Повышение производительности и оптимизация структуры локальных сетей АСКУЭ

Современная энергетическая стратегия России определяется приоритетом социально ориентированного развития топливно-энергетического комплекса, то есть повышением жизненного уровня населения. При этом в новых рыночных условиях ставка делается не на крупномасштабное наращивание производства энергоносителей, а на более эффективное их использование. Рынок электроэнергии должен представлять собой многокомпонентный механизм согласования (балансирования) экономических интересов поставщиков и потребителей. Одним из самых важных компонентов рынка электроэнергии, является инструментальное обеспечение, представляющее собой совокупность систем, приборов, устройств, каналов связи, алгоритмов и т. п.

Для решения задач по экономии энергоресурсов одним из эффективных путей является внедрение автоматизированных систем контроля и учета электроэнергии (АСКУЭ). Переход экономики на рыночные методы хозяйствования предъявляет жесткие требования к достоверности и оперативности учета электрической энергии. Эти требования могут быть удовлетворены только путем создания АСКУЭ, оснащенной современной вычислительной техникой.

При построении АСКУЭ с числом измерительных каналов порядка тысячи возникают проблемы с организацией передачи значительного объема измерительной информации по относительно небольшому числу линий связи. Передачи данных в АСКУЭ, когда требуется обеспечить функциональную совместимость её различных частей, возможность улучшения параметров без нарушения функционирования, необходимо осуществлять оптимизацию локальных вычислительных сетей, являющихся базовой основой любой АСКУЭ. Это позволить не только снизить затраты на разработку, изготовление и обслуживание АСКУЭ, но избежать ошибок при ее проектировании.

Оптимизация локальных вычислительных сетей АСКУЭ в первую очередь связана с повышением их производительности и оптимизаций структуры.

Целью диссертационной работы является повышение производительности локальных вычислительных сетей автоматизированной системы контроля и учета электроэнергии путем оптимизации структуры и параметров локальной сети.

В соответствии с этим были поставлены и решены следующие основные задачи работы:

1. Осуществлен анализ организации принципов построения и работы локальных вычислительных сетей передачи данных АСКУЭ;

2. Предложены критерии эффективности работы локальных сетей передачи данных АСКУЭ;

3. Предложены методы оптимизации производительности локальных сетей передачи данных АСКУЭ;

4. Разработана методика выбора оптимальной структуры ЛВС с учетом профилей решаемых задач, траекторий передачи между рабочими станциями и файл-сервером АСКУЭ.

Методы исследования. Теоретические исследования выполнены с использованием методов теории вероятностей случайных процессов, математической статистики, теории очередей, математического моделирования на ПЭВМ. Экспериментальные исследования выполнены методами физического моделирования в лабораторных и реальных эксплуатационных условиях.

Научная новнзна. Научная новизна диссертационной работы заключается в следующем:

1. Предложены критерии эффективности работы и методы оптимизации производительности локальных сетей передачи данных АСКУЭ.

2. Получены математические модели топологической структуры локальных вычислительных сетей позволяющие минимизировать затраты на создание ЛВС АСКУЭ при выполнении ограничения на её пропускную способность.

3. Расширена методика анализа и синтеза сетевых структур различного уровня сложности, позволяющая в более полном объеме провести проектирование локальных вычислительных сетей АСКУЭ.

Практическая ценность заключается в следующем:

1. Предложена методика оптимизации локальных вычислительных сетей передачи данных АСКУЭ;

2. Получены математические модели оптимизации структур однородных звездообразных ЛВС АСКУЭ, позволяющие учитывать взаимное расположение рабочих станций, наличие возможных размещений активного оборудования, возможность совместного использования коммутаторов и концентраторов, а также требования информационных систем к пропускной способности локальной сети передачи данных АСКУЭ.

3. Предложен эффективный способ исследования, проектирования, модернизации и управления ЛВС АСКУЭ.

На защиту выносятся:

1. Критерии эффективности работы и методы оптимизации производительности локальных сетей передачи данных АСКУЭ;

2. Результаты анализа различных варьируемых параметров локальной вычислительной сети АСКУЭ;

3. Методика оптимизации топологической структуры однородных звездообразных ЛВС АСКУЭ, прямо или косвенно влияющих на критерии эффективности;

4. Результаты экспериментального определения оптимальной нагрузки сервера АСКУЭ и метод расчета требуемой производительности.

Личный вклад. Все основные научные результаты, изложенные в диссертационной работе и выносимые на защиту, получены автором лично.

Внедрение результатов работы. Результаты диссертационной работы использованы в ООО «Локальные и Транспортные Информационные Сети», что подтверждается актом о внедрении.

Результаты исследований использованы в курсах «Организация компьютерных сетей в социальной сфере» и «Администрирование в информационных системах» ГОУ ВПО «Московский государственный университет сервиса», что подтверждается соответствующим актом о внедрении.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались:

• на 4-й Международной научно-технической конференции «Современные средства управления бытовой техникой» (Москва, 2002 г.);

• на 7-й Международной научно-технической конференции «Наукасервису» (Москва, 2002 г.);

• на 5-й Международной научно-технической конференции «Современные средства управления бытовой техникой» (Москва, 2003 г.);

• на 8-й Международной научно-технической конференции «Наукасервису» (Москва, 2003 г.);

• на 9-й Международной научно-технической конференции «Наукасервису» (Москва, 2004 г.);

• на научно-технических конференциях и семинарах молодых ученых и специалистов МГУС (Москва, 2002 — 2004 гг.);

• на заседаниях кафедры МГУС «Информатика и компьютерный сервис» (Москва, 2002 — 2004 гг.).

Публикации. По теме диссертационной работы опубликовано 10 печатных работ.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, двух приложений и списка литературы, включающего 97 наименований.

4.8. ВЫВОДЫ.

Основные теоретические и практические результаты экспериментального исследования оптимизации производительности ЛВС АСКУЭ заключают в следующем:

1. Одной из главных задач, при проектировании высокопроизводительных сетей АСКУЭ, является способность моделировать и оценивать параметры производительности, на основании правильной оценки объема и характеристики будущего трафика. Статистические характеристики трафика влияют на разнообразные аспекты проектирования и конфигурирования, включая протоколы маршрутизации, протоколы резервирования ресурсов, дисциплины очередей в маршрутизаторах и коммутаторах, а также размеры буферов. Чтобы принять верные решения в области резервирования ресурсов, необходимо уметь охарактеризовать планируемый трафик.

2. Приоритеты могут назначаться по-разному, например, на основе типа трафика. Если оказывается, что среднее время обслуживания для трафиков различного типа идентично, тогда общие формулы для системы не изменяются, хотя производительность системы на разных классах трафика будет различаться. Важным является случай назначения приоритета на основе среднего времени обслуживания. Часто запросам с меньшим ожидаемым временем обслуживания дается более высокий приоритет, чем запросам с большим ожидаемым временем обслуживания.

3. Достоверная модель очередей позволяет быстро получить приближенную оценку поведения системы при разной нагрузке.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

В диссертации решена важная научно-техническая задача, заключающаяся в повышение производительности локальных вычислительных сетей автоматизированной системы контроля и учета электроэнергии путем оптимизации структуры и параметров локальной сети.

При этом получены следующие основные результаты:

1. Осуществлен анализ организации работы и принципов построения автоматизированной системы контроля и учета электроэнергии в зависимости от предъявляемых к ней технических требований. Показано, что одним из важнейших элементов, определяющих эффективную работу АСКУЭ, является локальная вычислительная сеть передачи данных.

2. Осуществлен анализ критериев эффективности работы локальных вычислительных сетей АСКУЭ. Показано, что критерии эффективности работы локальных сетей можно разделить на две группы. Одна группа характеризует производительность работы сети, вторая — надежность. В свою очередь, для этих критериев требуется выбрать конкретные показатели оценки, такие, например, как время реакции и коэффициент готовности.

3. Проанализированы показатели надежности и отказоустойчивости локальной вычислительной сети передачи данных АСКУЭ.

Показано, что между показателями производительности и надежности сети существует тесная связь. Ненадежная работа сети часто приводит к существенному снижению ее производительности. Это объясняется тем, что сбои, и отказы каналов связи и коммуникационного оборудования приводят к потере или искажению некоторой части электротехнической информации, в результате чего коммуникационные протоколы вынуждены организовывать повторную передачу утерянных данных.

4. Осуществлен анализ топологических структур локальных сетей передачи данных АСКУЭ. Показано, что задача оптимизации топологической структуры ЛВС АСКУЭ решена лишь для ряда частных случаев, причем в большинстве из них использованы эвристические подходы. Кроме того, как правило, модели синтеза топологической структуры ЛВС АСКУЭ ориентированы на использование устаревшей технологии Ethernet с топологической структурой типа «моноканал» либо Token Ring — «кольцо». Показано, что существующие подходы не учитывают особенностей современных ЛВС АСКУЭ, а также требований электротехнических информационных систем, предъявляемых к топологической структуре локальной сети.

5. Для оптимизации топологической структуры ЛВСПД АСКУЭ предложен алгоритм решения данной задачи методом ветвей и границ. Определены стратегия ветвления и порядок вычисления оценки нижней границы.

Получены математические модели оптимизации структур однородных звездообразных ЛВС АСКУЭ, позволяющие учитывать взаимное расположение рабочих станций, наличие возможных размещений активного оборудования, возможность совместного использования коммутаторов и концентраторов рабочих групп, а также требования информационных систем к пропускной способности локальной сети передачи данных АСКУЭ.

6. Предложены критерии оптимизации производительности локальной сети АСКУЭ. Показано, что на выбранный критерий оптимизации ЛВС АСКУЭ влияет большое количество различных параметров. В наибольшей степени на производительность сети влияют: используемые коммуникационные протоколы и их параметрыдоля и характер широковещательного трафика, создаваемого различными протоколамитопология сети и используемое коммуникационное оборудованиеинтенсивность возникновения и характер ошибочных ситуацийконфигурация программного и аппаратного обеспечения конечных узлов.

7. Большое влияние на производительность локальной сети АСКУЭ оказывает настройка протокола, включающая в себя изменение таких параметров как: максимально допустимый размер кадравеличины тайм-аутов (в том числе время жизни пакета) — для протоколов, работающих с установлением соединений — размер окна неподтвержденных пакетов, а также некоторых других. Производительность локальной сети АСКУЭ может резко упасть из-за несогласованности максимального размера кадра в различных частях составной ЛВС.

8. Осуществлены экспериментальные исследования производительности ЛВС АСКУЭ. Показано, что одной из главных задач, при проектировании высокопроизводительных сетей АСКУЭ, является способность моделировать и оценивать параметры производительности, на основании правильной оценки объема и характеристики будущего трафика. Статистические характеристики трафика влияют на разнообразные аспекты проектирования и конфигурирования, включая протоколы маршрутизации, протоколы резервирования ресурсов, дисциплины очередей в маршрутизаторах и коммутаторах, а также размеры буферов.