Цікра Родіон Сергійович

Вступ
Огляд за темою
Актуальність роботи
Постановка задач дослідження
Наукова значимість роботи та цінність результатів
Структура информаційного простору промисловаого підприємства
Система контролю та керування
Оцінка вірності інформації в корпоративних мережах
Висновки
Література

Вступ

Корпоративна мережа великого промислового підприємства є територіально розподіленою, тобто об'єднує офіси, філіали, відділи, цехи, складські приміщення, підрозділи та інші структури, що знаходяться на значній відстані один від одного. Часто вузли корпоративної мережі виявляються розташованими в різних містах, а іноді і країнах. Таку мережу можна розділити на дві частини: локальну (периферійна) та орендовані лінії (магістральна). Волоконно-оптичні магістральні лінії зв'язку забезпечують ймовірність помилки 10^(-9), тому в даній роботі основна увага буде приділена периферійній частині, що піддаються перешкодам різної природи та від різних джерел.

Огляд за темою

Оскільки передача даних по лініях зв'язку відбувається за умов високого рівня електромагнітних перешкод, то при формуванні пакету дані, що передаються, попередньо обробляються з метою підвищення надійності передачі. Основними методами обробки даних з метою підвищення завадостійкості є:

* розбиття пакету на окремі блоки і обчислення контрольної суми для кожного блоку;

* завадостійке кодування (надання надмірності).

Для збільшення завадостійкості дані, що передаються, розбиваються на блоки. Потім для кожного блоку обчислюється контрольна сума, яка передається після блоку інформаційних даних. Застосування контрольної суми забезпечує виявлення одиночних пакетів помилок.

Для зменшення числа повторних передач інформаційних пакетів і, отже, для збільшення пропускної здатності каналу, а також для більш надійної передачі даних можна застосовувати пряме виправлення помилок шляхом використання способів завадостійкого кодування (FEC). Зазвичай з цією метою використовують коди Ріда-Соломона (RS) різного виду чи код Хеммінга (НАМ). Відзначимо, що використання FEC призводить до зниження «інформаційної» швидкості передачі даних. Незважаючи на вказане зниження швидкості, використання FEC виправдано за складних обставин щодо перешкод, оскільки зменшує кількість повторних передач пакетів і, таким чином, знижує загальний час, необхідний для достовірної передачі даних.

Актуальність роботи

Найпоширенішою мережевою технологією на даний момент є Ethernet. Стек протоколів TCP/IP, що в ній використовується, вже передбачає гарантовану доставку пакетів, у випадку втрати або пошкодження пакет передається повторно. У нових високошвидкісних повнодуплексних стандартах поняття «домену колізій» вже не актуальне. Однак на виробництві використовувати повний дуплекс недоцільно, головна задача датчиків і інших джерел інформації - надійна доставка відомостей про стан обладнання, ліній, процесів в цілому. Тут, як і раніше, можливі колізії, що в рази знижують працездатність мережі.

Тому необхідний пошук рішення, яке дозволить знизити ймовірність появи помилки збору даних відповідно до висунутих вимог. Метод повинен враховувати всі суттєві перешкоди, що виникають на виробництві, повинен бути порівняно легким в плані реалізації, і в підсумку повинен бути вигіднішим за ціною, ніж варіант встановлення обладнання новітніх стандартів.

Постановка задач дослідження

Для виконання мети роботи можна виділити наступні задачі:

* дати характеристику інформаційного простору промислового підприємства (корпорації);

* проаналізувати існуючі в корпоративній мережі перешкоди;

* розробити модель помилок корпоративної мережі;

* вибрати і обгрунтувати метод забезпечення вірності передачі інформації;

* розробка і дослідження методу забезпечення вірності інформації;

* дати рекомендації для реалізації розроблених методів забезпечення вірності інформації в корпоративній мережі.

Наукова значимість роботи та цінність результатів

Проведена робота з систематизації перешкод. На її базі побудована інтегральна модель помилок. У фінальній стадії роботи буде досліджуватися турбо кодування як метод забезпечення достовірності передачі інформації. На даний момент існує не так багато методів для оцінки його завадостійких властивостей. В основному це результати, отримані шляхом моделювання за конкретних заданих умов. Точного ж теоретичного описання поки не існує.

Структура інформаційного простору промислового підприємства

Інформаційний простір підприємства являє собою сукупність інформаційних просторів компонентів підприємства: об'єктів керування, центрів керування, зовнішніх об'єктів (рис.1). Простір інформаційного об'єкта включає у наступні складові елементи [1]:

* простір первинних повідомлень, утворюваних джерелами корисних сигналів;

* простір вторинних повідомлень, що визначаються за первинними повідомленнями та створюються джерелами вторинних сигналів;

* простір корисних сигналів впливу на об'єкт, що формується джерелами сигналів зворотного зв'язку;

* простір корисних сигналів, що формуються джерелами сигналів, що взаємодіє із простором оператора й просторами центрів керування через фізичне середовище обміну повідомленнями;

* простір вхідних сигналів зворотного зв'язку, що взаємодіє із простором оператора й просторами центрів керування через фізичне середовище обміну повідомленнями.

Простір об'єкта взаємодіє не тільки із просторами центрів керування, але й із просторами інших об'єктів. Простір центрів керування включає у свій состав простори вхідних сигналів, корисних вихідних сигналів, що взаємодіють із просторами диспетчера, фахівців, інших центрів керування й об'єктів через фізичні середовища обміну повідомленнями [2].

Простір центрів адміністративного керування взаємодіє з усіма просторами, включаючи простори зовнішніх джерел інформації.

Рисунок 1. Склад та структура взаємодій інформаційних просторів підприємства

Призначення блоків:

1 - простір вхідних сигналів;

2 - джерела вихідних сигналів;

3 - перешкоди;

4 - простір корисних вихідних сигналів U;

5 - простір диспетчера;

6 - простір фахівця;

7 - джерела сигналів, що заважають;

8 - простір інших центрів керування;

9 - простір центрів адміністративного керування.

Джерела сигналів, що заважають, створюють простору сигналів, що заважають, що спотворюють корисні сигнали (створюється інформаційний шум помилки) [3].

На рис.2 представлена структура взаємодій підрозділів підприємства.

Рисунок 2. Структура взаємодій підрозділів підприємства

Елементи тут мають наступне значення:
        * прямокутники - технологічні споруди, лінії;
        * овали - особи, що приймають рішення;
        * суцільні жирні стрілки - потоки ресурсів;
        * роздвоєні жирні стрілки - потоки продукції;
        * тонкі стрілки - інформаційні потоки;
        * СУПр (СКП) - система керування підприємством;
        * СУТП (СКТП) - система керування технологічними процесами;
        * СУР (СКР) - система керування ресурсами.

З іншої сторони інформацію можна поділити й за іншими ознаками:
        * за напрямком руху:
                - вхідна;
                - вихідна;
        * за джерелом формування:
                - від датчика;
                - від людини;
                - від комп'ютера;
                - від мережі;
                - від документа;
                - від ЗМІ;
        * за областю використання:
                - зовнішня;
                - внутрішня;
        * за стадією формування:
                - первинна;
                - вторинна;
        * за змістом:
                - технологічна;
                - виробничо-керуюча;
                - управлінська;
                - економічна;
                - комплексна;
        * за часом використання:
                - оперативна;
        * довгострокова:
                - планування;
                - стратегічна;
                - довідкова;
        * за формою подання:
                - документна;
                - мовна;
                - відео;
                - сигнальна.

Ще один підхід до структури інформаційної системи підприємства продемонстрований на рис.3.

Рисунок 3. Структура информационной системы предприятия

Система контролю та керування

Концепція SCАDA (Supervisory Control And Data Acquisition – диспетчерське керування та збір даних) визначена всім ходом розвитку систем керування й результатами науково-технічного прогресу. Застосування SCADA-технологій дозволяє досягти високого рівня автоматизації в вирішенні завдань розробки систем керування, збору, обробки, передачі, зберігання й відображення інформації. Дружність людино-машинного інтерфейсу (HMI/MMI), що надають SCADA - системи, повнота й наочність інформації, що представляється на екрані, доступність "важелів" керування, зручність користування підказками й довідковою системою й т.д. – підвищує ефективність взаємодії диспетчера із системою й зводить до нуля його критичні помилки при керуванні [5].

Слід зазначити, що концепція SCADA, основу якої становить автоматизована розробка систем керування, дозволяє вирішити ще ряд завдань, які довгий час вважалися нерозв'язними: скоротити строки розробки проектів з автоматизації й прямі фінансові витрати на їх розробку. На даний момент SCADA є основним і найбільш перспективним методом автоматизованого керування складними динамічними системами(процесами).

Керування технологічними процесами на основі систем SCADA стало здійснюватися в передових західних країнах в 80-і роки. Область застосування охоплює складні об'єкти электро- і водопостачання, хімічні, нафтохімічні й нафтопереробні виробництва, залізничний транспорт, транспорт нафти й газу й ін.

До труднощів освоєння нової інформаційної технології, якою є SCADA-системи, відноситься як відсутність експлуатаційного досвіду, так і недолік інформації про різні SCADA-системи. У світі налічується не один десяток компаній, що активно займаються розробкою й впровадженням SCADA-систем. Кожна SCADA-система - це "know-how" компанії й тому дані про ту або іншу систему не настільки великі.

Велике значення при впровадженні сучасних систем диспетчерського керування має вирішення наступних завдань:

* вибору SCADA-системи (виходячи з вимог і особливостей технологічного процесу);

* кадрового супроводу.

Вибір SCADA-системи являє собою досить важке завдання, аналогічне прийняттю рішень в умовах багатокритеріальності, ускладнене неможливістю кількісної оцінки ряду критеріїв через недолік інформації. Спеціальна література зі SCADA-систем відсутня, є лише окремі статті та рекламні проспекти.

Багато проектів автоматизованих систем контролю й керування (СКК) для великого спектру областей застосування дозволяють виділити наступну узагальнену схему їхньої реалізації. Як правило, це дворівневі системи, тому що саме на цих рівнях реалізується безпосереднє керування технологічними процесами. Специфіка кожної конкретної системи керування визначається програмно-апаратною платформою, що використовується на кожному рівні.

Нижній рівень - рівень об'єкта (контролерный) - включає різні датчики для збору інформації про хід технологічного процесу, електроприводи й виконавчі механізми для реалізації регулюючих і керуючих впливів. Датчики передають інформацію локальним програмувальним логічним контролерам (PLC - Programming Logical Controoller), які можуть виконувати наступні функції:

* збір і обробка інформації про параметри технологічного процесу;

* керування електроприводами й іншими виконавчими механізмами;

* рішення завдань автоматичного логічного керування та ін.

Через те, що інформація в контролерах попередньо обробляється й частково використовується на місці, істотно знижуються вимоги до пропускної здатності каналів зв'язку.

До апаратно-програмних засобів контролерного рівня керування висуваються тверді вимоги з надійності, часу реакції на виконавчі пристрої, датчики й т.д. Програмувальні логічні контролери повинні гарантовано відгукуватися на зовнішні події, що надходять від об'єкта, за час, визначений для кожної події. Для критичних із цього погляду об'єктів рекомендується використати контролери з операційними системами реального часу (ОСРЧ). Контролери під керуванням ОСРЧ функціонують у режимі твердого реального часу. Інформація з локальних контролерів може направлятися в мережу диспетчерського пункту безпосередньо, а також через контролери верхнього рівня.

Залежно від поставленої задачі контролери верхнього рівня (концентратори, інтелектуальні або комунікаційні контролери) реалізують різні функції. Деякі з них перераховані нижче:

* збір даних з локальних контролерів;

* обробка даних, включаючи масштабування;

* підтримка єдиного часу в системі;

* синхронізація роботи підсистем;

* організація архівів за обраними параметрами;

* обмін інформацією між локальними контролерами й верхнім рівнем;

* робота в автономному режимі при порушеннях зв'язку з верхнім рівнем;

* резервування каналів передачі даних і ін.

Верхній рівень - диспетчерський пункт (ДП) - включає, насамперед, одну або кілька станцій керування, що представляють собою автоматизоване робоче місце (АРМ) диспетчера/оператора. Тут же може бути розміщений сервер бази даних, робочі місця (комп'ютери) для фахівців і т.д. Часто як робочі станції використаються ПЕВМ типу IBM PC різних конфігурацій. Станції керування призначені для відображення ходу технологічного процесу й оперативного керування. Ці завдання й покликані вирішувати SCADA.

Рисунок 4. Використання системи контролю та керування (SCADA) в структурі корпоративної мережі підприємства

Оцінка вірності інформації в корпоративних мережах

Якість роботи телекомунікаційної мережі корпорації багато в чому залежить від встановленого устаткування і використовуваних орендованих мереж доступу. Якщо у великих центрах встановлено цифрове обладнання, то у віддалених малих центрах і непромислових районах працює аналогове обладнання [6].

Узагальнена структура телекомунікаційної мережі корпорації з урахуванням виділення для об'єктів каналів зв'язку представлена на рис.1, де КЗЛ - виділені канали зв'язку на лініях доступу, КЗД - виділені канали зв'язку на мережах доступу, ДІ - джерело інформації (людина, комп'ютер) з абонентською лінією АЛ , ДП - джерело перешкод у відповідних каналах зв'язку, ЦБД - центральна база даних, пов'язана з системою управління СУ [7].

Однією з основних вимог в корпоративних мережах є забезпечення вірності інформації. Особливостями великих корпоративних мереж, що розташовані у різних регіонах, є:

* застосування різних каналів і мереж доступу;

* наявність різних джерел перешкод з різними параметрами;

* застосування різних протоколів обміну інформацією, що використовують різні методи боротьби з помилками.

Все це призводить до необхідності оцінки вірності інформації в кінцевому пункті - центральній базі даних.

Елементами мережі, що вносять помилки в сигнали, що передаються, є джерело інформації (оператор), канали зв'язку на лініях та мережах доступу, а також транспортна мережа. Так як елементи рознесені в просторі, то помилки, що вносяться ними, можна вважати незалежними [8].

Всі джерела інформації можуть бути поділені на три групи за територіальним принципом [9]:

* віддалені джерела, що розташовані в інших регіонах і підтримують зв'язок з ЦБД через транспортну мережу (ТМ);

* віддалені джерела, що підтримують зв'язок з ЦБД через місцеву мережу доступу (КЗД);

* джерела, розташовані безпосередньо на території головного підприємства (цехи підприємства) і що підтримують зв'язок з ЦБД через канали зв'язку ліній доступу (КЗЛ) всередині виробничих мереж.

Кількість радіальних гілок в мережі і підгруп джерел інформації в кожній гілці визначається величиною і структурним складом підрозділів корпорації.

Рисунок 5. Структура зв'язків елементів корпоративної мережі. i, j, k, l, m, n, s, t - поточні значення відповідних елементів, гілок мережі

Таблиця 1. Кількісні характеристики структури мережі

Таблица 2. Умовні позначення елементів мережі та ймовірностей

1. Розрахунок ймовірності помилки групи віддалених джерел.

Рисунок 6. Структура групи віддалених джерел

Розрахунок здійснюється через ймовірності помилок окремих гілок та груп.

1.1. Розрахунок ймовірності помилки групи ДІ - АЛ.

j-ї гілки:

(1)

1.2. Розрахунок ймовірності помилки групи ДІ – АЛ – КЗЛ.

j-ї гілки:

(2)

1.3. Розрахунок ймовірності помилки групи гілок ДІ – АЛ – КЗЛ до КЗД.

k-ї гілки:

(3)

1.4. Розрахунок ймовірності помилки k-ї гілки (з урахуванням ТМ)

(4)

1.5. Розрахунок ймовірності помилки групи з k гілок

(5)

1.6. Розрахунок ймовірності помилки віддаленої групи з урахуванням КЗДП

(6)

2. Розрахунок ймовірності помилки групи місцевих джерел

Рисунок 7. Структура групи місцевих джерел

2.1. Розрахунок ймовірності помилки групи ДІ – АЛ для m-ї гілки

(7)

2.2. Розрахунок ймовірності помилки місцевої групи ДІ – АЛ – КЗЛ для m-ї гілки

(8)

2.3. Розрахунок ймовірності помилки місцевої групи гілок

(9)

2.4. Розрахунок ймовірності помилки місцевої групи з урахуванням КЗДП

(10)

3. Розрахунок ймовірності помилки групи джерел головного підприємства

Рисунок 8. Структура групи джерел головного підприємства

3.1. Розрахунок ймовірності помилки групи ДІ – АЛ для t-ї гілки

(11)

3.2. Розрахунок ймовірності помилки для t-ї гілки.

(12)

3.3. Розрахунок ймовірності помилки для групи джерел підприємства.

(13)

4. Розрахунок ймовірності помилки в данных ЦБД

Рисунок 9. Розрахунок ймовірності помилки у корпоративній мережі. (кількість кадрів - 15, частота кадрів - 12 кадрів/с, затримка між кадрами - 3с, анімация виконана в Macromedia Flash 8)
(14)

Висновки

В ході досліджень було проаналізовано інформаційний простір корпорації (промислового підприємства), проаналізовані перешкоди та помилки в трактах системи зв'язку, розроблена загальна модель помилок корпоративної мережі.

Використовуючи результати дослідження, можна оцінити систему зв'язку на предмет задоволення вимогам завадостійкості. У випадку, якщо ці вимоги не виконуються, використовуючи отриману кількісну характеристику можна буде чітко визначиться з параметрами засобів підвищення достовірності передачі інформації.

На даний момент робота ще далека від завершення. Для формування кінцевої ефективної моделі належить визначити вагу впливу різних типів перешкод на працездатність мережі. Це дозволить отримувати конкретні значення, на яких буде заснований подальший вибір методу забезпечення достовірності інформації. Також треба розробити модель методу забезпечення достовірності (в даному випадку, кодування), що дасть можливість оцінити ефективність рішення.

---

Література

[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.