Формализация методов разработки алгоритмического обеспечения систем коммутации

Актуальность проблемы. Создание новых сетей связи, равно как и модернизация старых, основывается в настоящее время на внедрении цифровых систем передачи и обработки информации. Подобные системы, уже в случае их использования только в отдельных звеньях сети, позволяют обеспечить предоставление ряда услуг, до этого являвшихся недоступными, а введение в эксплуатацию цифровых сетей, как междугородных так и местных оказывает существенное влияние уже на саму инфраструктуру общественной формации.

Как известно любая сеть связи состоит из трех основных компонентов: систем коммутации, систем передачи и каналов связи. Наиболее сложным элементом в составе сети являются системы коммутации. При этом с увеличением «интеллектуальности» сети ужесточаются требования, предъявляемые к ее компонентам и в первую очередь к системам коммутации.

На сегодня, основной задачей, решаемой в процессе создания систем коммутации является разработка программного обеспечения. Как показано в ряде источников и как признают сами разработчики, этап создания алгоритмического и программного обеспечения является наиболее сложным и трудоемким, занимая до 90% ресурсов всего проекта/1, 2, 14, 19, 26, 28, 50, 52, 67/.

Увеличение сложности программных продуктов привело к необходимости формирования нового подхода к созданию алгоритмического и программного обеспечения, при котором процесс разработки рассматривается как своего рода технология, которая, как и всякая другая технология делится на ряд этапов. Каждый из которых выполняется в соответствии с правилами, которые могут быть определены с различным уровнем формализации.

На сегодня можно констатировать, что практически каждая крупная фирма, занимающаяся созданием систем связи имеет собственную технологию для разработки программного обеспечения, строящуюся на использовании того или иного формального языка и набора инструментальных средств его поддержки.

Описанию языков спецификаций, равно как и средств их поддержки посвящен ряд работ различных авторов /3, 4, 6, 8, 21, 38, 47, 75/.

Вместе с тем, вопросам математического описания алгоритмических процессов систем работающих в реальном режиме времени посвящено гораздо меньше исследований /5, 6, 16/. Что связано с рядом факторов, основными из которых являются:

• существовавшая до последнего времени аппаратная база налагала жесткие требования на программное обеспечение, делая его в ряде случаев ориентированным не на абстрактное решение тех или иных алгоритмических задач, а на решение этих задач с учетом специфики той или иной аппаратной среды;

• создание новых инструментальных средств связано с большим количеством как прямых, так и косвенных расходов, что делает подобные исследования малопривлекательными для конкретного производителя по крайней мере до тех пор, пока новые задачи могут быть решены с использованием уже имеющихся средств.

Однако развитие микроэлектроники в последние годы привело к снижению критичности требований определяемых аппаратной базой, что наряду с увеличением сложности систем приводит к переносу акцентов с алгоритмического обеспечения, ориентированного на конкретную аппаратную среду к алгоритмическому обеспечению, ориентированному на абстрактное математическое определение задач.

Поэтому актуальным является исследование математических методов описания алгоритмического обеспечения в общем и алгоритмического обеспечения систем связи, как наиболее сложных систем, в частности.

Объектом исследования диссертационной работы является технология разработки программного обеспечения систем телекоммуникаций.

Предметом исследования являются математические методы описания алгоритмического обеспечения систем телекоммуникаций.

Цели работы и задачи исследования. Целью диссертационной работы является исследование методов и разработка методики математического описания алгоритмического обеспечения систем телекоммуникаций.

Состояние проблемы и задачи исследования. Технология разработки программного обеспечения больших систем, к которым относятся в частности системы коммутации, является объектом многочисленных исследований как отечественных И. В. Вельбицкий, Я. М. Бардзинь, В. В. Липаев, А. А. Серебровский, В. А. Манохин, так и зарубежных О. Haugen, М. Hils, В. Boehm, А. Olsen, R. Braek специалистов. Основными направлениями исследования здесь является разработка инструментальных средств проектирования и методики их применения. Результат этих исследований отражены не только в публикациях, но и легли в основу создания ряда международных стандартов.

С другой стороны количество исследований в области математического определения алгоритмов также достаточно велико. Здесь можно выделить работы A.A. Маркова, А. И. Мальцева, Р. Петер, Р. Гудстайн, Н. Катленд, Э. Хамби. Однако большинство исследований в этой области носит теоретический характер.

Вместе с тем, практически отсутствуют исследования, посвященные вопросам применения разработанных в математике методов описания алгоритмического обеспечения для реализации конкретных проектов.

В соответствии с указанной целью в работе поставлены и решены следующие задачи:

1. Исследование математических методов описания алгоритмов с целью определения метода наиболее удобного для описания алгоритмов задач, свойственных системам коммутации.

2. Разработка методики применения математических методов для описания алгоритмических задач, свойственных системам коммутации.

3. Описание, в соответствии с определенной ранее методикой основных алгоритмов работы системы коммутации.

4. Разработка правил организации вычислительного процесса по обслуживанию вызовов системой коммутации.

5. Исследования возможности применения разработанной методики при решении других телекоммуникационных задач.

6. Разработка программных продуктов для систем телекоммуникаций в соответствии с определенными методами.

Научная новизна работы заключается в следующем:

1. Проведено исследование принципов построения алгоритмического обеспечения систем коммутации и показано, что процесс обслуживания вызова узлом коммутации может быть описан математической моделью Расширенного Конечного Автомата (РКА) с использованием того или иного класса вычислимых функций;

2. Получена универсальная функция для функций описывающих работу конечных автоматов;

3. В результате исследования способов представления универсальной функции для конечных автоматов сделан вывод о целесообразности использования табличной формы представления (универсальной таблицы);

4. Разработана методика перехода от описания КА в виде 8ВЬ-диаграмм к его описанию в форме универсальной таблице;

5. Разработан алгоритм обработки универсальной таблицы.

Практическая ценность проведенных исследований заключается в следующем.

1. Предложенная методика представления алгоритмического обеспечения систем коммутации в табличном виде позволяет перейти от программного обеспечения строящегося на использовании исполняемых программ к программному обеспечению строящегося на использовании структур данных и универсальной системы их обработки, что упрощает процесс внесения изменений и расширения существующего программного обеспечения.

2. Описание алгоритмов работы систем коммутации в математическом виде с использованием определенного класса вычислимых функций позволяет с одной стороны рассматривать алгоритмическое обеспечение в качестве абстрактного объекта отдельно от конкретной реализации той или иной системы и с другой стороны производить настройку абстрактных алгоритмов на конкретную среду с гарантией того что алгоритмическая задача будет успешно решена ввиду вычислимости описывающей ее функции.

3. Разработанная методика может быль применена не только при разработки программного обеспечения систем коммутации, но и программного обеспечения целого класса систем, описываемых математической моделью конечного автомата. При этом алгоритм обработчика универсальной таблицы не изменяется, а все изменения относятся только к структуре организации вычислительного процесса и содержимому универсальной таблицы.

Реализация результатов работы. Результаты работы внедрены в промышленности организациями, занимающимися производством телекоммуникационных систем, о чем имеются соответствующие акты.

Апробация результатов работы. Результаты работы обсуждались и были одобрены на научно-технических конференциях профессорско-преподавательского состава Государственного университета телекоммуникаций. По результатам диссертации опубликовано 10 работ в открытой печати и специальных изданиях.

Личный вклад автора. Основные научные положения, теоретические выводы и рекомендации, содержащиеся в работе, получены автором самостоятельно.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, 4 глав, заключения, списка литературы и 4 приложений.

Основные результаты проведенных исследований состоят в следующем.

1. Показано, что основной моделью, описывающей систем телекоммуникаций является математическая модель расширенного конечного автомата.

2. В результате анализа математической модели РКА определена универсальная функция, для класса функций, описывающих поведение конечного автомата. Проанализированы способы задания универсальной функции и показано, что наиболее оптимальным, с точки зрения автоматической обработки, является задание универсальной функции в виде таблицы.

3. Проведен анализ ряда классов вычислимых функций и показано, что наиболее удобным для описания моделей, строящихся на основе модели расширенного конечного автомата, является класс МНР-операторов.

4. Разработана методика перехода от описания алгоритмов в терминах языка 8ВЬ/СЖ к его описанию в виде универсальной таблицы. Разработан алгоритм обработчика универсальной таблицы, который позволяет обрабатывать таблицы определенного формата безотносительно к их содержимому.

5. Определены в математическом виде, с использованием замкнутого класса МНР-операторов, основные алгоритмы, свойственные системам коммутации. Показано, что математическое определение алгоритмов позволяет рассматривать их отдельно от реализации конкретной системы коммутации, а использование алгоритма при разработки алгоритмического обеспечения отдельной системы связано с настройкой параметров алгоритма на параметры среды.

6. Разработаны принципы организации вычислительного процесса для систем коммутации, алгоритмическое обеспечение которых описывается посредством универсальной таблицы.

7. Разработаны принципы использования универсальных таблиц и организации вычислительного процесса для проведения тестирования протоколов систем сигнализации. 1 2 3 4 5 б 7 8 9.

Заключение

.

Разработка программного обеспечения больших систем уже давно перешла из разряда задач, решаемых отдельным, пусть даже высококвалифицированным специалистом, в разряд жестко регламентированных технологических задач. Одним из наиболее узких мест в организации сопряжения между различными этапами технологической цепочки остается переход от алгоритмического обеспечения к программному. Проблема состоит в основном в различии точек зрения на решаемую задачу между разработчиком алгоритмического обеспечения (спецификатором) и программистом. Создание формализованных языков спецификаций и трансляторов «язык спецификации — язык программирования» позволило в некоторой степени разрешить создавшуюся проблему, заключающуюся в различии между математической сущностью объекта и его описанием (моделью). Однако подобное решение не разрешило, а лишь передвинуло на более высокий уровень абстракции причины, приведшие в свое время к кризису программирования. Действительно кардинальным средством здесь, как показывает ряд разработанных теорий, является определение алгоритма в математическом виде посредством использования того или иного класса вычислимых функций. При таком подходе алгоритм представляет собой некоторую формулу, определенную в терминах замкнутого класса вычислимых функций, которая может быть однозначно вычислена математическим процессором класса.

В диссертационной работе была предпринята попытка математически описать алгоритмы, свойственные телекоммуникационным системам.