной электронной научно-технической конференции «Технологическая системотехника - 2005». -2006. - Выпуск 7. - С. 39 - 50. (Личное участие - 33%)

7. Еременко, А. В. Способы и приемы коррекции столкновений процессов информационного обмена в среде АСУ МП. [Текст] / A.B. Еременко, А. Н. Савенков // Известия Тульского государственного университета. Серия «Технологическая системотехника». Труды участников V Международной электронной научно-технической конференции «Технологическая системотехника — 2006». —2006. — Выпуск 8. — С. 74 - 78. (Личное участие - 50%)

8. Еременко, А. В. Методика анализа возникновения логических ошибок в реализациях протоколов информационного обмена. [Текст] / A.B. Еременко, В.Т. Еременко, О. В. Озаренко // Известия Тульского государственного университета. Серия «Технологическая системотехника». Труды участников V Международной электронной научно-технической конференции «Технологическая системотехника - 2006». -2006. - Выпуск 8. - С. 106 - 115. (Личное участие - 33%)

9. Еременко, A.B. Алгоритмы выбора оптимального маршрута в корпоративных сетях. [Текст] / A.B. Еременко, В.Т. Еременко, А.И. Офицеров // Известия Тульского государственного университета. Серия «Технологическая системотехника». 2006. - Выпуск 10. - С. 101 - 107. (Личное участие - 33%)

10. Еременко, А. В. Алгоритмы проектирования сетей на основе полевых шин. [Текст] /

A.B. Еременко, В.Т. Еременко, С. А. Максаков // Известия Тульского государственного университета. Серия «Технологическая системотехника». Труды участников V Международной электронной научно-технической конференции «Технологическая системотехника - 2006»,- 2006. Выпуск 11,- С. 107 - 116. (Личное участие - 33%)

11. Еременко, А. В. Анализ корректности протоколов TCP/IP на основе инвариантности сетей Петри. [Текст] / A.B. Еременко, В.Т. Еременко, А.Е. Георгиевский, Т. О. Дмитриева // Известия Тульского государственного университета. Серия «Технологическая системотехника». Труды участников V Международной электронной научно-технической конференции «Технологическая системотехника - 2006». -2006. - Выпуск 11,-С. 53-63. (Личное участие - 25%)

12. Еременко, А. В. Модели и алгоритмы анализа логических ошибок в протоколах информационного обмена. [Текст] / A.B. Еременко, В.Т. Еременко, О. В. Озаренко // Известия высших учебных заведений. Поволжский регион. Технические науки - 2006. - № 6.

С. 229 - 238. (Личное участие - 33%)

13. Еременко, A.B. Алгоритмы проектирования сетей на основе полевых шин . [Текст] /

B.Т. Еременко, С.А. Максаков, A.B. Еременко // Известия ТулГУ. Серия Технологическая системотехника. Труды участников Пятой Международной электронной научно-технической конференции "Технологическая системотехника - 2006". 2006, Выпуск 11. - С. 107-116. (Личное участие - 33%)

14. Еременко, A.B. Анализ корректности протоколов TCP/IP на основе инвариантности сетей Петри. [Текст] / В.Т. Еременко, А.Е. Георгиевский, A.B. Еременко, Т.О. Дмитриева // Известия ТулГУ. Серия Технологическая системотехника. Труды участников Пятой Международной электронной научно-технической конференции "Технологическая системотехника - 2006". - 2006, Выпуск 11. - С. 53-63. (Личное участие - 25%)

Публикации в научных журналах и материалах конференций

15. Еременко, А. В. Алгоритм моделирования стохастических процессов в информационно-вычислительных сетях. [Текст] / A.B. Еременко, М.А. Сазонов, В. А. Кпепкин // Сборник научных трудов ученых Орловской области. Вестник науки - 2000.

Выпуск 6. В 2-х томах. Т.1.- Орел: Изд-во ОрелГТУ, 2001. - С. 231 - 233. (Личное участие -33%)

16. Еременко, A.B. Математические модели спецификации протоколов архитектур безопасности. [Текст] / А.В.Еременко, В.Т. Еременко; А.Н.Орешин // Материалы Всероссийской научно-технической конференции «Защита информации в сетях и системах связи и управления». — Пенза: Изд-во Пензенского научно-исследовательского электротехнического института, 2000 - с. 34-35. (Личное участие - 33%)

17. Еременко, A.B. Анализ механизмов управления окном в сетях передачи данных. [Текст] / А.В.Еременко, М.В. Чистяков, А.В.Завадский, // Сборник научных трудов ученых Орловской области. Вестник науки. Выпуск 6. В 2-х томах. Том 1. — Орел: Изд-во ОрелГТУ, 2001,- с. 84 - 88. (Личное участие - 33%)

18. Еременко, А. В. Динамическое управление информационными процессами в распределенных управляющих системах. [Текст] / A.B. Еременко, М.В. Чистяков // Известия Орловского государственного технического университета. Серия «Информационные системы и технологии». Международная научно-практическая конференция «Информационные технологии в науке, образовании и производстве (ИТНОП)» Труды конференции. Т. 5. - Орел: Изд-во ОрелГТУ, 2004. - С. 13 - 17. (Личное участие-50%)

19. Еременко, А. В. Методика моделирования сервиса реализации профилей протоколов информационного обмена в среде АСУ радиоэлектронных предприятий. [Текст] / A.B. Еременко, А.Е Георгиевский // Известия Орловского государственного технического университета. Серия «Информационные системы и технологии». II Международная научно-практическая конференция «Информационные технологии в науке, образовании и производстве (ИТНОП)». Труды конференции. Т. 1. — Орел: Изд-во ОрелГТУ, 2006. -С. 35 - 40. (Личное участие - 50%)

20. Еременко, А. В. Методика генерации тестов для протоколов информационного обмена на основе недетерминированного конечного автомата с предикатами. [Текст] / A.B. Еременко, Т.М. Парамохина // Известия Орловского государственного технического университета. Серия «Информационные системы и технологии». II Международная научно-практическая конференция «Информационные технологии в науке, образовании и производстве (ИТНОП)». Труды конференции. Т. 1. - Орел: Изд-во ОрелГТУ, 2006. - С. 165 -170. (Личное участие - 50%)

21. Еременко, А. В. Аттестационное тестирование и оценка неопределенности данных испытаний протоколов распределенных управляющих систем. [Текст] / A.B. Еременко // IV Международная научно-практическая Интернет-конференция «Энерго- и ресурсосбережение XXI век». Материалы конференции. / Орел: Изд-во ОрелГТУ, 2006. - С.232 - 237. (Личное участие -100%)

22. Еременко, А. В. Методы автоматизации тестирования систем реального времени. . [Текст] / А. В. Еременко // Известия Орловского государственного технического университета. Серия «Информационные системы и технологии». III Всероссийская научно-практическая Интернет-конференция «Методы прикладной математики и компьютерной обработки данных в технике, экономике и экологии». Труды конференции. - Орел: Изд-во ОрелГТУ, 2006,- № 2 - С. 107 - 117. (Личное участие - 100%)

23. Еременко, А. В. Методы и системы обнаружения атак в компьютерных сетях . [Текст] / A.B. Еременко, Д.В. Мишин // Вестник компьютерных и информационных технологий - № 10. - 2006. - С. 35 - 41. (Личное участие - 50%)

24. Еременко, А. В. Моделирование сервиса транспортного уровня на основе сетей Петри. [Текст] / A.B. Еременко, А.Е. Георгиевский // Вестник компьютерных и информационных технологий - № 11.- 2006. - С. 34 - 37. (Личное участие - 50%)

25. Еременко, А. В. Анализ и синтез алгоритмов обмена информацией в телекоммуникационной среде предприятий. [Текст] / A.B. Еременко, М.В. Чистяков // Вестник компьютерных и информационных технологий - № 12. - 2006. - С. 34 - 37. (Личное участие — 50%)

26. Еременко, А. В. Проблемы функциональной стандартизации протоколов информационного обмена в распределенных информационных системах [Текст] /В.Т. Еременко, И.С. Константинов, A.B. Еременко// Труды XIV Всероссийской научно-методической конференции «Телематика, 2007»- СПб: 2007. -Т.2 - С. 378-379. (Личное участие - 33%)

27. Еременко, A.B. Анализ воздействия внутрипротокольных прерываний на процессы информационного обмена в промышленных сетях. Материалы Международной научно-практической конференции «Информационные системы и технологии» (г. Орел, 2013) [Электронный ресурс] - http://isit-conf.gu-unpk.ni/conferences/2/ materials/manager/view/221.

Свидетельства о регистрации программ для ЭВМ

28. Еременко, А. В. Программное средство формирования и выбора протокольных классов для службы обмена сообщений «Профиль». / A.B. Еременко, В.Т. Еременко, О. В. Озаренко / Заявка № 2007610941. Дата поступления 9 января 2007 г. Зарегистрировано в реестре программ для ЭВМ 1 марта 2007г. (Личное участие - 33%)

29. Еременко, А.В, Программное средство моделирования процессов информационного обмена для сетей с коммутацией пакетов на основе аппарата GERT - сетей. / A.B. Еременко, В.Т. Еременко, Е.А. Семашко, М.В. Чистяков Свидетельство об официальной регистрации программы для ЭВМ № 2007613229 Федеральной службы по интеллектуальной собственности, патентам и товарным знакам от 31 июля 2007 г. (Личное участие - 25%)

30. Еременко, A.B. Программное средство анализа состояний протокола TCP на основе недерминированных конечных автоматов. / A.B. Еременко, В.Т. Еременко, C.B. Алдобаев, Т.О. Дмитриева / Свидетельство об официальной регистрации программы для ЭВМ № 2007613800 Федеральной службы по интеллектуальной собственности, патентам и товарным знакам от 6 сентября 2007 г. (Личное участие - 25%)

31. Еременко, A.B. Автоматически профилируемое программное средство сжатия полутоновых изображений без потерь информации. / С.И. Афонин, A.B. Еременко, A.B. Демидов, А.В.Тютякин, Е.А. Семашко. Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ № 2011612958 Федеральной службы по интеллектуальной собственности, патентам и товарным знакам. Заявка № 2011611297 Дата поступления 28 февраля 2011г. Зарегистрировано в Реестре 13 апреля 2011 г. (Личное участие - 20%)

32. Еременко, A.B., Автоматически профилируемое программное средство фильтрации полутоновых изображений / С.И. Афонин, A.B. Еременко, A.B. Демидов, A.B. Тютякин, A.A. Кондрашин. Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ № 2011612957 Федеральной службы по интеллектуальной собственности, патентам и товарным знакам. Заявка № 2011611296 Дата поступления 28 февраля 2011г. Зарегистрировано в Реестре 13 апреля 2011 г. (Личное участие - 20%)

33. Еременко, A.B., Программное средство защиты диагностических данных с клиент-серверной архитектурой./ A.B. Еременко, C.B. Еременко, A.B. Демидов, В.Т. Еременко, Л.В. Кузьмина, Д.А. Краснов, О.Г. Липатова Свидетельство об официальной регистрации программы для ЭВМ №2012617352 Федеральной службы по интеллектуальной собственности. Дата поступления 21 июня 2012 г. Зарегистрировано в реестре программ для ЭВМ 15 июня 2012 г. (Личное участие - 14%)

ЛР ИД № 00670 от 05.01.2000 г. Подписано к печати « 24 » сентября 2013 г. Усл. печ. л.1 Тираж 100 экз. Заказ № 164 . Полиграфический отдел «Госуниверситет-УНПК» 302035, г. Орел, ул. Московская, 65

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ "ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ - УЧЕБНО-НАУЧНО-ПРОИЗВОДСТВЕННЫЙ КОМПЛЕКС"

АВТОМАТИЗАЦИЯ ИСПЫТАНИЙ КОНФОРМНОСТИ МОДУЛЬНЫХ СТРУКТУР СБОРА И ОБРАБОТКИ ДАННЫХ

05.13.06 - Автоматизация и управление технологическими процессами и

производствами (промышленность)

На правах рукописи

04201362582

ЕРЕМЕНКО АЛЕКСЕЙ ВЛАДИМИРОВИЧ

ДИССЕРТАЦИЯ на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель:

доктор технических наук, профессор

Константинов Игорь Сергеевич

Орел 2013

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ.........................................................................................................5

ГЛАВА 1. АНАЛИЗ ОСНОВНЫХ ТЕХНОЛОГИЙ ПОСТРОЕНИЯ МОДУЛЬНЫХ СТРУКТУР СБОРА И ОБРАБОТКИ ДАННЫХ...............11

1.1 Проблемы обмена данными в средах АСУТП и АСУП.......................11

1.2 Межсетевое взаимодействие модульных структур сбора и обработки данных на основе ЕЛегпе^технологий..........................................................29

1.3 Современные аспекты построения модульных структур сбора и обработки данных подсистемы АСУ ТП.......................................................32

1.4 Разработка протоколов информационного обмена для модульных структур систем сбора и обработки данных..................................................37

1.5 Автоматизация процессов сбора и обработки данных.........................42

Выводы по главе...............................................................................................48

ГЛАВА 2. МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ ПРОТОКОЛЬНЫХ ОБЪЕКТОВ МОДУЛЬНЫХ СТРУКТУР СБОРА И ОБРАБОТКИ ДАННЫХ...........................................50

2.1 Основные аспекты формализации взаимодействия процессов в модульных структурах сбора и обработки данных......................................50

2.2 Формализованное описание процесса взаимодействия протокольных объектов.............................................................................................................53

2.3 Процедура тестирования конформности с помощью конечного автомата.....................................................................................................57

2.4 Анализ свойств модели взаимодействия протокольных объектов...66

Выводы по главе...............................................................................................74

ГЛАВА 3. СПОСОБЫ И ПРИЕМЫ ФОРМИРОВАНИЯ ТЕСТОВ ДЛЯ ПРОТОКОЛОВ МОДУЛЬНЫХ СТРУКТУР СБОРА И ОБРАБОТКИ ДАННЫХ..........................................................................................................76

3.1 Общие подходы к построению тестового комплекта...........................76

3.2 Алгоритм поиска исключительных последовательностей...................82

3.3 Способы и приемы формализации исключительной входной области тестирования реализации компонентов МССОД..........................................91

3.3.1 Алгоритм поиска покрытия перехода для РА с предикатами...........101

3.3.2 Алгоритм оптимизации процедуры поиска покрытия перехода......104

3.4 Оценка покрытия ИП для протокола МССОД без сигнала "сброс" ..110

Выводы по главе.............................................................................................112

ГЛАВА 4. СПОСОБЫ И ПРИЕМЫ ТЕСТИРОВАНИЯ КОНФОРМНОСТИ РЕАЛИЗАЦИИ МОДУЛЬНОЙ СТРУКТУРЫ СБОРА И ОБРАБОТКИ ДАННЫХ............................................................................115

4.1 Ошибки, выявляемые испытаниями конформности...........................115

4.2 Методика испытаний конформности реализаций протоколов МССОД............................................................................................................121

4.3 Способы и приемы реализации испытаний конформности в МССОД............................................................................................................125

4.4 Тестирование испытаний конформности модульных структур

обработки данных на основе стека протоколов TCP/IP.........................131

Выводы по главе.............................................................................................134

ГЛАВА 5. ИМИТАЦИОННОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ВНУТРИПРОТОКОЛЬНЫХ ПРЕРЫВАНИЙ В МОДУЛЬНЫХ СТРУКТУРАХ СБОРА И ОБРАБОТКИ ДАННЫХ...................................135

5.1 Общий подход к моделированию процессов сбора и обработки данных.............................................................................................................135

5.2 Управление модельным временем в имитационном моделировании процессов сбора и обработки данных..........................................................142

5.3 Имитационное моделирование процессов сбора и обработки данных в модульных структурах на основе протокола TCP......................................148

5.4 Алгоритм работы процессов сбора и обработки данных с помощью главного модуля TCP.....................................................................................157

5.5 Моделирование процессов сбора и обработки данных с учетом внутрипротокольных прерываний................................................................163

Выводы по главе.............................................................................................168

ЗАКЛЮЧЕНИЕ...............................................................................................170

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ..............................................................................172

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы. В настоящее время тенденция комплексной автоматизации опирается на растущую потребность совместного использования производственных данных (текущие значения выхода готовой продукции, параметров производственных процессов, состояния оборудования) в бизнес-процессах, бухгалтерском учете, системах планирования и управления ресурсами предприятий (ERP) и взаимодействия с заказчиками (CRM), программах инвентаризации. В результате независимого развития АСУП и АСУ ТП возникают определенные технологические барьеры для использования данных и применения стандартных протоколов в интегрированной среде информационного обмена. Модульные структуры сбора и обработки данных (МССОД) осуществляют автоматизированный сбор информации о значениях физических параметров в заданных точках объекта контроля с аналоговых и/или цифровых источников сигнала, а также первичную обработку, накопление и передачу данных.

Под конформностью МССОД в исследовании понимается соответствие объектов их нормативно-технической документации. Любой объект в стандарте описывается на каком-нибудь языке. Объектом могут быть система, программа, функциональный блок, протокол обмена данными. Конформность объекта, как правило, определяется в результате процесса его тестирования. Под испытаниями в работе понимается экспериментальное определение количественных и качественных характеристик, параметров объекта путем воздействия на него или его модель спланированного комплекса внешних возмущающих факторов. Одной из целей испытаний конформности является устранение дефектов взаимодействия компонентов в составе МССОД.

Испытания конформности проводятся, как правило, над серийно изготавливаемыми компонентами МССОД. В исследовании рассматривались

компоненты МССОД, основными функциями которых, является обмен данными в соответствии с некоторым протоколом.

Реализации протоколов, используемых в МССОД, не реализуют значительного числа функций, необходимых для систем автоматизации и содержат большое количество логических ошибок. Попытка проблему с помощью инкапсуляции (данные систем автоматизации вставляются в кадры протоколов TCP или UDP) приводит к снижению эффективности функционирования протоколов МССОД и увеличению накладных расходов.

Диссертационное исследование базируется на результатах работ в области: теории алгоритмов (К. Гедель, К. Черч, С. Клини, А. Тьюринг, Э. Пост, А. Марков, А. Колмогоров); теории конечных автоматов (В. М. Глушкова, В.Б. Кудрявцева, А. Гилла, Б.И. Плоткина, И.Б. Куфарова); формального описания протоколов (В.А. Мизин, Т.М. Парамохина, А. Е. Георгиевский); методов тестирования протоколов информационного обмена (Б.С. Гольдштейн, H.A. Анисимов, О.Б. Макаревич, В.Б. Фунтиков); способов и приемов повышения надежности процессов информационного обмена (И.В. Алексеев, C.B. Антонов, Ю.С. Злотников, Д.И. Мельников); процессов информационного обмена в коммуникационной среде предприятий (И. С. Константинов, В. Т, Еременко, А. Д. Иванников).

За пределами работ указанных авторов остаются проблемы интеграции данных в коммуникационной среде промышленных предприятий, унификации оборудования, а методы решения таких научных задач носят разрозненный характер. Решение указанных проблем неотъемлемо связано с понятием конформности МССОД и определяет актуальность темы исследования, выбор объекта, предмета и формулировку цели исследования.

Объект исследования - процессы испытаний конформности компонентов модульных структур сбора и обработки данных.

Предмет исследования - методики, модели и алгоритмы, обеспечивающие испытания конформности модульных структур сбора и обработки данных.

Цель исследования - повышение эффективности испытаний конформности объектов модульных структур сбора и обработки данных. Для достижения сформулированной цели были поставлены и решены следующие задачи:

1. Анализ тенденций построения и проблем развития модульных структур сбора и обработки данных.

2. Исследование методов формального описания процессов сбора и обработки данных в модульных структурах.

3. Разработка способов и приемов формирования тестов конформности.

4. Разработка способов и приемов тестирования конформности протоколов модульных структур сбора и обработки данных.

5. Имитационное моделирование процессов сбора и обработки данных в модульных структурах.

6. Оценка результатов моделирования и вычислительной сложности алгоритмов.

Методы и средства исследования. При решении указанных задач использовались: теория конечных автоматов, аппарат теории множеств, методы математического программирования, методы математической логики, аппарат теории графов, методы анализа вычислительных алгоритмов, имитационное моделирование.

Научная новизна диссертационного исследования заключается в том, что поставлена и решена задача автоматизации испытаний конформности модульных структур сбора и обработки данных АСУ ПП и получены новые научные результаты:

1. Предложена математическая модель взаимодействия протокольных объектов модульных структур сбора и обработки данных на основе расширенного автомата, отличающаяся использованием линейных неравенств и позволяющая описать степень соответствия реализации эталонной модели протокола.

2. Разработана методика формирования тестов для протоколов модульных структур сбора и обработки данных, базирующаяся на критерии эквивалентности соответствия реализации эталонной модели, отличающаяся процедурами выявления несоответствия в описании протоколов и учитывающая внутрипротокольные прерывания.

3. Разработана методика тестирования конформности реализации процессов сбора и обработки данных, отличающаяся возможностью оценить ее формальную спецификацию с точки зрения логической правильности.

4. Предложена имитационная модель процессов сбора и обработки данных в модульных структурах, отличающаяся учетом внутрипротокольных прерываний.

Практическая значимость заключается в применении теоретических положений методик и алгоритмов для тестирования соответствия реализаций протоколов модульных структур сбора и обработки данных для разработки программ для ЭВМ, зарегистрированных Федеральной службой по интеллектуальной собственности, патентам и товарным знакам.

Кроме того, полученные результаты использованы:

- в ОКР «Оса-БЕСТ», в процессе подготовки нормативно-методических документов и спецификаций протоколов информационного обмена, разрабатываемых в Краснодарском филиале ФГУП НТЦ «Атлас»;

- в НИОКР ЗАО «Гудвин-Европа» г. Москва для определения конструктивного решения по построению специализированного аппаратно-программного комплекса;

- в НИР «Тетра-БА» ФГУП НТЦ «Атлас» (г. Москва) в спецификациях протоколов информационного обмена.

Результаты внедрения подтверждены соответствующими актами.

Для ФГУП НТЦ «Атлас» и Краснодарского филиала ФГУП НТЦ «Атлас» применение методики и алгоритмов генерации тестов позволило оптимизировать состав протоколов, сервисов, услуг, функций и сократить сроки интеграции и комплексной отладки специализированных средств

информационного обмена.

Работа выполнена в рамках Государственного контракта №16.740.11.0041 «Разработка распределенных автоматически профилируемых средств обработки, архивирования и защиты диагностической информации» (Заказчик - Министерство образования и науки РФ), выполняемого по Федеральной целевой программе «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009 - 2013 гг.

Достоверность и обоснованность научных положений достигнута: за счет непротиворечивости результатов, полученных теоретическим и экспериментальным путем; достаточно полного учета исходных данных; верификации отдельных результатов в рамках подходов, используемых в теории систем.

Апробация и публикации. Материалы диссертации докладывались на: Научно-технической конференции «Защита информации в сетях и системах связи и управления» (г. Пенза, 2000); I Международной научно-практической конференции «Информационные технологии в науке, образовании и производстве (ИТНОП)» (г. Орел, 2004); IV Международной электронной научно-технической конференции «Технологическая системотехника - 2005» (г. Тула, 2005); V Международной электронной научно-технической конференции «Технологическая системотехника - 2006» (г. Тула, 2006); IV Международная научно-практическая Интернет-конференция «Энерго- и ресурсосбережение XXI век» (г. Орел, 2006); II Международной научно-практической конференции «Информационные технологии в науке, образовании и производстве (ИТНОП)» (г. Орел, 2006); III Всероссийской научно-практической Интернет-конференции «Методы прикладной математики и компьютерной обработки данных в технике, экономике и экологии» (г. Орел, 2006); XIV Всероссийской научно-методической конференции «Телематика - 2007» (г. Санкт-Петербург); Международной научно-практической конференции «Информационные системы и

технологии» (г. Орел, 2013).

Положения, выносимые на защиту:

1. Математическая модель взаимодействия протокольных объектов модульных структур сбора и обработки данных.

2. Методика формирования тестов для протоколов модульных структур сбора и обработки данных.

3. Методика тестирования конформности реализации процессов сбора и обработки данных.

4. Имитационная модель процессов сбора и обработки данных в модульных структурах.

Публикации. По материалам диссертации имеется 33 публикации, в том числе: 14 статей в журналах из перечня ВАК, 13 публикаций в научных журналах и материалах конференций, 6 свидетельств о регистрации программ для ЭВМ.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы. Работа изложена на 195 страницах машинописного текста, включающего 26 рисунков, 3 таблицы, список литературы из 170 наименований.

ГЛАВА 1. АНАЛИЗ ОСНОВНЫХ ТЕХНОЛОГИЙ ПОСТРОЕНИЯ МОДУЛЬНЫХ СТРУКТУР СБОРА И ОБРАБОТКИ ДАННЫХ

1.1 Проблемы обмена данными в средах АСУТП и АСУП

Развитие сети Internet привело к серьезному изменению области автоматизации производства. Несмотря на распространение Internet во всех областях жизни и многочисленные заявления компаний об использовании Web-технологий в своих изделиях промышленной автоматики, наибольший интерес представляет глобальная стратегия Transparent Factory / Open for Business (Прозрачное производство / Открытость для бизнеса), объединяющая ряд продуктов, подчиняющихся единой философии открытости, прозрачности и универсальности. Эта концепция означает новый этап в развитии фирм, характеризующийся отходом от своих сетевых технологий и принятием распространенных мировых стандартов, таких как TCP/IP, JAVA, ОРС и DNA [17, 23,31,103].

Большинство предприятий, для автоматизации производства, используют качестве базового протокола своих сетей и полевых шин протокол Ethernet TCP/IP, а в качестве основного средства доступа к информации Web-технологию и интерфейс ОРС.

Использование вышеупомянутых стандартов в изделиях явиляется инструментом для построения новой стратегии глобальной инфраструктуры предприятия и свидетельствует также о новой, определяющей роли информационных технологий в области промышленной автоматизации.

Концепция TF (Transparent Factory) способна решить многие проблемы внутри межсетевого обмена на уровнях АСУТП и АСУП. Рассмотрим основные трудности, наиболее часто встречающиеся в области промышленной автоматизации [32,39,53,64,81,91,92,117,142,143].

Проблема 1: Многообразие сетей и полевых шин. Если протокол Ethernet TCP/IP практически утвердился, как базовый для сети на уровне

предприятия (АСУП), то на уровне АСУТП существует более десятка сетей и полевых шин, конкурирующих за право считаться основной. Протоколы Profibus, Interbus-S, Modbus, WordFip, DeviceNet, Fieldbus Foundation и другие являются широко распространенными, и хотя обмен между ними теоретически возможен, практически это требует от пользователя больших дополнительных расходов по их стыковке и дальнейшему обслуживанию. Каждый из этих протоколов активно лоббируется своим производителем, что не способствует процессу какой-либо унификации [33,34,67,69, 74,148,149].

Попытки международных организаций, в частности МЭК, принять единый стандарт полевой шины (в частности, IEC-61158) пока не увенчались успехом. Вместе �