Цикра Родион Сергеевич

Введение
Обзор по теме
Актуальность работы
Постановка задачи исследования
Научная значимость работы и ценность результатов
Структура информационного пространства промышленного предприятия
Система контроля и управления
Оценка верности информации в корпоративных сетях
Выводы
Литература

Введение

Корпоративная сеть крупного промышленного предприятия является территориально распределенной, т.е. объединяющей офисы, филиалы, отделы, цеха, складские помещения, подразделения и другие структуры, находящиеся на значительном удалении друг от друга. Часто узлы корпоративной сети оказываются расположенными в различных городах, а иногда и странах. Такую сеть можно разделить на две части: локальную (периферийная) и арендованные линии (магистральная). Волоконно-оптические магистральные линии связи обеспечивают вероятность ошибки 10^(-9), поэтому в данной работе основное внимание будет уделено периферийной части, подверженной помехам различной природы от различных источников.

Обзор по теме

Поскольку передача данных по линии связи происходит в условиях высокого уровня электромагнитных помех, то при формировании пакета передаваемые данные предварительно обрабатываются с целью повышения надежности передачи. Основными методами обработки передаваемых данных с целью увеличения помехоустойчивости являются:

* разбиение пакета на отдельные блоки и вычисление контрольной суммы для каждого блока;

* помехоустойчивое кодирование (добавление избыточности).

Для увеличения помехоустойчивости передаваемые данные разбиваются на блоки. Затем для каждого блока вычисляется контрольная сумма, которая передается после блока информационных данных. Применение контрольной суммы обеспечивает обнаружение одиночных пакетов ошибок.

Для уменьшения числа повторных передач информационных пакетов и, следовательно, для увеличения пропускной способности канала, а также для более надежной передачи данных, можно применять прямое исправление ошибок путем использования способов помехоустойчивого кодирования (FEC). Обычно с этой целью используют коды Рида-Соломона (RS) различного вида или код Хэмминга (НАМ). Отметим, что использование FEC приводит к снижению “информационной” скорости передачи данных. Несмотря на указанное снижение скорости, использование FEC оправдано в сложной помеховой обстановке, поскольку уменьшает количество повторных передач пакетов и, таким образом, снижает общее время, требуемое для достоверной передачи данных.

Актуальность работы

Самой распространенной сетевой технологией на данный момент является Ethernet. Используемый в ней стек протоколов TCP/IP уже подразумевает гарантированную доставку пакетов, в случае потери или повреждения пакет передается заново. В новых высокоскоростных полнодуплексных стандартах понятие «домена коллизий» уже не актуально. Однако на производстве использовать полный дуплекс бессмысленно, главная задача датчиков и остальных источников информации – надежная доставка сведений о состоянии оборудования, линий, процессов в целом. Здесь по-прежнему возможны коллизии, в разы снижающие работоспособность сети.

Поэтому необходим поиск решения, которое позволит снизить вероятность появления ошибки сбора данных в соответствии с предъявленными требованиями. Метод должен учитывать все существенные помехи, возникающие на производстве, должен быть сравнительно легко реализуемым, и в итоге должен быть выгоднее по стоимости, чем вариант установки оборудования новейших стандартов.

Постановка задачи исследования

Для выполнения цели работы можно выделить следующие задачи:

* дать характеристику информационного пространства промышленного предприятия (корпорации);

* проанализировать существующие в корпоративной сети помехи;

* разработать модель ошибок корпоративной сети;

* выбрать и обосновать метод обеспечения верности передачи информации;

* разработка и исследование метода обеспечения верности информации;

* дать рекомендации для реализации разработанных методов обеспечения верности информации в корпоративной сети.

Научная значимость работы и ценность результатов

Проведена работа по систематизации помех. На ее базе построена интегральная модель ошибок. В финальной стадии работы будет исследоваться турбо кодирование как метод обеспечения достоверности передачи информации. На данный момент существует не так много методов для оценки его помехозащитных свойств. В основном это результаты, полученные путем моделирования при конкретных заданных условиях. Точного же теоретического описания пока нет.

Структура информационного пространства промышленного предприятия

Информационное пространство предприятия представляет собой совокупность информационных пространств компонентов предприятия: объектов управления, центров управления, внешних объектов (рис.1). Пространство информационного объекта включает в свой состав следующие составляющие [1]:

1. пространство первичных сообщений, выделяемых источниками полезных сигналов;

2. пространство вторичных сообщений, определяемых по первичным сообщениям и выделяемых источниками вторичных сигналов;

3. пространство полезных сигналов воздействия на объект, формируемое источниками сигналов обратной связи;

4. пространство полезных сигналов, формируемых источниками сигналов, взаимодействующее с пространством оператора и пространствами центров управления через физическую среду обмена сообщениями;

5. пространство входных сигналов обратной связи, взаимодействующее с пространством оператора и пространствами центров управления через физическую среду обмена сообщениями.

Пространство объекта взаимодействует не только с пространствами центров управления, но и с пространствами других объектов [2]. Пространство центров управления включает в свой состав пространства входных сигналов, полезных выходных сигналов, взаимодействующих с пространствами диспетчера, специалистов, других центров управления и объектов через физические среды обмена сообщениями.

Пространство центров административного управления взаимодействует со всеми пространствами, включая пространства внешних источников информации [3].

Рисунок 1. Состав и структура взаимодействий информационных пространств предприятия

Назначение блоков:

1 – пространство входных сигналов;

2 – источники выходных сигналов;

3 – помехи;

4 - пространство полезных выходных сигналов U;

5 – пространство диспетчера;

6 – пространство специалиста;

7 – источники мешающих сигналов;

8 – пространство других центров управления;

9 – пространство центров административного управления.

Источники мешающих сигналов создают пространства мешающих сигналов, искажающих полезные сигналы (создается информационный шум ошибки) [4].

На рис.2 представлена структура взаимодействий подразделений предприятия.

Рисунок 2. Структура взаимодействий подразделений предприятия

Здесь:
        * прямоугольники – технологические установки, линии;
        * овалы – лица, принимающие решения;
        * сплошные жирные стрелки – потоки ресурсов;
        * раздвоенные жирные стрелки – потоки продукции;
        * тонкие стрелки – информационные потоки;
        * СУпр – система управления предприятием;
        * СУТП – система управления технологическими процессами;
        * СУР – система управления ресурсами.

С другой стороны информацию можно также поделить и по другим признакам:
        * по направлению движения:
                – входящая;
                – исходящая;
        * по источнику формирования:
                – от датчика;
                – от человека;
                – от компьютера;
                – от сети;
                – от документа;
                – от СМИ;
        * по области использования:
                – внешняя;
                – внутренняя;
        * по стадии формирования:
                – первичная;
                – вторичная;
        * по содержанию:
                – технологическая;
                – производственно-управляющая;
                – управленческая;
                – экономическая;
                – комплексная;
        * по времени использования:
                – оперативная;
                –долговременная:
                – планирования;
                – стратегическая;
                – справочная;
        * по форме представления:
                – документная;
                – речевая;
                – видео;
                – сигнальная.

Еще один подход к структуре информационной системы предприятия продемонстрирован на рис.3.

Рисунок 3. Структура информационной системы предприятия

Система контроля и управления

Концепция SCАDA (Supervisory Control And Data Acquisition - диспетчерское управление и сбор данных) предопределена всем ходом развития систем управления и результатами научно-технического прогресса. Применение SCADA-технологий позволяет достичь высокого уровня автоматизации в решении задач разработки систем управления, сбора, обработки, передачи, хранения и отображения информации. Дружественность человеко-машинного интерфейса (HMI/MMI), предоставляемого SCADA-системами, полнота и наглядность представляемой на экране информации, доступность «рычагов» управления, удобство пользования подсказками и справочной системой и т. д. - повышает эффективность взаимодействия диспетчера с системой и сводит к нулю его критические ошибки при управлении [5].

Следует отметить, что концепция SCADA, основу которой составляет автоматизированная разработка систем управления, позволяет решить еще ряд задач, долгое время считавшихся неразрешимыми: сократить сроки разработки проектов по автоматизации и прямые финансовые затраты на их разработку. В настоящее время SCADA является основным и наиболее перспективным методом автоматизированного управления сложными динамическими системами (процессами).

Управление технологическими процессами на основе систем SCADA стало осуществляться в передовых западных странах в 80-е годы. Область применения охватывает сложные объекты электро- и водоснабжения, химические, нефтехимические и нефтеперерабатывающие производства, железнодорожный транспорт, транспорт нефти и газа и др.

К трудностям освоения новой информационной технологии, какой являются SCADA-системы, относится как отсутствие эксплуатационного опыта, так и недостаток информации о различных SCADA-системах. В мире насчитывается не один десяток компаний, активно занимающихся разработкой и внедрением SCADA-систем. Каждая SCADA-система - это "know-how" компании и поэтому данные о той или иной системе не столь обширны.

Большое значение при внедрении современных систем диспетчерского управления имеет решение следующих задач:

* выбора SCADA-системы (исходя из требований и особенностей технологического процесса);

* кадрового сопровождения.

Выбор SCADA-системы представляет собой достаточно трудную задачу, аналогичную принятию решений в условиях многокритериальности, усложненную невозможностью количественной оценки ряда критериев из-за недостатка информации. Специальная литература по SCADA-системам отсутствует, имеются лишь отдельные статьи и рекламные проспекты.

Многие проекты автоматизированных систем контроля и управления (СКУ) для большого спектра областей применения позволяют выделить следующую обобщенную схему их реализации. Как правило, это двухуровневые системы, так как именно на этих уровнях реализуется непосредственное управление технологическими процессами. Специфика каждой конкретной системы управления определяется используемой на каждом уровне программно-аппаратной платформой.

Нижний уровень - уровень объекта (контроллерный) - включает различные датчики для сбора информации о ходе технологического процесса, электроприводы и исполнительные механизмы для реализации регулирующих и управляющих воздействий. Датчики поставляют информацию локальным программируемым логическим контроллерам (PLC - Programming Logical Controoller), которые могут выполнять следующие функции:

* сбор и обработка информации о параметрах технологического процесса;

* управление электроприводами и другими исполнительными механизмами;

* решение задач автоматического логического управления и др.

Так как информация в контроллерах предварительно обрабатывается и частично используется на месте, существенно снижаются требования к пропускной способности каналов связи.

К аппаратно-программным средствам контроллерного уровня управления предъявляются жесткие требования по надежности, времени реакции на исполнительные устройства, датчики и т.д. Программируемые логические контроллеры должны гарантированно откликаться на внешние события, поступающие от объекта, за время, определенное для каждого события. Для критичных с этой точки зрения объектов рекомендуется использовать контроллеры с операционными системами реального времени (ОСРВ). Контроллеры под управлением ОСРВ функционируют в режиме жесткого реального времени. Информация с локальных контроллеров может направляться в сеть диспетчерского пункта непосредственно, а также через контроллеры верхнего уровня.

В зависимости от поставленной задачи контроллеры верхнего уровня (концентраторы, интеллектуальные или коммуникационные контроллеры) реализуют различные функции. Некоторые из них перечислены ниже:

* сбор данных с локальных контроллеров;

* обработка данных, включая масштабирование;

* поддержание единого времени в системе;

* синхронизация работы подсистем;

* организация архивов по выбранным параметрам;

* обмен информацией между локальными контроллерами и верхним уровнем;

* работа в автономном режиме при нарушениях связи с верхним уровнем;

* резервирование каналов передачи данных и др.

Верхний уровень - диспетчерский пункт (ДП) - включает, прежде всего, одну или несколько станций управления, представляющих собой автоматизированное рабочее место (АРМ) диспетчера/оператора. Здесь же может быть размещен сервер базы данных, рабочие места (компьютеры) для специалистов и т. д. Часто в качестве рабочих станций используются ПЭВМ типа IBM PC различных конфигураций. Станции управления предназначены для отображения хода технологического процесса и оперативного управления. Эти задачи и призваны решать SCADA.

Рисунок 4. Использование системы контроля и управления (SCADA) в структуре корпоративной сети предприятия

Оценка верности информации в корпоративных сетях

Качество работы телекоммуникационной сети корпорации во многом зависит от установленного оборудования и используемых арендуемых сетей доступа. Если в крупных центрах установлено цифровое оборудование, то в удаленных малых центрах и непромышленных районах работает аналоговое оборудование. [6]

Обобщенная структура телекоммуникационной сети корпорации с учетом выделения для объектов каналов связи представлена на рис.5, где КСЛ – выделенные каналы связи на линиях доступа, КСД – выделенные каналы связи на сетях доступа, ИИ – источник информации (человек, компьютер) с абонентской линией АЛ, ИП – источник помех в соответствующих каналах связи, ЦБД – центральная база данных, связанная с системой управления СУ [7].

Одним из основных требований в корпоративных сетях является обеспечение верности информации. Особенностями больших корпоративных сетей, пролегающих в различных регионах, является:

* применение различных каналов и сетей доступа;

* наличие различных источников помех с различными параметрами;

* применение различных протоколов обмена информацией, использующих различные методы борьбы с ошибками.

Все это приводит к необходимости оценки верности информации в конечном пункте – центральной базе данных.

Элементами сети, вносящими ошибки в передаваемые сигналы, являются источник информации (оператор), каналы связи на линиях и сетях доступа, а также транспортная сеть. Так как элементы разнесены в пространстве, то ошибки, вносимые ими, можно считать независимыми. [8]

Все источники информации могут быть разделены на три группы по территориальному принципу [9]:

* удаленные источники, располагающиеся в других регионах и поддерживающие связь с ЦБД через транспортную сеть (ТС);

* удаленные источники, поддерживающие связь с ЦБД через местную сеть доступа (КСД);

* источники, располагающиеся непосредственно на территории головного предприятия (цеха предприятия) и поддерживающие связь с ЦБД через каналы связи линий доступа (КСЛ) внутри производственных сетей.

Количество радиальных ветвей в сети и подгрупп источников информации в каждой ветви определяется величиной и структурным составом подразделений корпорации.

Рисунок 5. Структура связей элементов корпоративной сети. i, j, k, l, m, n, s, t – текущие значения соответствующих элементов, ветвей сети

Таблица 1. Количественные характеристики структуры сети

Таблица 2. Условные обозначения элементов сети и вероятностей

1. Расчет вероятности ошибки группы удаленных источников

Рисунок 6. Структура группы удаленных источников

Расчет осуществляется через вероятности ошибок отдельных ветвей и групп.

1.1. Расчет вероятности ошибки группы ИИ – АЛ.

j-й ветви:

(1)

1.2. Расчет вероятности ошибки группы ИИ – АЛ – КСЛ.

j-й ветви:

(2)

1.3. Расчет вероятности ошибки группы ветвей ИИ – АЛ – КСЛ до КСД.

k-й ветви:

(3)

1.4. Расчет вероятности ошибки k-й ветви (с учетом ТС)

(4)

1.5. Расчет вероятности ошибки группы из k ветвей

(5)

1.6. Расчет вероятности ошибки удаленной группы с учетом КСДП

(6)

2. Расчет вероятности ошибки группы местных источников

Рисунок 7. Структура группы местных источников

2.1. Расчет вероятности ошибки группы ИИ – АЛ для m-й ветви

(7)

2.2. Расчет вероятности ошибки местной группы ИИ – АЛ – КСЛ для m-й ветви

(8)

2.3. Расчет вероятности ошибки местной группы ветвей

(9)

2.4. Расчет вероятности ошибки местной группы с учетом КСДП

(10)

3. Расчет вероятности ошибки группы источников головного предприятия

Рисунок 8. Структура группы источников головного предприятия

3.1. Расчет вероятности ошибки группы ИИ – АЛ для t-й ветви

(11)

3.2. Расчет вероятности ошибки для t-й ветви.

(12)

3.3. Расчет вероятности ошибки для группы источников предприятия.

(13)

4. Расчет вероятности ошибки в данных ЦБД

Рисунок 9. Расчет вероятности ошибки корпоративной сети. (количество кадров - 15, частота кадров - 12 кадров/с, задержка между кадрами - 3с, анимация выполнена в Macromedia Flash 8)
(14)

Выводы

В ходе исследований было проанализировано информационное пространство корпорации (промышленного предприятия), проанализированы помехи и ошибки в трактах системы связи, разработана общая модель ошибок корпоративной сети.

Используя результаты исследования, можно оценить систему связи на предмет удовлетворения требованиям помехоустойчивости. В случае, если эти требования не выполняются, используя полученную количественную характеристику можно будет четко определится с параметрами средств повышения достоверности передачи информации.

На данный момент работа еще далека от завершения. Для формирования конечной эффективной модели предстоит определить вес влияния различных типов помех на работоспособность сети. Это позволит получать конкретные значения, на которых будет основан дальнейший выбор метода обеспечения достоверности информации. Также предстоит разработать модель метода обеспечения достоверности (в данном случае, кодирования), которая даст возможность оценить эффективность решения.

---

Литература

[1] Кульгин М. Технології корпоративних мереж. – Спб.: Питер, 2000. – 543 с.

[2] Олифер В.Г., Олифер Н.А., Комп'ютерні мережі. Принципи, технології, протоколи. - Спб.: Питер, 2001. - 672 с.

[3] Советов Б. Я., Яковлев С. А. Построение сетей интегрального обслуживания. Л.: Машиностроение, 1990.

[4] Бертсекас Д., Галлагер Р. Сети передачи данных. М.: Мир, 1989.

[5] Куцевич Н.А. «SCADA-системи. Погляд з боку», ЗАТ "Ртсофт", Москва, "PCWeek", N 32-33, 1998 рік.

[6] Гадасин В. А. Методы расчета структурной надежности сетей связи. М.: 1986.

[7] Филин Б. П. Методы анализа структурной надежности сетей связи. М.: Радио и связь, 1988.

[8] J. Bowles. A Model for Assesing Computer Network Reliability. IEEE Southeast CON'89: Conf. and Exhib. Energy and Inf. Technol. Southeast. Columbia, S.C. Apr. 9-12, 1989: Proc. vol.2. NewYork (NY), 1989.

[9] Кодирование информации (двоичные коды) / Н. Т. Березюк, А. Г. Андрущенко, С. С. Мощицкий [и др.]. – Харьков: Вища школа, 1978. – 252 с.: ил.

[10] Вамберский М.В., Казанцев В.И. и др. Передающие устройства СВЧ. –М.: Высшая школа. -1984.-448 с.