автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.01, диссертация на тему:Принципы построения информационно-управляющих систем на основе IP-сетей для встраиваемых применений

На правах рукописи

Востриков Антон Александрович

ПРИНЦИПЫ ПОСТРОЕНИЯ ИНФОРМАЦИОННО-УПРАВЛЯЮЩИХ СИСТЕМ НА ОСНОВЕ №-СЕТЕЙ ДЛЯ ВСТРАИВАЕМЫХ ПРИМЕНЕНИЙ

Специальность 05.13.01 -«Системный анализ, управление и обработка информации (в технике и технологиях)»

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Санкт-Петербург 2004

Работа выполнена в Государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Санкт-Петербургский государственный университет аэрокосмического приборостроения» (ГУАП).

Научный руководитель:

кандидат технических наук Астапкович Александр Михайлович

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Охтилев Михаил Юрьевич кандидат технических наук, профессор Воробьев Владимир Иванович

Ведущая организация: ОАО «НПП «Радар ммс»

Зашита состоится «30» К-0ЧТГрЯ 2004 г. в -{¡Г часов на заседании диссертационного совета Д 212.233.02 при Государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Санкт-Петербургский государственный университет аэрокосмического приборостроения» по адресу: 190000, г. Санкт-Петербург, ул. Б.Морская, 67, ГУАП.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ГУАП.

Автореферат разослан

2004 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

Осипов Л. А.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Главная тенденция развития информационных технологий (ИТ) последние несколько лет - конвергенция, т.е. объединение вычислительных и коммуникационных возможностей в одном устройстве. Свидетельством этому является взрывообразный характер распространения распределенных вычислительных систем различного масштаба: от внутриплатных до глобальных информационно-управляющих систем разнообразного применения.

В основе этой тенденции лежит ряд факторов, важнейшим из которых является непрерывное увеличение отношения «производительность/цена» для микропроцессоров, применяемых в информационно-управляющих системах. Количественно это утверждение описывается эмпирическим законом Мура, постулирующем двукратное увеличение числа транзисторов на кристалле каждые полтора года. Практическим следствием действия этого закона стало непрерывное увеличение производительности и функциональных возможностей микропроцессорных систем с одновременным уменьшением их стоимости в целом и коммуникационной компоненты, в частности. В свою очередь это привело к интенсивному развитию систем программного управления встраиваемого класса.

С другой стороны, бурное развитие сетевых технологий нашло свое отражение в создании сетевой структуры планетарного масштаба в виде сети Интернет, которая в сравнении с другими коммуникационными средами является на сегодняшний день самой быстрорастущей, опережающей по темпам развития прочие среды более чем на порядок. Так к 2002 году сеть включала в себя уже более 147 миллионов узлов.

Логической основой информационного обмена в сети Интернет является стек протоколов TCP/IP (Transfer Control Protocol/Internet Protocol). Универсальность и относительная простота реализации привели к его использованию для построения сетей с коммутацией пакетов разного уровня (IP-сети). К настоящему времени IP-сети широко используются и в локальных информационно-управляющих системах, где раньше использовались специализированные сети. Устройства со встроенным сетевым интерфейсом, реализующим стек протоколов Интернет, выделяются в отдельный класс IP-устройств.

Созданы предпосылки для широкого использования IP-сетей в качестве единой основы для создания экономичных проблемно-ориентированных распределенных информационно-управляющих систем нового поколения, обеспечивающих длительное функционирование в необслуживаемых режимах, низкое энергопотребление и массо-габаритные характеристики (т.н. встраиваемые применения), а также визуальный контроль над удаленными объектами.

Темп обновления электронной элементной базы и, как следствие, стихийного появления распределенных информационно-управляющих систем с принципиально новыми свойствами в настоящее время значительно превосходит темпы систематизации накопленного опыта эксплуатации первых опытно-промышленных образцов. Пробле-

РОС. НАЦИОНАЛЬНА*!

библиотека^ I

ма носит системный характер и требует проведения широкого комплекса экспериментальных исследований в сжатые сроки, что и определило актуальность выполненной работы.

Целью работы являлось проведение системных исследований распределенных информационно-управляющих систем на базе IP-сетей для выработки подходов к построению аппаратно-программных платформ нового поколения, а также практических рекомендаций, необходимых для системной интеграции распределенных систем на основе IP-сетей с открытым доступом.

Для достижения поставленной цели в работе решены следующие задачи:

1. Предложены и экспериментально проверены принципы построения универсальной программно-аппаратной платформы для организации экономичных распределенных информационно-управляющих систем различного назначения на основе IP-сетей, обеспечивающих возможность телеметрического и визуального контроля над объектом управления.

2. Предложена методика проведения экспериментальных исследований параметров функционирования сегментов открытой IP-сети масштаба WAN (Интернет) как коммуникационной среды для глобально распределенных информационно-управляющих систем. Создана программно-аппаратная база для проведения экспериментальных исследований в IP-сетях различного масштаба.

3. В соответствии с предложенной методикой проведены экспериментальные исследования и накоплена уникальная база экспериментальных данных. Определены значения базовых параметров функционирования сети Интернет как коммуникационной среды для распределенных информационно-управляющих систем.

4. Предложены и экспериментально опробованы методы и практически значимые способы повышения надежности функционирования узлов распределенных систем встраиваемого класса на основе IP-сетей.

Методы исследования и средства экспериментальной поддержки

В диссертационной работе используются методы системного анализа, теории вероятностей, математической статистики, теории множеств и теории надежности, методы математической логики и общие методы современной теории передачи и обработки информации. Для проведения экспериментальных исследований, в том числе для проверки сделанных теоретических выводов, использовались экспериментальные и опытно-промышленные образцы IP-устройств, разработанных в процессе работы над диссертацией.

Новые научные результаты

1. Предложена методика для оценки базовых характеристик сегмента IP-сети, используемого в качестве коммуникационной среды для распределенных информационно-управляющих систем, в долговременном масштабе.

2. Накоплена уникальная база экспериментальных данных по длительности передачи и вероятности потери пакетов в сегментах сети Интернет, открытая для дальнейшей обработки и анализа.

3. Предложена методика идентификации текущего состояния сетевой среды с помощью системного показателя пиковости, основанного на предложенном множестве базовых параметров и требованиях проектируемой системы к среде.

4. На основании анализа полученных результатов экспериментов предложен принцип организации логически асимметричных управляемых каналов информационного обмена между компонентами распределенных информационно-управляющих систем на основе IP-сетей.

5. Получены аналитические соотношения, позволяющие оценить целесообразность и условия применения видеоинформации в канале обратной связи с функцией удаленного управления параметрами передачи.

6. Сделаны выводы о возможности и условиях применения различных типов коммуникационных сред IP-сетей для ряда практически значимых встраиваемых применений.

7. Разработаны методы контроля функционирования и повышения надежности функционирования информационно-управляющих систем реального времени встраиваемого класса.

Практическая ценность работы

Общая проблематика выполненных исследований полностью согласуется с разделом 3.5 «Глобальные и интегрированные информационно-телекоммуникационные системы и сети», входящим в Перечень приоритетных направлений фундаментальных исследований, утвержденный постановлением Президиума РАН от 01.06.2003 г. №233. Полученные в работе результаты, в частности, позволяют повысить эффективность систем видеомониторинга удаленных объектов и могут использоваться при построении интегрированных систем превентивной безопасности.

Практически важные результаты работы могут быть сформулированы следующим образом:

1. Экспериментально обоснована эффективность принципа построения IP-ба-зированных систем управления производственными процессами с обратной связью по видеоканалу, предложен и доведен до уровня опытно-промышленных образцов принцип проектирования сетевых IP-платформ встраиваемого класса для распределенных информационно-управляющих систем.

2. Разработаны и практически реализованы опытно-промышленные образцы IP-видеокамеры, IP-видеомонитора и IP-устройства удаленного сбора информации и управления в нескольких модификациях, предназначенные для построения распределенных информационно-управляющих систем на основе IP-сетей.

3. Определено быстродействие реализации российского стандарта шифрования данных ГОСТ 28147-89 для восьмиразрядного микроконтроллера с RISC архитектурой и продемонстрирована возможность защиты передаваемых данных в распределенных информационно-управляющих системах на основе IP-сетей от несанкционированного доступа в реальном масштабе времени.

4. Разработаны и экспериментально опробованы на широком спектре устройств аппаратно-программные методы и предложены практические способы повышения надежности функционирования встраиваемых систем управления и распределенных информационно-управляющих систем.

Основные научные положения, выносимые на защиту

1. Методика проведения экспериментальных исследований открытой IP-сети масштаба WAN как коммуникационной среды для распределенных информационно-управляющих систем. Результаты обработки накопленной информационной базы экспериментальных исследований, проведенных в соответствии с предложенной методикой.

2. Принцип организации логически асимметричных управляемых коммуникационных каналов в распределенных информационно-управляющих системах на основе IP-сетей, заключающийся в применении канала управления для изменения параметров передачи информации обратной связи и использования различных режимов информационного обмена и протоколов транспортного уровня в каналах управления и мониторинга.

3. Методика идентификации текущего состояния сетевой среды с помощью системного показателя пиковости, определяемого на основании предложенного множества базовых параметров и требованиях проектируемой распределенной информационно-управляющей системы.

4. Методы повышения надежности функционирования информационно-управляющих систем реального времени встраиваемого класса, основанные на использовании комплексного программно-аппаратного подхода к контролю хода реализации алгоритма управления: метод иерархического контроля внутри системы, аппаратно-программный метод контроля процессограммы, метод автоконтроля целостности линии ввода/вывода.

Практическая реализация результатов

Полученные в диссертационной работе научные и практические результаты были использованы при разработке опытно-промышленных образцов элементов отечественной программно-аппаратной IP-платформы, обеспечивающей базу для построения распределенных информационно-управляющих систем нового поколения. Элементы IP-платформы были использованы в проектах по созданию опытных распределенных информационно-управляющих систем.

В рамках проведенных исследований по обеспечению защиты информации в IP-сетях на основе ГОСТ 28147-89 был предложен и разработан класс учебно-лабораторных контроллеров смарт-карт. Класс контроллеров используется в настоящее время в учебном процессе государственного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Санкт-Петербургский государственный университет аэрокосмического приборостроения».

Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на следующих конференциях, семинарах и выставках:

1. VII Международная школа-семинар «Новые информационные технологии», Судак, 1999 г.

2. Международная конференция по коммерческому учету энергоресурсов, Санкт-Петербург, 1999 г.

3. IV Научная сессия аспирантов СПбГУАП 2001 года, Санкт-Петербург, 2001г.

4. ГХ Международная школа-семинар «Новые информационные технологии», Судак, 2001 г.

5. V Научная сессия аспирантов СПбГУАП 2002 года, Санкт-Петербург, 2002г.

6. X Международная школа-семинар «Новые информационные технологии», Судак, 2002 г.

7. V международный салон промышленной собственности «Изобретения, промышленные образцы, товарные знаки», Москва, 2002 г.

8. П специализированная выставка «Наука на службе производства Ленинградской области», Санкт-Петербург, 2002 г.

9. Семинар «Промышленность (энергетика, машиностроение и приборостроение)», выставка «Наука на службе производства Ленинградской области», Санкт-Петербург, 2002 г.

10. Семинар «Экстремальная робототехника», Санкт-Петербург, 2003 г.

Разработанная на основе результатов диссертационной работы «Интернет-платформа для распределенных информационно-управляющих систем» удостоена серебряной медали на V международном салоне промышленной собственности «Изобретения, промышленные образцы, товарные знаки», 2002 г.

Публикации. По теме диссертационной работы опубликовано 22 печатных труда, из них 14 статей, 6 тезисов докладов и 2 методические разработки.

Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, списка сокращений, аббревиатур и терминов, 4 глав, заключения, библиографического списка и 2 приложений, имеет общий объем 181 машинописная страница. Работа содержит 130 рисунков и 35 таблиц. Список литературы включает 80 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ Во введении обоснована актуальность проводимых исследований и работы в целом, определена цель работы и сформулированы задачи исследования, описаны области и перспективы практического применения результатов работы.

В первой главе, имеющей обзорный характер, содержится описание основополагающих работ по тематике диссертации, приводится обзор базовых стандартов, составляющих основу для создания и эксплуатации сетевых коммуникационных сред, а также современное положение дел в области использования сетей на основе протокола IP (IP - Internet Protocol - Протокол Интернет) для построения информационных и информационно-управляющих систем нового поколения.

На основании выполненного в главе анализа предметной области сделан вывод, что современный уровень развития микропроцессорной техники и уровни развития созданных инфраструктур IP-сетей различного масштаба, включая Интернет, делают целесообразным переход от использования специализированных сетевых стандартов для проектирования распределенных информационно-управляющих систем встраи-

ваемого класса к использованию сетей, основанных на протоколах стека TCP/IP. Показано, что современная элементная база, доступные скорости передачи информации, а также существенный прогресс в области сжатия видеоинформации создают предпосылки для создания распределенных информационно-управляющих систем (РИУС) нового поколения с обратной связью по видеоканалу. Отмечено, что наиболее перспективной является технология сжатия видеоизображений, основанная на вейвлет-преобразованиях с учетом модели зрения человека.

Отмечено, что стихийный характер развития и общедоступность Интернет делают невозможным построение адекватных моделей данной коммуникационной среды, а также моделей сложных систем созданных на ее основе. Ввиду чего требуется проведение экспериментальных исследований для получения сведений о базовых параметрах функционирования сегментов сети Интернет как уникальной сетевой среды масштаба WAN на коротких интервалах и в долговременном масштабе. Актуальность таких исследований состоит в оценке возможности перехода от использования открытых IP-сетей для информационных применений к реализации на их основе распределенных информационно-управляющих систем (IP-РИУС).

Последний раздел главы посвящен постановке задачи повышения надежности функционирования IP-РИУС. С учетом таких специфических характеристик подобных систем, как значительная территориальная распределенность, необслуживаемый режим эксплуатации и открытый характер коммуникационной среды, сделан вывод, что данная задача является действительно актуальной, носит комплексный характер и поэтому требует оригинальных подходов к ее решению.

Вторая глава посвящена выбору подходов к проектированию распределенных информационно-управляющих систем на основе IP-сетей.

В первом разделе главы обосновывается целесообразность применения платформенного подхода, который в данном случае подразумевает:

1. Создание функционально-полного набора программных и программно-аппаратных компонентов, осуществляющих обмен информацией посредством стека протоколов TCP/IP идентичным образом, и предназначенных для построения распределенных информационно-управляющих систем различного назначения (для таких наборов в работе введен термин «IP-платформа», а для их компонентов - «IP-устройства»).

2. Логическое и/или физическое разделение структуры компонентов систем на информационно-управляющую часть и коммуникационную часть. При этом тип информационно-управляющей части определяется функциональным назначением компонента и типом передаваемой или принимаемой информации, а коммуникационные части различаются интерфейсом физического уровня и уровня связи данных - в зависимости от вида используемой физической среды передачи.

Обоснование выражается в существенном сокращении времени разработки компонентов IP-платформ. Фактическое сокращение используемых ресурсов, определенное на основании эмпирических данных, полученных при разработке описанной в работе IP-

платформы, по отношению к традиционному подходу составляют: 25 % для варианта только с логическим разделением и 37,5 % -для логического и физического разделения.

Также в Главе отмечено, что поскольку длительность этапов жизненного цикла традиционного микропроцессорного изделия вплоть до поступления к потребителю составляет в настоящее время 1.0-1.5 года, то применение традиционного подхода фактически приводит к устареванию разработанной компоненты IP-РИУС к моменту ввода её в эксплуатацию в силу действия эмпирического закона Мура.

В подразделах, относящихся к выбору принципов структурно-функционального проектирования IP-платформ, показано, что разработка универсальной сетевой IP-платформы для встраиваемых систем управления требует использования протокола UDP на транспортном уровне и разработки специализированного протокола, представляющего собой надстройку над протоколом транспортного уровня.

На основании сформулированных требований и результатов экспериментов с разработанными компонентами IP-РИУС, обосновано, что надтранспортный протокол должен основываться, как минимум, на шестерке объектов - полей информационного пакета этого уровня:

P = {D,R,A,I,E,C} (1)

где D - целевая (полезная) информация, R - сигналы о необходимости отправки подтверждения, А - информация о типе пакета, I - уникальный идентификатор пакета, Е -сигналы о состоянии узла-отправителя, С - контрольные последовательности пакета.

Приведен пример синтеза структуры информационного пакета для конкретной реализации протокола надтранспортного уровня, функционирование которого было проверенно при опытной эксплуатации реализованных IP-устройств, осуществляющих обмен информацией различной природы через IP-сети масштабов от IP-LAN до IP-WAN.

В разделе, относящемся к задаче повышения надежности функционирования компонентов IP-РИУС, как встраиваемых систем программного управления, обосновывается, что понятие надежности программного обеспечения следует разделить на понятия корректности алгоритма и устойчивости его реализации электронными компонентами по отношению к возмущениям, возникающим на всех этапах жизненного цикла системы. И, вследствие этого, делается вывод о том, что базовым принципом к повышению надежности встраиваемых микропроцессорных систем управления следует считать применение программно-аппаратных решений.

Другим важным выводом, вытекающим из данного утверждения, является необходимость систематического использования принципа «презумпции неисправности» компонентов управляющей системы. Реализация этого принципа подразумевает выдачу внешнего сигнала неготовности к началу функционирования, а затем - периодически, простейшими внешними цепями до тех пор, пока сама система не переведет их в состояние готовности, уведомляя таким способом о нормальном функционировании.

В рамках сложных систем, которыми в общем случае являются IP-РИУС, это приводит к необходимости формирования на логическом уровне иерархической струк-

туры, в которой каждый вышестоящий по иерархии узел реализует принцип «презумпции неисправности» по отношению к нижестоящему.

Для отображения множества состояний задач или подсистем на множество сигналов контроля используется некоторая функция £

где - множество состояний выполняемой задачи или подсистемы номер - множество сигналов контроля функционирования системы.

Контролирующая система при этом реализует дискретную функцию С, значение которой в момент времени

где К - глубина анализа изменения состояний И передает сигнал системе

верхнего по иерархии уровня.

Множество значений функции (3): - нормальный режим работы, 1 -

«отказ». При этом: что соответствует реализации принципа «презумпции

неисправности».

Теоретические выводы в Главе 2 сопровождаются разработанными методами и алгоритмами, имеющими практическую ценность:

1. Аппаратно-программный метод контроля процессограммы.

2. Аппаратно-программный метод автоконтроля целостности линии ввода/вывода.

3. Алгоритм тестирования запоминающих ячеек микропроцессоров с ЯКС-ар-хитектурой на наличие отказов в ячейках типа «постоянный 0» и «постоянная 1» без необходимости сохранения содержимого ячейки.

В работе предложены конкретные структурно-функциональные и принципиальные схемы реализации разработанных аппаратно-программных методов, прошедшие проверку на практике.

Заключительный раздел главы посвящен вопросам защиты компонентов 1Р-РИУС и циркулирующей в системе информации от несанкционированного доступа. Эти вопросы отнесены к комплексной задаче повышения надежности таких систем, а ее актуальность объясняется открытым характером коммуникационной среды.

Отмечено, что ввиду открытости коммуникационной среды в мировом масштабе, разработчик РИУС на основе открытой 1Р-сети, как правило, вынужден применять стандарты шифрования данных, рекомендованные к применению в пределах соответствующего государства. В России таким стандартом является «Алгоритм криптографического преобразования данных ГОСТ 28147-89», относящийся к симметричным блочным шифрам с длиной ключа 256 бит.

Экспериментальные реализации процедур криптопреобразования данных на основе ГОСТ 28147-89 показали, что данный стандарт может быть применен для защиты относительно низкоинтенсивных потоков данных (например, команд управления, те-

леметрии) от несанкционированного доступа при реализации на производительных RISC-микропроцессорах для встраиваемых применений (длительность базового цикла преобразования объема данных в 64 бита составила не более 1.6 мс).

Третья глава посвящена описанию и обработке результатов двух серий проведенных экспериментальных исследований:

1. Серия экспериментов по передаче информации различной природы через IP-сети масштабов от LAN до WAN с помощью спроектированных с применением изложенных во второй главе результатов и реализованных опытных образцов программных и программно-аппаратных средств, составивших IP-платформу.

2. Серия экспериментов по определению текущих значений базовых параметров функционирования сети IP-WAN Интернет с использованием специально разработанного программного инструментария.

Целями первой серии экспериментов, являлось: проверка принципов, заложенных в основу построения программно-аппаратной IP-платформы при логическом проектировании, выявление наилучших режимов информационного обмена компонентов системы, коррекция и внесение дополнений в требования по логическому проектированию IP-РИУС и их компонентов, описанные в теоретической части работы.

Оценка соотношения интенсивностей информационных потоков внутри созданных фрагментов IP-РИУС в первой серии экспериментов (табл. 1), а также анализ соответствия параметров системы предъявляемым требованиям, привели к выработке принципа организации логически асимметричных управляемых информационных каналов. Этот принцип основан на независимом рассмотрении каналов управления и мониторинга с точки зрения различных требований к передаваемым информационным потокам и предполагает: применение различных протоколов транспортного уровня для командного канала и канала мониторинга; организацию асимметричных по пропускной способности каналов связи, позволяющих увеличивать пропускную способность канала обратной связи за счет уменьшения пропускной способности командного канала; использование специализированных протоколов на надтраспортном уровне для обеспечения универсальности и мобильности IP -платформ, а также использование части пропускной способности контрольного канала для управления параметрами функционирования компонентов системы, ответственных за канал мониторинга.

Последнее обеспечивает возможность адаптивной (в автоматическом или ручном режиме) регулировки загруженности канала в зависимости от реально достижимой в заданный промежуток времени пропускной способности, что является определяющим для открытых сетей на основе протокола IP.

Табл. 1.

Значения отношения <трафик канала управления>/<трафик канала мониторинга> для

различных типов информации

Команды и телеметрия Аудиопоток Видеопоток

0,960-1,000 0,000-0,052 0,001-0,048

Значительное внимание в главе уделено выяснению предпочтительных режимов обмена информацией в 1Р-РИУС экспериментальным путём. Рассматривались три режима обмена: «Без подтверждений», «Запрос-ответ» и «Подтверждение после передачи массива». Выработанные по результатам исследований рекомендации к режимам информационного обмена в зависимости от класса сети и типа передаваемой информации представлены в табл. 2. Выбор режимов по результатам экспериментов осуществлялся на основании специфических требований к каждому из видов информации, а также наиболее полного использования пропускной способности выделенного канала связи.

Табл. 2.

Рекомендуемые режимы обмена информацией

IP-LAN IP-MAN IP-WAN

Команды «Запрос-ответ» «Запрос-ответ» «Запрос-ответ»

Телеметрия «Запрос-ответ» или «Запрос-ответ» или «Запрос-ответ» или

«Без подтверждений» «Без подтверждений» «Без подтверждений»

Файлы «Запрос-ответ» «Запрос-ответ» «Запрос-ответ»

Аудиоинформа- «Без подтверждений» «Без подтверждений» «Без подтверждений»

ция

Видеоинформа- «Подтверждение по- «Подтверждение по- «Запрос-ответ» или

ция сле передачи массива» сле передачи массива» «Подтверждение после передачи массива»

В главе отмечено, что эффективность принятия организационных и управленческих решений напрямую зависит от качества и своевременности исходной информации, а значительная территориальная распределенность и необслуживаемый режим эксплуатации узлов 1Р-РИУС требует получения наиболее полной информации о состоянии контролируемых объектов. Существенное увеличение пропускной способности 1Р-сетей делает актуальным рассмотрение возможности использования видеоинформации для контроля над состоянием объекта управления с целью выработки необходимых управляющих воздействий.

С помощью натурных экспериментов с образцами 1Р-устройств показана эффективность подхода, связанного с использованием части командного канала для управления параметрами изображения (контрастность, яркость, цветность) с целью сохранения информативности видеоканала в изменяющихся условиях эксплуатации объекта и при различных режимах функционирования коммуникационного канала.

В главе поставлена и решена задача разработки аналитических соотношений, позволяющих оценить возможность и целесообразность применения видеоизображения в канале обратной связи РИУС при конкретных условиях функционирования.

Условие возможности реализации 1Р-РИУС определяется исходя из необходимости сохранения возможности предотвращения критических или нежелательных ситуаций, как вызванных управляющими воздействиями, так и развивающимися самопроизвольно:

где 1уд,оздмам - максимальное время реализации удаленного воздействия, ^маю - время доставки информации обратной связи, tpemeHH]t - время, необходимое на оценку и принятие решения в соответствии с развивающейся ситуацией.

В параметре tWBœfflmKc все аддитивные составляющие, за исключением транспортной, для рассматриваемого типа каналов пренебрежимо малы. Таким образом, для открытых сетевых IP-сред значение Хищная должно определятся на основании экспериментальных исследований.

Для рассматриваемого случая применения видеоинформации в канале обратной связи в работе получено соотношение для вычисления Ъ^макс из (4).

где F - количество кадров, отображаемых за секунду для используемого стандарта (25 или 30), Сжатии - время сжатия одного кадра видеоизображеня№&, - время разжатия одного кадра видеоизображения, Уполн - полный размер сжатого кадра видеоизображения в байтах, Упжет,, - объем полезной информации в байтах, заключаемой в один информационный пакет, tф(,pмnaк. - время формирование информационного пакета источником для отправки, - время транспортировки пакета от источника к приемнику через сетевую среду, - время обработки пакета на приемной стороне после получения.

Отмечено, что основную неопределенность в соотношение (5) вносит транспортная составляющая ^¡щ^, поскольку остальные его члены в конкретной реализации системы постоянны.

Для оценки временных и статистических характеристик сетевых сегментов во второй серии экспериментов предложена методика, в основе которой - периодичная отправка ICMP-запросов в течение длительного промежутка времени, кратного циклам жизнедеятельности человечества, и ожидании ICMP-ответов. Экспериментальные исследования проводились одновременно с множеством узлов Интернет, расположенных в разных частях земного шара (рис. 1), с использованием специально разработанного программного обеспечения. Тестирующий узел, с которого выполнялись запросы, находился в здании Санкт-Петербургского государственного университета аэрокосмического приборостроения (Россия, Санкт-Петербург).

Суточный объем выборки составил 24000 и по каждому из сегментов, принимав-

Рис 1 Географическое расположение терминальных узлов, ограничивающих исследуемые сегменты сети IP-WAN Интернет ших участие в исследовании 2400 Таким образом, впервые получены экспериментальные данные и создана открытая информационная база, доступная для дальнейшей обработки, по длительности передачи данных и вероятности потерь пакетов в десяти сегментах Интернет на протяжении недели, а также в течение отдельных представляющих интерес суток В приложении к работе в графическом виде представлены временные ряды всей экспериментальной базы

Предварительная оценка результатов экспериментальных исследований по всем выбранным сегментам глобальной сети (табл 3) показывает относительно низкий средний уровень потерь информационных пакетов (не более 6 9 %) и отсутствие зависимости вероятности потери пакетов и длительности передачи от процессов жизнедеятельности человечества, связанных с информационным обменом в масштабе земного шара Кроме этого, не наблюдается зависимость вероятности потери пакетов от географической протяженности сегмента сети и количества этапов маршрутизации

Табл 3

Усредненные значения по результатам исследований

Географическое расположе- Выборочное сред- Выборочная диспер- Оценка вероят-

ние терминального узла нее длительности сия длительности пе- ности доставки

передачи пакета, мс редачи пакета, мс пакета

Каир (Египет) 917 39500 0 931

Южная Африка (Кейптаун) 528 7319 0 948

Москва (Россия) 17 162 0 987

Сао-Пауло (Бразилия) 287 686 0 979

Франкфурт (Германия) 65 30 0 990

Сидней (Австралия) 363 2168 0 982

Лондон (Великобритания) 71 20 0 980

Секаукус (США, Н Джерси) 151 70 0 968

Токио (Япония) 311 285 0 993

Сеул (Южная Корея) 403 3460 0 958

Анализ полученных данных, отраженный в главе, показал, что суточные временные ряды длительности передачи пакетов (другими словами, времени реакции в модельной системе) имеют участки, на которых существенно изменяются статистические характеристики ряда (см. рис. 2). Предложено считать, что в эти периоды сегмент 1Р-сети функционирует в пиковом режиме.

Рис. 2. Иллюстрация изменения характеристик временного ряда длительности передачи пакетов в сегменте сети Интернет в течение суток

В связи с этим для сетевых сред такого типа предлагается разделить режимы функционирования сегмента сети на нормальный и пиковый. С точки зрения конкретной реализации 1Р-РИУС, использующей некоторый сегмент 1Р-сети в качестве коммуникационного канала, ее функционирование также будет характеризоваться, соответственно: нормальным и пиковым режимами функционирования системы.

Отмечено, что в зависимости от типа передаваемой информации и конкретной области применения 1Р-РИУС, построенной на отдельно взятом сегменте сети, смысл определения «пиковый режим функционирования» (с точки зрения параметров коммуникационной среды) отличается.

Поэтому количественный критерий, на основе которого идентифицируется текущий режим функционирования, должен определяться в общем случае на основании множества параметров. Обосновано, что в их состав должны входить: оценка средней длительности доставки пакета среднеквадратическое отклонение длительности

доставки пакета от среднего оценка среднего уровня потерь пакетов

Введено понятие системного показателя пиковости, для определения которого применяются весовые коэффициенты, характеризующие «значимость» соответствующего параметра для данного критерия:

Параметры Тд0С1Ср, ¿дост И рпотерь. при вводе в соотношение для определения системного показателя пиковости Я следует нормировать с помощью максимально допустимых значений для конкретной проектируемой системы:

^япг» . Ргап

т

^ _ 1 дост.ср.

■к1+-

•кг +-

"к.

(б)

дост.мякс доп "дост макс доп. Рп(пгрь.мякс.доп.

Таким образом, множество постоянных параметров, характеризующих требования РИУС к коммуникационной среде можно описать как:

где Яграя. - граничное значение системного показателя пиковости для конкретной системы.

Идентификация текущего режима функционирования сетевой среды осуществляется путем проверки гипотез на основании граничного условия:

„:0<Л<Я „

£R

(8)

где Но - гипотеза о функционировании коммуникационной среды в нормальном режиме; Н1 - гипотеза о функционировании коммуникационной среды в пиковом режиме.

Вычисление всех трех параметров, являющихся переменными значениями в (6), определяется в рамках некоторого окна измерений, которым в случае 1Р-ГРИУС является ряд данных о последних информационных обменах:

^ ~ »5■ ■ • >^-Р 5^досгинке дои> ^досгмакс дол ' Рпотерь макс дол») (9)

где - временной ряд длительности доставки пакетов в окне измерений раз-

мером Р отсчетов.

Обработка накопленной экспериментальной базы позволила также предложить простой способ, дающий возможность оперативно оценивать временные параметры функционирования проектируемой информационно-управляющей системы. Он заключается в учете каждого маршрутизатора в сегменте 1Р-сети, функционирующего в нормальном режиме, как вносящего до 23 мс задержки в общее время реакции 1Р-ГРИУС.

По результатам экспериментальных исследований в работе сделаны выводы об областях возможного применения открытых и закрытых коммуникационных сред 1Р-сетей для построения распределенных информационно-управляющих систем (табл. 4).

Табл. 4.

Рекомендации по областям применения 1Р-сетей в качестве

коммуникационной среды для

!Р-РИУС

Среда

Ш пригодна

Условно пригодна

Пригодна

Открытая IP-LAN

Построение РИУС реального времени при отсутствии локального резервирования по управлению/мониторингу'^

Построение РИУС реального времени при наличии локального резервирования по управлению/мониторингу

Дистанционное техническое обслуживание узлов РИУС реального времени

Техническая видео- и ау-диосвязь

Открытая IP-MAN, IP-WAN

Построение РИУС реального времени при отсутствии локального резервирования по управлению/мониторингу

Построение РИУС реального времени при наличии локального резервирования по управлению/мониторингу

Дистанционное техническое обслуживание узлов РИУС реального времени

Закрытая IP-LAN, IP-MAN, IP-WAN

Построение и дистанционное техническое обслуживание РИУС реального времени._

Двусторонняя видео- и аудиосвязь

Предложенный в работе системный показатель пиковости находит свое применение при определении текущего режима функционирования открытой сетевой среды с

целью принятия решения о переходе на резервное локальное управление или мониторинг (см. табл. 4).

Четвертая глава содержит описание разработанных и созданных в процессе выполнения диссертационной работы программно-аппаратных средств с использованием полученных результатов. Основными из них являются компоненты IP-платформы, использовавшиеся для проведения значительной части экспериментальных исследований, а также для построения действующих распределенных информационно-управляющих систем различного значения.

Разработанная при непосредственном участии соискателя IP-платформа включает в себя: IP-видеокамеру, IP-видеомонитор, IP-устройство удаленного сбора информации и управления (IP-контроллер), библиотеки программных процедур для создания приложений на ПК. IP-платформа показала высокую эффективность и хорошие эксплуатационные характеристики при организации на ее основе ряда опытных и демонстрационных распределенных информационно-управляющих систем.

Полученные наработки в виде программного кода для микроконтроллера PIC16C73 фирмы Microchip Technologies Inc., осуществляющие прямое и обратное криптопреобразование данных по ГОСТ 28147-89, были применены при реализации учебно-лабораторного контроллера смарт-карт. Множество данных контроллеров в комплексе с персональными компьютерами составили учебно-лабораторный класс для проведения лабораторных работ по ряду дисциплин.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

Основные результаты работы можно сформулировать следующим образом:

1. Предложена методика для экспериментальной оценки базовых характеристик сегмента открытой IP-сети в долговременном масштабе.

2. Накоплена уникальная база экспериментальных данных по значениям базовых характеристик сегментов открытой сети IP-WAN Интернет, открытая для дальнейшей обработки и анализа.

3. Предложен и экспериментально опробован принцип организации логически асимметричных управляемых коммуникационных каналов в распределенных информационно-управляющих системах на основе IP-сетей.

4. Предложен системный показатель пиковости для идентификации текущего состояния сетевой среды относительно требований проектируемой системы.

5. Экспериментально обоснована эффективность применения видеоинформации в канале обратной связи распределенной информационно-управляющей системы реального времени.

6. Получены аналитические соотношения, позволяющие оценить целесообразность и условия применения видеоинформации в канале обратной связи распределенной информационно-управляющей системы.

7. На основе результатов экспериментальных исследований выработаны рекомендации по условиям применения различных типов коммуникационных сред IP-сетей для ряда практически значимых встраиваемых применений.

8. Разработаны и экспериментально опробованы на широком спектре устройств аппаратно-программные методы и предложены практические способы повышения надежности функционирования встраиваемых систем управления и распределенных информационно-управляющих систем встраиваемого класса.

9. Разработаны, практически реализованы и применены при проведении экспериментов, а также для построения действующих распределенных систем для различных применений, опытно-промышленные образцы компонентов IP-платформы.

ОСНОВНЫЕ ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Шумилов И.А., Астапкович A.M., Дмитриев СВ., Анисимов А.Л., Кравченко Д.А., Сергеев М.Б., Востриков А.А., Елисеенко А.Г., Суханов И.О. Перспективы создания интегрированных коммунальных систем учета потребления энергоресурсов. Материалы форума Международных научно-практических конференций. Коммерческий учет энергоносителей (10-я конференция). «Совершенствование измерений расхода жидкости, газа и пара», 1999. - с. 260-282

2. Астапкович A.M., Востриков А.А. Обеспечение надежности микропроцессорных систем управления программно-аппаратными методами // «BYTE/Россия», №9,2000. - СПб: Питер, 2000. - с. 48-60

3. Астапкович A.M., Востриков АА. Практические методы обеспечения надежности микропроцессорных систем управления программно-аппаратными методами / В кн.: Микропроцессорные информационно-управляющие системы реального времени. Семинары ASK Lab 2000/ Под общ. Ред. М.Б.Сергеева - СПб:Политехника, 2000. - с. 163-198

4. Астапкович A.M., Востриков А.А. Теоретические аспекты обеспечения надежности микропроцессорных систем управления программно-аппаратными методами / В кн.: Микропроцессорные информационно-управляющие системы реального времени. Семинары ASK Lab 2000/ Под общ. Ред. М.Б.Сергеева - СПб:Политехника, 2000. - с. 135-163

5. Астапкович A.M., Востриков АА. Современные технологии сжатия видеоданных // «BYTE/Россия», №11,2000. - СПб: Питер, 2000. - с. 14-20

6. Востриков А.А., Чудиновский Ю.Г., Астапкович A.M. Опыт использования вейв-лет-технологий сжатия изображений для информационно-управляющих сетей. Четвертая научная сессия аспирантов ГУАП: Сб. докл.: В 2 ч. Ч. I. Технические науки / СПбГУАП. СПб, 2001. - с. 347-349

7. Востриков А.А. Интернет как коммуникационная среда для встроенных систем управления. В кн.: Информационно-управляющие системы для подвижных объектов. Семинары ASK Lab 2001 / Под общ. ред. М.Б. Сергеева. - СПб: Политехника, 2002. -с. 42-66

8. Астапкович A.M., Востриков АА., Касаткин АА, Чудиновский Ю.Г., Bishop R. Опыт использования информационно-управляющих сетевых систем для передачи видеоизображений. В кн.: Информационно-управляющие системы для подвижных объ-

ектов. Семинары ASK Lab 2001 / Под общ. ред. М.Б. Сергеева. - СПб: Политехника, 2002.-е. 180-197

9. Астапкович A.M., Востриков А.А., Сергеев М.Б., Чудиновский Ю.Г. Интернет как коммуникационная среда для распределенных информационно-управляющих систем. В кн.: Международный семинар «Высшее образование в XXI веке: проблемы и перспективы»: Материалы семинара, Санкт-Петербург, 29 июня - 3 июля 2002 г. / СПбГУАП, СПб., 2002. - с. 59-60

10. Востриков А.А., Чудиновский Ю.Г. Логически несимметричный управляемый коммуникационный канал для распределенных систем мобильных роботов. Четвертая международная школа-семинар БИКАМП'03: Сб. докл.: Труды конференции БИКАМП'ОЗ / ГУАП. СПб, 2002. - с. 104-108

11. Востриков А.А., Сергеев М.Б., Симаков В.В., Чернецов П.Н. Перспективы использования технологии «Встроенный Интернет» в системах превентивной безопасности и теле-конференций через канал Интернет, спутниковую связь или GSM-канал. Международный форум «Интеграция науки и образования в XXI веке»: Материалы форума, Санкт-Петербург, 7-11 сентября 2003 г. / СПбГУАП, СПб., 2003. - с. 103-110

»2127 2

Формат 60x84 1/16 Бумага офисная Печать цифровая Тираж 100 экз Заказ №7652

Отдел оперативной полиграфии ООО «Супервэйв ру»

190000, Санкт-Петербург, пер Пирогова, дом 17

СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ, АББРЕВИАТУР И ТЕРМИНОВ.

ВВЕДЕНИЕ.

1 ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ И ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ.

1.1 Основополагающие работы и базовые стандарты.

1.2 Построение МУС на основе IP-сетей и Интернет.

1.3 Математические модели описания сетевых систем.

1.4 Современные технологии сжатия изображений.

1.5 Задача повышения надежности функционирования.

1.6 Выводы к Главе.

2 ВЫБОР ПРИНЦИПОВ ПОСТРОЕНИЯ 1Р-ПЛАТФОРМ.

2.1 Принципы построения IP-платформ и структурно-функциональное проектирование.

2.1.1 Логическое проектирование протоколов информационного взаимодействия компонентов РИУС на основе IP-сетей.

2.1.2 Выбор протокола транспортного уровня.

2.1.3 Выбор надтранспортного протокола.

2.1.4 Задача выбора режима обмена информацией.

2.1.5 Синтез структуры пакета протокола надтранспортного уровня.

2.1.6 Тестовые эксперименты.

2.2 Надежность функционирования IP-РИУС.

2.2.1 Общие вопросы надежности.

2.1.2 Надежность программного обеспечения компонентов 1Р-РИУС.

2.1.3 Фазы работы ИУС и выполнения программы.

2.1.4 Проблема автотестирования.

2.1.5 Тестирование компонентов IP-PИУС реального времени.

2.1.6 Практические методы повышения надежности.

2.3 Защи та информации как составляющая задачи обеспечения надежности 1Р-ГРИУС.

2.4 Выводы к Главе.

3 ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ IP-СЕТЕЙ КАК КОММУНИКАЦИОННОЙ СРЕДЫ ДЛЯ РИУС.

3.1 экс11ериментальные исследования с использованием компонентов IPплатформы .

3.1.1 Эксперименты по передаче информации различной природы через IPсети между компонентами IP-татформы.—

3.1.1.1 Передача команд управления и цифрового сигнала с датчиков через локальную IP-сеть.

3.1.1.2 Передача команд и цифрового сигнала с датчиков через сеть Интернет.

3.1.1.3 Передача аудио-потока через локальную IP-сеть.

3.1.1.4 Передача аудио-потока через сеть Интернет.

3.1.1.5 11ередача сжатого видеопотока через локальную IP-сеть (схема IP-камера - ПК).

3.1.1.6 Передача сжатого видеопотока через локальную IP-сеть (схема IP-камера — IP-монитор).

3.1.1.7 Передача сжатого видеопотока через сеть IP-WAN с использованием телефонной сети общего пользования.

3.1.1.8 Передача сжатого видеопотока через сеть IP-WAN (вырожденная последняя миля).

3.1.1.9 Серия экспериментов с модельной 1Р-РИУС в сетевой среде типа IP-WAN.

3.1.2 Обобщенные результаты экспериментов и выводы.

3.1.2.1 Особенности трафика в 1Р-ИУС.

3.1.2.2 Применение протоколов транспортного уровня.

3.1.2.3 Особенности информационного обмена в командном канале.

3.1.2.4 Особенности передачи данных в канале мониторинга.

3.1.2.5 Условия возможности реализации 1Р-РИУС с обратной связью по видеоканалу.

3.1.2.6 Режимы обмена информацией.

3.2 ЭКСПЕРИМЕНТАЛЫ ЮЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ОТКРЫТОЙ СЕТИ IP-WAN КАК

КОММУНИКАЦИОННОЙ СРЕДЫ ДЛЯ РИУС.

3.2.1 Обзор экспериментальных исследований IP-сред.

3.2.2 Описание проведенных экспериментов.

3.1.1.1 Методика проведения экспериментов.

3.1.3 Описание и обработка полученных результатов.

3.1.1.1 Результаты исследований зависимости исследуемых параметров от суточного и недельного циклов.

3.1.1.2 Результаты исследований зависимости исследуемых параметров от эпизодических глобальных пиковых нагрузок.

3.1.1.3 Обработка и обобщенный анализ результатов исследований.

3.2 Выводы к Главе.

4 ОПИСАНИЕ ПРАКТИЧЕСКИХ РЕАЛИЗАЦИЙ, ОСНОВАННЫХ НА РЕЗУЛЬТАТАХ РАБОТЫ.

4.1 IP-видеокамера и IP-видеомонитор.

4.2 IP-УСТРОЙСТВО СБОРА ИНФОРМАЦИИ И УПРАВЛЕНИЯ.

4.3 стендовая база для выбора архитектуры и отладки komi юнентов систем управления роботизированных комплексов.

4.1.1 Стенд для исследования тяговых характеристик двигателя внутреннего сгорания.

4.4 Использование IP-видеокамер для контроля над состоянием сельхозкультур.

4.5 Оборудование для телеконференций.

4.6 Система удаленного видеомониторинга, управления и анализа состояния воздушной среды.

4.7 Учебно-лабораторный контроллер смарт-карт.

Бурное развитие компьютерных технологий ведет к непрерывному увеличению отношения производительность/цена для микропроцессоров, применяемых в информационно-управляющих системах. Количественно это утверждение описывается эмпирическим законом Мура, постулирующем двукратное увеличение числа транзисторов на кристалле каждые полтора года. Практическим следствием этого закона стало непрерывное увеличением производительности и функциональных возможностей микропроцессорных систем с одновременным уменьшением их стоимости в целом и коммуникационной компоненты, в частности.

В свою очередь это привело к интенсивному развитию встраиваемых систем программного управления самого разнообразного применения.

С другой стороны развитие информационных потребностей общества привело к развитию сетевых технологий, открытых для свободного использования. Стремительное увеличение количества пользователей таких сетей требует соответствующего увеличения пропускной способности каналов передачи информации. Так называемый закон фотона гласит, что каждые 10 месяцев полоса пропускания волоконно-оптических каналов удваивается, увеличивая, таким образом, потенциальную скорость передачи.

Главная тенденция развития информационных технологий (ИТ) последние несколько лет - конвергенция, т.е. объединение вычислительных и коммуникационных технологий в одном устройстве. Свидетельством этому является взрывообразный характер распространения распределенных систем управления разного масштаба: от внутриплатных до глобальных информационно-управляющих систем самого разнообразного применения.

Сеть Интернет в сравнении с другими средствами коммуникации является на сегодняшний день самой быстрорастущей, опережающей по темпам развития прочие среды более чем на порядок. На сегодняшний день можно констатировать, что глобальная сеть Интернет являлась и до сих пор является наиболее быстрорастущей коммуникационной средой, созданной человеком (рис. В.1).

В таблице В.1 приведены данные, напрямую или косвенно характеризующие размер сети Интернет в 2002 году.

Табл. В.1

Состояние Интернет на начало 2002 г

Количество хостов (узлов) сети Более 147 млн.

Количество пользователей Более 200 млн.

Одновременно работающих в сети пользователей Более 34 млн.

Постоянно подключенных пользователей Более 23,5 млн.

Еще один закон развития ИТ, закон Меткалфа, гласит: ценность сети пропорциональна квадрату числа ее узлов. Из этого следует, что на сегодняшний день, Интернет является беспрецедентной по своей ценности сетевой средой.

160,000,000

20,000,000

Дата Узлы | Дата Узлы ■

12/69 4 1 05/02 235

06/70 9 1 06/83 562 н

- 10/70 11 1 10/84 1,024

12/70 13 I 10/85 1,961 ■

04/71 23 I 02/86 2,308

10/72 31 I 11/86 5,D89 ■

01/73 35 1 12/07 28,174

06/74 62 1 07/00 33,000 я

03/77 111 1 10/00 56,000

12/79 188 | 07/09 130,000 ■

OB/81 213 1 10/89 159,ODD я Ytfrmltl'ltl itl ftl ifl l* • " т ■ ■ а ■ TTTIII Г1ГГГГТ111 гттггт ГПТТПТГППТП III.11 И ITTTTT.ТТПТ1ТГТТТИТТГП т- т— (S (N ГЧ П о 'J И (ih к К СО со aioici)mn)a>aiciioimij)0>(jia>tn(5iaiai(jiaiaia)ai

• ^ I: о г g а ? о з it oj ш

Z ^ то и.

Q S ° S <

Ч 1 <

С. £2 О) CD Ш Ь. « 3 Щ fO

Q S

О s ГО -з

Рис. В.1. Интенсивность роста количества узлов сети Интернет

Благодаря использованию разнообразных физических интерфейсов — проводных, оптических и радиочастотных - доступ к Интернет в настоящее время может быть осуществлен практически из любой точки земного шара (рис, В.2). Можно констатировать, что достигнутый к современному моменту уровень развития делает возможным и экономически выгодным переход от чисто информационных функций, которые выполняет в настоящее время Интернет, к его использованию в качестве коммуникационной среды для глобально распределенных информационно-управляющих систем (ГРИУС).

Передача информации в подобного рода системах управления между В it net

EMail

No Connectivity

Рис. В.2. Области доступа ко всем сервисам Интернет, к сервису Bitnet, к сервисам электронной почты и области вообще не обеспеченные по данным на 1998 компонентами осуществляется посредством стека Интернет-протоколов, что привело к понятию IP-сетей (IP - Internet Protocol). За счет своей универсальности IP-сети начинают все шире использоваться и в локальных информационно-управляющих сетях, где раньше использовались специализированные сети, такие как VMEbus, PROFIbus, Futurabus [1], [2], [3] и т.п. Устройства со встроенными сетевым интерфейсом, реализующем частично или в полном объеме стек протоколов Интернет, независимо от того, где они используются (в локальных сетях управления или в глобальных) представляется целесообразным выделить в отдельный класс IP-устройств.

Следует отметить также, что на практике для оконечных устройств подобного класса систем управления часто употребляют понятие «встроенный Интернет» («Embedded Internet») [4].

Характерным примером проникновения Интернет-протоколов на все уровни иерархии распределенных систем управления может служить операционная система реального времени (ОСРВ) Neutrino, которая является приемником одной из наиболее распространенных ОСРВ для встраиваемых применений QNX [4], [5]. Сетевой сервис в Neutrino на данный момент представлен только протоколом TCP/IP. Разработчики Neutrino хотели предоставить пользователям полный набор функциональных возможностей классического стека TCP/IP, но осознавали также потребности рынка встроенных систем, для которых классическая реализация слишком велика и содержит много ненужных элементов. В результате была создана специальная версия стека для встроенных систем - Micro TCP/IP, который занимает около 40КЬ, за счет введения ряда ограничений. Для тех, кому нужны все возможности TCP/IP, например динамическая маршрутизация, предоставляется другой вариант.

Другой очевидной тенденцией в настоящее время стало использование для видеообмена через Интернет так называемых Web-камер, работающих в качестве периферийных устройств персональных компьютеров. Возросшие технологические возможности, а также существенный прогресс в разработке методов сжатия видеоинформации на основе вейвлет-технологий создали предпосылки для разработки и начала широкого использования IP-видеокамер. Принципиальное различие IP-камер от Web-камер заключается в том, что IP-камеры имеют встроенный сетевой интерфейс и обеспечивают возможность двунаправленного обмена информацией.

В сочетании с другими IP-устройствами: IP-устройствами управления, IP-устройствами ввода-вывода и т.п. IP-видеокамеры обеспечивают возможность создания 1Р-ГРИУС нового поколения. Наиболее характерным свойством систем этого поколения является масштабируемость за счет универсальности используемых интерфейсов для сетей классов PAN-LAN-WAN, использование видеоконтроля за объектом управления и экономичность за счет использования Интернет в виде общедоступной универсальной коммуникационной среды.

С учетом тенденции трансконтинентального развития производств промышленных корпораций, а также в связи с обострившейся после трагедии 11 сентября 2001 года проблемой защиты от международного терроризма, в настоящее время идет интенсивное изучение возможностей применения IP-систем в таких областях как: цифровая телефонная связь, организация аудио- и видеоконференций; охранные системы и системы удаленного видеонаблюдения; промышленные глобально распределенные информационно-управляющие системы; разнообразные устройства бытового назначения;

II1- сети с мобильными узлами для применения на подвижных объектах.

К наиболее существенным особенностям 1Р-ГРИУС относятся:

1. Использование открытого неуправляемого информационного канала, разработанного для чисто информационных применений.

2. Неопределенность в образовании реального канала передачи для конкретной транзакции (рис. В.З).

3. Значительную географическую распределенность узлов систем (до 55 ООО км).

4. Потенциально чрезвычайно большое количество узлов (до 104 — 10").

5. Необходимость экономичной реализации аппаратно-программного обеспечения.

6. Функционирование в необслуживаемом режиме в большинстве применений.

Салм!

U.S.А О

Algeria Libya

1 Milt Mfli

EjiPl

Рис. В.З. Путь прохождения IP-пикетов т СПб до узла в Сиэтле (США)

Экономическую привлекательность подобного рода систем по сравнению со специализированными ГРИУС (военными и банковскими) обеспечивает наличие независимо развиваемой и доступной среды передачи данных, каковым на сегодня представляется Интернет. Однако доступность и глобальные размеры системы в свою очередь порождают целый комплекс проблем системного характера.

В первую очередь, эти проблемы связаны с оценкой времени реакции таких систем управления, обеспечением надежности функционирования в условиях «естественной» неопределенности состояния каналов связи между узлами, определением возможности применения в конкретных областях и т.п. li силу этого исследование поведения Интернет-баз про ванн ых ГРИУС, изучение базовых закономерностей, разработка принципов построения, теории и методов проектирования IP-систем является новой и чрезвычайно актуальной областью развития современной пауки и техники.

Обеспечение перехода от глобально распределенных чисто информационных систем, каковым сегодня является Интернет, к 1Р-ГРИУС (информационно-управляющим системам) представляет собой сложную задачу и требует системного анализа этой предметной области. При этом в настоящее время речь идет о необходимости создания теоретических основ для проблемно-ориентированных информационно-управляющих систем нового поколения, обеспечивающих возможность визуального и иных видов контроля над объектами управления в планетарном масштабе.

Целью диссертационной работы являлось проведение системных исследований распределенных информационно-управляющих систем на базе IP-сетей для выработки подходов к построению аппаратно-программных платформ нового поколения, а также практических рекомендаций, необходимых для системной интеграции распределенных систем на основе IP-сетей с открытым доступом.

Для достижения поставленной цели в работе решены следующие задачи:

1. Предложены и экспериментально проверены принципы построения универсальной программно-аппаратной платформы для организации экономичных распределенных информационно-управляющих систем различного назначения на основе IP-сетей, обеспечивающих возможность телеметрического и визуального контроля над объектом управления.

2. Предложена методика проведения экспериментальных исследований параметров функционирования сегментов открытой IP-сети масштаба WAN (Интернет) как коммуникационной среды для глобально распределенных информационно-управляющих систем. Создана программно-аппаратная база для проведения экспериментальных исследований в IP-сетях различного масштаба.

3. В соответствии с предложенной методикой проведены экспериментальные исследования и накоплена уникальная база экспериментальных данных. Определены значения базовых параметров функционирования сети Интернет как коммуникационной среды для распределенных информационно-управляющих систем.

4. Предложены и экспериментально опробованы методы и практически значимые способы повышения надежности функционирования узлов распределенных систем встраиваемого класса на основе IP-сетей.

Общая проблематика выполненных исследований полностью согласуется с разделом 3.5 «Глобальные и интегрированные информационно-телекоммуникационные системы и сети», входящим в Перечень приоритетных направлений фундаментальных исследований, утвержденный постановлением Президиума РАН от 01.06.2003 г. №233.

Полученные в работе результаты, в частности, позволяют повысить эффективность систем видеомониторинга удаленных объектов и могут использоваться при построении интегрированных систем превентивной безопасности.

Для проведения диссертационного исследования в работе используются методы системного анализа, теории вероятностей, математической статистики, теории множеств и теории надежности, методы математической логики и общие методы современной теории передачи и обработки информации. Для проведения экспериментальных исследований, в том числе для проверки сделанных теоретических выводов, использовались экспериментальные и опытно-промышленные образцы IP-устройств, разработанных в процессе работы над диссертацией.

В результате проведенного исследования получены следующие новые научные результаты:

1. Предложена методика для оценки базовых характеристик сегмента IP-сети, используемого в качестве коммуникационной среды для распределенных информационно-управляющих систем, в долговременном масштабе.

2. Накоплена уникальная база экспериментальных данных по длительности передачи и вероятности потери пакетов в сегментах сети Интернет, открытая для дальнейшей обработки и анализа.

3. Предложена методика идентификации текущего состояния сетевой среды с помощью системного показателя пиковости, основанного на предложенном множестве базовых параметров и требованиях проектируемой системы к среде.

4. На основании анализа полученных результатов экспериментов предложен принцип организации логически асимметричных управляемых каналов информационного обмена между компонентами распределенных информационно-управляющих систем на основе IP-сетей.

5. Получены аналитические соотношения, позволяющие оценить целесообразность и условия применения видеоинформации в канале обратной связи с функцией удаленного управления параметрами передачи.

6. Сделаны выводы о возможности и условиях применения различных типов коммуникационных сред IP-сетей для ряда практически значимых встраиваемых применений.

7. Разработаны методы контроля функционирования и повышения надежности функционирования информационно-управляющих систем реального времени встраиваемого класса.

Нижеследующие результаты составили основные положения, выносимые на защиту:

1. Методика проведения экспериментальных исследований открытой IP-сети масштаба WAN как коммуникационной среды для распределенных информационно-управляющих систем. Результаты обработки накопленной информационной базы экспериментальных исследований, проведенных в соответствии с предложенной методикой.

2. Принцип организации логически асимметричных управляемых коммуникационных каналов в распределенных информационно-управляющих системах на основе IP-сетей, заключающийся в применении канала управления для изменения параметров передачи информации обратной связи и использования различных режимов информационного обмена и протоколов транспортного уровня в каналах управления и мониторинга.

3. Методика идентификации текущего состояния сетевой среды с помощью системного показателя пиковости, определяемого на основании предложенного множества базовых параметров и требованиях проектируемой распределенной информационно-управляющей системы.

4. Методы повышения надежности функционирования информационно-управляющих систем реального времени встраиваемого класса, основанные на использовании комплексного программно-аппаратного подхода к контролю хода реализации алгоритма управления: метод иерархического контроля внутри системы, аппаратно-программный метод контроля процессограммы, метод автоконтроля целостности линии ввода/вывода.

X ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ И ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ

Основные результаты работы можно сформулировать следующим образом:

1. Предложена методика для экспериментальной оценки базовых характеристик сегмента открытой IP-сети в долговременном масштабе.

2. Накоплена уникальная база экспериментальных данных по значениям базовых характеристик сегментов открытой сети IP-WAN Интернет, открытая для дальнейшей обработки и анализа.

3. Предложен и экспериментально опробован принцип организации логически асимметричных управляемых коммуникационных каналов г. распределенных информационно-управляющих системах на основе IP-сетей.

4. Предложен системный показатель пиковости для идентификации текущего состояния сетевой среды относительно требований проектируемой системы.

5. Экспериментально обоснована эффективность применения видеоинформации в канале обратной связи распределенной информационно-управляющей системы реального времени.

6. Получены аналитические соотношения, позволяющие оценить целесообразность и условия применения видеоинформации в канале обратной связи распределенной информационно-управляющей системы.

7. На основе результатов экспериментальных исследований выработаны рекомендации по условиям применения различных типов коммуникационных сред IP-сетей для ряда практически значимых встраиваемых применений.

8. Разработаны и экспериментально опробованы на широко^ спектре устройств аппаратно-программные методы и предложены практические способы повышения надежности функционирования встраиваемых систем управления и распределенных информационно-управляющих систем встраиваемого класса.

9. Разработаны, практически реализованы и применены при проведении экспериментов, а также для построения действующих распределенных систем для различных применений, опытно-промышленные образцы компонентов IP-платформы. <

Основные полученные в работе результаты опубликованы в печатных изданиях [27], [30], [32], [55]-[57], [59]-[62], [64], [67], [68], [72]-[77]. На основании собранных материалов, а также при использовании полученных данных, в соавторстве опубликованы методические указания [58], [69], использующиеся в настоящее время в учебном процессе.

Особое внимание уделено использованию видеоинформации в канале обратной связи таких систем, ввиду наличия у них ряда отличительных характеристик от специализированных промышленных и других систем.

Важной частью работы стало создание уникальной программно-аппаратной и специализированной программной базы для проведения экспериментальных исследований. Разработанные IP-устройства, кроме этого, нашли применение в широком спектре областей: от организации видеоконференцсвязи до информационно-управляющего обеспечения стендового оборудования для малых летательных аппаратов.

Накопленная экспериментальная база, полученная в сегментах сети Интернет масштаба IP-WAN, является открытой и может быть использована для дальнейшего анализа и обработки, а также для исследования изменений параметров данной сетевой среды с течением времени.

Действительная актуальность и практическая значимость результатов работы нашла подтверждение не только во внедренных программно-аппаратных комплексах. В 2003 г. начали активно появляться информационные сообщения в печати и на страницах всемирной сети об успешной реализации и эффективной эксплуатации информационно-управляющих систем на основе IP-сетей, в том числе, и с обратной связью по видеоканалу.

Так в работе [78] приведены способы организации и возможные структуры автоматизированных систем управления (АСУ) технологическими процессами на основе IP-сети (масштаб LAN) с физическим каналом Ethernet.

В [79] содержится подробное описание опыта создания комплексной распределенной системы учета нефти и нефтепродуктов на основе специальной (закрытой) IP-сети класса MAN с линейным размером около 150 км.

В регулярном издании «CCTV info», освещающем новинки в области систем видеонаблюдения и охранного наблюдения, только в одном номере [80] (за 2003 г.) анонсировано семь различных моделей сетевых IP-видеокамер, а также несколько цифровых сетевых видеорегистраторов на жесткие диски. Тогда как основные результаты данной работы были получены в 2000-2001 гг. и описанные разработки IP-устройств были в своем роде пионерскими, а целесообразность использования IP-сетей для построения распределенных информационно-управляющих систем встраиваемого класса с обратной связью по видеоканалу в то время ставилась под сомнения.

Подобные тенденции еще раз подтверждают актуальность выбранной области исследования и ценность полученных результатов, а также указывают на перспективы развития неразрывно связанных между собой научной и инженерной сторон данного направления.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В работе выполнено исследование круга вопросов, связанных с построением распределенных проблемно-ориентированных информационно-управляющих систем на основе IP-сетей, играющих роль коммуникационной среды. При этом рассматривались системы в широком диапазоне масштабов: от CAN до WAN - в соответствии с устоявшейся классификацией масштаба вычислительных сетей.

1. Гусев С. Краткий экскурс в историю промышленных сетей // Современные Технологии Автоматизации. 2001. - № 2. - с. 78-84

2. Кругляк К. Промышленные сети: цели и средства // Современные Технологии Автоматизации. 2002. - № 4. - с. 6-18

3. Гупта А., Каро P. Foundation FieldBus или ProfiBus-PA: выбор промышленной сети для автоматизации технологических процессов // Современные Технологии Автоматизации. 1999. - № 3. - с. 6-16

4. Астапкович A.M. Операционные системы реального времени QNX и Neutrino // BYTE/Россия. 2000. - № 10. - с. 25-34

5. Прожогин С. Neutrino: быстрее, выше и. меньше // Современные Технологии Автоматизации. 2000. - № 1.-е. 32-38

6. Уайндер С. Справочник по технологиям и средствам связи; пер. с англ. Субин О.М., Баяндин Н.Н. М.: Мир, 2000. - 429 с.

7. Форд JL, Фалкерсон Д. Потоки в сетях. М.: Мир, 1966. - 294 е.

8. Карре Б.А. Сетевые модели. В сб.: Математическое моделирование. М.: Мир, 1979.-е. 219-248

9. Кофман А., Дебазай Г. Сетевые методы планирования и их применение. М.: «Прогресс», 1968 - 182 с.

10. Беллман Р., Энджел Э. Динамическое программирование и уравнения в частных производных М.: Мир, 1974 - 208 с.

11. Шнеис-Шнелле М.А. Численные методы теории телетрафика М.: Мир, 1982. - 180 с.17. http://www.stel.ru/news/framecnews2003.htm

12. Добеши И. Десять лекций по вейвлетам. Ижевск: НИЦ «Регулярная и хаотическая динамика», 2001. - 464 с.

13. Воробьев В.И., Грибунин В.Г. Теория и практика вейвлет-преобразования. СПб.: И-во Военного Университета Связи, Санкт-Петербург, 1999. - 208 с.

14. Ерош И.Л., Подкорытов Д.А. Принципы построения систем безопасности для вычислительных сетей. В кн.: Информационно-управляющие системы для подвижных объектов. Семинары ASK Lab 2001 / Под общ. ред. М.Б. Сергеева. -СПб: Политехника, 2002. с. 216-221

15. К. Jong, J. W. Carlin, H. M. Shuler. IP transport trends and satellite applications. IBC2000. Amsterdam. 7 p.

16. Фейт Сидни. TCP/IP: Архитектура, протоколы, реализация (включая IP версии 6 и IP Security) / 2-е изд. СПб: Издательство «Лори», 2000. - 424 с.

17. Kravotta Nicholas. Embedded TCP/IP: a smorgasbord of options // EDN. 2001. - № 1,- p. 75-80

18. Астапкович A.M. Об одном подходе к надежности программного обеспечения встроенных систем управления. В кн.: Информационно-управляющие системы и сети. Структуры. Моделирование. Алгоритмы / Под общ. ред. Сергеева М.Б. СПб: Политехника, 1999. - с. 224-244

19. Прикладные нечеткие системы / Под ред. Т.Тэрано, К.Асаи, М.Сугэно. М.:Мир, 1993. - 290 с.

20. Винокуров А. ГОСТ не прост., а очень прост // Монитор. 1995. - №1. - с. 28-45.

21. Иванов П. Голос по X // LAN. 2001. - №9. - с. 42-49

22. Ватолин Д., Ратушняк А., Смирнов М. и др. Методы сжатия данных. Устройство архиваторов, сжатие изображений и видео. М.: ДИАЛОГ-МИФИ, 2002. - 384 с.

23. Желудков Р.Н., Тимко Е.В., Усков К.Ю. О влиянии сжатия речи на допустимость речевой фонограммы в уголовное судопроизводство. — Материалы 2-ой Всероссийской конференции «Теория и практика речевых исследований» (АРСО-2001). -М., 2001,- сЛ 10-116

24. Ефимушкин В.А. Классы качества услуг IP-телефонии. Перспективы внедрения // Вестник связи. 2002. - №1. - с. 28-30

25. Росляков А.В., Самсонов М.Ю., Шибаева И.В. IP-телефония. М.: Эко-Трендз, 2001. -250 с.

26. Парфенов Ю.А. Мирошников Д.Г. «Последняя миля» на медных кабелях. М.: ЭКО-Трендз, 2001. - 222 с.

27. К. Jong, J. W. Carlin, H. M. Shuler. IP transport trends and satellite applications. IBC 2000. Amsterdam. - 7 p.

28. Горальский В., Вальтер Д. Технологии ADSL и DSL. / пер. с англ. Кузьмин М. -2000. 296 с.

29. Chun You, Kavitha Chandra. Time Series Models for Internet Data Traffic. Proc. 24th Conf. on LocalNetworks. - LCN-99, 1999

30. H.Tong. Non-linear Time series, a dynamic system approach // Oxford Science Publications. Clarendon Press. Oxfprd, 1990

31. Анисимов А.Л., Астапкович A.M., Елисеенко А.Г., Слепков B.C., Суханов И.О. Выбор схемы беспилотных летательных аппаратов. Пятая научная сессия аспирантов ГУАП: Сб. докл.: В 2 ч. Ч. I. Технические науки / СпбГУАП. СПб, 2002. с. 462-468

32. Kavitha Chandra, Gbenga Olowoyeye, Charles Thomson. Non-Linear Time-Series Models of Ethernet Trafic. Proc. 24th Conf. on LocalNetworks. - LCN-99, 1999

33. K.Meier-Hellstern, P.E.Wirth,Y.-L.Yan, D.A.Hoeflin. Traffic Models for ISDN data users: of-fice automation application in data traffic in a period of change proc. of ITC-13. Copenhagen, Amsterdam: Elsever Science Pub. 1991. - p.167-172

34. W.E. Leland, M.S. Taqqu, W.Willinger and D.V. Wilson. On the Self-Similar Nature of Ethernet Traffic. IEEE/ACM Trans. Networking, 1994. - p.1-15

35. Gbenda Olowoyeye, Bo-Kyoung Kim, Kavitha Chandra. Modeling Spectral Features in TCP Traffic. Proc. 24th Conf. on LocalNetworks. - LCN-99, 1999

36. Морская радиоэлектроника: Справочник / И.В.Соловьев, Г.Н.Корольков, А.А.Бараненко и др. / Под ред. В.А.Кравченко. СПб.: Политехника, 2003. - 246 с.54 http://www.cnews.ru/newtop/index.shtml72003/04/01/142638

37. Востриков А.А., Астапкович A.M., Сергеев М.Б. Учебно-лабораторный макет контроллера смарт-карт. «Новые информационные технологии». МГИЭМ, 1999. -с. 45-47.

38. Астапкович A.M., Дмитриев С.В., Анисимов A.JI. и др. Интегрированная система учета энергоресурсов. «Новые информационные технологии». МГИЭМ, 1999. - с. 48-52.

39. Востриков А.А., Сергеев М.Б. Телекарты и смарт-карты с открытой памятью. Методические указания к выполнению лабораторных работ. СПбГУАП, 1999. - 56 с.

40. Востриков А.А. Еще раз о безопасности // BYTE/Россия. 2000. - № 8. - с. 34-46.

41. Астапкович A.M., Гуляев A.M., Востриков А.А. Аналитический обзор: операционные системы реального времени для встраиваемых приложений // BYTE/Россия. 2000. - №9. -с. 22-40

42. Астапкович A.M., Востриков А.А. Обеспечение надежности микропроцессорных систем управления программно-аппаратными методами // BYTE/Россия 2000. -№9. - с. 48-60

43. Чудиновский Ю.Г., Ипатов А.Ю., Астапкович A.M. Бортовой контроллер для дистанционно пилотируемого вертолета. Четвертая научная сессия аспирантов ГУАП: Сб. докл.: В 2 ч. Ч. I. Технические науки / СПбГУАП. СПб, 2001. с. 356-359

44. Астапкович A.M., Дмитриев С.В., Востриков А.А. и др. Выбор топологии сетей нижнего уровня для коммунальных систем учета потребления энергоресурсов. В кн.: Автоматизация технологических процессов. Сб. науч. трудов. Норильск: НИИ, 2000. - с. 35-41

45. Астапкович A.M., Сергеев М.Б. Мобильные роботы и роботизированные комплексы. Четвертая международная школа-семинар БИКАМП'ОЗ: Сб. докл.: Труды конференции БИКАМП'ОЗ / ГУАП. СПб, 2002. с. 95-104

46. Анисимов А.Л., Астапкович A.M., Касаткин А.А., Чудиновский Ю.Г. Опыт использования IP-платформы в стендах для научных исследований. Четвертая международная школа-семинар БИКАМП'ОЗ: Сб. докл.: Труды конференции БИКАМП'ОЗ / ГУАП. СПб, 2002. с. 85-89

47. Востриков А.А. Модификатор как часть программно-инструментальной среды. В кн.: Микропроцессорные информационно-управляющие системы реального времени. Семинары ASK Lab 2000 / Под общ. ред. М.Б.Сергеева. СПб: Политехника, 2000. - с. 59-68

48. Астапкович A.M., Востриков А.А. Современные технологии сжатия видеоданных // BYTE/Россия 2000. - в№11. - с. 14-20

49. Анисимов А.Л., Астапкович A.M., Востриков А.А., Сергеев М.Б. Введение в смарт-технологию. Методические указания к выполнению лабораторных работ. -СПбГУАП, 2000. 58 с.

50. Востриков А.А., Касаткин А.А. Магнитный датчик с использованием нечеткой логики. Новые информационные технологии. Тезисы докладов IX Международной студенческой школы-семинара - М.: МГИЭМ, 2001. - с. 243-245

51. Касаткин А.А., Востриков А.А., Астапкович A.M. Магнитный датчик с использованием нечеткой логики. Четвертая научная сессия аспирантов ГУАП: Сб. докл.: В 2 ч. Ч. I. Технические науки / СПбГУАП. СПб, 2001. с. 341-342

52. Востриков А.А. Интернет как коммуникационная среда для встроенных систем управления. В кн.: Информационно-управляющие системы для подвижных объектов. Семинары ASK Lab 2001 / Под общ. ред. М.Б. Сергеева. СПб: Политехника, 2002. - с. 42-66

53. Материалы форума, Санкт-Петербург, 7-11 сентября 2003 г. / СПбГУАП, СПб., 2003. -с. 103-110

54. Кругляк К. Локальные сети Ethernet в АСУ ТП: быстрее, дальше, надежнее // Современные Технологии Автоматизации. 2003. - № 1. - с. 6-14

55. Баталин Г., Васютинский В. Система сбора и отображения информации с использованием ОРС и Интернет технологий // Современные Технологии Автоматизации. 2003. - № 2. - с. 46-52

56. CCTV info. Газета международных новостей по системам видеонаблюдения и охранному телевидению. 2003. - №1. - 8 с.-158