автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.13, диссертация на тему:Модели и методы передачи данных видеонаблюдения и технологического контроля в распределенной цифровой системе

На правах рукописи

Новиков Сергей Владимирович

МОДЕЛИ И МЕТОДЫ ПЕРЕДАЧИ ДАННЫХ ВИДЕОНАБЛЮДЕНИЯ И ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО КОНТРОЛЯ В РАСПРЕДЕЛЕННОЙ ЦИФРОВОЙ СИСТЕМЕ

05.13.13- телекоммуникационные системы и компьютерные сети

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Пермь - 2003

Работа выполнена на кафедре компьютерных систем и телекоммуникаций Пермского государственного университета

Научный руководитель:

доктор физико-математических наук, профессор М.А. Марценюк

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор АЛО. Тропченко кандидат технических наук, доцент М.Г. Пантелеев

Ведущая организация: ФГУП НИИУМС (НИИ управляющих

машин и систем), г. Пермь

Защита состоится 15 июня 2004 г. в 1550 часов на заседании Диссертационного совета Д 212.227.05 в Санкт-Петербургском государственном университете информационных технологий, механики и оптики, 197101, г.Санкт-Петербург, ул.Саблинская 14, СПбГИТМО(ТУ).

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке СПбГИТМО(ТУ). Автореферат разослан " " .^и^л. 2004 г.

Ученый секретарь диссертационного совета Д 212.227.05 . , Поляков В.И.

J

т>

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Развитие цифровых сетей передачи данных открывает новые возможности в построении систем удаленного мониторинга. Одним из основных требований, предъявляемых к современным цифровым системам видеонаблюдения, является возможность передачи изображений с видеокамер по компьютерной сети. Основные трудности заключаются в способах передачи видеосигналов по цифровым сетям вследствие большого объема передаваемых данных, необходимого для видеонаблюдения в реальном времени. Кроме передачи видеопотоков по сети значительную роль играют процессы компрессии/декомпрессии видеоизображений. Поэтому, если в глобальных сетях (Интернет) решающую роль при передаче видеоданных играет пропускная способность канала, то в ЛВС зачастую слабым звеном оказываются ограниченные вычислительные мощности отдельных компьютеров. При этом возникает необходимость в алгоритмах регулирования процессов передачи данных с целью обеспечения экономного и эффективного использования каналов связи в задачах видеонаблюдения.

При организации видеонаблюдения на объектах с целью обеспечения безопасности или контроля над технологическими процессами возникает задача сопоставления данных видеонаблюдения с показаниями различных датчиков и измерительных приборов. Сведение задач видеонаблюдения и технологического контроля в рамки одной системы позволяет синхронизовать видео и технологические данные во времени, помогает удаленному пользователю быстрее воссоздать точную картину происходящего на объекте. Объединение задач видеонаблюдения и технологического контроля приводит к необходимости использования общих каналов связи и протоколов передачи данных.

Цель работы заключается в разработке методов передачи информации, обеспечивающих эффективное использование каналов передачи данных при наиболее качественном выполнении задач видеонаблюдения и сбора технологических данных в распределенных многопользовательских системах. При этом ставились следующие задачи:

Г

построение имитационной модели сети Ethernet для исследования поведения ЛВС при интенсивной передаче данных, разработка инструмента для идентификации модели ЛВС; имитационное моделирование протоколов передачи данных в промышленных сетях и разработка механизмов разграничения доступа к передающей среде, обеспечивающих наиболее быстрое получение данных по запросу извне; разработка алгоритмов передачи видео и технологической информации, обеспечивающих регулируемое использование каналов передачи данных.

Методы исследования. Решение рассматриваемых в диссертационной работе задач базируется на применении методов математического моделирования и программирования. Научная новизна

® Разработаны алгоритмы передачи данных видеонаблюдения в реальном масштабе времени по протоколу TCP/IP в распределенных многопользовательских системах.

• Разработаны алгоритмы динамического контроля над работоспособностью сетевого оборудования ЛВС большого размера.

в Путем компьютерного имитационного моделирования получены зависимости числа коллизий и потерянных пакетов от длины передаваемых пакетов и числа передающих устройств при максимальной нагрузке на сегмент сети Ethernet.

• Разработаны методы построения имитационных моделей реальных сегментов сети Ethernet. Предлагается метод тестирования сети Ethernet, основанный на сравнении результатов имитационного моделирования и результатов работы реальной ЛВС.

® Разработаны универсальные правила моделирования передачи данных в промышленных сетях типа «ведущий-ведомый».

• Предложен новый протокол передачи данных в промышленных сетях, объединяющий достоинства централизованного и децентрализованного методов разграничения доступа устройств к каналу передачи данных.

Практическая ценность. Разработанный инструмент идентификации модели ЛВС (сервер динамического слежения за работоспособностью сети) может использоваться сетевыми администраторами компьютерных

сетей большого размера для автоматизации сбора информации о структуре сети и параметрах ее работа. Предложенный метод тестирования, основанный на сравнении результатов имитационного моделирования и результатов работы реальной ЛВС, имеет практическое значение при определении качества ЛВС.

Предложенная система имитационного моделирования передачи данных в промышленных сетях имеет практическое применение для определения соответствия проекта промышленной сети возлагаемым на него задачам. Разработанные методьгпозволяют оптимально выбирать не только параметры конкретного протокольного решения, но и сам протокол передачи данных.

Предложенный протокол передачи данных в промышленных сетях оптимизирует процесс сбора данных из сегмента промышленной сети в один «узел», выступающий в роли «центра управления» или маршрутизатора в соседние сегменты, ЛВС или интернет-пространство. Наиболее выгодным нам представляется использование данного протокола в системах со многими узлами управления, отвечающими за работу определенной части устройств (микроконтроллеры, контролирующие процесс в соответствии с алгоритмом, или пульты управления операторов), и одним или несколькими «центрами управления» (в роли которых выступают компьютеры), ответственными за работу всей системы в целом. Такая комбинация позволяет с одной стороны широко использовать относительно дешевые вычислительные ресурсы компьютера, а с другой стороны обеспечивает достаточный уровень отказоустойчивости (выход из строя «центра управления» не приведет к прекращению работы всей сети).

Использование возможности передачи изображений с видеокамер по компьютерной сети дает значительный экономический эффект при организации видеонаблюдения на территориально распределенных объектах, а также в многопользовательских системах, когда изображение с одной камеры необходимо просматривать со значительно удаленных друг от друга рабочих мест. Разработанные методы позволяют экономно и предсказуемо использовать ресурсы компьютерной сети, на которую возлагаются задачи видеонаблюдения.

Объединение системы сбора и обработки технологических данных и системы видеонаблюдения позволяет комплексно решать задачи видео и технологического мониторинга в реальном масштабе времени. Изначально заложенные в систему механизмы передачи данных по цифровым сетям делают ее легко масштабируемой, позволяют создавать территориально распределенные, многопользовательские системы контроля.

Апробация работы. Сервер динамического слежения за работоспособностью сети используется сетевыми администраторами Пермского университета для контроля над конфигурацией ЛВС. На программу получено свидетельство об официальной регистрации программы для ЭВМ №2001610181.

Работы по имитационному моделированию сегмента сети Ethernet и промышленных сетей представлены на третьей и четвертой всероссийской научной internet-конференции «Компьютерное и математическое моделирование в естественных и технических науках» (г. Тамбов, 2001,2002гг.)

Методы передачи видеоинформации, сбора и передачи технологических данных реализованы в цифровой системе видео и технологического мониторинга "PANDORA" ЗАО НПО «Лаби».

По протоколу "LabiNet" организована связь между контроллерами сбора технологических данных и видеосерверами системы "PANDORA" ЗАО НПО «Лаби».

Система видеонаблюдения "Pandora" оценена дипломом II степени в конкурсе «Системы охранного телевидения и наблюдения», проводившемся на международной выставке «Охрана и безопасность» в Санкт-Петербурге, 2003 г.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 8 работ.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка литературы (45 наименований). В работе приводится 54 рисунка и 8 таблиц. Общий объем диссертации составляет 158 страниц.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

В работе рассматривается передача данных в информационных системах, основные составляющие которой представлены нарис.1:

• видеосерверы, захватывающие изображение с подключенных к ним камер и осуществляющие отображение данных из локальных промышленных сетей в цифровые сети глобального масштаба;

• видеоклиенты, отображающие видеоизображения и данные технологического контроля, полуденные от видеосерверов;

• контроллеры, получающие путем опроса своих датчиков технологические данные и передающие их видеосерверам;

• промышленная сеть, объединяющая контроллеры между собой и с видеосервером;

• компьютерная сеть, объединяющая видеосерверы и видеоклиенты.

датчики и исполнительные механизмы

Рис.1. Информационная система видео и технологического мониторинга

Во введении обосновывается актуальность темы диссертации, формулируется цель и задачи исследования.

В первой главе приведен обзор существующих методов передачи данных видеонаблюдения и сбора технологических данных, проведено сравнение методов тестирования сети Ethernet, раскрывается содержание поставленных задач.

Стандартные методы передачи видеопотоков по компьютерным сетям основываются на использовании протокола UDP. Протокол UDP не гарантирует качество доставки и правильность порядка передачи данных, однако требует меньшей пропускной способности канала и позволяет организовывать одновременную передачу данных множеству клиентов. Потери UDP-пакетов происходят не только в каналах связи, но и в буферах входных данных компьютеров-клиентов вследствие нехватки вычислительных ресурсов для обработки всех входящих данных. Потерянные пакеты обычно не пересылаются, вместо этого используются алгоритмы восстановления потерянной информации за счет избыточного кодирования. Интенсивная неконтролируемая передача данных по UDP в канале с недостаточной пропускной способностью приводит к агрессивному захвату всего канала, что может нарушить передачу данных по TCP протоколу (осуществляемую другими приложениями по общему каналу связи). Поэтому при передаче данных по UDP необходимы механизмы, обеспечивающие «дружественность» протоколу TCP.

Условие равномерного распределения канала между различными приложениями выполняется автоматически, если вести передачу видеоданных по протоколу TCP, в котором изначально заложены механизмы адаптации к пропускной способности канала, регулирования скорости передачи в зависимости от числа теряемых пакетов, подавления перегрузок канала. Однако использование протокола TCP требует дополнительных механизмов для выполнения требований, предъявляемых к системам видеонаблюдения реального времени. Протокол TCP обеспечивает гарантированность доставки, и если весь объем видеоданных не может быть передан через канал связи или обработан клиентом, на сервере возникают очереди передаваемых данных, появление которых ведет к росту задержки передачи видеоизображений. Для того чтобы не допустить роста очереди передаваемых данных необходимо отбрасывать (не ставить в очередь передачи) часть видеокадров.

В существующих методах регулирования не учитывается возникновение задержки видеоинформации в приемных буферах клиента. При низких вычислительных ресурсах процесс декомпрессии видеопотока занимает значительную долю процессорного времени, клиент не успевает декомпрессировать все получаемые данные и поэтому читает из буфера приема медленнее, чем туда поступают данные. Это приводит к периодическим приостановкам передачи данных сервером, низкой скорости и «рывкам» выводимого на экране клиента видеоизображения. Возникает задача в разработке таких алгоритмов регулирования передачи видеоданных, которые учитывали бы не только возможности канала связи, но и ресурсы компьютеров-клиентов.

Следует отметить, что выбор протокола TCP в качестве основного в интегрированной системе видеонаблюдения и технологического контроля автоматически выполняет требование гарантированности доставки технологических данных.

Передача видеосигналов по компьютерной сёти предъявляет высокие требования к производительности сети. Существующие системы компьютерного моделирования позволяют заранее оценить возможности ЛВС, предсказать ее поведение при увеличении объема сетевого трафика, но при этом считается, что все сетевое оборудование заведомо исправно. Неисправности сети (низкое качество кабельных соединений, сбои в работе активного сетевого оборудования) приводят к нарушениям в работе механизма передачи данных и значительно снижают производительность сети. Существующие методы оценки качества ЛВС позволяют точно охарактеризовать качество только кабельной системы ЛВС. В то же время методы проверки корректности работы активного оборудования (концентраторов, коммутаторов, сетевых карт конечных устройств) сложны и не универсальны. Одной из задач данной работы является исследование поведения сегмента сети Ethernet, основанное на компьютерном моделировании процессов, происходящих при передаче данных в сети Ethernet, с максимальным приближением во временной области к реальным процессам с целью разработки методов оценки корректности работы сети, а также качественного изучения поведения сети при максимальных нагрузках.

Обзор существующих моделей показал, что при имитационном компьютерном моделировании сегмент сети Ethernet обычно представляется в виде системы массового обслуживания, в качестве транзактов в которой выступают сетевые пакеты, а в качестве обслуживающих приборов - сетевые узлы и моноканал связи. Генерация транзактов ведется обычно по пуассоновскому распределению, после появления транзакта он ставится в очередь передачи «сетевого узла». После освобождения «моноканала» транзакт из очереди передачи переходит на обработку в «моноканал», где задерживается на время передачи пакета. В данной работе велось компьютерное моделирование процессов, происходящих при интенсивной передаче данных в сети Ethernet (считалось, что каждый узел постоянно испытывает потребность в передаче данных). Так как узел в каждый момент времени может передавать только один пакет, предлагается в качестве транзакта выбрать не пакет, а сетевой узел, при этом положение транзакта в модели определяет состояние узла. Такой подход позволяет исключить из рассмотрения временной закон появления транзактов в системе (транзакты генерируются одновременно в момент начала моделирования), и сосредоточить основное внимание на таких результатах моделирования как максимальное время доступа узла к среде передачи, количество коллизий, произошедших в канале, коэффициент использования канала связи. Основное исследование работы сети ведется при максимально возможных нагрузках на канал связи, близких к 100 %.

Большинство промышленных сетей построено на интерфейсе RS-485. Основным требованием, налагаемым на промышленную сеть технологическими процессами, является строго детерминированное максимальное время доступа устройства к передающей среде. Вследствие этого широко распространены системы типа «ведущий - ведомый». Обзор существующих методов позволяет разделить способы организации передачи маркера на централизованные (центральный «арбитр» поочередно дает ведущим маркер ведущего) и децентрализованные (эстафетное кольцо). Централизованные способы предпочтительны при организации «центров» управления: арбитр получает маркер ведущего обратно каждый раз, когда какое-либо устройство заканчивает опрос своих ведомых, и в случае возникновения «срочной» задачи он может

использовать маркер ведущего для выполнения своего запроса, и только после этого отдать его следующему ведущему. В то же время нельзя не признать преимущества децентрализованной системы: в ней по определению отсутствует центр, потеря работоспособности которого привела бы к полному нарушению порядка передачи маркера ведущего. Таким образом, возникает задача разработки таких алгоритмов, при которых организация «центров» (точек отображения данных из локальных промышленных сетей в цифровые сети глобального масштаба) не приводила бы к уменьшению надежности промышленной сети.

Определение возможностей оптимизации, а также оценку предложенных решений удобно вести с помощью имитационного компьютерного моделирования. Моделирование работы сетей типа «ведущий-ведомый» требует подходов, отличных от тех, которые используются при моделировании сетей, устройства которых получают доступ к каналу в процессе соревнования. Сетевой трафик систем типа «ведущий-ведомый» в большей степейи предопределен содержанием программ, выполняемых устройствами, а также характеристиками устройств. Поэтому основной задачей при построении имитационной модели является сведение правил функционирования всех сетевых устройств к единому описанию работы сети.

Существующие в настоящий момент системы моделирования позволяют моделировать работу только одного или нескольких протокольных решений. С их помощью разработчик может промоделировать работу разрабатываемой сети, но уже после того, как выбран конкретный протокол, на основе которого она будет реализована. На этапе выбора протокольного решения имитационное моделирование крайне затруднительно, так как для этого необходимо иметь средства разработки от различных производителей и зачастую вводить в разные программы один и тот же проект. Кроме того, иногда экономически оправданна разработка собственного протокольного решения, при этом для моделирования нового протокола необходима разработка собственной среды моделирования. Исходя из вышесказанного очевидна выгода от использования такой системы моделирования, универсальность которой позволяла бы исследовать особенности передачи данных в широком круге промышленных сетей путем изменения небольшого набора правил.

Во второй главе проводится исследование поведения сегмента сети Ethernet, основанное на компьютерном моделировании процессов, происходящих при интенсивной передаче данных в сети Ethernet, с максимальным приближением во временной области к - реальным процессам с целью разработки методов оценки корректности работы сети, а также качественного изучения поведения сети при максимальных нагрузках. В главе описываются модели работы сегмента локальной сети, разработанные на языке моделирования GPSS, обсуждаются результаты моделирования, их совпадение с экспериментальными дашшми и возможности использования моделирования для оценки качества работы ЛВС.

Для идентификации модели сети была написана программа «Сервер динамического слежения за работоспособностью сети» - программа автоматического сбора информации о сетевых устройствах, находящихся в локальной сети большого размера, позволяющая контролировать их работоспособность и отслеживать изменения в настройках сетевого оборудования. Для получения как можно большего объема информации об устройствах контроль над их работой ведется по двум протоколам -TCP/IP и NetBIOS. Чтобы обнаружить устройство, работающее по протоколу TCP/IP, а также проконтролировать его работоспособность, проще всего использовать ICMP протокол. Алгоритм стандартной команды ping требует от 1 мс до 2 с на проверку одного IP-адреса. При проверке сетей большого размера суммарное время обмена пакетами достигает значительных величин. При низкой скорости проверки ее результаты теряют свою актуальность, так как для подключения устройства к сети (и последующего отключения) необходимо гораздо меньшее время. Предлагается новый алгоритм проверки сетевых устройств по ICMP-запросам, который заключается в том, что за один раз посылается группа из 254 пакетов, каждый из которых имеет собственный IP-адрес назначения. В результате, всего за 2 с проверяется вместо одного сетевого устройства вся подсеть, то есть 254 устройства.

С помощью библиотеки "рсар" (Linux) организовывается перехват всех пакетов широковещательной и групповой рассылки, из них выделяются пакеты NetBIOS протокола, и при разборе пакетов определяются NetBIOS-имена и МАС-адреса источников пакетов.

Данный алгоритм позволяет пассивно, не нагружая запросами сеть, собрать через определенное количество времени информацию о соответствии сетевых имен всех работающих компьютеров и их МАС-адресов и, кроме того, определить появление рабочей станции практически одновременно с ее выходом в сетевое окружение. Для исследования трафика в различных сегментах сети модуль пассивного слежения за передаваемым трафиком был выделен в отдельную тестирующую программу, перехватывающую весь сетевой трафик сегмента (ОС Unix, аналог утилиты tcpdump). Программа сортирует пакеты по длинам и узлам-отправителям, а также берет по SNMP-протоколу информацию с коммутатора, к которому подключен сегмент, о числе коллизий, случившихся за период работы программы.

В работе велось компьютерное моделирование процессов, происходящих при интенсивной передаче данных в сети Ethernet (считалось, что каждый узел постоянно испытывает потребность в передаче данных). Так как узел в каждый момент времени может передавать только один пакет, предлагается в качестве транзакта выбрать не пакет, а сетевой узел, при этом положение транзакта в модели определяет состояние узла. Такой подход позволяет исключить из рассмотрения временной закон появления транзактов в системе (транзакты генерируются одновременно в момент начала моделирования), и сосредоточить основное внимание на таких результатах моделирования как максимальное время доступа узла к среде передачи, количество коллизий, произошедших в канале, коэффициент использования канала связи. Основное исследование работы сети ведется при максимально возможных нагрузках на канал связи, близких к 100 %.

Длины пакетов, передаваемых по сети Ethernet, различны и варьируются в диапазоне от 64 до 1518 байт. Графики, изображенные на рис.2, 3, построены по данным, накопленным в течение одной секунды моделирования работы сети из десяти источников, непрерывно стремящихся к передаче. Видно, что с увеличением длины пакета число коллизий в единицу времени падает, а время, в течение которого по каналу передавались данные, растет. Это объясняется тем, что после того, как какой-либо узел выигрывает соревнование за право доступа к каналу, он занимает его на время, которое тем больше, чем длиннее пакет, и, пока

он ведет передачу, коллизии не могут произойти. Соответственно с увеличением длины пакета растет коэффициент использования канала, а число коллизий падает.

чччччччч

О 2 4 б 8 10 12 14 16

1,10

Рис.2. Зависимость коэффициента использования канала и числа коллизий в сегменте от длины пакетов

_|Н

О 2 4 б 8 10 12 14 16

Рис.3. Зависимость числа потерянных пакетов от их длины

Казалось бы, оптимальным режимом работы сети является режим передачи максимально больших пакетов. Однако если мы проследим за зависимостью числа отброшенных пакетов (пакетов, попавших в коллизию более 16 раз) от их длины Ь (рис.3), то увидим, что чем больше длина пакета, тем больше число потерянных пакетов. Это происходит потому, что за время передачи длинного пакета все узлы, попавшие до этого в коллизию, успевают выдержать паузу, какой бы большой она ни была, и переходят к ожиданию освобождения канала. После завершения

передачи кадра они одновременно пытаются его занять, в результате чего вновь попадают в коллизию. Несмотря на небольшой процент потерянных пакетов по отношению к переданным, эти потери существенно замедляют работу сетевых приложений. Если приложение, работающее на компьютере, использует протоколы верхнего уровня, гарантирующие доставку, то потерянный пакет будет перепослан, но уже спустя время, гораздо большее микросекундных задержек Ethernet, порядка нескольких секунд.

Задачи передачи данных видеонаблюдения реального времени по сети приводят к интенсивной передаче пакетов с длиной, близкой к максимальной. Из рис.3 видно, что при этом процент потерянных пакетов наиболее высок. Замена Ethernet-концентраторов на Ethernet-коммутаторы позволяет устройствам получать доступ к каналу без соревнования, однако не исключает потери пакетов, которые происходят при этом в коммутаторе вследствие переполнения очередей передачи. Таким образом, при организации передачи данный видеонаблюдения даже в пределах ЛВС требуются механизмы восстановления потерянной информации.

Показано, что в большинстве случаев передача данных в ЛВС может моделироваться с помощью модели, число источников которой значительно меньше числа реальных узлов сети. Для проверки совпадения получаемых при моделировании данных с результатами эксперимента мы сделали серию замеров сетевого трафика в различных участках локальной сети Пермского университета и с помощью предложенных правил построили соответствующие им модели. Получено хорошее совпадение результатов моделирования с экспериментальными данными на различных режимах работы сети.

Предлагается способ оценки качества работы сегмента ЛВС. Если число коллизий, реально происходящих в сегменте, значительно больше числа, полученного в процессе моделирования, следует полагать, что в данном сегменте присутствует какая-либо неисправность. Путем моделирования сегмента по простым данным тестирования, полученным о нем, можно определить качество сегмента в смысле соответствия потребностям пользователей, а также качество работы активного оборудования.

Третья глава посвящена передаче данных в промышленных сетях. В работе проводится оптимизация методов сбора технологических данных в промышленных сетях типа «ведущий - ведомый».. В качестве основного критерия оптимизации выбрано время доступа к любому устройству сета извне. Для определения возможностей оптимизации, а также оценки предложенных решений разработан программный комплекс имитационного моделирования передачи данных в промышленных сетях, функционирующих на основе метода доступа «ведущий-ведомый» и метода передачи маркера.

Очевидным представляется выделение двух типов объектов моделирования: «шина» и «устройство». Передача данных имитируется как генерация «сетевого пакета» в «устройстве» в соответствии с описанной для него «программой»; переход «пакета» на обработку к «шине»; переход «пакета» на обработку всем «устройствам», «подключенным» к «шине». Для ведущего «устройства» задается список опрашиваемых «устройств», «программа», "определяющая какие запросы по сети «устройство» должно выполнять в течение владения маркером и правила передачи маркера ведущего. Для унификации системы моделирования разработан минимальный набор команд, с помощью которого можно имитировать работу устройства в сети: запись данных в удаленное «устройство» («устройство» отвечает передачей «пакета» подтверждения); запрос данных у удаленного «устройства» («устройство» отвечает на нее передачей «ответа»); передача маркера от одного ведущего к другому. Для каждого ведущего устройства задаются три параметра, описывающих правила передачи прав ведущего в сети: время восстановления маркера; время владения маркером; способ передачи маркера ведущего.

Для способа передачи маркера можно выделить три возможных величины:

1. "попе" - устройство не участвует в процессе передачи маркера;

2. "next" - по истечении времени владения маркером устройство передает его следующему по списку устройству;

3. "back" - по истечении времени владения маркером устройство возвращает его устройству, от которого маркер был получен.

Таким образом, можно моделировать работу децентрализованных, централизованных методов доступа, а также их комбинаций. Для проверки корректности моделирования была построена серия моделей, отображающих работу сетей на основе различных протоколов, а именно:

• модель сети с одним ведущим и несколькими ведомыми;

• модель сети с несколькими ведущими и ведомыми устройствами, с эстафетной передачей маркера ведущего,

• модель сети с несколькими ведущими и ведомыми устройствами, с фиксированным центральным «арбитром»,

• модель сети с несколькими ведущими и ведомыми устройствами, с автоматически выбираемым центральным «арбитром»,

• модель сети с несколькими ведущими и ведомыми устройствами, с «арбитром», меняющимся за счет эстафетной передачи маркера «арбитра».

В ходе тестирования получены результаты, корректно отображающие процессы передачи данных и распределения порядка доступа устройств к среде передачи, что подтверждает возможность использования разработанной системы моделирования для исследования работы указанных типов сетей.

В результате проведенных исследований выявлены преимущества и недостатки централизованных и децентрализованных методов разграничения доступа к каналу. Предложен новый протокол взаимодействия ведущих и ведомых устройств, объединяющий особенности этих двух методов. Протокол минимизирует время доступа к устройствам сети извне путем организации доступа через арбитра -устройства, получающего маркер ведущего каждый второй раз. При этом арбитр не является фиксированным - он выбирается автоматически из множества ведущих устройств. В то же время разработаны правила, благодаря которым можно указать, какое устройство (в случае работоспособности сети) будет арбитром. Таким образом, протокол позволяет организовывать «центры» сбора технологических данных, при этом выход «центра» из строя не ведет к потере работоспособности всей сети. Более того, протокол предусматривает возможность одновременного существования в одном сегменте сети нескольких таких «центров», при

этом права арбитра между ними передаются по принципу эстафетного кольца (рис.4). В качестве таких «центров» предлагается использовать компьютеры. Такая комбинация позволяет, с одной стороны, широко использовать относительно дешевые вычислительные ресурсы компьютера, а с другой стороны, обеспечивает достаточный уровень отказоустойчивости.

® Датчик или исполнительный механизм

Рис.4. Комбинированная схема передачи маркера. Кольцо отображает порядок передачи маркера между «центрами управления», поочередно выступающими в роли арбитра для других ведущих устройств.

В четвертой главе рассматриваются методы передачи данных видеонаблюдения в реальном времени, предлагаются алгоритмы регулирования скорости передачи видеоданных и способы объединения задач видеонаблюдения и технологического контроля.

Основными модулями, составляющими распределенную систему видеонаблюдения являются видеосервер и видеоклиент. Видеосервер организует захват видеокадров; компрессию видеопотоков; передачу по сеяги потоков сжатого видеоизображения клиентам.

В роли видеоклиента может выступать любой компьютер, подключенный к компьютерной сети. Стандартными задачами ПО клиента являются получение потоков данных с видеосерверов; декомпрессия видеоизображений; вывод изображений.

Основными критериями оценки качества распределенной системы цифрового видеонаблюдения являются:

• величина временной задержки т между каким-либо событием, произошедшим перед видеокамерой, и моментом его отображения на экране клиента;

• количество кадров/с п, отображаемых на экране клиента.

Оба параметра тип зависят от пропускной способности сети и вычислительных ресурсов сервера и клиента. В ЛВС зачастую слабым звеном оказываются ограниченные вычислительные мощности отдельных компьютеров.

Основное влияние на выбор протокола передачи данных оказывает задача удаленного видеонаблюдения, так как видеоданные составляют наибольшую долю передаваемого трафика. При передаче видеокадра по сети Ethernet происходит его разбиение на несколько пакетов максимальной длины. Потеря одного пакета (кусочка закомпрессированного видеокадра) ведет к несоизмеримым потерям в восстановленном изображении. Потеря "битого" видеокадра на скорости порядка 4 кадра/с будет весьма заметна. Следовательно, на низких скоростях вывода видео на экран, необходимы механизмы перепосылки потерянных при передаче по сети данных.

Для того чтобы оценить важность многоадресной рассылки (преимущество протокола UDP перед TCP), рассмотрим следующие основные случаи построения распределенной системы видеонаблюдения:

1. 1 клиент получает видеопотоки с 1 сервера;

2. несколько клиентов получают одинаковые видеопотоки с 1 сервера;

3. несколько клиентов получают разные видеопотоки с 1 сервера;

4. несколько клиентов получают разные видеопотоки с разных серверов. Использование многоадресной рассылки с точки зрения значительного уменьшения сетевого трафика выгодно только во втором случае, который по структуре соответствует принципам организации видеоконференций. В

системах видеонаблюдения общего пользования распространенными будут варианты 3 и 4, поскольку выборки камер (из множества других, подключенных к серверу) для просмотра на компьютерах-клиентах делаются в зависимости от пожеланий пользователей, и, скорее всего, не по территориальному, а по тематическому признаку. Следовательно, в общем случае видеопотоки, адресованные различным клиентам не будут совпадать друг с другом - как по содержанию, так и скорости. Мы отдали предпочтение TCP/IP. При этом автоматически обеспечивается важное условие, налагаемое задачей технологического контроля -гарантированность доставки.

Протокол TCP/IP обеспечивает регулирование скорости передачи данных в зависимости от загруженности канала связи, но, при его применении для передачи видео данных необходимо обеспечить выполнение следующих условий.

1. Следует ограничивать скорость передачи сервером кадров до того количества кадров/с, которое клиент в состоянии обработать.

2. Следует ограничивать скорость передачи сервером кадров до того количества кадров/с, которое канал связи в состоянии передать.

В работе рассматривается 3 способа регулирования:

• регулирование по принципу «запрос-ответ»;

• ограничение скорости передачи данных сервером в зависимости от скорости чтения данных клиентом;

• прореживание по запросу клиента кадров, отправляемых сервером.

К механизму неявного регулирования клиентом скорости передачи с видеосервера, мы добавили возможность явного регулирования клиентом интервала между кадрами, отправляемыми сервером. В зависимости от суммарной нагрузки на процессор и от скорости обработки кадров декомпрессором клиент указывает серверу максимальную скорость передачи Rs (в кадрах/с) для каждой из камер. Например, если сервер захватывает с какой-нибудь камеры Rq кадров/с, но клиент, в силу недостаточности своих вычислительных ресурсов, может отобразить только Rd кадров/с (Rd<Rg)> серверу следует прореживать (по команде клиента) кадры, записываемые в сокет соединения этого клиента до Rs кадров/с (RS<=RD), вне зависимости от скорости чтения данных клиентом.

Разработанные способы регулирования скорости передачи видео по TCP/IP реализованы в ПАК "Pandora". Комплекс состоит из видеосерверов, контроллеров сбора технологической информации, ПО видеоклиента (рис.5).

В роли контроллеров сбора технологической информации используются контроллеры, поддерживающие передачу данных по RS-485 по протоколу LabiNet. Видеосервер представляет собой компьютер с установленными платами видеоввода на основе чипа Conexant ВТ878А. К каждому видеосерверу можно подключить до 16 камер. Для организации ввода аудио сигналов используется линейный стерео вход звуковой платы. Подключение к промышленной сети на основе интерфейса RS-485 осуществляется через преобразователь RS-232-RS-485, соединенный с СОМ-портом сервера. ПО видеосервера работает под управлением операционной системы Linux. ПО видеосервера осуществляет:

коммутируемый захват видеоизображений с 16 композитных видеовходов; компрессию захваченных видеокадров по алгоритму JPEG; сравнение кадров с целью детекции движения; запись видеокадров в локальный архив; передачу видеокадров по сети видеоклиентам; захват аудиопотоков и их компрессию по алгоритму GSM 6.10; запись аудиопотоков в локальный архив; передачу аудиопотоков по сети видеоклиентам; общение с контроллерами промышленной сети по протоколу "LabiNet" с целью обеспечения управления, сбора и обработки технологических данных; взаимодействие клиентов с контроллерами промышленной сети.

ПО видеосервера написано на языке С. Для захвата видеоизображений был написан собственный драйвер, так как стандартный драйвер не обеспечивал быстрой коммутации видеовходов. Захват видеоизображений осуществляется в формате YCbCr422. При написании модулей компрессии использовались стандартные библиотеки, входящие в' состав Linux: libjpeg-6b и libgsm-1.0. Библио1ека libjpeg подверглась небольшой доработке: изменен формат входных изображений с RGB24 на YCbCr422. В модуле детекции движения используется точечный алгоритм сравнения двух соседних кадров. Сервер протокола LabiNet обеспечивает передачу запросов контроллерам промышленной сети, поступающих от удаленных клиентов (через сервер TCP соединений) или от основной программы, и возвращает результаты выполнения этих запросов. В течение работы сервер протокола LabiNet накапливает данные о состоянии контроллеров, создавая таким образом отображение технологической информации промышленной сети (или ее определенной части) в оперативную память видеосервера.

ПО видеоклиента разработано в среде программирования Delphi 7. Основными задачами ПО видеоклиента являются: подключение к видеосерверам; получение от видеосерверов видео, аудио, технологических данных; декомпрессия видеоизображений и аудиопотоков; вывод видеоизображений на экран компьютера; воспроизведение аудиопотоков; отображение полученных технологических данных; организация интерфейса пользователя для настройки параметров видеосерверов и управления контроллерами промышленной сети.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ

1. На основе проведенных изысканий создан программно-аппаратный комплекс удаленного видеонаблюдения и технологического контроля "Pandora", позволяющий создавать распределенные многопользовательские системы удаленного мониторинга.

2. Синтезированы и опробованы алгоритмы передачи данных видеонаблюдения в реальном времени по протоколу TCP/IP в распределенных многопользовательских системах. Предлагаются методы регулирования клиентом скорости передачи видеоданных от сервера клиенту в зависимости от пропускной способности сети и вычислительных ресурсов серверов и клиентов.

3. Разработаны методы и программа имитационного моделирования передачи данных в промышленных сетях, функционирующих на основе метода доступа «ведущий-ведомый» и метода передачи маркера.

4. Применение дайной системы моделирования позволило разработать новый протокол передачи данных в промышленных сетях, оптимизированный под задачи быстрого получения технологических параметров по запросу из центра контроля. Протокол используется в ПАК "Pandora" для сбора технологических данных с контроллеров промышленной сети.

5. Путем компьютерного моделирования получены зависимости числа коллизий, потерянных пакетов и КПД моноканала от длины передаваемых пакетов в сегменте сети Ethernet, состоящем из множества устройств, испытывающих постоянную необходимость в передаче данных.

6. Разработаны методы построения имитационных моделей реальных сегментов сети Ethernet. Показано, что в большинстве случаев передача данных в ЛВС может моделироваться с помощью модели, число источников которой значительно меньше числа реальных узлов сети. Предлагается метод тестирования сети Ethernet, основанный на сравнении результатов имитационного моделирования и результатов работы реальной ЛВС.

7. Разработаны алгоритмы и программа динамического контроля над работоспособностью сетевого оборудования ЛВС большого размера.

РНБ Русский фонд

24 - 'е 2007-4

Основное содержание диссертационной рабо 17076

следующих публикациях:

1. Новиков C.B., Сушин В.Н. Сервер динамического слежения за работоспособностью cemull Вестн. Перм. ун-та. 2000. Вып.6. Физика. С. 90-93.

2. Свидетельство об официальной регистрации программы для ЭВМ №2001610181 РФ. Сервер динамического слежения за работоспособностью сетиI С.В.Новиков, В.Н.Сушин (РФ). Зарегистрировано 21.02.2001.

3. Новиков C.B., Сушин В.Н. Имитационное моделирование и тестирование сегмента сети Ethernet И Вестн. Перм. ун-та. 2001. Вып.6. Информационные системы и технологии. С. 86-92.

4. Марценюк М.А., Новиков C.B. Имитационное моделирование и тестирование сети Ethernet// Третья Всероссийская научная internet-конференция «Компьютерное и математическое моделирование в естесственных и технических науках». Тамбов, 2001. Тезисы докл. Вып. 13.

5. Новиков" C.B. Имитационное моделирование передачи данных в промышленных сетях на основе метода доступа к шине типа "ведупций-ведомый" И Вестн. Перм. ун-та. 2003. Вып.6. Информационные системы и технологии. С. 26-30.

6. Новиков C.B. Имитационное моделирование передачи данных в промышленных сетяхна основе RS-485// Четвертая Всероссийская научная internet-конференция «Компьютерное и математическое моделирование в естесственных и технических науках». Тамбов, 2002. Тезисы докл. Вып.20.

7. Малков А.В., Новиков C.B. Промышленная сеть с неравномерным распределением прав ведущих (LabiNet) II Вестн. Перм. ун-та. 2003. Вып.6. Информационные системы и технологии. С. 31-34.

8. Новиков C.B. Передача данных видеонаблюдения по IP-сетям //Открытые системы. 2003. №9. С.57-59.

Подписано в печать_г.

Формат 60x84 шв Печать офсетная. Усл. Печ. л. 1,3 Тираж 100 экз. Заказ №_.

Отпечатано на ризографе. ООО "Печатный салон "Гармония"", 614000, г. Пермь, ул. Кирова, 34.

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1. СУЩЕСТВУЮЩИЕ МЕТОДЫ

1.1. Методы передачи данных видеонаблюдения по компьютерным сетям

1.2. Методы тестирования ЛВС Ethernet

1.3. Методы сбора технологических данных в промышленных сетях

1.4. Цели и задачи диссертационной работы

ГЛАВА 2. ИМИТАЦИОННОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ И

ТЕСТИРОВАНИЕ СЕТИ ETHERNET

2.1. Введение

2.2. Сервер динамического слежения за работоспособностью сети

2.3. Моделирование работы сегмента сети Ethernet

2.3.1. Имитационная модель

2.3.2. Время доступа к моноканалу

2.3.3. Влияние длины пакета на передачу данных

2.3.4. Имитация работы реально существующих сегментов

2.3.5. Использование результатов тестирующей программы для выбора имитационной модели

2.3.6. Тестирование сегмента сети Ethernet

2.4. Моделирование Ethernet-коммутатора

2.5. Результаты

ГЛАВА 3. МОДЕЛИ И МЕТОДЫ СБОРА ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ДАННЫХ В ПРОМЫШЛЕННЫХ СЕТЯХ ТИПА «ВЕДУЩИЙ-ВЕДОМЫЙ»

3.1. Введение

3.2. Имитационное моделирование передачи данных в промышленных сетях на основе метода доступа к шине типа "ведущий-ведомый"

3.2.1. Основные объекты имитационной модели

3.2.2. Набор команд

3.2.3. Моделирование передачи данных

3.2.4. Система моделирования

3.2.5. Результаты моделирования

3.3. Промышленная сеть с неравномерным распределением прав ведущих (LabiNet)

3.3.1. Сравнение централизованных и децентрализованных методов разграничения доступа к среде

3.3.2. Описание протокола LabiNet

3.3.2.1. Первый уровень: «мастер - ведомый»

3.3.2.2. Второй уровень: «мастер-арбитр - мастер»

3.3.2.3. Третий уровень: «мастер-маршрутизатор - мастер-арбитр»

3.3.3. Система команд

3.4. Результаты

ГЛАВА 4. МЕТОДЫ ПЕРЕДАЧИ ДАННЫХ ВИДЕОНАБЛЮДЕНИЯ И ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО КОНТРОЛЯ В РАСПРЕДЕЛЕННЫХ ЦИФРОВЫХ СИСТЕМАХ

4.1. Введение ^qj

4.2. Выбор протокола передачи данных

4.3. Регулирование скорости передачи видео данных

4.3.1. Регулирование по принципу "запрос-ответ"

4.3.2. Ограничение скорости передачи в зависимости от скорости чтения

4.3.3. Регулирование клиентом интервала между кадрами, отправляемыми сервером

4.4. Программно-аппаратный комплекс видеонаблюдения и технологического контроля "Pandora"

4.5. Передача видео и аудио данных

4.6. Проведение эксперимента по передаче данных видеонаблюдения 13$

4.7 Результаты ^

Актуальность темы

Развитие цифровых сетей передачи данных открывает новые возможности в построении систем удаленного мониторинга. Пропускная способность каналов связи в настоящее время позволяет вести видео контроль над удаленными объектами в реальном масштабе времени, поэтому одним из основных требований, предъявляемых к современным цифровым системам видеонаблюдения, является возможность передачи изображений с видеокамер по компьютерной сети. Использование этой возможности дает значительный экономический эффект при организации видеонаблюдения на территориально распределенных объектах, а также в многопользовательских системах, когда изображение с одной камеры необходимо просматривать со значительно удаленных друг от друга рабочих мест. Основные трудности заключаются в способах передачи видеосигналов по цифровым сетям вследствие большого объема передаваемых данных, необходимого для видеонаблюдения в реальном масштабе времени. Кроме передачи видеопотоков по сети значительную роль играют процессы компрессии/декомпрессии видеоизображений. Поэтому, если в глобальных сетях (Интернет) решающую роль при передаче видеоданных играет пропускная способность канала, то в ЛВС зачастую слабым звеном оказываются ограниченные вычислительные мощности отдельных компьютеров. При этом возникает необходимость в алгоритмах регулирования процессов передачи данных с целью обеспечения экономного и эффективного использования каналов связи в задачах видеонаблюдения.

При организации видеонаблюдения на объектах с целью обеспечения безопасности или контроля над технологическими процессами возникает задача сопоставления данных видеонаблюдения с показаниями различных датчиков и измерительных приборов: электронных термометров, манометров, считывателей кодов электронных пропусков, датчиков движения, открывания дверей, срабатывания сигнализации и т.д. (далее - технологические данные). Обычно технологические параметры получаются с помощью микроконтроллеров, которые передают их по промышленной сети в центр сбора и обработки данных. При этом большое внимание уделяется надежности системы и задаче минимизации времени реакции системы на какое-либо событие, поэтому важен способ передачи данных и распределения канала между множеством передающих устройств. Сведение задач видеонаблюдения и технологического контроля в рамки одной системы позволяет синхронизовать видео и технологические данные во времени, помогает удаленному пользователю быстрее воссоздать точную картину происходящего на объекте.

Объединение задач видеонаблюдения и технологического контроля приводит к необходимости использования общих каналов связи и протоколов передачи данных. Задачи технологического контроля, в отличие от задач видеонаблюдения, налагают повышенные требования к надежности канала связи и гарантированности доставки данных. Особое внимание следует уделить способу отображения данных из локальных промышленных сетей в цифровые сети глобального масштаба.

Постановка задачи

В работе рассматривается передача данных в информационной системе, основными составляющими которой являются:

• видеосерверы, захватывающие изображение с подключенных к ним камер и осуществляющие отображение данных из локальных промышленных сетей в цифровые сети глобального масштаба;

• видеоклиенты, отображающие видеоизображения и данные технологического контроля, полученные от видеосерверов;

• контроллеры, получающие путем опроса своих датчиков технологические данные и передающие их видеосерверам;

• промышленная сеть, объединяющая контроллеры между собой и с видеосервером;

• компьютерная сеть, объединяющая видеосерверы и видеоклиенты, поддерживающая передачу данных по протоколам семейства IP.

В работе не рассматриваются способы получения данных от датчиков, сами датчики и содержимое программ контроллеров. Считается, что у контроллеров существует постоянная потребность в передаче данных. Не рассматриваются типы видеокамер, способ оцифровки телевизионного сигнала и алгоритмы компрессии видеоданных. Под видеоизображением подразумевается последовательность цифровых растровых изображений (видеокадров).

Цель работы заключается в разработке методов передачи информации, обеспечивающих эффективное использование каналов передачи данных при выполнении задач видеонаблюдения и сбора технологических данных в распределенных многопользовательских системах. При этом ставились следующие задачи: построение имитационной модели сети Ethernet для исследования поведения ЛВС при интенсивной передаче данных, разработка инструмента для идентификации модели ЛВС; имитационное моделирование протоколов передачи данных в промышленных сетях и разработка механизмов разграничения доступа к передающей среде, обеспечивающих наиболее быстрое получение данных по запросу извне; разработка алгоритмов передачи видео и технологической информации, обеспечивающих регулируемое использование каналов передачи данных.

Методы исследования

Решение рассматриваемых в диссертационной работе задач базируется на применении методов математического моделирования и программирования.

Научная новизна

Разработаны алгоритмы передачи данных видеонаблюдения в реальном масштабе времени по протоколу TCP/IP в распределенных многопользовательских системах.

Разработаны алгоритмы динамического контроля над работоспособностью сетевого оборудования ЛВС большого размера.

Путем компьютерного имитационного моделирования получены зависимости числа коллизий и потерянных пакетов от длины передаваемых пакетов и числа передающих устройств при максимальной нагрузке на сегмент сети Ethernet.

Разработаны методы построения имитационных моделей реальных сегментов сети Ethernet. Предлагается метод тестирования сети Ethernet, основанный на сравнении результатов имитационного моделирования и результатов работы реальной ЛВС.

Разработаны универсальные правила моделирования передачи данных в промышленных сетях типа «ведущий-ведомый».

Предложен новый протокол передачи данных в промышленных сетях, объединяющий достоинства централизованного и децентрализованного методов разграничения доступа устройств к каналу передачи данных.

Практическая ценность

Использование возможности передачи изображений с видеокамер по компьютерной сети дает значительный экономический эффект при организации видеонаблюдения на территориально распределенных объектах, а также в многопользовательских системах, когда изображение с одной камеры необходимо просматривать со значительно удаленных друг от друга рабочих мест. В работе предлагаются принципы программной организации передачи видеопотоков реального времени по распределенной сети, состоящей из множества видеосерверов и компьютеров-клиентов, с использованием протокола TCP/IP, обеспечивающие регулирование скорости передачи данных в зависимости от пропускной способности сети и вычислительных ресурсов серверов и клиентов. Разработанные методы позволяют экономно и предсказуемо использовать ресурсы компьютерной сети, на которую возлагаются задачи видеонаблюдения.

Разработанный инструмент идентификации модели ЛВС (сервер динамического слежения за работоспособностью сети) может использоваться сетевыми администраторами компьютерных сетей большого размера для автоматизации сбора информации о структуре сети и параметрах ее работы. Программа контролирует работу устройств, подключенных к локальной сети (определяет время их включения и отключения), а также появление новых сетевых устройств по различным протоколам (TCP/IP и NetBIOS), что делает практически невозможной скрытную работу в сети; определяет случаи несогласованного использования IP-адресов, вычисляет устройства с настройками, мешающими правильной работе сети. Предложенный метод тестирования, основанный на сравнении результатов имитационного моделирования и результатов работы реальной ЛВС, имеет большое практическое значение при определении качества ЛВС. Разработанные методы могут также использоваться для предсказания результатов изменений, проводимых в сети.

При разработке промышленной сети важно заранее оценить, отвечает ли выбранное решение различным требованиям, налагаемым на сеть областью ее применения. Предложенная система имитационного моделирования передачи данных в промышленных сетях имеет практическое применение для определения соответствия проекта промышленной сети возлагаемым на него задачам. Разработанные методы позволяют оптимально выбирать не только параметры конкретного протокольного решения, но и сам протокол передачи данных.

Предложенный протокол передачи данных в промышленных сетях оптимизирует процесс сбора данных из сегмента промышленной сети в один узел», выступающий в роли «центра управления» или маршрутизатора в соседние сегменты, интранет- или интернет-пространство. Наиболее выгодным нам представляется использование данного протокола в системах со многими узлами управления, отвечающими за работу определенной части устройств (микроконтроллеры, контролирующие процесс в соответствии с алгоритмом, или пульты управления операторов), и одним или несколькими «центрами управления» (в роли которых выступают компьютеры), ответственными за работу всей системы в целом. Такая комбинация позволяет, с одной стороны, широко использовать относительно дешевые вычислительные ресурсы компьютера, а, с другой стороны, обеспечивает достаточный уровень отказоустойчивости (выход из строя «центра управления» не приведет к прекращению работы всей сети).

Объединение системы сбора и обработки технологических данных и системы видеонаблюдения позволяет комплексно решать задачи видео и технологического мониторинга в реальном масштабе времени. Изначально заложенные в систему механизмы передачи данных по цифровым сетям делают ее легко масштабируемой, позволяют создавать территориально распределенные, многопользовательские системы контроля.

Апробация работы

Сервер динамического слежения за работоспособностью сети используется сетевыми администраторами Пермского университета для контроля над конфигурацией ЛВС. На программу получено свидетельство об официальной регистрации программы для ЭВМ №2001610181.

Работы по имитационному моделированию сегмента сети Ethernet и промышленных сетей представлены на третьей и четвертой всероссийской научной internet-конференции «Компьютерное и математическое моделирование в естественных и технических науках» (г. Тамбов, 2001,2002гг.)

Методы передачи видеоинформации, сбора и передачи технологических данных реализованы в цифровой системе видео и технологического мониторинга "PANDORA" ЗАО НПО «Лаби».

По протоколу "LabiNet" организована связь между контроллерами сбора технологических данных и видеосерверами системы "PANDORA" ЗАО НПО «Лаби».

Система видеонаблюдения "Pandora" оценена дипломом II степени в конкурсе «Системы охранного телевидения и наблюдения», проводившемся на международной выставке «Охрана и безопасность» в Санкт-Петербурге, 2003 г.

На защиту выносятся следующие результаты.

1. Алгоритмы и программа динамического контроля над работоспособностью сетевого оборудования ЛВС большого размера.

2. Данные имитационного компьютерного моделирования интенсивной передачи данных в сегменте сети Ethernet.

3. Методы построения имитационных моделей реальных сегментов сети Ethernet. Метод тестирования сети Ethernet, основанный на сравнении результатов имитационного моделирования и результатов работы реальной ЛВС.

4. Методы и программа имитационного моделирования передачи данных в промышленных сетях, функционирующих на основе метода доступа «ведущий-ведомый» и метода передачи маркера.

5. Новый протокол передачи данных в промышленных сетях, оптимизированный под задачи быстрого получения технологических параметров по запросу из центра контроля.

6. Алгоритмы передачи данных видеонаблюдения в реальном времени по протоколу TCP/IP в распределенных многопользовательских системах.

7. Метод регулирования клиентом скорости передачи видеокадров от сервера клиенту в зависимости от пропускной способности сети, скорости декомпрессии видеокадров клиентом, нагрузки на процессор компьютера-клиента.

8. Программно-аппаратный комплекс «Распределенная многопользовательская цифровая система видеонаблюдения и технологического контроля Pandora».

Структура диссертации

Диссертация состоит из четырех глав, заключения, библиографического списка и трех приложений.

В первой главе приведен обзор существующих методов передачи данных видеонаблюдения и сбора технологических данных, проведено сравнение методов тестирования сети Ethernet, раскрывается содержание поставленных задач.

В первой части главы 2 рассматривается программа «Сервер динамического слежения за работоспособностью сети», во второй части описывается имитационная модель сегмента сети Ethernet, предлагаются методы построения моделей реальных сегментов, приводится пример тестирования реального сегмента сети.

Третья глава посвящена передаче данных в промышленных сетях. Рассматриваются способы моделирования промышленных сетей, представлена разработанная система моделирования передачи данных в промышленных сетях типа «ведущий-ведомый». На основе проведенных исследований предлагается новый протокол передачи данных.

В четвертой главе рассматриваются методы передачи данных видеонаблюдения в реальном масштабе времени, предлагаются алгоритмы регулирования скорости передачи видеоданных и способы объединения задач видеонаблюдения и технологического контроля. Описана реализация предложенных алгоритмов в программно-аппаратном комплексе видеонаблюдения и технологического контроля "Pandora".

Заключение

В работе получены следующие результаты.

1. На основе проведенных изысканий создан программно-аппаратный комплекс удаленного видеонаблюдения и технологического контроля "Pandora", позволяющий создавать распределенные многопользовательские системы удаленного мониторинга.

2. Синтезированы и опробованы алгоритмы передачи данных видеонаблюдения в реальном времени по протоколу TCP/IP в распределенных многопользовательских системах. Предлагаются методы регулирования клиентом скорости передачи видеоданных от сервера клиенту в зависимости от пропускной способности сети и вычислительных ресурсов серверов и клиентов.

3. Разработана программа имитационного моделирования передачи данных в промышленных сетях, функционирующих на основе метода доступа «ведущий-ведомый» и метода передачи маркера. Для унификации системы моделирования разработан минимальный набор команд, с помощью которого можно имитировать работу устройства в сети. Построены правила, позволяющие указывать для каждого ведущего устройства свой способ передачи маркера ведущего.

4. Применение данной системы моделирования позволило разработать новый протокол передачи данных в промышленных сетях, оптимизированный под задачи быстрого получения технологических параметров по запросу из центра контроля. Протокол используется в ПАК "Pandora" для сбора технологических данных с контроллеров промышленной сети.

5. Путем компьютерного моделирования получены зависимости числа коллизий, потерянных пакетов и КПД моноканала от длины передаваемых пакетов в сегменте сети Ethernet, состоящем из множества устройств, испытывающих постоянную необходимость в передаче данных.

6. Разработаны методы построения имитационных моделей реальных сегментов сети Ethernet. Показано, что в большинстве случаев передача данных в ЛВС может моделироваться с помощью модели, число источников которой значительно меньше числа реальных узлов сети. Предлагается метод тестирования сети Ethernet, основанный на сравнении результатов имитационного моделирования и результатов работы реальной ЛВС: если число коллизий, реально происходящих в сегменте, значительно больше числа, полученного в процессе моделирования, следует полагать, что в данном сегменте присутствует какая-либо неисправность.

7. Разработана программа динамического контроля над работоспособностью сетевого оборудования ЛВС большого размера. Предложенный метод активного одновременного опроса группы устройств позволяет быстро получать данные о наличии и работоспособности сетевых устройств.

1. Васильев М., Хомков И., Шаповаленко С. Моделирование и анализ корпоративных информационных систем II PC Week. 1998. №34.

2. Васильев М., Хомков И., Шаповаленко С. Объектно-ориентированный подход к моделированию информационных систем II PC Week. 1998. №36.

3. Громов B.C., Вишнепольский P.JL, Тимофеев В.Н. Промышленная шина PROFIBUS, способы реализации в АСУ ТП Электронный ресурс. // http ://www.asutp.ru.

4. Джамса К., Коуп К. Программирование для INTERNET в среде Windows. СПб.: Питер, 1996. 659 с.

5. Джеймс Рамбо, Айвар Якобсон, Грэди Буч. UML: специальный справочник. -СПб.: Питер., 2002. 656 с.

6. Дитрих Д., Лой Д., Швайнцер Г. LON-технология. Построение распределенных приложений. Пермь: Звезда, 1999. — 424 с.

7. Колосков М.С. Время доставки пакета и пропускная способность вычислительной сети //Автоматика и вычислительная техника. 1990. №3. С.53-59.

8. Леоненков А.В. СамоучительиМЬ. СПб.: BHV, 2001. 304 с.

9. Локотков А. Интерфейсы последовательной передачи данных. Стандарты EIA RS-422A/RS-485IIСТА. 1997. №3. С.110-119.

10. Любашин А.Н. Программное обеспечение систем контроля и управления и Windows-технологии ТП Электронный ресурс. // http://www.asutp.ru.

11. Любашин А.Н. Промышленные сети Электронный ресурс. // http ://www. asutp.ru.

12. Любашин А.Н. PROFIBUS открытая шина для открытых технологий //PCWeek. 1998. №8.

13. Малков А.В., Новиков С.В. Промышленная сеть с неравномерным распределением прав ведущих (LabiNet) II Вестн. Перм. ун-та. 2003. Вып.6. Информационные системы и технологии. С. 31-34.

14. Немет Э., Снайдер Г. UNIX: руководство системного администратора. СПб.: Питер, 2000.-928 с.

15. Нессер Д. Оптимизация и поиск неисправностей в сетях. — Киев: Диалектика, 1996. -384 с.

16. Новиков С.В. Имитационное моделирование передачи данных в промышленных сетях на основе метода доступа к шине типа "ведущий-ведомый" // Вестн. Перм. ун-та. 2003. Вып.6. Информационные системы и технологии. С. 26-30.

17. Новиков С.В. Передача данных видеонаблюдения по IP-сетям //Открытые системы. 2003. №9. С.57-59.

18. Новиков С.В., Сушин В.Н. Имитационное моделирование и тестирование сегмента сети Ethernet II Вестн. Перм. ун-та. 2001. Вып.6. Информационные системы и технологии. С. 86-92.

19. Новиков С.В., Сушин В.Н. Свидетельство об официальной регистрации программы для ЭВМ №2001610181 РФ. Сервер динамического слежения за работоспособностью сети/ С.В.Новиков, В.Н.Сушин (РФ). Зарегистрировано 21.02.2001.

20. Новиков С.В., Сушин В.Н. Сервер динамического слежения за работоспособностью cemull Вестн. Перм. ун-та. 2000. Вып.6. Физика. С. 90-93.

21. Печерский А. Язык XML практическое введение Электронный ресурс. // http://www.citforum.ru/internet/xml/index.shtml.

22. Плешаков В. CISCO Internetworking Technology Overview Электронный ресурс. // Каф. инф. технологий МФТИ // http://cs.mipt.m/docs/comp/ms/intemet/admin/cisco-internetworking.htm.

23. Синк П. Восемь открытых промышленных сетей и Industrial Ethetrnet. Средства и системы компьютерной автоматизации Электронный ресурс. // http://www.asutp.ru.

24. Советов Б.Я., Яковлев С.А. Моделирование систем. М.: Высш.шк., 1995. — 271 с.

25. Стерне Т. Учимся моделировать II Сети. 1998. №5.

26. Сушин В.Н., Кощеева М.В. Серверная программа интеллектуального управления сетью!I Вестн. Перм. ун-та. 2000. Вып.6. Физика. С. 94-97.8

27. Такет Д., Барнет С. Использование Lima. М.: Вильяме, 2000. 784 с.

28. ЗО.Чан Т. Системное программирование на С++ для Unix. СПб.: BHV, 1997. —592 с.31 .Шереметьев А., Кондрашов К. Передача видео по сети II PC Magazine. 1999. №4.

29. Шрайбер Т. Моделирование на GPSS. М.: Машиностроение, 1980. 592 с.30

30. Adler R., Feldman R., Taqqu M. A Practical Guide To Heavy Tail: Statistical Techniques and Applications / Birkhauser. Boston, 1998.

31. Assuncao P., Ghanbari M. Buffer Analysis and Control in CBR Video Transcoding // IEEE TRANSACTIONS ON CIRCUITS AND SYSTEMS FOR VIDEO TECHNOLOGY, vol. 10, №1, Feb. 2000.

32. Carrigan J. Payback time. IFSEC 2003. //CCTV TODAY, March/April 2003, p.42.

33. Fukuda К., Takayasu H. Origin of Critical Behavior in Ethernet Traffic / Physica A. 2000. Vol.287. P.289-301.

34. Gilge M. BeyondDVRs. // CCTV TODAY, July/August 2003, p.31-33.

35. Gurses E., Akar G.B., Akar N. Selective Frame Discarding for Video Streaming in TCP/IP Networks Электронный ресурс. // Polytech Nantes University. 2003.// http:// www.polytech.univ-nantes.fr/pv2003/papers/pv/papers/cr1063 .pdf.

36. Kim et al. TCP-Friendly Internet Video Streaming Employing Variable Frame-Rate Encoding and Interpolation. //IEEE TRANSACTIONS ON CIRCUITS AND SYSTEMS FOR VIDEO TECHNOLOGY, vol. 10, №7, Oct. 2000.

37. Magda E-Z Video over IP Электронный ресурс. // Information & Computer Science University of California. 2001. // http://www.ics.uci.edu/~magda/Presentations/landscapepart3.pdf.

38. Yi-Huang Han and Jin-Jang Leou Detection and Correction of Transmission Errors in JPEG Images //ШЕЕ TRANSACTIONS ON CIRCUITS AND SYSTEMS FOR VIDEO TECHNOLOGY, vol. 8, №2, April 1998.148