Исследование методов повышения надежности управляющих локальных сетей

Настоящее время характеризуется бурным развитием информационно-управляющих систем для самых разнообразных применений от планетарных систем управления ПВО и ПРО, всемирных банковских платежных систем с использованием магнитных кредитных карточек и т. п. до систем интеллектуальных датчиков образующих локальную сеть для решения задач первичной обработки и передачи информации на следующий уровень иерархии. В таких системах в зависимости от назначения могут преобладать качества характерные для связных систем или для систем управления, либо их весовые соотношения могут изменяться в зависимости от комплекса внешних факторов.

Управляющая локальная сеть (УЛС) — это мультипрограммная, асинхронная, распределенная система сбора, первичной обработки и передачи информации. УЛС нашли широкое применение при построении систем самого различного назначения, весьма разнообразной конфигурации и использующих различные протоколы обмена информацией. При этом общим для всех систем является наличие высоких требований к показателям надежности. Для таких сложных систем, состоящих из многочисленных контроллеров, взаимодействующих друг с другом, решающих одновременно как общие для всей сети задачи, так и частные для каждого отдельного контроллера, весьма сложным является обеспечение устойчивости сети к нарушениям в линиях связи. При этом предполагается, что возможны нарушения в линиях связи типа «короткое замыкание» или «обрыв» .

Сегодня наиболее часто используются три топологии локальных сетей: «звезда», «кольцо» и «шина» и ни одна из этих топологий не обеспечивает устойчивости сети к отказу линии связи. В сети типа «звезда» отказ линии связи приводит к выпадению одного из абонентов сети. Сеть типа «шина» при обрыве линии или при «коротком замыкании» вообще перестает функционировать. Нарушение линии связи в сети типа «кольцо» приводит к тому, что не все абоненты сети могут связаться друг с другом. В принципе существует еще несколько типов топологий, например «цепочка» (разомкнутое «кольцо») или «дерево» (соединение многих «звезд»), но все они не получили широкого распространения. Некоторые типы сетей обеспечивают устойчивость к одному отказу, например такие как кольцо с возможностью передачи в обратную сторону или двойное кольцо FDDI, но практически нигде не встречается устойчивость к множественным отказам линий связи.

Вопросы построения высоконадежных систем связи рассматривались многими авторами. При этом использовались в первую очередь достижения общей теории надежности. Применялись и применяются всевозможные способы резервирования на разных уровнях иерархии систем, используется и горячее, и холодное резервирование.

При построении релейных устройств повышенной надежности [1,2,20] используются многоканальные координирующие станции совместно с управляемыми локальными управляющими сетями на основе МП субкомплексов контроля. В таких системах осуществляется непрерывный контроль рабочих каналов периодический контроль резервных. Устранение неисправности, переход на резервное оборудование производится с помощью специальных коммутаторов.

Многие авторы, рассматривая высоконадежные системы, вводят понятие многоальтернативной системы (MAC) S =, которая задается неориентированным графом G= сети, гдеЛГ = {vt, v2,., v"} - множество вершин (узлов), А — {rx,., ra} q, NxNмножество ребер, соединяющих вершиныи набором тяготеющих napM = {ри., рт} c: N xN вершин (v, vt) графа G, называемых источником и стоком продукта р{ =(v, vt), 5, < tt, i = 1,2,.,/и, и имеющих смысл абонентов сети. Остальные вершины N*NM являются транзитными. Считается, что на ребрах графа G заданы веса (например, каналы связи), определяющие пропускные способности ук е R+ ребер гк, к = 1,2,.,<:/. Вводимое понятие MAC широко используется при создании и анализе гарантоспособных управляющих и вычислительных сетей.

В работе [4] Харченко B.C., исследуя структуры гарантоспособных управляющих и вычислительных систем, оценивает влияние на правильное функционирование систем не только отказов (т.е. физических дефектов) компонентов, но и не выявленных отказов этапа проектирования. Автор подробно анализирует трехканальные тривиальные и нетривиальные MAC у которых одновременно задействованы все три канала (?n =< 111 >, ?l2 =< t0, t0, t0 >), а функция является функцией мажорирования.

Предложенный Харченко B.C. подход основан на классической экспоненциальной модели отказов, однако, для периода устойчивой работы и не групповых методов производства результаты должны быть близки к реальности. Вместе с тем собственно мажоритарное резервирование в УЛС не применяется, т.к. это требует значительных затрат на стандартизацию и внедрение специальных протоколов передачи данных. Применение концепции MAC может в принципе обеспечить существенное увеличение гарантоспособности и надежности выполнения функций в условиях возникновения физических дефектов компонент системы и проявления дефектов производства и проектирования.

Построение отказоустойчивых управляющих систем в виде сети микроконтроллеров достаточно распространено. Обычно такие системы содержат избыточные аппаратурные и алгоритмические ресурсы, служащие для исключения отказавших элементов и восстановления нормального функционирования управляющего процесса [6,7,9]. Исключение отказавших элементов при функционировании сети достигается путем обхода либо дефектного микроконтроллера, либо дефектного фрагмента, включающего как отказавший микроконтроллер, так и его связи с соседними элементами сети [10,13]. При этом целью выполняемых обходов дефектных элементов является сохранение информационных связей между любыми работоспособными микроконтроллерами сети [14]. С учетом информационной связности элементов сети обеспечение отказоустойчивости управляющей системы достигается путем сохранения исходной логической структуры сети микроконтроллеров, т. е. сохранения исходного множества логических адресов микроконтроллеров и множества управляющих алгоритмов на множестве работоспособных микроконтроллеров [15].

Средства восстановления исходной логической структуры управляющей системы могут строиться по централизованному или распределенному (децентрализованному) принципам [16], причем, централизованные средства самоорганизации мультимикроконтроллерной сети обладают малой оперативностью в коррекции отказов из-за значительных потерь времени на обмен с микроконтроллерами сети, нарушают ее регулярность и ограничивают ее надежность. С другой стороны, децентрализованные средства самоорганизации, строящиеся путем расширения либо только алгоритмического обеспечения системы, либо с использованием дополнительных аппаратурных средств, позволяют сохранить однородность структуры управляющей системы и ее перестраиваемость при возникающих отказах. Однако реализация функций по самоорганизации сети на алгоритмическом уровне значительно усложняет программное обеспечение каждого микроконтроллера и не обеспечивает быстрой восстанавливаемости ее логической структуры.

Перспективным представляется подход к построению средств самоорганизации, связанной с перераспределением функций между схемным и алгоритмическим уровнями [17J. Для того чтобы эффективно использовать резервные микроконтроллеры и увеличить число исправляемых (заменой и обходом отказавших микроконтроллеров) дефектных ситуаций, в исходную матричную конфигурацию авторы вводят резервную строку и столбец. При отказе, неисправному контроллеру присваиваются метки «вертикальный дефект» или «горизонтальный дефект» и включается соответствующий резервный микроконтроллер в строке или столбце. Предложенный подход не допускает более одного дефекта в строке или столбце исходной физической матрицы. В такой системе аппаратурно-алгоритмические средства самоорганизации позволяют существенно ускорить процесс «стабилизации» логической структуры системы, однако она устойчива только при парировании дефектов, равномерно возникающих по всей матрице.

В работе [18] предложено использовать настраиваемые многоалгоритмические микроконтроллеры (НММ), за которыми закрепляется определенное для возможных отказовых ситуаций множество алгоритмов управления. При отказе в сети перераспределение алгоритмов сводится не к пересылкам алгоритмов между микроконтроллерами, а к перенастройке каждого из них на алгоритм управления, соответствующий возникающей отказовой ситуации, и хранимый в памяти микроконтроллера. Слежение каждого НММ за соседними микроконтроллерами и регулярное получение от них необходимых для перезапуска данных обеспечивает синхронизацию после отказа управляющего процесса в мультимикроконтрол-лерной сети и управляемого процесса, протекающего в объекте.

Предложенный метод самоорганизации отказоустойчивой мультимикроконтроллер-ной сети является, по сути, модификацией метода скользящего резервирования и дает возможность использовать каждый НММ в качестве резервного для одного из трех соседних микроконтроллеров. Однако формирование маршрутов сообщений между микроконтроллерами реализовано автором при допущении, что отказавший НММ может выполнять функции соединительного элемента.

Мартынов В.И. рассматривает задачу синтеза первичных сетей связи из неустойчивых элементов [19]. При этом их устойчивость к воздействию внешних дестабилизирующих факторов различной природы описана им в терминах теории нечетких множеств [20,25].

Однако, предлагаемый подход применим лишь для синтеза топологии сети при условии наличия ограничений на общее кол-во технических средств, которые могут быть использованы при построении сети.

В работе [14] Пархоменко П. П. рассматривает объемную структуру — гиперкубовую архитектуру с реберным расположением элементов. Автор предлагает организовывать различные кольцевые структуры, представляющие собой гамильтонов цикл в кубе. Подход достаточно эффективен при отказе контроллеров, однако отказ сегмента приводит к выпадению прилегающего контроллера из работы системы. Ситуация значительно улучшается при дублировании или троировании кольцевых структур, однако это приводит к большим избыточным ресурсам — 100% и более. В работе также описана возможность организации древовидных структур внутри гиперкуба, однако, предложенный алгоритм работы при отказе сегмента линии связи исключает из работы весь сегмент вместе с контроллером.

Как показывает анализ публикаций, основное внимание исследователей уделяется вычислительным структурам, управляющим локальным сетям — значительно меньше. Кроме того, предлагаемые методы поддержки высокой надежности функционирования сетей опираются на серьезную дополнительную алгоритмическую поддержку, которая предполагает сначала определение места дефекта, а потом соответствующее программно-аппаратное решение. Однако, в ответственных системах, работающих в реальном масштабе времени, необходимо сохранять 100% работоспособность при наличии одного и более отказов и в этих системах нет времени на устранение неисправности в общепринятом смысле, т. е. система как бы не должна замечать этих отказов. Поэтому актуальной и своевременной является задача построения высоконадежных сетей, где-либо полностью отсутствовала бы необходимость в дополнительном программном обеспечении, либо это ПО должно быть минимальным. Но в то же самое время система по возможности в самый короткий промежуток времени сама должна определить место неисправности и информировать об этом.

Одним из перспективных подходов к решению задачи устойчивости сети к множественным отказам линий связи является структурное резервирование сети и построение сети с динамически изменяемой топологией.

5.7. Выводы.

1. Создана и исследована на эмуляторе СП модель УЛС с произвольной топологией.

2. Определены условия, при которых результаты эксперимента на масштабной модели внутри микросхемы программируемой логики могут быть сопоставимы с натурным экспериментом на реальной сети.

3. Разработан и реализован масштабный макет УЛС с возможностью внесения и устранения отказов в сегментах локальной сети.

4. Результаты экспериментов подтвердили высокую надежность УЛС, построенной по предложенной в работе методике.

5. Эксперименты на масштабной модели УЛС подтвердили возможность обнаружения и локализации неисправных сегментов линий связи с помощью разработанной методики.

6. Результаты экспериментов очень хорошо согласуются (в пределах статистической погрешности) с результатами моделирования с помощью эмулятора СП и рассчитанной вероятностью безотказной работы методом путей и сечений.

Заключение

.

На основании проведенного обзора и анализа наиболее перспективных методов повышения надежности УЛС, проведенных теоретических и экспериментальных исследований были, получены следующие основные результаты диссертационной работы:

1. Разработана методика создания УЛС, обладающих устойчивостью по отношению к множественным отказам линий связи.

2. Предложен и реализован метод обнаружения и локализации отказавших сегментов линий связи при отсутствии внешних проявлений (снижения коэффициента готовности) наличия отказов.

3. Разработан принципиально новый ключевой элемент, являющийся базовым при построении УЛС с произвольной топологией, допускающих динамическое изменение топологии сети.

4. Реализовано масштабное физическое моделирование УЛС на одном кристалле — внутри одной микросхемы программируемой логики.

5. Создан программный эмулятор СП, разработаны модели всех компонентов УЛС и самой УЛС, произведено моделирование УЛС с различной топологией на фоне возникновения и устранения отказов сегментов линий связи.

6. Созданный эмулятор СП с успехом применен в учебном процессе для моделирования параллельных, асинхронных процессов и систем.

Полученные практические результаты подтвердили правильность основных положений работы, достижение ее цели и могут применяться как при решении задач анализа и синтеза новых сетевых решений так и для повышения надежности уже применяемых.