автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.13, диссертация на тему:Разработка и исследование эффективности процедур идентификации состояния дискретного канала связи звена передачи данных сети ЭВМ

^ #

4 Ч'у На правах рукописи

-............................-......-

ЖАДИБА Ханади Юсеф

РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ПРОЦЕДУР ИДЕНТИФИКАЦИИ СОСТОЯНИЯ ДИСКРЕТНОГО КАНАЛА ЗВЕНА ПЕРЕДАЧИ ДАННЫХ СЕТИ ЭВМ

Специальность 05.13.13 — «Вычислительные машины, комплексы, системы и сети»

А вто р ёфе ра т диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Рязань 1998

Работа выполнена на кафедре вычислительной и прикладной математики Рязанской государственной радиотехнической академии

Научный руководитель:

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Пыль гага А.Н.

доктор технических наук, профессор Витязев В.В.

кандидат технических наук, доцент Булава М.П.

Ведущая организация: Московкий государственный

институт электроники и математики

Защита диссертации состоится 24 июня 1998 г. в 10.00 часов на заседании диссертационного совета Д 063.92.03 в Рязанской государственной радиотехнической академии по адресу: 391000, г.Рязань, ГСП, ул.Гагарина, 59/1, ауд.235.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Рязанской государственной радиотехнической академии.

Автореферат разослан "_" мая 1998 г.

Ученый секретарь диссертационного совета, к.т.н., доцент

Телков И.А.

ОВДАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблему. Широкое использование в различных отраслях знаний и человеческой деятельности современных информационных технологий предопределяет бурное развитие и внедрение информационно-вычислительных систем и сетей ЭВМ. Особенностью современных ;етей ЭВМ является повсеместное использование каналов связи раз-пичной физической природы. В рамках эталонной модели архитектуры взаимодействия открытых систем, созданной Международной организацией стандартов (МОС), вопросы эффективной передачи дискретной ин-1юрмации по каналам связи возложены на канальный уровень, основным элементом которого является звено передачи данных, а управление этой системой осуществляется канальным (линейным) протоколом.

Каналы связи, входящие в состав звена передачи данных, характеризуются двумя основными особенностями: сложным групповым характером ошибок и нестационарностьюпараметров во времени. В соответствии с этим наиболее эффективными методами передачи и залдеты ин-1юрмации от ошибок считаются адаптивные методы. В составе современных средств телекоммуникационного взаимодействия (модемы, протоколы) предусмотрены адаптивные стратегии управления передачей информации и адаптивные методы (процедуры) обработки информации, позволяющие организовать надежную передачу данных. Например, средства адаптивной передачи информации широко используются в протоко-аах, реализация которых регламентируется рекомендациями MNP, V.42bis, X.25 И др.

Вопросам повышения эффективности средств и систем передачи информации посвящены работы таких ученых России, как В.В.Котельни-fCOB, Л.Ф.Финк, А.Д.Харкевич, Б.Р.Левин, А.Г.Зюко, В.О.Шварцман, И.А.Миэин, Г.П.Захаров, В.П.Шувалов, Л.П.Коричнев, Б.Я.Советов, О.Г.Дадаев, В.В.Золотарев и др.

Важнейшим элементом адаптивных протоколов управления звеном передачи данных являются процедуры идентификации текущего состояния канала связи. В практических приложениях наибольшее распространение получили процедуры идентификации, основанные на выводах теории оценивания процессов (статистические процедуры) и, в частности, процедуры, описываемые в терминах проверки статистических гипотез.

Вопросам разработки и исследования эффективности процедур

идентификации текущего квазистационарного состояния адаптивных протоколов управления звеном передачи данных посвящена диссертационная работа.

Целью работы является разработка эффективных процедур идентификации, позволяющих с заданной достоверностью и высокой оперативностью идентифицировать текущее состояние дискретного канала, а также создание методики расчета параметров этих процедур и средств их исследования в форме пакета прикладных программ имитационного моделирования.

Методы исследования. Исследования осуществлялись на основе теории вероятностей, математической статистики, системного анализа, математического и имитационного моделирования, технологий структурного и объектно-ориентированного программирования.

Научная новизна.

1. В диссертационной работе разработана методика расчета параметров процедур идентификации квазистационарных состояний дискретного канала при следующих особенностях последовательности блоков на выходе декодирующего устройства:

- отсутствие данных о законе распределения оценки контролируемого параметра;

- оценка контролируемого параметра распределена по нормальному (или близкому к нему) закону;

- последовательность блоков на выходе декодирующего устройства является последовательностью независимых событий;

- последовательность блоков на выходе декодирующего устройства представляется простой цепью Маркова с двумя состояниями.

2. В работе предложено проводить идентификацию текущего квазистационарного состояния дискретного канала по совокупности (вектору) оценок; разработаны модификации известных процедуры "скользящего среднего" и рекуррентной процедуры, реализующих идентификацию по вектору оценок контролируемого параметра.

3. Разработана процедура идентификации по доверительному интервалу оценки контролируемого параметра и устройство, реализующее эту процедуру (получено положительное решение ВНИИГПЭ о выдаче патента на изобретение по заявке N 97121826/09(023483) от 30.05.98).

4. Проведен сравнительный анализ эффективности процедур идентификации по данным имитационного моделирования.

Практическая ценность работы. Результаты работы являются основой для проведения расчетов параметров процедуры идентификации квазистационарных состояний с заданной степенью достоверности при различных особенностях и характеристиках процесса передачи информации в дискретном канале. Разработанные процедуры идентификации позволяют повысить оперативность принятия решения о смене квазистационарного состояния. Созданный пакет прикладных программ обеспечивает проведение имитационного моделирования процессов получения оценок контролируемого параметра и принятия решения о смене квазистационарного состояния; моделирование может быть проведено в режиме получения статистических оценок времени запаздывания в принятии решения о смене состояния или в режиме изучения процессов идентификации; разработан удобный оконный интерфейс пользователя с пакетом.

Практическая ценность. Результаты диссертационной работы использованы на Научно-производственном предприятии "ТЭТ" (г.Рязань) при выборе элементов и обосновании состава "Комплекса средств удаленного доступа", предназначенного для оперативного доступа удаленных пользователей к региональным базам данных. Методика построения оконного интерфейса для имитационных моделей внедрена в учебный процесс Рязанской государственной радиотехнической академии для студентов специальности 2204 - "Программное обеспечение вычислительной техники и автоматизированных систем" по курсу "Системный анализ и машинное моделирование".

Апробация работа. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на следующих конференциях и семинарах:

1. Международный научно-технический семинар "Проблемы передачи и обработки информации в информационно-вычислительных сетях". 18-21 сентября 1995 г., Москва.

2. Всероссийская научно-техническая конференция молодых ученых и специалистов "Новые информационные технологии в научных исследованиях радиоэлектроники". 21-24 мая 1996 г., г.Рязань.

3. Всероссийская научно-практическая конференция "Современные информационные технологии в образовании". 23-25 апреля 1996 г.

4. Международный научно-технический семинар "Проблемы передачи и обработки информации в информационно-вычислительных сетях". 29 сентября - 2 октября 1997 г., г.Рязань.

5. 2-я научно-практическая конференция "Человек, экология, здоровье". 20-21 ноября 1997 г., г.Рязань.

6. 35-я научно-техническая конференция РГРТА. 2-6 февраля 1998 г., г.Рязань.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 7 работ. В том числе 1 статья в межвузовском сборнике, 5 тезисов и материалов докладов международных и всероссийских конференций и семинаров, положительное решение о выдаче патента РФ.

Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав и заключения. Основной текст содержит 138 страниц,6 таблиц, 49 рисунков.

Список литературы состоит из 81 наименования.

Основные результаты, выносим не на защиту:

- методика расчета параметров процедуры, обеспечивающих идентификацию текущего квазистационарного состояния нестационарного дискретного канала с заданной степенью надежности и достоверности;

- процедуры идентификации и принятия решений относительно текущего состояния дискретного канала по совокупности (вектору) значении оценки контролируемого параметра;

- процедура и устройство идентификации текущего состояния дискретного канала по результатам расчета доверительного интервала оценки контролируемого параметра;

- пакет прикладных программ имитационного моделирования процедур идентификации текущего квазистационарного состояния нестационарного дискретного канала, реализующего исследования в трех режимах: функционирование, статистика, сравнение.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосновывается актуальность темы диссертации, формулируются цель исследований, научная новизна и практическая ценность основных результатов диссертации.

В первой главе "Методы и средства передачи информации в телекоммуникационных сетях" выявляются основные проблемы организации достоверной и своевременной передачи информации в сетях ЭВМ при использовании каналов связи различной физической природы.

В соответствии с Эталонной моделью архитектуры взаимодействия открытых систем Международной организации стандартов (МОС) взаимо-

действие пользователей сети ЭВМ регламентируется семиуровневой системой протоколов. Наибольшее внимание разработчиков и пользователей сети направлено на второй уровень протоколов управления передачей данных - на канальный (или линейный) уровень. Линейные протоколы определяют процедуры управления эвеном передачи данных, в состав которого входят самые ненадежные элементы сети - каналы связи. В сетях ЭВМ используются каналы связи различной физической природы: проводные, радиоканалы, телефонные и другие. Все они характеризуются следующими особенностями: во-первых, ошибки в дискретных каналах группируются в пакеты; во-вторых, параметры каналов изменяются во времени, то есть каналы являются нестационарными.

В этих условиях необходимо использовать специальные методы передачи и защиты информации от ошибок.

Эффективность звена передачи данных можно оценить совокупностью показателей качества, среди которых основным считают эффективную скорость передачи информации. Скорость передачи информации зависит от следующих факторов и параметров:

- типа и параметров дискретного канала;

- помехоустойчивого кода и его параметров;

- алгоритма исправления ошибок и так далее.

Нестационарность дискретного канала предопределяет также целесообразность использования адаптивных методов передачи информации и адаптивного управления звеном передачи данных. Одной из основных процедур адаптивного протокола является процедура идентификации текущего состояния дискретного канала.

Анализ существующих методов передачи и защиты информации от ошибок, используемых в телекоммуникационных сетях, позволяет выбрать следующие методы, рекомендуемые международными и национальными стандартами:

для обнаружения ошибок применяется циклический код со стандартными производящими полиномами, которые гарантируют обнаружение ошибок высокой кратности;

для исправления ошибок используется ARQ-протокол, то есть протокол, реализующий передачу информации с решающей обратной связью;

адаптивное управление осуществляется таким образом, как это реализовано в стандартных протоколах типа MNP, Zmodem, X.42bis.

Для описания нестационарного канала связи использован подход,

предложенный профессором Б.Я.Советовым, при котором нестационарный дискретный канал может быть описан кусочно-стационарной моделью с конечным числом квазистационарных состояний. В пределах квазистационарного состояния используется двухуровневое описание потока ошибок. На первом уровне для описания потока ошибок в дискретном канале используется одна из известных моделей ошибок (например, модель И.А.Мизина, частичное описание Л.П.Пуртова и др.). На втором уровне для описания последовательности блоков целесообразно использовать модель независимых искажений блоков и представление последовательности блоков ..цепью Маркова с двумя состояниями: 6 -блок принят правильно; В - блок искажен ошибками.

Во второй главе "Расчет параметров процедуры идентификации" приведена методика расчета параметров процедуры идентификации, позволяющая учитывать различные аспекты процесса получения оценки контролируемого параметра - вероятности искажения блока (пакета, кадра).

Точечная оценка р* неизвестной вероятности р находится в виде относительной частоты

Р*- - - - (1)

N N 11

где Xí - случайная величина, принимающая два значении: XI =0, если блок с номером 1 в контрольной последовательности из N блоков принят правильно; Х1«1, если 1-й блок принят с ошибками; к - число блоков с ошибками.

Если о распределении оценки р* нет никакой априорной (предварительной) информации, то необходимый объем контрольной выборки может быть рассчитан на основании неравенства Чебышева.

Для того, чтобы идентифицировать два соседних квазистационарных состояния с вероятностями искажения блока Рь р^ и надежностью В необходима контрольная последовательность, размер которой определяется формулой:

ГУРТТьрГУ + УРТТ^РТУЗ2

N = -г--(2)

(1-В)(Р5-Р1)2

Из формулы (1) следует, что существуют случаи, при которых распределение оценки контролируемого параметра может быть аппрок-

симировано известными законами.- В качестве такого закона на основании центральной предельной теоремы теории вероятностей можно выбрать нормальный закон. В этом случае длина контрольной последовательности может быть рассчитана по формуле:

N =

С|/р> (1~Р1) + /Рэ(1-Рд)12 (Ро-Р>)2

(3) Таблица 1

Вероятность искажения блока

Рх

10-1

5x10 % 5x10"!?

5x10

5х10~* 10-1 7x10 2

10 10

-2 -2

Длина контрольной последовательности,

Центральная

предельная

теорема

15 76 412

2149 815 4443

Неравенство Чебышева

80 394 2146 11190 4244 23129

Порог

различения

состояний,

2.20x10";* 3.24х10~~ 7.10x10"!

-3 -3

5.92x10 3.17x10 7.07x10

Анализ расчетов, приведенных в таблице 1, показывает, что при соблюдении условий, предусмотренных центральной предельной теоремой, позволяет применять контрольную выборку примерно в 5 раз меньшую, чем в случае использования неравенства Чебышева.

Дальнейшее уточнение параметров процедуры идентификации может быть произведено, если рассматривать число искаженных блоков в контрольной последовательности. Если искажения блоков можно считать независимыми или близкими к независимым, то число искаженных блоков в контрольной последовательности определяется биномиальным законом. Если биномиальный закон аппроксимировать нормальным распределением, то получим аналогичные результаты, что и в случае центральной предельной теоремы. При расчетах биномиальное распределение можно аппроксимировать распределением Пуассона. Формулы

< 1-0

Р{Нз1^:Р-Р1> <--

2

1-8

N

Р

позволяют, используя численные методы, уточнить длину контрольной последовательности, где Р-СН^ |£21:р»рх> - вероятность того, принимается решение о состоянии Я^р-рэ, если на самом деле дискретный канал находится в состоянии Й1:р-р1.

Дальнейшее уточнение значения параметров процедуры идентификации может быть достигнуто, если последовательность блоков на выходе дискретного канала представить простой цепью Маркова.

При этом марковская последовательность решении может быть аппроксимирована нормальным распределением с параметрами

M[p"J - р; D[p*3

р(1-р)(1-2Р+Х) N(l-X)

где Л-Рвв - условная вероятность перехода цепи Маркова из состояния В в состояние В. При этом длина контрольной последовательности

N " (PÍ-PJ)Z L / 1-Xi + / 1-Xj J

Для использования неравенств (4) получено выражение для определения вероятности искажения к блоков в контрольной последовательности N для случая простой цепи Маркова с двумя состояниями

р»,«.» - . Si'jXVH-

где Z=(PgbPbg)/(PggPbb)-

Последнее выражение позволяет уточнить длину контрольной последовательности для случая использования марковской цепи.

В третьей главе "Разработка процедур идентификации квазистационарных состояний дискретного канала" приведено описание предложенных процедур идентификации квазистационарных состояний, обеспечивающих по сравнению с известными процедурами уменьшение времени запаздывания в принятии решения о смене состояния.

В соответствии с процедурой "скользящее среднее" оценка параметра на г-м шаге наблюдений получается по схеме

Сг 1

Г " Ñ

'Г * г.

Р"г----< JL.^Xi (5)

или через вычисление функции Сг с помощью рекуррентного выражения

Сг - Сг-1+Хг-Хг-и. (6)

В рекуррентной процедуре оценка неизвестного параметра на г-м шаге наблюдений формируется по следующей рекуррентной схеме

Р*г - Ьр*г_1+(1-Ь)Хг' (7)

где параметр сглаживания Ь-(1-Л)/(1+М).

Анализ процедур (5)-(6) проведен с целью получения полноценных прототипов предлагаемых процедур и верификации соответствующих имитационных моделей.

Для получения модификаций известных процедур идентификации предложено проводить идентификацию квазистационарных состояний не по одному значению оценки контролируемого параметра, а по их совокупности - вектору оценок

Р*г - (Р*С1)г; Р*С2)г; Р*(и)г). (8)

Модификация рекуррентной процедуры получается, если на некотором шаге измерений с номером г-М-Ь значение оценки приравнивается значению средней вероятности искажения блока в текущем состоянии, т.е. Р*СЫ1—ы-ь = Р». Далее для этой оценки многократно (N+1 раз) выполняется процедура (7) для результатов декодирования блоков Хг-м-ь+1> Хг-ц-ь+2, ■■•, Хг, хранящихся в массиве данных. Подобная обработка реализуется для всех Ь - 1, 2, ..., и, что приводит к формированию вектора оценок. Принятие решения относительно текущего квазистационарного состояния реализуется в соответствии с правилом

/ Нг. Ш£Х Р*(Ыг < = Н^ Ш£П Р*СЫГ >

(9)

где - порог различения состоянии П^р-р^ и при р^рд.

В качестве примера в табл.2 приведены некоторые результаты имитационного моделирования процедур идентификации (7) и (8)-(9), которые демонстрируют повышение эффективности предложенной процедуры по сравнению с известной рекуррентной процедурой..

Таблица 2

Средняя вероятность искажения блока в квазистационарных состояниях р1-=0.01 Рз-0.1 Р1-0.01 Рз-0.05 Р1-0.05 Ро-0.1

Процедура идентификации (8) (7) (8) (7) (8) (7)

Контрольная выборка, N 76 242 412

Размеры вектора, и 19 - 60 - 103 -

Задержка идентификации 7.2 11.2 27.0 47.0 49.0 111.0

Размеры вектора, и 57 - 181 - 309 -

Задержка идентификации 9.0 15.0 22.0 49.0 63.0 123.0

Ддя процедуры "скользящее среднее" вектор (совокупность) значений оценки контролируемого параметра может быть сформирован по правилам:

1 г

П«С1> _ 1 г у .

р*<2)г .1 [ у.

N+2 (Ю)

1 г

Вектор оценок можно формировать также и с помощью такой тождественной схемы:

Сг

р»(Ь)г . --Ь - 1, 2.....и. (11)

N+1-1

где Сг - Сг-1+Хг-Хг-м-ь.

В табд.З приведены результаты имитационного моделирования известной и модифицированной процедуры "скользящее среднее", которые иллюстрируют повышение эффективности предложенной процедуры идентификации текущего квазистационарного состояния.

Таблица 3

Р1 Рз-0.05 Р}-0.07 Рз-о.1

Задержка в идентификации квазистационарного состояния

N Процедура N Процедура N Процедура

(5) (10) (5) (Ю) (5) (Ю)

0.005 158 81 51 96 44 33 58 32 18

0.010 242 142 94 134 74 52 76 41 25

0.015 361 196 149 180 99 76 94 48 34

0.020 547 356 252 240 151 103 116 69 48

Предложенные процедуры идентификации, предполагающие вычисление вектора значений оценки контролируемого параметра, являются промежуточными между процедурами точечного и интервального оценивания. В работе предложена процедура идентификации, в которой вычисляется доверительный интервал для оценки контролируемого параметра. ПриVдля процедуры с фиксированным объемом контрольной выборки N в качестве контролируемого параметра можно использовать число к блоков с обнаруженными ошибками. Для уменьшения времени запаздывания принятия решения о смене квазистационарного состояния предложена следующая процедура.

Среднее число число блоков с обнаруженными ошибками в контрольной выборке N для двух соседних квазистационарных состояний:

- для состояния П1:р=р1 равно к1,ср=Р1*И;

- для состояния :р-рз равно к^.ср-РохИ-

Для текущего числа к на каждом шаге измерений определяется доверительный интервал Скн;кв], границы которого определяются по

формуле

дпш

кн. в = к ± и /- . (12)

V N

Решение об идентификации текущего состояния дискретного канала на г-м шаге измерений принимается по следующему правилу (с учетом того, что доверительный интервал может "накрывать" два соседних значения, определяющих квазистационарные состояния):

НСг]

(13)

Н1СгЗ: (кв<кз.ср) п (кн<к1.ср);

Н^ [г]: (кв>к^ср) П (кн<к1.ср) П (Н[г-1]-Н^;

Н,-1гЗ: (кв>кз.ср) П (кн>к1.Ср);

НхСП: (кв>кэ.ср) П (кК<к1.Ср) П (НСГ-13-Н3).

Если допустить, чтобы доверительный интервал [кн;кв3 "накрывал" только одно из двух значении к^ Ср или к^,Ср с вероятность в, тогда объем контролирующей выборки должен составлять величину

N

Рл-Р1

(14)

19

11

10

14

12 3"

13

15

16

17 г 18

-г>

1 - датчик сигналов сброса; 9 - сумматор;

2 - блок согласования; 10 - блок вычитания;

3 - Блок декодирования; 11,12 - блоки сравнения;

4 - счетчик одиночных ошибок; 15,16 - логические элементы И;

5 - регистр; 17 - логический элемент ИЛИ; 6,7 - элементы задержки; 18,19 - триггеры.

8 - блок памяти;

8

л

6

7

Структурная схема вычислителя, реализующего обработку последовательности блоков на выходе дискретного канала в соответствии с предложенной процедурой идентификации, приведена на рис. 1. На устройство, структурная схема которого показана на рис. 1, получено положительное решение НИИГПЭ на выдачу патента Российской Федерации по заявке N 97121826/09 (023483) от 30.03.98 г.

В четвертой главе диссертации разработаны программные средства, позволяющие проводить исследования и сравнительный анализ известных и предлагаемых процедур идентификации. С этой целью разработан пакет прикладных программ имитационного моделирования, при реализации которого использована технология объектно-ориентированного программирования и средства программных пакетов Super Vision и Turbo Vision. Структура пакета показана на рис. 2 и позволяет проводить имитационное моделирование в трех основных режимах:

- режим функционирования, при котором исследуются процессы получения оценки контролируемого параметра и этот процесс отображается на экране монитора;

- режим статистики, при котором проводится статистическое моделирование и определяются статистические характеристики времени запаздывания в определении смены квазистационарного состояния;

- режим сравнения, при котором пользователю предоставляется возможность сравнительного анализа двух любых процедур идентификации с отображением результатов сравнения на экране монитора.

Для обеспечения удобного взаимодействия с пакетом прикладных программ разработан графический оконный интерфейс, позволяющий применять пакет неподготовленным пользователем. На рис.3 в качестве примера показан вид экрана дисплея при выполнении режима "функционирование".

Рис. 3 ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Проведенные исследования позволяют сформулировать основные выводы и результаты:

1. Проведен анализ методов и средств передачи информации в информационно-вычислительных сетях, что позволило определить основные принципы обеспечения заданных вероятностно-временных характеристик звена передачи данных сети ЭВМ.

2. Сформулирована задача адаптивного управления звеном передачи данных и показано, что важнейшей составной частью линейного

протокола является процедура идентификации текущего состояния дискретного канала.

3. Проведена классификация известных процедур идентификации текущего состояния дискретного канала.

4. Обоснованы и выбраны математические модели описания процессов передачи и защиты информации от ошибок в звене передачи данных.

5. Разработана методика расчета параметров статистических процедур идентификации квазистационарных состояний дискретного канала, позволяющая учесть следующие особенности передачи блоков:

- отсутствие априорной информации о распределении оценки контролируемого параметра (вероятности искажения блока информации) ;

- оценка контролируемого параметра имеет нормальное или близкое к нормальному распределение (использование предельной теоремы теории вероятностей);

- последовательность блоков на выходе дискретного канала является последовательностью независимых событий;

- последовательность блоков на выходе дискретного канала является простой цепью Маркова с двумя состояниями (блок искажен ошибками; блок принят правильно).

6. Предложен способ формирования вектора оценок контролируемого параметра, что позволяет повысить оперативность принятия решения о смене квазистационарного состояния в процедурах типа "скользящее среднее" и процедурах рекуррентного оценивания; разработан ряд процедур идентификации текущего состояния дискретного канала, основанных на анализе значении оценок, входящих в состав вектора оценок.

7. Разработаны процедура идентификации и устройство оценки качества, позволяющие проводить идентификацию текущего состояния на основе определения доверительного интервала оценки контролируемого параметра.

8. Разработан пакет прикладных программ имитационного моделирования процессов передачи, обработки информации и принятия решений относительно текущего состояния дискретного канала, обеспечивающего качественный анализ протекающих процессов, а также реализацию статистического моделирования и получение статистических характеристик для времени принятия решения о смене квазистационарно-

го состояния.

9. Проведен сравнительный анализ эффективности процедур идентификации квазистационарных состояний дискретного канала.

Публикации по теме диссертации

1. Жадиба Х.Ю., Пылькин А.Н. Методика расчета параметров процедуры идентификации кваэистационарных состояний дискретного канала // Информационные технологии. Системы обработки и передачи информации: Межвуз. сб. - Рязань: РГРТА, 1996. - С.12-17.

2. .1ас11Ьа Н.и., Пылькин А.Н. Пакет прикладных программ для автоматизации исследования эффективности процедур идентификации состояний дискретного канала // Проблем передачи и обработки информации в информационно-вычислительных сетях: Тезисы докладов Международной научно-техн. конф. - М.: НИЦПрИС, 1995. - С.48-49.

3. Жадиба Х.Ю., Пылькин А.Н. Программные средства автоматизированного исследования эффективности процедур идентификации состояний дискретного канала // Новые информационные технологии в научных исследованиях радиоэлектроники: Тезисы докладов Всероссийской научно-техн.' конференции. - Рязань: РГРТА, 1996. - С.46-47.

4. Жадиба Х.Ю. Процедура идентификации текущего состояния канала связи по вектору оценок контролируемого параметра // Новые информационные технологии в научных исследованиях радиоэлектроники: Тезисы докладов Всероссийской научно-технической конференции. - Рязань: РГРТА, 1997. - С.50-52.

5. Жадиба Х.Ю., Гаврилов А.Н., Пылькин А.Н. Идентификация состояний дискретного канала связи по совокупности значении измеряемого параметра // Проблемы передачи и обработки информации в информационно-вычислительных сетях: Тезисы докладов Международного научно-технического семинара. - М.: НИЦПрИС, 1997. - С.22-24.

6. Жадиба Х.Ю., Пылькин А.Н. Эффективность передачи экологической информации по каналам связи телефонной сети общего пользования // Человек, экология, здоровье: Материалы 2-й научно-практической конференции. - Рязань, 1997. - С.55-57.

7. Гаврилов А.Н., Жадиба Х.Ю., Пылькин А.Н. Устройство для контроля качества дискретных каналов связи // Положительное решение НИИГПЭ о выдаче патента на изобретение по заявке N 97121826/09 (023483) ОТ 30.03.98 Г.

Рязанская гЬсударственная радиотехническая академия

На правах рукописи

ЖАДИБА Ханади Юсеф

РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ПРОЦЕДУР ИДЕНТИФИКАЦИИ СОСТОЯНИЯ ДИСКРЕТНОГО

КАНАЛА

ЗВЕНА ПЕРЕДАЧИ ДАННЫХ СЕТИ ЭВМ

05.13.13 - Вычислительные машины, комплексы, системы и сети

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор Пылькин А.Н.

Рязань 1998

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ........................................................................................................4

1. МЕТОДЫ И СРЕДСТВА ПЕРЕДАЧИ ИНФОРМАЦИИ В

ТЕ^КОММУНИКАЦИОННЫХ СЕТЯХ................................................10

1.1. Структура звена передачи данных и основные вероятностно-временные характеристики.................................

10

1.2. Методы и процедуры передачи информации......................................15

1.3. Адаптивное управление передачей информации в звене данных ... 24

1.4. Модели ошибок и двухуровневое описание дискретного канала ... 30

1.5. Процедуры идентификации квазистационарных состояний..............35

2. РАСЧЕТ ПАРАМЕТРОВ ПРОЦЕДУРЫ ИДЕНТИФИКАЦИИ................44

2.1. Методика расчета параметров при отсутствии априорных данных . 44

2.2. Использование центральной теоремы теории вероятностей..............50

2.3. Независимые блоков в дискретном канале..........................................54

2.4. Представление последовательности блоков простой цепью

Маркова..................................................................................................61

3. РАЗРАБОТКА ПРОЦЕДУР ИДЕНТИФИКАЦИИ КВАЗИСТАЦИОНАРНЫХ СОСТОЯНИЙ ДИСКРЕТНОГО КАНАЛА 69

3.1. Идентификация состояний с помощью процедуры "скользящее среднее" и рекуррентное оценивание..................................................69

3.2. Векторные процедуры идентификации..............................................74

3.2.1. Простейший алгоритм получения вектора оценок контролируемого параметра........................... 76

3.2.2. Алгоритм получения вектора оценок с гарантированной дисперсией......................................... 79

3.2.3. Процедура идентификации со скользящим вектором оценок . 82 3.3. Процедура интервального оценивания качества дискретного

канала.................................................. 84

4. ПАКЕТ ПРИКЛАДНЫХ ПРОГРАММ ИМИТАЦИОННОГО

МОДЕЛИРОВАНИЯ ПРОЦЕДУР ИДЕНТИФИКАЦИИ............. 90

4.1. Общая характеристика и структура пакета программ........................90

4.2. Программные модели и объекты программы......................................94

4.3. Принципы построения пользовательского интерфейса......................98

4.4. Руководство пользователя....................................................................99

4.5. Руководство программиста..................................................................109

4.6. Распечатки изображений, выводимых на экран дисплея

при работе с пакетом...................................... 116

ЗАКЛЮЧЕНИЕ ЛИТЕРАТУРА. ПРИЛОЖЕНИЕ

126 128 136

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы. Широкое использование в различных отраслях знаний и человеческой деятельности современных информационных технологий предопределяет бурное развитие и внедрение информационно-вычислительных систем и сетей ЭВМ. Особенностью современных сетей ЭВМ является повсеместное использование каналов связи различной физической природы. В рамках эталонной модели архитектуры взаимодействия открытых систем, созданной Международной организацией стандартов (МОС), вопросы эффективной передачи дискретной информации по каналам связи возложены на канальный уровень, основным элементом которого является звено передачи данных, а управление этой системой осуществляется канальным (линейным) протоколом.

Каналы связи, входящие в состав звена передачи данных, характеризуются двумя основными особенностями: сложным групповым характером ошибок и нестационарность параметров во времени. В соответствии с этим наиболее эффективными методами передачи и защиты информации от ошибок считаются адаптивные методы. В составе современных средств телекоммуникационного взаимодействия (модемы, протоколы) предусмотрены адаптивные стратегии управления передачей информации и адаптивные методы (процедуры) обработки информации, позволяющие организовать надежную передачу данных. Например, средства адаптивной передачи информации широко используются в протоколах, реализация которых регламентируется рекомендациями MNP, V.42bis, Х.25 и др. Вопросам повышения эффективности средств и систем передачи информации посвящены работы таких ученых России, как В.В.Котельников, Л.Ф.Финк, А.Д.Харкевич, Б.Р.Левин, А.Г.Зюко, В.О.Шварцман, И.А.Мизин, Г.П.Захаров, В.П.Шувалов, Л.П.Коричнев, Б.Я.Советов, Ю.Г.Дадаев, В.В.Золотарев и др.

Важнейшим элементом адаптивных протоколов управления звеном передачи данных являются процедуры идентификации текущего состояния канала связи. В практических приложениях наибольшее распространение получили процедуры идентификации, основанные на выводах теории оценивания процессов (статистические процедуры) и, в частности, процедуры, описываемые в терминах проверки статистических гипотез.

Цель диссертационной работы состоит в разработке эффективных процедур идентификации, позволяющих с заданной достоверностью и высокой оперативностью идентифицировать текущее состояние дискретного канала, а также в создании методики расчета параметров этих процедур и средств их исследования.

Для достижения цели необходимо решить следующие задачи:

1. Провести анализ принципов использования и мест приложения адаптивных методов передачи информации в составе протоколов управления звеном передачи данных.

2. Выбрать модели и средства аналитического описания процессов передачи и обработки дискретной информации на канальном уровне сети ЭВМ.

3. Выявить перспективные статистические процедуры идентификации, обеспечивающие надежную и высокоэффективную идентификацию текущего состояния дискретного канала.

4. Разработать методику определения параметров процедуры идентификации, позволяющую учитывать различные особенности процесса передачи данных в дискретном канале.

5. Разработать и провести сравнительный анализ процедур идентификации, в которых формируется вектор (совокупность) оценок неизвестного параметра.

6. Сформулировать правила принятия решения относительно текущего квазистационарного состояния при наличии вектора оценок контролируемого параметра.

7. Разработать процедуру и устройство идентификации через формирование доверительного интервала полученной оценки контролируемого параметра.

8. Разработать средства имитационного моделирования процедур идентификации квазистационарных состояний дискретного канала, позволяющие проводить сравнительный анализ эффективности процедур и изучать процессы передачи, формирования оценок контролируемого параметра и принятия соответствующего решения.

Научная новизна. В рамках диссертационной работы были получены следующие результаты:

1. Проведен анализ методов передачи и защиты информации от ошибок в протоколах управления звеном передачи данных.

2. Показано, что адаптивные методы передачи информации могут быть реализованы в рамках ARQ-протоколов в сочетании с применением CRC-кодов в режиме обнаружения ошибок.

3. Разработана методика расчета параметров процедур идентификации квазистационарных состояний дискретного канала при следующих особенностях последовательности блоков на выходе декодирующего устройства:

- отсутствие данных о законе распределения оценки контролируемого параметра;

- оценка контролируемого параметра распределена по нормальному (или близкому к нему) закону;

- последовательность блоков на выходе декодирующего устройства является последовательностью независимых событий;

- последовательность блоков на выходе декодирующего устройства представляется простой цепью Маркова с двумя состояниями.

4. Предложено проводить идентификацию текущего квазистационарного состояния дискретного канала по совокупности (вектору) оценок; разработаны

модификации известных процедуры "скользящего среднего" и рекуррентной процедуры, реализующих идентификацию по вектору оценок контролируемого параметра.

5. Разработана процедура идентификации по доверительному интервалу оценки контролируемого параметра и устройство, реализующее эту процедуру (получено положительное решение ВНИИГПЭ о выдаче патента на изобретение по заявке N 97121826/09(023483) от 30.05.98).

6. Проведен сравнительный анализ эффективности процедур идентификации по данным имитационного моделирования.

Практическая ценность работы. Разработана методика расчета параметров процедуры идентификации квазистационарных состояний с заданной степенью достоверности при различных особенностях и характеристиках процесса передачи информации в дискретном канале. Разработан ряд процедур идентификации, позволяющих повысить оперативность принятия решения о смене квазистационарного состояния. Разработан пакет прикладных программ для имитационного моделирования процессов получения оценок контролируемого параметра и принятия решения о смене квазистационарного состояния; моделирование может быть проведено в режиме получения статистических оценок времени запаздывания в принятии решения о смене состояния или в режиме изучения процессов идентификации; разработан удобный оконный интерфейс пользователя с пакетом.

Результаты диссертационной работы использованы на Научно-производственном предприятии "ТЭТ" (г.Рязань) при выборе элементов и обосновании состава "Комплекса средств удаленного доступа", предназначенного для оперативного доступа удаленных пользователей к региональным базам данных. Методика построения оконного интерфейса для имитационных моделей внедрена в учебный процесс Рязанской государственной радиотехнической академии для студентов специальности 2204 - "Программное

обеспечение вычислительной техники и автоматизированных систем" по курсу "Системный анализ и машинное моделирование".

Достоверность полученных в диссертационной работе результатов подтверждается:

- использованием методов и алгоритмов передачи и защиты информации, рекомендованных международными стандартами;

- аналитическими и численно-аналитическими расчетами параметров процедур идентификации;

- использованием выводов и теории вероятностей и математической статистики;

- результатами имитационного моделирования процедур идентификации квазистационарных состояний.

Апробация работы. Результаты работы докладывались на следующих конференциях и семинарах:

1. Международный научно-технический семинар "Проблемы передачи и обработки информации в информационно-вычислительных сетях". 18-21 сентября 1995 г., Москва.

2. Всероссийская научно-техническая конференция молодых ученых и специалистов "Новые информационные технологии в научных исследованиях радиоэлектроники". 21-24 мая 1996 г., г.Рязань.

3. Всероссийская научно-практическая конференция "Современные информационные технологии в образовании". 23-25 апреля 1996 г.

4. Международный научно-технический семинар "Проблемы передачи и обработки информации в информационно-вычислительных сетях". 29 сентября -2 октября 1997 г., г.Рязань.

5. 2-я научно-практическая конференция "Человек, экология, здоровье". 20-21 ноября 1997 г., г.Рязань.

6. 35-я научно-техническая конференция РГРТА. 2-6 февраля 1998 г., г.Рязань.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 7 работ. В их числе 1 статья в межвузовском сборнике, 5 тезисов и материалов докладов международных и всероссийских конференций и семинаров, 1 положительное решение о выдаче патента РФ.

Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав и заключения. Содержит 138 страниц, 6 таблиц, 49 рисунков. Список литературы состоит из 81 наименования.

1. МЕТОДЫ И СРЕДСТВА ПЕРЕДАЧИ ИНФОРМАЦИИ В ТЕЛЕКОММУНИКАЦИОННЫХ СЕТЯХ

1.1. Структура звена передачи данных и основные вероятностно-временные характеристики

соответствии с эталонной моделью взаимодеиствия открытых систем (ЭМВОС) из семи определенных моделью уровней канальный уровень (уровень звена передачи данных) обеспечивает функциональные и процедурные средства установления, поддержания и разъединения канальных соединений между сетевыми объектами, а также передачи канальных блоков данных [1-9]. Протоколы управления звеном передачи данных (ЗПД) занимают особое место среди связных протоколов, используемых в сетях передачи данных, и является теми средствами, которые обеспечивают безошибочную передачу данных по реальным каналам связи.

Основная отличительная особенность ЗПД заключается в их значительной структурной и динамической сложности. При этом отдельные компоненты также сложны и позволяют выделить в них вертикальную соподчиненность, взаимозависимость действий, управление подсистемами нижних уровней со стороны верхних и др. Всё это позволяет определить ЗПД термином "большие системы" и/или "сложные системы", а также применять при их описании и исследовании основные положения математической теории многоуровневых иерархических систем [10; 11].

С точки зрения удобства описания процессов передачи и защиты информации от ошибок при решении задач анализа и синтеза ЗПД целесообразно выделить следующие уровни иерархической структуры звена передачи данных, рекомендованной международной организацией по стандартизации (МОС) [1; 12; 13]:

Помехи

Пользователь Управление Помехоустойчивое МОДЕМ

(источник) 4—» передачей кодирование

данных (декодирование)

Канал связи КС. Помехоустойчивое Управление Пользователь

МОДЕМ кодирование передачей (источник)

(декодирование) данных

Непрерывный канал

Дискретный канал связи (ДК)

Блоковый канал (БК)

Канал передачи данных (КПД)

Рис. 1.1

• непрерывный канал связи;

• дискретный канал (ДК);

• блоковый канал;

• канал передачи данных;

• звено данных.

Каждый из перечисленных уровней имеет свое назначение, определяемое наличием тех или иных процедур передачи и защиты информации от ошибок (см. рис. 1.1).

Цели управления звеном передачи данных, реализуемые в форме тех или иных процедур передачи и защити информации от ошибок, могут быть сформулированы в виде вероятностно-временных характеристик (ВВХ) ЗПД, среди которых основным является [1; 12; 13; 35; 36; 65]:

• характеристики скорости передачи информации;

• характеристики верности (достоверности);

• время задержки (передачи) информации заданного объема.

Скорость передачи информации наиболее полно характеризует ЗПД и измеряется отношением числа двоичных символов Н^), поступивших на вход звена передачи данных за время 1, к времени I Так как информация, передаваемая в ЗПД, кроме полезных данных, содержит служебную информацию, требующуюся для обеспечения надлежащего качества передачи полезных данных, количественной оценке подлежит реальная (эффективная) скорость передачи данных. Под реальной скоростью понимают максимальный объем полезной информации, переданной за единицу времени при реальных условиях функционирование ЗПД.

При сравнительном анализе протоколов и процедур передачи информации пользуются понятием эффективной скоростью передачи данных. Эффективная

скорость передачи данных определяет численную величину эффективности процесса управления звеном передачи данных

Уз^а.У.Пдк.П^),

где г - временной интервал; V - скорость модуляции; П дк - тип и параме!ры модели ошибок в дискретном канале; П кпд - тип и параметры протокола управления каналом передачи данных .

Параметр П кпд , определяющий эффективную скорость передачи информации, в свою очередь зависит от ряда факторов:

Пкпд = Пкпд(С,п,г,А,Пи,тг),

где С - тип помехоустойчивого блокового кода; п - длина блока (пакета, кадра), предназначенного для передачи информации по телекоммуникационной сети; г - постоянная избыточная служебная часть блока, А - алгоритм исправления (коррекции) ошибок; Пи - тип и параметры процедуры идентификации текущего состояния канала связи (если используются адаптивные методы передачи информации), л - другие параметры протокола.

Скорость модуляции измеряется количеством элементарных сигналов, передаваемых по каналу связи в единицу времени [37]. В случае передачи информации двухпозиционным сигналом значения скорости передачи информации и скорости модуляции совпадают. Использование многопозиционных сигналов позволяет получать более высокую скорость передачи информации при той же скорости модуляции. В соответствии с ГОСТ 17422-72 для телефонных каналов сети общего пользования установлен ряд скоростей передачи информации: 300(200), 600, 1200, 2400, 3600, 4800, 9600 бит/с .

Скорость модуляции ограничена полосой пропускания канала связи [37; 38]. С учетом того, что канал ТЧ имеет полосу пропускания 3,1 кГц при использовании 4-х проводного соединения (или в случае 2-х проводного соединения в

режиме полудуплексной связи) при двухпозиционных сигналах максимальная скорость передачи информации равна 1200 бит/с. Для увеличения скорости передачи информации необходимо применение методов многократной (многопози�