автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.17, диссертация на тему:Метод обеспечения функциональной живучести иерархических информационных систем на беспроводных ячеистых сетях

На правах рукописи

\) 3 V

Кривошея Денис Олегович

МЕТОД ОБЕСПЕЧЕНИЯ ФУНКЦИОНАЛЬНОЙ ЖИВУЧЕСТИ ИЕРАРХИЧЕСКИХ ИНФОРМАЦИОННЫХ СИСТЕМ НА БЕСПРОВОДНЫХ ЯЧЕИСТЫХ СЕТЯХ (на примере видеоконференцсвязи)

Специальность 05.13.17 - Теоретические основы информатики

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

27 НОЯ 2014

Белгород - 2014

005556054

005556054

Работа выполнена в Государственном казённом образовательном учреждении высшего профессионального образования Академия Федеральной службы охраны Российской Федерации.

Научный руководитель:

Официальные оппоненты:

Ведущая организация:

кандидат технических наук Лебеденко Евгений Викторович

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор, заместитель начальника Управления по Орловской Области филиала федерального государственного унитарного предприятия "РЧЦ ЦФО" в центральном федеральном округе, г. Орел Фисун Алексапдр Павлович;

кандидат технических наук, старший преподаватель кафедры информационно-телекоммуникационных систем и технологий Федерального государственного автономного образовательного учреждения высшего профессионального образования "Белгородский государственный национальный исследовательский университет", г. Белгород Ушаков Дмитрий Игоревич

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Воронежский государственный технический университет", г. Воронеж

Защита состоится 24 декабря 2014 года в 14 часов 00 минут на заседании диссертационного совета Д 212.015.10 на базе ФГАОУ ВПО "Белгородский государственный национальный исследовательский университет", по адресу: 308015 г. Белгород, ул. Победы, 85, корп. 15, ауд. 3-8.

С диссертацией можно ознакомиться в научной библиотеке ФГАОУ ВПО «Белгородский государственный национальный исследовательский университет», по адресу: 308015 г. Белгород, ул. Победы, 85 и на сайте ФГАОУ ВПО «Белгородский государственный национальный исследовательский университет» (режим доступа: http://dekanat.bsu.edu.ru/f.php//l/disser/case/filedisser/filedisser/ 300_Krivosheya_dis_f.pdf)

Автореферат разослан 2JO 2014 г.

Автореферат размещен на сайте ВАК Министерства образования и науки Российской Федерации " '' октября 2014 года.

Ученый секретарь диссертационного совета доктор технических наук, старший научный сотрудник

С. П. Белов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы.

Беспроводные сети с ячеистой топологией находят все более широкое применение для создания информационных систем в условиях невозможности или нецелесообразности использования традиционных сетевых инфраструктур.

Зачастую, для таких условий важную роль играет надежность, устойчивость и оперативность развертывания и эксплуатации информационной системы.

Примерами таких условий служат оперативная организация систем передачи данных из неподготовленных в плане связи районов, реализация систем охранного телевидения для территориально сложных промышленных объектов, решение задач управления группами автономных роботизированных комплексов, например, беспилотных летательных аппаратов.

Наличие беспроводного канала связи между узлами информационных систем, базирующихся на сетях ячеистой топологией, позволяет создавать мобильную инфраструктуру, актуальную при проведении аварийно-спасательных и поисковых работ в районах чрезвычайных ситуаций, оперативном развертывании основных и дополнительных рабочих мест в подвижных объектах, обеспечении скоординированного взаимодействия автономных в плане перемещения и функционирования систем.

Благодаря избыточной связности узлов сетей с ячеистой топологией, а также использовашпо протоколов распределенной адаптивной маршрутизации, информационные системы на их основе обладают высокой живучестью, допускающей способность функционирования системы в условиях отказов ее компонентов. При этом, в отличии от традиционных отказоустойчивых систем, основанных на дублировашш ключевых ресурсов и возвращающих систему после отказа ее компонентов к первоначальной структуре и поведению, информационные системы, основанные на сетях с ячеистой топологией, обеспечивают цели своего функционирования за счет возможности изменения своей логической структуры и/или поведения.

Весомый вклад в развитие вопросов живучести сетевых архитектур и распределенных информационных систем внесли Ю.П. Стекольников, Ю.Ю. Громов, Г.Н. Черкесов. Развитию теории функциональной живучести способствовали А.Г. Додонов, A.A. Тарасов, М.С. Тарков. В иностранных источниках термины "функциональная устойчивость" и "функциональная надежность" устоявшиеся и общепризнанные понятия.

Между тем, практика создания информационных систем, узлы которых являются подвижными (мобильными) и обладают определенной автономностью поведега1я, па базе сетей с ячеистой топологией выявила ряд проблем, связанных с их функциональной живучестью. В первую очередь это касается информационных систем с иерархической структурой, основанных па моделях "клиент-сервер" или "агент-менеджер", требующих установления и поддержания сеанса информационного обмена в соответствии с логикой протокола их взаимодействия. При этом адаптивная маршрутизация, обеспечивающая структурную живучесть на сетевом уровне, является неэффективной в условиях функциональных отказов узлов информационной системы на прикладном уровне, обусловленных, как их подвижностью, так и автономностью (произвольное отключение или прерывание сеанса взаимодействия функционально исправных узлов). Особенно восприимчивыми к данным проблемам являются информационные системы с заданными требованиями к качеству информационного обмена, в частности, системы видеоконференцсвязи.

Решение подобных проблем требует проведения дополнительных исследований, в предметных областях, как структурной, так и функциональной живучести информационных систем, что и обеспечивает актуальность диссертационного исследования.

Исходя из этого, целью работы является разработка методов и алгоритмов, обеспечивающих функциональную живучесть информационных систем на базе ячеистых сетей в условиях подвижности и функциональных отказов их узлов.

Для достижения указанной были сформулированы и поставлены следующие задачи:

1. Разработка модели информационной системы с иерархической структурой (на примере системы видеоконференцсвязи) и подвижными узлами, функционирующей на базе беспроводной ячеистой сети, для расчета маршрута обмена данными заданных узлов информационной системы, обеспечивающего требуемые скорость передачи данных и вычислительные ресурсы узлов, участвующих в сеансе информационного обмена, с учетом допущения о подвижном характере этих узлов, влияющем на текущую топологию беспроводной ячеистой сети.

2. Разработка комплекса алгоритмов функциональной реконфигурации (перераспределения функций) узлов информационной системы с иерархической структурой, участвующих в сеансе информационного обмена, в условиях реструктуризации беспроводной ячеистой сети, обусловленной функционированием протокола динамической маршрутизации и воздействиями, приводящими к функциональным отказам узлов.

3. Разработка методики оценивания функциональной живучести информационных систем с иерархической структурой.

4. Исследование разработанного комплекса алгоритмов функциональной реконфигурации на имитационной модели процесса функционирования информационной системы с иерархической структурой (на примере системы видеокопференцсвязи) на базе беспроводной ячеистой сети в условиях структурной реконфигурации этой сети и функциональных отказов узлов информационной системы.

5. Выработка рекомендаций по применению разработанных алгоритмов функциональной реконфигуращш, методики оценивания функциональной живучести информационных систем и результатов имитационного моделирования процесса их функционирования на этапах проектирования перспективных и эксплуатации существующих информационных систем.

Объект исследования. Информационная система с иерархической структурой (на примере системы видеокопференцсвязи) и подвижными узлами, функционирующая на базе беспроводной ячеистой сети.

Предмет нсследовапия. Методы, способы и алгоритмы функциональной и структурной реконфигурации информационной системы в условиях подвижности и наличия функциональных отказов ее узлов.

Методы исследований. В работе используется методологический аппарат теории живучести технических систем, теории функциональной живучести информационных систем, теории управления организационными системами, теории контрактов, теории графов, методы статистического анализа данных и имитационного моделирования.

Научную новизну работы составляет следующее:

1. Модель информационной системы с иерархической структурой (на примере системы видеокопференцсвязи) и подвижными узлами, функционирующей на базе беспроводной ячеистой сети, отличающаяся от известных учетом зависимости скорости обмена данными от текущих пространственных координат узлов, участвующих в формировашш динамического маршрута и наличия вычислительного ресурса, требуемого узлам для реализации функций, обеспечивающих сеанс информационного обмена.

2. Метод обеспечения функциональной живучести информационных систем с иерархической структурой и подвижными узлами, отличающийся от известных методов структурной реконфигуращш возможностью выбора точного или приближенного алгоритмов формирования динамического маршрута, а также использованием децентрализовашого управления ф>таацюналь-ной реконфигурацией узлов, участвующих в сеансе информационного обмена.

3. Имитационная модель информационной системы с иерархической структурой и мобильными узлами, функционирующей на базе беспроводной

ячеистой сети, отличающаяся от известных реализацией условий подвижности узлов, наличия их функциональных отказов и поддерживающая разработанный комплекс алгоритмов функциональной реконфигурации.

Практическая значимость работы определяется доведенным до программной реализации комплексом алгоритмов функциональной реконфигурации узлов систем видеоконференцсвязи и охранного телевидения, развертываемых на базе беспроводных ячеистых сетей.

Полученные результаты также могут быть использованы при совершенствовании протоколов маршрутизации беспроводных ячеистых сетей и систем управления иерархических информационных систем, функционирующих на ячеистых сетях с подвижными узлами, и на этапе проектирования перспективных информационных систем с использованием разработанной в ходе исследования программы для ПЭВМ, зарегистрированной в Роспатенте, что подтверждается Свидетельством о государственной регистрации программы для ЭВМ №2014617858.

Область исследования. Содержание диссертации соответствует паспорту специальности 05.13.17 "Теоретические основы информатики"(-технические науки) но следующим областям исследования:

п. 2. Исследование информационных структур, разработка и анализ моделей информационных процессов и структур;

п. 11. Разработка методов высоконадежной обработки информащш и обеспечения помехоустойчивости информационных коммуникаций для целей передачи, хранения и защиты информации; разработка теоретических основ надежности и безопасности использования информационных технологий.

Положения, выносимые на защиту:

1. Модель информационной системы с иерархической структурой и подвижными узлами (на примере системы видеоконференцсвязи), функционирующая на базе беспроводной ячеистой сети.

2. Метод обеспечения функциональной живучести информационной системы с иерархической структурой и подвижными узлами (на примере системы видеоконференцсвязи), функционирующей на базе беспроводной ячеистой сети, основанный на децентрализованном управлении динамикой функциональной реконфигурации узлов системы.

3. Результаты имитационного моделирования процесса функционирования информационной системы с иерархической структурой и подвижными узлами, функционирующей на базе беспроводной ячеистой сети в условиях возникновения функциональных отказов узлов и проведения их функциональной реконфигурации.

Достоверность выводов и рекомендаций обусловлена корректным оцениванием адекватности разработанной модели, проверкой свойств

разработанных алгоритмов, а также подтверждена результатами экспериментов па имитационной и полунатурной моделях объекта исследования.

Личпый вклад соискателя. Все изложенные в диссертации результаты исследований получены либо соискателем лично, либо при его непосредственном участии.

Апробация результатов диссертационного исследования. Результаты диссертационных исследовании обсуждались на следующих научно-технических конференциях: 6-и Всероссийской научной конференции "Проблемы развития технологических систем государственной охраны, специальной связи и информации" 2009 год, Орел, Россия; 14-я Международная конференция "Распределенные компьютерные и телекоммуникационные сети: теория и приложения" (DCCN-2010) 26-28 октября 2010 года, Москва, Россия; 17-ой Международной открытой научной конференции «Современные проблемы информатизации в анализе и синтезе технологических и программно-телекоммуникационных систем» ноябрь 2011 - январь 2012 года, Воронеж, Россия; на 8-ой всероссийской межведомственной научной конференции "Актуальные проблемы развития технологических систем государственной охраны, специальной связи и специального информационного обеспечения", 13-14 февраля 2013г, Орел, Россия; 4-й международной научно-техническая конференция "Информационные технологии в науке, образовании и производстве" 22-23 мая 2014 г, Орел, Россия.

Публикации. По теме диссертационного исследования опубликовано 12 печатных работ (из них 4 в изданиях из списка ВАК при Минобр-науки России), в том числе два Свидетельства Роспатента РФ о государственной регистрации программы для ЭВМ.

Объем и структура работы. Диссертация состоит из Введения, четырех глав, Заключения и Приложений. Работа изложена на 118 страницах машинописного текста, включая 36 рисунков, 5 таблиц и список литературы из 93 наименования.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во ВВЕДЕНИИ обоснована актуальность работы, описан объект и предмет исследования, сформулированы цель и задачи диссертационной работы, перечислены использованные в работе методы исследования, обоснована научная новизна, теоретическая ценность и практическая значимость результатов работы.

В ПЕРВОЙ ГЛАВЕ "Иерархические информационные системы и системы видеоконференцсвязи на беспроводной ячеистой сети" рассматриваются

структурные свойства, достоинства и недостатки беспроводных ячеистых сетей и особенности их использования в качестве транспортной сети для информационных систем. Отдельно выделяется свойство структурной живучести ячеистых сетей, которая обусловлена наличием избыточной связности их узлов и поддержкой протоколов динамической маршругизации данных.

На множестве таких сетей могут разворачиваться различные по способу организации типы информационных систем Среди этого множества отдельно выделяется класс систем с иерархической структурой. К ним можно отнести информационные системы, организованные на архитектурах типа "клиент-сервер" л "агент-менеджер". Частным видом таких систем являются системы видеоконференцсвязи (ВКС). Для них детально рассматриваются требования к скорости информационного обмена и вычислительным ресурсам узлов, предъявляемые ВКС к транспортной сети, а также временные ограничения процесса доставки данных в ходе сеанса видеоконференцсвязи.

Представлены варианты организации ВКС, с различным количеством уровней информационной иерархии, д ля которых рассмотрены особенности реализации сеанса видеоконференцсвязи и опредатены его показатели качества

Выполнена формальная постановка задачи исследования, как задачи поиска экстремального дерева, связывающего заданные вершины дольного графа, где доля графа представляет собой уровень иерархии функциональной задачи, а так же выбор новой конфигурации для этой задачи. Под конфигурацией понимается набор управляющих параметров, определяющих качество реализации протокола сеанса взаимодействия узлов системы ВКС в иерархическом дереве, а также определение множество альтернатив иерархических деревьев, удовлетворяющих этому требованию. При этом под реконфигурацией понимается решение задачи выбора новой конфигурации, а под функциональной перестройкой понимается решение задачи поиска подмножества узлов, обеспечивающих выполнение задачи, реализуемой конкретной альтернативой иерархического дерева. В случае, если для выполнения задачи отдельной ветвью иерархического дерева, в ее узлах имеется требуемое количество вычислительного ресурса, считаем, что эта ветвь функционирует должным образом.

ВТОРАЯ ГЛАВА "Разработка модели иерархической информационной системы, базирующейся па беспроводной ячеистой сети с мобильпыми узлами" посвящена разработке модели объекта исследования Модель представлена двумя уровнями: структурно-топологическим и функциональным.

2.1. Структурно-топологический уровень модели.

Структурно-топологическое построение ВС описывается неориентированным графом без петель и параллельных дуг

Vs - непустое множество вершин графа представляет собой множество ЭМ,каждыйузелизмножестваУ узловобозначаетсягаки.,приэтом v, е F Es ~ множество связей между узлами графа Gs, ребро графа обозначается как í'ij £ Es, при этом е.. инцидентно узлам v. и v. соответственно.

Каждый узел беспроводной ячеистой сети v( е Vs характеризуется параметром мобильность (подвижность), который определяется матрицей мобильности:

_ (1,есла узел i>( мобильный < '" СО - если узел v¡ стационарный ^

Процесс перемещения узлов на плоскости задается выражениями: xt = + ММ(i) • &A¡ ■ cosa, (3)

y¡ ™ yfQ + MM(i) ■ Д,4; • sitia¡ (4)

Техническое ограничение на суммарную максимальную скорость передачи информации Щтах узла v определяется на основе ограничений, вносимых телекоммуникационным оборудованием сети (максимальная скорость делится пропорционально количеству связей, которые она образует)

у ...... ж Щ'(; Q (5)

где МТ ~ матрица связности графа и свойствами среды распространения радиоволн, где максимальная скорость передачи информации зависит от расстояния I между узлами:

г., если 1и<1

i j —

),eamli¡min < lu < h,

>■ l4max 'ilmin'

1,0,если 1И > /,-,

Чтах (ß)

где I, -.- максимальное расстояние между узлами inj, на котором не происходит снижения максимальной скорости передачи информации на дуге е с длинною L, вычисляемую по теореме Пифагора на основе прямоугольных координат, !,,- максимальное расстояние между узлами i и j, на котором максимальной скорости дуги е.. не равна О, L - расстояние между узлами v. и v (Рисунок 1).

Минимальное значение из u£y, uiJmax и ujimax запишем как иО'тек- Оно определяет максимальную скорость передачи информации.

Понятие относительной единицы производительности вычислительных средств m определяет производительность вычислительных ресурсов узла и .как

ßi = bi*jn (7)

где Ь - коэффициент производительности узла, выражающий через относительную единицу производительность узла.

Рисунок 1 ~ Графическое изображение сети и описания узлов

2.2. Функциональный уровень модели.

Под макроструктурой функционального уровня объекта исследования будем понимать граф С, без петель и параллельных дуг:

«/ = ( (8) где V, - множество функциональных элементов, при этом каждый элемент и, из множества V, принадлежит одному из элементов множества V., при этом на одной ЭМ может находиться несколько функциональных элементов, например сервер МСи, ргоху-сервер или сервер присутствия. ~ множество функциональных связей между элементами У/5 при этом каждый из элементов множества Е/ моя-сет быть представлен композицией элементов Е$.

Описание функционального уровня основано на представлении функциональных задач объекта исследования в виде иерархического дерева из множества задач Z функционала Г, связи между элементами которого задаются матрицей функционирования:

!/,если выполняется на к„п > О

О, если не выполняется на

—1,если выполняется на к,,... — 0 ^

где £ Иу - количество функциональных узлов.

На рисунке 2 представлено множество функций/ е ^которые реализуются множеством задач 7, Каждая задача 6 представляет собой иерархическое дерево. (Обведено пунктиром). Таким образом, выражение (9) для каждого функционального узла определяет наличие родительского узла или его отсутствие в случае, когда узел выполняет задачу на верхнем уровне иерархии, значение -1, или не выполняет ее в силу отсутствия необходимости или функционального отказа

( ^ ч. Ветаьиерар.чии

лл* задачи гм

CZD

\ \ калача \

D ŒD\y С(ZZ)

J С_) CZD\ С......) СГЗ СП)

-Уровень иерархии

Рисунок 2 ~ Схема иерархической структуры задач Z множества

функций F.

Аналогично с выражением (9), в работе введена матрица потенциальных возможностей, описывающая возможность узла выполнять свои функции: f il, если задача za} может выполняться на узле VfL

Fp\Zaf, VfL) R Пр0ТИВН0М СЛуЧае - *

В работе выдвинута гипотеза о равноуязвимости уровней иерархии дерева и узлов внутри каждого уровня. Это позволяет описать рассчитать вероятность функционального отказа узла:

Nv

ч _ w e(\Mr(zaf,pfl) |).ротк Pl \zaf ) — N\T fil)

где ротк - вероятность функционального отказа узла, при этом

MFP(zar,vnm = irp('a/,V/,)(t ~ 1}VC веЛроятыотью 1 -(12)

-v«/ ti;\ j (0,с вероятностью pi(zaf) v '

MF(zaf,vri)(t) = MFp(zaf,Vfi)(t) * MFp(zaf,Vfi)(t - 1) (13)

Влияние функционального отказа на матрицу потенциальных возможностей (12) приводит к тому, что связи между функциональными узлами больше не могут быть образованы, и системе необходимо выбрать новый узел из множества узлов, принадлежащих этому же уровню иерархии. Функцией от времени показано отношение текущего состояния элементов матрицы функционирования и в предыдущий момент. В теории функциональной живучести минимальной единицей, обеспечивающей заданные функции системы является функциональная компонента, которой в работе является ветвь иерархического дерева. Задача zaf реализуется между двумя узлами верхнего и нижнего уровней иерархии функциональной компоненты, с учетом их связей через узлы промежуточных уровней иерархии. Обозначим такое взаимодействие, как маршрутом выполнения задачи z :

муОа/) = (г»/1,р1д,»/11,раИ!---Рк1 -г,/-"/-/)

где Pi.il е ^О/^/гЦр.ш е Рт(у/;1,г;Л2) ... Рк -г.; е Рт(?

<г/

(14)

17« е К°

К, = К;г

е К1

а = 1, л/ц, /V» = ¡/сЦ у/(-2 е КЦГ а = \,ма,

€ К,,

1.ЛГ,

1ку ,1, ^^ — К

¿а/ ' 7-а[ £а/

На рисунке 3 представлен М-дольный граф, где каждая доля соответствует уровню иерархии для задачи 2о/ и реализуется соответствующим подмножеством узлов. Наличие нескольких ребер, инцедентных одному узлу, на рисунке иллюстрирует возможность организации работы функциональной компоненты с использованием различных функциональных узлов. Таким образом, выражение (14) описывает множество возможных функциональных компонент в задаче

Функциональные узлы верхнего уровня иерархии Уровень иерархии ' 4

твь иерархи ля задачи

функциональные узлы нижнего уоовня иеоаохии

Рисунок 3 - Представление множества задач И функции / в виде Ы-дольного графа

Текущая производительность узла vl, достаточная для выполнения на нем задачи г должным образом будет определяться как:

ДГ6Ы = К=гХгаСЛ\МГ(гаг,*гд\) *М1 (г^к^соп) (15) где - функция Хевисайда, предназначенная для нормирования значений модуля матрицы функционирования МР к единице в случае, если узел выполняет задачу г и 0, если не выполняет. Определяется как:

(i6)

Требования к пропускной способности узла определяются как сумма требований к максимальной скорости обмена данными для узлов более высокого и более низкого уровней иерархии:

тельным ресурсам и максимальной скорости передачи информации узла соответствешю для задачи zaf на узле vf. kVf¡-го уровня иерархии с набором управляющих параметров con, где con = 0, con z, con 2(if ~ количество управляющих комбинаций для задачи zaf.

С учетом этого система выражений, определяющая множество маршрутов в иерархическом дереве с учетом ограничений на вычислительные ресурсы (15) и максимальную скорость передачи информации узлов (17) может быть представлена в следующем виде:

M¡j{Zaf) = (Vfi,Pu¡,Vfn,PiU2.....Pk:af-2.],Vfl)

«ГО'/,) = 2/Í, Й, 9(\MF(zar.rfí)\) . MI (zaf, kVf¡. con), где i =

треб/* ^ „,F _r, (e(MFbaf.vfl)).MIc(zar.k.ft.con)A -) (18)

"¡ (»'/,) = Zr:iZalA , s, I - где i = 1, kZa ~ 1

Выражение (18) позволяет рассчитать маршрут Мц между заданными узлами функциональной компоненты системы ВКС, для заданной функциональной задачи zaf, а так же требуемые вычислительные ресурсы R™ребкаждого узла в составе маршрута Мг. Работа функциональной компоненты должным образом означает, что для текущей конфигурации con

выполняются требования ^pe6(vy¡) < /?, nu[pe6(v^¿) < uíjtck-

В ТРЕТЬЕЙ ГЛАВЕ "Разработка метода обеспечения функциональной живучести иерархических информационных систем на беснровод-пых ячеистых сетях" представлен метод и разработанный в его рамках комплекс алгоритмов, позволяющих реализовать цель исследования.

С целью выбора методологического аппарата управления функциональной реконфигурацией узлов объекта исследования рассматривается понятие деградации информац: юшюй системы, привод! ггся классификащ ш тс шов функциональной деградации и обоснованно выбирается типы функциональных деградаций, применимых к системе ВКС при воздействии на нее функщ тональных отказов. Под деградацией в работе понимается вынужденное уменьшение

)) * MIc(zaf,kv con) +

(17)

con) - требования к вычисли-

количества решаемых задач или снижение их качества решения в силу подверженности неблагоприятным факторам или иным причинам.

1 Выполняется настройка работы алгоритмов. Для каждой функции / выбираются: Л0, К0

2 Выполняется настройка порядок и время работы алгоритмов. Определяются Тцц, Трк, 1цц и п

г

3 Выбор условной производительности а

4

4 Выполнение алгоритмов А| и Ai

5 Оценка текущего уровня

-'функциональной живучести системы

6 Принятие администратором реше-—тя о коррекции параметров алгоритмов и порядка их использования

Рисунок 4 - Состав и связи пунктов метода

Реализация функциональной деградации в работе реализована с использованием реконфигурации и функциональной перестройки, для которой определяется допустимость использование класса методов децентрализованного управления, применяемых в системах организационного управления, а в рамках этого класса - метод пересогласования контрактов.

Согласно этому методу для множества узлов функционального уровня разработанной модели вводится параметр, определяющий фонд стимулирования Лу. на каждом узле и:

= 5Й е{\мр{?аг, уп)\) * амуръ, (19)

, (1, если выполняется на V;

гд = )' П (20)

4 ,и (.0, в противном случае 4 >

Л(га/) - вознаграждение, которое может получить узел за должное выполнение задачи г , безразмерная величина, определяется экспертным путем администратором сети.

Также вводится параметр К^г^), определяющий штраф, в виде потери награды при невыполнении узлом v. задачи г :

R0(zar) = R°oM + С * R°(zafy (21)

R%{zaf) ~ величина штрафа, которая накладывается на узел при частичном невыполнении узлом своих функций, а С * R°(zaf) - штраф, пропорциональный потере узлом своей производительности, представляющий собой произведение коэффициента С, определяющего степень невыполнения узлом своих функций и R°{zaf) ~ дополнительный штраф.

Тогда целевой функцией узла верхнего уровня иерархии будет максимизация трат из фонда стимулирования и минимизация штрафов на каждом узле

Для решения этой оптимизационной задачи в работе предложена методика(Рисунок 4), включающая следующие шаги:

Шаг 1. Для множества функций F определяются Л,, - награда за выполнение задачи, выделяемая из фонда А°., W - коэффициент значимости функции /, реализуемой задачей zaf, R0 - штраф при невыполнении функциональным узлом задачи za¡ функции /.

Шаг 2. Определяется порядок выполнения алгоритмов, а так же максимальное время их выполнения параметрами Тпп, Т , tnn и п.

Шаг 3. Выбор условной производительности а.

Шаг 4. Выполнение алгоритмов функциональной реконфигурации и перестройки с временными параметрами, определенными в шаге 2.

Шаг 5. Оценка текущего уровня функциональной живучести системы.

(Шаг 5 методики детально представлен в главе 4).

Шаг 6. Принятие администратором решения о коррекции параметров алгоритмов и порядка их использования в зависимости от состояния сети и оценки текущего значения функциональной живучести системы.

Комплекс алгоритмов функциональной реконфигурации и перестройки состоит из двух алгоритмов:

1. Выполнения функциональной реконфигурации для узлов верхнего уровня иерархии (алгоритм AJ.

2. Выполнения функциональной перестройки, выполняющихся на множестве узлов Vs (алгоритм Л,).

Алгоритм Aj обеспечивает поиск конфигураций con для каждой из задач z , на каждом узле, выполняющим задачи на верхнем уровне иерархии, при котором множество задач выполняется должным образом, реализуя функциональную деградацию, за счет снижения качества выполняемых задач (упрощегоге алгоритмов реализащш работы системы ВКС) - /^-стратетя, количества -стратегия или гибридной - /3^-стратегия Для функционирования системы ВКС возможно выполнение мультимедийных функций с различными уровнями качества, за счет чего и реализуется ^-стратегия. В то же время для одного сеанса связи возможно, что бы состав функций менялся (передача только аудио данных или аудио и видео) - /^-стратегия.

»од дш*

14*4

Рисунок 5 - Алгоритм проведения функциональной реконфигурации По степени приоритетности молено наиболее предпочтительна реализация /^-стратегии, так как она позволяет сохранить множество выполняемых задач в системе. С другой стороны наименее предпочтительна - ¿8 -так как она не учитывает возможности ухудшение качества выполняемых функций. Таким образом разрабатываемый алгоритм должен предлагать решение, реализуемое /^-стратегией (Рисунок 5, блоки 7-9), а если это не возможно без отсечения части функций, то тогда Д^-(Рисунок 5, блок 10)

Реализация ¡3 ~ стратегии представляет собой решение ]\ГР-полной задачи двухпараметрической упаковки ранца, выбор которой осуществляется на основе достаточности времени, определяемого в методике в качестве исходных данных.

; М:р узлз :

\ а®

г&ету-и&м

»Яхт

Рисунок 6 - Алгоритм проведения функциональной перестройки Алгоритм А,реализует функциональную перестройку для множества узлов V Она реализуется между двумя узлами, которые обмениваются соответствующими М?р и М? (блоки 3~4 алгоритма на рисунке 6), проводится один шаг полного перебора из множества возможных комбинаций функций и их параметров и определяется время выполнения этого шага, после чего калодый узел приступает к поиску решения для проведения перестройки, при этом каждый из узлов старается максимизировать прибыль (19) и минимизировать штрафы (21). Задача поиска множества .задач для проведения обмена выполняемыми задачами г является задачей двухпараметрической упаковки ранца с муль-тивыбором и решается в блоке 8 рисунка 6. После проведения вычислений узлы,

на основе механизма пересоглашения контрактов, путем сравнения суммарной максимальной прибыли с учетом штрафов, принимают решение о возможности применимости новой конфигурации для всех узлов, участвующих в обмене. Оценка свойств разработанных алгоритмов представлена в работе. Она показала сходимость процедур, реализуемых алгоритмами и их вычислительную сложность, допустимую для реализации процесса децентрализованного управления функциональной реконфигурацией узлов в ходе сеанса ВКС.

В ЧЕТВЕРТОЙ ГЛАВЕ "Имитационное моделирование процесса функционирования систем видеокопференцсвязи на беспроводной ячеистой сети с мобильными узлами" представлен имитационный эксперимент, моделирующий условия функционирования системы ВКС на беспроводной ячеистой сети с подвижными узлами.

Целью имитационного эксперимента является получение сравнительных оценок показателя функциональной живучести для исходной модели объекта исследования и модели, поддерживающей разработанные алгоритмы функциональной реконфигурации и перестройки, подтверждающих применимость представленного в главе 3 метода.

Рисунок 7 - Структура имитационной модели В ходе планирования имитационного эксперимента(Рисунок 7) был обоснованно выбран показатель функциональной живучести - условная функция живучести Y, представляющий собой отношение текущей эффективности

работы системы к максимально возможной. Оценка эффективности работы системы ВКС основана на подходе, предложенном В.В. Яновским, определяющего эффективность функционирования мультимедийных функций системы при использовании объективной оценки R-factor, однозначно соотносящейся с субъективной оценкой MOS (усредненная оценка разборчивости) и модифицированном применительно к значению среднего количества работоспособных ветвей задач Z, являющихся функциональными компонентами.

Функциональная компонента сможет выполнять свои функции должным образом, если для каждого узла будут выполняться требования к вычислительной способности уалов и максимальной суммарной скорости каналов связи, образованных этим узлом. Для проверки выполнения этих условий вводятся коэффициенты krv. в выражении (22) и kUvi в выражении (23), определяющие, загруженность узлов на основе математической модели (18). В случае, когда значения больше 1, происходит нехватка соответствующего ресурса.

„треб

= -V (22)

"i

„тРеб1\

К. =

ujpe5(vri)

z?=1MT(i ,;>иЦтск (23)

Для определения степени работоспособности функциональной компоненты С(vfi, zaf) используется выражение (24), основанное на вычислении маршрута, (18) и матрицы функционирования (9), на основе которой определяется рекурентность функции. Выбор минимального значения определяет поиск самого слабого места функциональной компоненты, а выбор минимального между значением функции и единицей определяет нормирование, при котором все узлы справляются со своими функциями:

c(vfl,zar) =

min (l.tnin (Ц ,-~-,С(vfMF{zaf Vfl),zaf)),ecnn MF(zaf,vfl) > О О.если MF(zaf,vfl) = О

1, min

V

\\

1

*rv(,„.) ' ku , \'ku , \'kr I

\

Uv(rfi) ( \ I

TMF(W"/i)J \"MF(zaf.vri)) j ]

(24)

.если MF{zaf, Vfj) = -1

Тогда условная функция живучести функциональной компоненты будет определяться как:

2аг) ~ ^ 771 (25)

"«тттгч^о//»

Условная функция всей системы будет определяться сумма эффек-тивностей работоспособных компонент к сумме эффективностей всех ветвей, где мерой оценки эффективности выступает субъективная оценка MOS;

NVf

„Np y-J у

Y =

j£K,

C(vfi,Zaf)*Hi(2af)

yZf yNVf u.

af

xUaf)

(26)

В выражении (26) //¿(га/) ~ оценка качества выполнения ветвью мультимедийной функции /, Н1тах(га^ - максимально возможная оценка вьтолненгафункцш/.ПриэтомУ' е [0. .1} и представляет собой условную функцию живучести как отношение эффективности текущего функционирования системы к максимально возможной эффективности ее футжционирования.

В рамках имитационного моделирования была произведено 58 экспериментальных прогонов, объем выборки вычислен по критерию Стыодента (уровень значимости - 95%), в которых на множестве функциональных отказов в условиях подвижности узлов моделируемого варианта системы ВКС вычислялся показатель У (Ущк/1 ~ функционирование системы без применения метода обеспечения функциональной живучести и У - функционирование системы с применением разработанного комплекса алгоритмов) Моделируемый вариант соответствует системе ВКС людиновского

1 г

%

Ь о," !

¡0.5 3 0 .4

IV

1 Ш ,3 о л

« Ум

! V греб

! 11.1.1. kl i

.М.,.3?..s ...

Ч 11 13 15 17 10 21 23 25 27 2!> 31 33

Количество функциональных огкак« Рисунок 8. - Сравнительная оценка значений показателя У для функционирования моделируемой системы ВКС без применения метода обеспечения функциональной живучести и с применением разработанного комплекса алгоритмов.

филиала предприятия ООО "Калужский завод "Ремпультмаш", и имеет 42 узла и 3 уровня иерархии для 3 функций. В имитационной модели функции узлов распределялись случайно на каждом прогоне.

В графическом виде результаты сравнительной оценки значений и У для ограниченного количества экспериментальных прогонов представлены на рисунке 8.

Значения У б У„ пошагово сравнивались на всем интервале функциональных отказов, когда система оказывалась полностью неработоспособной, на основании критерия пригодности, согласно которому процесс считается эффективным, если все частные показатели исхода операции принадлежат области адекватности:

:(\/П(у; -уГ./еО.ЪО^ (27)

Для всего интервала функциональных отказов были рассчитаны средние значения Уср „ и Уср .

г п/рео м

Они представлены в выражении (28) и соответствуют определенному в выражении (27) критерию пригодности:

С6 = 0,3867604, С = 0,45017422 (28)

В ЗАКЛЮЧЕНИИ перечисляются основные результаты диссертационной работы. Делаются предложения по применению полученных результатов.

В ПРИЛОЖЕНИИ приведены фрагмент к^-файла функционирования системы ВКС ТгиеСог^ предприятия ОАО "Агрегатный завод", позволяющие оценить время работы сеансов ВКС.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ РАБОТЫ

В диссертации решена актуальная научная задача, заключающаяся в обеспечении функциональной живучести информационных систем на базе беспроводных ячеистых сетей в условиях мобильности и возможных функциональных отказов их узлов.

В рамках проведенных исследований получены следующие основные результаты:

1. Предложена модель информационной системы с несколькими уровнями функциональной иерархии, на основе беспроводной ячеистой сети, позволяющая определить маршрут между заданными вершинами иерархического дерева функций, с учетом зависимости скорости информационного обмена между узлами от их подвижности и зависимости возможности выполнения функций, необходимых для решения той или иной функциональной задачи, от текущего вычислительного ресурса узлов.

2. Разработан метод обеспечения функциональной живучести иерархической информационной системы развернутой на беспроводных ячеистых сетях (на примере системы ВКС), позволяющий проводить ее функциональную перестройку и реконфигурацию.

3. Разработан алгоритм для верхнего узла иерархии, в котором организован поиск конфигурации для множества задач, выполняемых на узле, позволяющий выполнять функциональным узлам должным образом эти задачи, в условиях ограниченного времени, определенного администратором системы ВКС и вычислительных и канальных ресурсов узлов.

4. Разработан алгоритм проведения функциональной перестройки для узлов сети, проводящий распределение задач между узлами сети на основе механизма пересоглашения контрактов теории оперативного управлении.

5. Обоснованно выбран показатель функциональной живучести иерархической информационной системы на базе беспроводной ячеистой сети (на примере системы ВКС), представляющий собой условную функцию живучести, определяемую как отношение текущего состояния системы, определяемого как сумма произведений оценок R-f actor на степень работоспособности ветви, к полностью работоспособной структуре.

6. Разработана имитационная модель процесса функционирования системы ВКС, развернутой на беспроводной ячеистой сети стандарта IEEE 802.11, поддерживающая разработанный комплекс алгоритмов, на которой проведен сравнительный эксперимент по оцениванию функционирования моделируемой системы ВКС в условиях функциональных отказов ее узлов но показателю функциональной живучести.

7. Результаты проведенного имитационного эксперимента иллюстрируют обоснованность выводов о преимуществе разработанного метода и рекомендаций по ею применению в рамках функционирования системы ВКС людиновс-кого филиала предприятия ООО "Калужский завод "Ремпультмаш".

ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

Статьи в журпалах из списка ВАК:

1. Кривошея, Д. О. Методология распределенного менеджмента системы мобильных обслуживающих устройств. / О.Я. Кравец, Д.О. Кривошея // Экономика и менеджмент систем управления №2.1(12), 2014. - С. 151-162. (Соискатель в работе исследует возможные варианты организации групп мобильных устройств и их координации с целью поисков алгоритмов организации узлов системы видеоконферен-цсвязи, функционирующих на них) (доля участия автора — 50 %)

2. Кривошея, Д. О. Разработка модели оценки функциональной живучести системы видеоконференцсвязи, развернутой на беспроводной вычисли-

тельной сети на базе ячеистой топологии / Е.В. Лебеденко, Д.О. Кривошея // Системы управления и информационные технологии, №3(53), 2013. - С. 55-59 (В работе разработан показатель оценки функциональной живучести, который используется при разработки математической и имитационной моделей) (доля участия автора - 75 %)

3. Кривошея, Д. О. Исследование функциональной живучести модели системы видеоконференцсвязи, развернутой на беспроводной ячеистой сети. // Интернет-журнал "Науковедение", 2013 №4 (17) [Электронный ресурс].-М. 2013. - Режим доступа: http://naukovedenie.ru/ PDF/41tvn413.pdf, свободный — Загл. с экрана. (В статье построена льатематическая людель структурного уровня иерархической информационной системы, развернутой на беспроводной ячеистой сети, проведено имитационное моделирование).

4. Кривошея, Д. О. Подход к оценке функциональной живучести иерархической системы видеоконференцсвязи на беспроводной ячеистой сети // Интернет-журнал "Науковедение", 2014 №5 (24) [Электронный ресурс].-М. 2014. - Режим доступа: http://naukovedeme.rn/PDF/66TVN514.pdf, свободный — Загл. с экрана. (В статье описана математическая людель физического и функционального уровня, внешнего воздействия, а так же выведен показатель условной функции функциональной живучести).

Прочие публикации:

5. Кривошея, Д. О. Об оценке функциональной живучести систем видеоконференцсвязи / А. Ю. Александров, Д.О. Кривошея // Международная научно-техническая конференция "Информационные технологии в науке, образовании и производстве", 2014 г. [Электронный ресурс]. -Режим доступа: http://irsit.ru/article391, свободный - Загл. с экрана

6. Кривошея, Д. О. Исследование подходов к оценке функциональной живучести систем и их применимость к системам видеоконференцсвязи на базе беспроводных сетей с ячеистой архитектурой. / Д.О. Кривошея, Е.В. Лебеденко // Информационные технологии моделирования и управления №2(80), 2013. - С. 166-172.

7. Кривошея, Д. О. Разработка алгоритма повышения живучести в иерархических беспроводных сетях. // XVII Международная открытая научная конференция «Современные проблемы информатизации в анализе и синтезе технологических и программно-телекоммуникационных систем». Воронеж, 2012.- С. 343-346.

8. Кривошея, Д. О. Ботнеты и перспектива из применения для органов государственной власти / Кривошея Д., Кр!гвошея Т.// Проблемы развития технологических систем государственной охраны, специальной связи и информации: Материалы 6-й Всероссийской научной конференции В 7 ч. Ч. 1 / под общ. ред. В. М. Щекотихина. — Орел.: Академия ФСО России, 2009.

9. Кривошея, Д. О. MESH-технология как резервный вариант / Кривошея Д., Кривошея Т.// Proceedings of International Workshop Distributed Computer and Communication Networks. Theory and

Applications (DCCN-2010). Moscow: R&D Company «Information and Networking Technologies», 2010. C. 120-123.

10. Кривошея, Д. О. Повышешге функциональной живучести систем видео-конференцсвязи на основе методов реконфигурации ресурсов / Е. В. Jle-беденко, Д. О. Кривошея // "Актуальные проблемы развития систем государственной охраны, специальной связи и специального информационного обеспечения" Восьмая всероссийская межведомственная научная конференция: Материалы и доклады (Орел. 13-14 февраля 2013 г.) В10 Ч, 4 9/ под общ. ред. В.В. Мизерова. - Орел: Академия ФСО России, 2013. -С. 24-28. (доля участия автора - 50 %)

Свидетельства о государственной регистрации программ для ЭВМ:

11. Расчет функциональной живучести информационных систем с распределенной базой данных при репликации : свидетельство о государственной регистрации программ для ЭВМ № 2013611771 / В. А. Дунаев, О. Ю. Миронов, Н. В. Покусин, Д. О. Кривошея, заявка № 2012661052 от 13.12.2012. (доля участия автора - 25%, соответствует пунктам 2, 3 научной новизны)

12. Имитационная модель функционального уровня системы видеоконфе-ренцсвязи, развернутой на беспроводной ячеистой сети "FuncLevelID": свидетельство о государственной регистрации программ для ЭВМ № 2014617858 / Е.В. Лебеденко, А.Ю. Александров, Д.О. Кривошея. Заявка №2014615699 от 16.06.2014. (доля участия автора - 50%, соответствует пунктам 2, 3 научной новизны)

Сдано в набор 20.10.2014 г. Подписано в печать 22.10.2014 г. формат 60x84 1/16 Бумага офсетная. Гарнитура Journal. Усл. печлист. 1,0. Тираж 120 экз. Заказ № 279. Издательство Орловского филиала РАНХиГС. 302001, г. Орел, ул. Панчука, д. 1.