ХАРКІВСЬКИЙ ДЕРЖАВНИЙ ТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

РАДІОЕЛЕКТРОНІКИ

ХАНЬКО ВАДИМ ВІКТОРОВИЧ

УДК 681.32:519.713

РОЗРОБКА МОДЕЛЕЙ АНАЛІЗУ Й ТЕСТУВАННЯ СЕГМЕНТІВ КОРПОРАТИВНОЇ КОМП'ЮТЕРНОЇ МЕРЕЖІ З ВИКОРИСТАННЯМ МОВИ VHDL

05.13.12 – системи автоматизації проектувальних робіт

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Харків – 2001

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана у Харківському державному технічному університеті радіоелектроніки, Міністерство освіти і науки України.

Науковий керівник:

доктор технічних наук, професор Хаханов Володимир Іванович, Харківський державний технічний університет радіоелектроніки, професор

Офіційні опоненти:

доктор технічних наук, професор Хажмурадов Манап Ахмадович, Національний науковий центр “Харківський фізико-технічний інститут”, начальник відділу математичного забезпечення;

доктор технічних наук, професор Дербунович Леонід Вікторович, Національний технічний університет “Харківський політехнічний інститут”, професор кафедри автоматики і керування в технічних системах.

Провідна установа

Національний технічний університет України “Київський політехнічний інститут”, кафедра спеціалізованих комп'ютерних систем, Міністерство освіти і науки України.

Захист відбудеться 27 лютого 2001 року о 14 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 64.052.02 у Харківському державному технічному університеті радіоелектроніки за адресою: 61166, м. Харків, пр. Леніна, 14.

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Харківського державного технічного університету радіоелектроніки за адресою: 61166, м. Харків, пр. Леніна, 14.

Автореферат розісланий 26 лютого 2001 року

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради Безкоровайний В.В.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Глобальні та локальні комп'ютерні мережі зробили революційний переворот в області технологій телекомунікаційного обміну, збереження й обробки інформації. Це стало можливим завдяки розвитку сучасної інтегральної субмікронної технології, що забезпечила появу могутніх обчислювальних серверів, персональних комп'ютерів і розробку нових технічних засобів, технологій телекомунікаційного зв'язку. Наслідком демократичного розвитку мережі Internet і створення локальних обчислювальних мереж (ЛОМ) є надання користувачу наступного спектра послуг, що істотно змінюють або доповнюють технології спілкування: високошвидкісне поштове обслуговування за протоколом e-mail; оперативний пошук та одержання наукової, технічної, комерційної, соціологічної інформації; рекламування власних досягнень по мережі; дистанційна трудова діяльність, що пов'язана з виконанням наукових, виробничих, комерційних проектів. Єдиним недоліком мережі є реальна можливість небажаного несанкціонованого доступу до інформації користувача з метою її доповнення, копіювання або перетворення.

З урахуванням того, що ЛОМ для користувача можна розглядати як комп'ютер або обчислювальний пристрій з віртуальним наданням на екрані монітора фізично розосередженої інформації, яка представлена на інших носіях, методи і засоби технічної діагностики цифрових об'єктів можуть бути адаптовані до сітьових структур. Тому проблема технічної діагностики обчислювальних мереж може бути зведена до модифікації методів і алгоритмів моделювання, тестування, пошуку дефектів, що орієнтовані на організацію й проведення діагностичного експерименту для цифрової системи.

Наслідком застосування відомих засобів технічної діагностики до об'єкта дослідження у вигляді ЛОМ є огляд публікацій, що стосуються не тільки існуючих моделей і методів аналізу локальних мереж, але й алгоритмів тестування та діагностування цифрових систем, які можна застосувати до рішення проблем сервісного обслуговування комп'ютерних мереж або їхніх компонентів. Дослідженням цих двох складових займалися вчені: К.Гі, М.Като, Д.Іімура, Д.Мартін, В.А.Якубайтіс, Д.Чалліс, Д.Нессер, Л.Чаррел, Д.Хейкс, П.П.Пархоменко, О.М.Романкевич, Д.В.Сперанський, Ю.О.Скобцов, Л.В.Дербунович, M.Breuer, B.Courtois, S.Mueller, J.Cellis, C.Perkins, M.Strebe.

Актуальність теми. Як технічний об'єкт локальна або корпоративна ком-п'ютерна мережа (ККМ) має потребу в сервісному обслуговуванні. Розосередження компонентів мережі в просторі зазнає певних труднощів діагностичного обслуговування, що полягає в тестуванні працездатності та пошуку дефектів. Для рішення означених проблем актуальним є проектування спеціалізованих програмно-апаратних засобів сервісного діагностичного обслуговування корпоративних мереж, що орієнтовані на мінімізацію тимчасових і матеріальних витрат відновлення працездатності шляхом побудоввання структурно-логічних моделей корпоративної мережі та розробки програм логіко-часового аналізу і тестування. Це обумовлено: високою вартістю ліцензійних пакетів моделювання та діагностування, порівнянних з вартістю технічного забезпечення ЛОМ;доступністю стандартів внутрішніх структур даних пакетів діагностування й аналізу мереж, що забезпечують поширення та модернізацію програмних продуктів; попередженням виникнення позаштатних ситуацій, що приводять до порушення працездатності мережі, шляхом проведення регламентних робіт; оперативним усуненням відмовлень, що виникають у мережі, дефектів, колізій, які впливають на виконання функцій прийому, передачі й обробки інформації.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Реалізація результатів роботи здійснювалася відповідно до планів виконання НДР, що проведені у Харківському державному технічному університеті радіоелектроніки, і договорів:

453-1 – “Дослідження і розробка перспективних способів проектування і діагностики електронних систем із застосуванням їх у навчальному процесі по комп'ютерній інженерії”; № держ. реєстрації 0196U011364.

522-1 – “Розробка учбово-методичного забезпечення і програмно-апаратних засобів для нових навчальних дисциплін по комп'ютерних науках і комп'ютерній інженерії”, № держ. реєстрації 0197U012176.

102 – “Розробка основ нових інформаційних технологій в автоматизованому проектуванні, діагностиці засобів радіоелектронної апаратури й обчислювальної техніки”, № держ. реєстрації 0100U03417.

Університетська програма міжнародного співробітництва в області освіти, науки “Стратегічне партнерство” від 10.03.2000.

Договір про довгострокове науково-технічне співробітництво з фірмою Аldec Inc. (USA) від 6.06.1999 р.

При виконанні означених тем і договорів автор брав участь як консультант і виконавець.

Об'єкт дослідження – корпоративна комп'ютерна мережа та її компоненти, що подані активним і пасивним обладнанням у вигляді серверів, робочих станцій, Х-терміналів і засобів їхньої комунікації.

Предмет дослідження – моделі сегментів і компонентів корпоративної комп'ютерної мережі, що подані мовою високого рівня опису апаратури для вирішення задач логіко-часового аналізу.

Методи дослідження представлені апаратами: булевої алгебри, теорії множин, кубічного зчислення – для опису мережних технологій, теорій автоматів, графів, мереж Петрі – для аналізу асинхронних процесів, технічної діагностики, логічного моделювання – для тестування сітьових сегментів.

Мета дослідження – розробка структурно-логічних моделей сегментів корпоративної мережі та її компонентів, що орієнтовані на аналіз технічного стану і діагностування несправностей, які приводять до відмовлень або до виникнення колізій, для зменшення часових і матеріальних витрат, пов'язаних з тестуванням сітьових сегментів на стадіях проектування та експлуатації.

Для досягнення поставленої мети в роботі вирішуються задачі:–

розробки загальної концепції моделі комп'ютерної системи та мережі у вигляді тріади компонентів <H,S,N> (Hardware, Software, Netware), що дозволяє поширити методи аналізу й тестування обчислювальних систем на комп'ютерні мережі з урахуванням особливостей останніх, які пов'язані з розосередженням у просторі апаратного, програмного, інформаційного забезпечень;–

створення структурно-логічних моделей різних топологій і технологій виконання ЛОМ на основі теорії графів, кубічного зчислення і VHDL-мови опису апаратури високого рівня, що орієнтовані на існуючі системи моделювання і дозволяють зменшити час визначення колізій і несправностей;–

модифікації кубічної форми зображення графа як математичного апарата компактного опису функціонально-логічної структури обчислювальної мережі з метою його використання при побудовання автоматних моделей топологій сегментів та їхньому аналізі для виявлення деструктивних процесів, що виникають у мережі на стадії її експлуатації;–

створення асинхронних моделей компонентів локальних обчислювальних мереж з метою реалізації методів синхронного й асинхронного моделювання впливу несправностей на функціонування мережі та виявлення деструктивних процесів, що впливають на утилізацію каналів;–

розробки функціональних і фізичних моделей несправностей канального та фізичного рівнів у формі <дефект – діагностичні ознаки>, що дозволяють проектувати таблиці несправностей з метою безумовного діагностування технічного стану мережі, установлення факту наявності колізій і місця виникнення несправності;–

створення моделі активного середовища обчислювальної мережі Ethernet 10Base2 із напівдуплексним режимом передачі-прийому сигналу з метою виявлення й обробки колізій та усунення проблем порушення працездатності мережі, що виникають при роботі протоколу CSMA/CD;–

розробки моделі сегмента обчислювальної мережі з використанням безпечної, автоматної, з вільним вибором, обмеженої, поширеної, числової, з одномірною активізацією переходів мережі Петрі, що дозволяє аналізувати технічний стан мережі та визначати деструктивні процеси, що пов'язані з наявністю колізій або фізичних дефектів;–

створення моделі опису несправностей у вигляді таблиці, де задані функціональні та фізичні дефекти, що виникають у мережі на канальному і фізичному рівнях, з метою реалізації безумовного пошуку дефектів на основі аналізу фізичних ознак їхнього прояву в сегменті;–

розробки й застосування програмного комплексу та супровідної документації для моделювання справної поведінки та несправностей, що дозволяють здійснювати асинхронний аналіз сегментів мережі з метою визначення колізій і локалізації заданих несправностей компонентів мережі;–

виконання експериментів на моделях реальних сегментів ЛОМ по визначенню деструктивних процесів, які пов'язані з наявністю несправностей, виникненням колізій, з метою порівняння ефективності програмного додатка, що розроблений автором, з існуючими аналогами.

Наукова новизна одержаних результатів:–

удосконалена концепція моделі комп'ютерної системи та мережі у вигляді тріади компонентів <H,S,N>, що дозволяє поширити методи аналізу й тестування обчислювальних систем на комп'ютерні мережі з урахуванням особливостей останніх, що пов'язані з розосередженням у просторі апаратного, програмного, інформаційного забезпечень;–

структурно-логічні моделі різних топологій і технологій виконання ЛОМ на основі теорії графів, кубічного зчислення, мереж Петрі і VHDL-мови опису апаратури високого рівня, що удосконалені для аналізу на існуючих системах моделювання та дозволяють зменшити час визначення колізій і несправностей;–

модифікація кубічної форми зображення графа як математичного апарата компактного опису функціонально-логічної структури обчислювальної мережі з метою його використання при побудованні автоматних моделей топологій сегментів і їхньому аналізі для виявлення деструктивних процесів, що виникають у мережі на стадії її експлуатації;–

удосконалена концепція асинхронної моделі компонентів ЛОМ із метою реалізації методів синхронного й асинхронного моделювання впливу несправностей на функціонування мережі та виявлення деструктивних процесів, що впливають на утилізацію каналів;–

моделі несправностей канального та фізичного рівнів у формі <дефект – діагностичні ознаки>, що удосконалені з метою проектування таблиці несправностей для безумовного діагностування технічного стану мережі, установлення факту наявності колізій і місця виникнення несправності;–

модель сегмента обчислювальної мережі як подальший розвиток безпечної, автоматної, з вільним вибором, обмеженої, розширеної, числової, з одномірною активізацією переходів мережі Петрі, що дозволяє аналізувати технічний стан мережі та визначати деструктивні процеси, які пов'язані з наявністю колізій або дефектів;–

удосконалена модель опису несправностей у вигляді таблиці, де задані функціональні і фізичні дефекти, що виникають у мережі на канальному та фізичному рівнях, з метою реалізації безумовного пошуку дефектів на основі аналізу фізичних ознак їхнього прояву в сегменті.

Практичне значення одержаних результатів визначається:–

розробкою та застосуванням програмного комплексу і супровідної документації для моделювання справної поведінки і несправностей, що дозволяють здійснювати асинхронний аналіз сегментів мережі з метою визначення колізій і локалізації заданих несправностей компонентів мережі;–

виконаними експериментами на моделях реальних сегментів ЛОМ по визначенню деструктивних процесів, що пов'язані з наявністю несправностей, виникненням колізій з метою порівняння ефективності програмного додатка, який розроблено автором, з існуючими аналогами;–

упровадженням теоретичних результатів, моделей і програмних засобів у навчальний і технологічний процес з метою автоматизації моделювання й діагностування компонентів корпоративної обчислювальної мережі.

Вірогідність теоретичних результатів підтверджується коректністю введених моделей, доказом теорем і лем, впровадженням та експлуатацією програмних засобів моделювання і діагностики обчислювальної мережі, реалізацією модельних і натурних діагностичних експериментів над реальними фрагментами корпоративної обчислювальної мережі.

Результати дисертації у вигляді додатків використовуються на: АТ “Маріупольський порт”, Маріуполь (акт про упровадження від 24.08.2000); ЗАТ “Енергозбереження”, Харків (довідка про упровадження від 03.07.2000); а також у навчальному процесі Харківського державного технічного університету радіоелектроніки (акт про упровадження від 11.09.2000) і Національного технічного університету “Харківський політехнічний інститут” (довідка про упровадження від 24.11.2000).

Особистий внесок здобувача. Всі основні результати отримані автором особисто. У роботах, що опубліковані спільно, автору належать: [2] – моделі і класифікація несправностей мереж з позиції тестування і їхнього аналізу; [3] – кубічна автоматна модель цифрової системи; [4] – тритактна модель автомата для асинхронного аналізу цифрових систем; [5] – кубічне моделювання цифрових систем; [6] – класифікація несправностей програмного продукту як інформаційного пакета, що переданий у мережі; [7] – модель впливу дефектів мережі на виникнення колізій і відмовлень; [8] – графо-логічна модель топології мережі, асинхронне моделювання логічної структури, аналіз багатозначних таблиць дефектів, модель умовного діагностування дефектів, програмна реалізація результатів наукових досліджень; [9] – автоматний підхід до аналізу дефектів систем і мереж; [10-12] – моделі несправностей і справної поведінки систем і мереж для їхнього тестування.

Апробація результатів наукових досліджень здійснювалася на: четвертій міжнародній конференції “Теорія і техніка передачі, прийому й обробки інформації”, Туапсе, 1998; п'ятій міжнародній конференції “Теорія і техніка передачі, прийому й обробки інформації”, Туапсе, 1999; 13-й Міжнародній школі-семінарі “Перспективні системи керування на залізнодорожньому, промисловому і міському транспорті”, Алушта, 2000; конференціях професорсько-викладацького складу ХТУРЕ (1998-2000).

Публікації. Результати наукових досліджень відбиті в 12 друкованих працях, у тому числі в 9 статтях, що опубліковані у наукових виданнях, які входять до Переліку ВАК України, у 3 матеріалах конференцій.

Дисертаційна робота містить 205 сторінок, 55 рисунків (24c.), 11 таблиць (4c.). Її структура включає: вступ, 4 розділи, висновок, список використаних джерел з 110 назв (9c.), 2 додатки (26c.).

ЗМІСТ РОБОТИ

Вступ містить обґрунтування актуальності розв'язуваної проблеми, формулювання цілей, об'єкта і задач дослідження, сукупність наукових результатів, що виносяться на захист, відомості про їхню апробацію і практичну реалізацію.

Перший розділ являє собою критичний огляд розвитку основних напрямків аналізу і тестування цифрових систем та мереж. Різноманіття опублікованих робіт умовно диференціюється на сітьові та діагностичні. Теоретичні розробки, що стосуються технічної діагностики цифрових пристроїв і систем, є більш значущими щодо оптимального рішення проблем сервісного обслуговування і діагностування локальних мереж. Тому представляється актуальною задача адаптації існуючих методів і алгоритмів тестування до рішення проблем діагностики корпоративних комп'ютерних мереж. У цьому сенсі найбільш близькими до сітьової діагностики є роботи, що пов'язані з побудованням синхронних й асинхронних моделей на основі графових структур, альтернативних графів, мереж Петрі, табличних і алгебраїчних форм їхнього опису. Згадані моделі вже за своєю топологією максимально наближені до сітьових архітектур, тому можуть бути використані як базовий математичний апарат опису корпоративних комп'ютерних мереж.

У другому розділі представлені теоретичні основи і математичні моделі структурно-логічного опису корпоративної мережі та її компонентів, запропонована асинхронна модель часового аналізу мережі, введені класи моделей несправностей, які деструктивно впливають на справну поведінку ККМ, що викликають виникнення колізій або відмовлень. В обчислювальній мережі двовимірна модель персонального комп'ютера (ПК) у вигляді Hadrware, Software доповнюється третім виміром – Netware. Таким чином, для визначення моделі обчислювальна мережа зображується сукупністю взаємозалежних комп'ютерних систем (КС), що орієнтована на поширення функціональних можливостей кожного ПК до споживчих властивостей мережі.

З метою компактного опису сітьових сегментів вводиться автоматне зображення графа, що обумовлене виразом де – множина вершин, дуг, ідентифікаторів дуг. Функція E задає маркірований символом перехід з вершини-джерела HI графової структури у вершину-стік HS:. Виконавши маркірування самої функції E, змінну X можна виключити як надлишкову. У цьому випадку виходить наступна автоматна форма опису моделі графової структури де кожен перехід позначений виразом . Можливість перетворення будь-якої структури на кубічне покриття, як автоматної форми, дає можливість виконувати її аналіз за допомогою методів, що орієнтовані на обробку моделей автоматного рівня. Компактність опису графа у формі кубічного покриття дає можливість обробляти об'єкти великої структурної складності відомими методами аналізу.

Наприклад, для графової структури (рис.1) із метою одержання покриття виконується довільне двійкове кодування усіх вершин, що відповідають робочим станціям, за умови, що код HUBа повинний відповідати старшому в десятковому еквіваленті числу. Потім реалізується операція конкатенації двійкових кодів для одержання кубів у двотактному алфавіті {A2} опису станів (переходів) автоматних змінних:

A2 = {Q=00, E=01, H=10, J=11, O={Q,H}, I={E,J}, A={Q,E}, B={H,J}, S={Q,J}, P={E,H}, C={E,H,J}, F={Q,H,J}, L={Q,E,J}, V={Q,E,H}, Y={Q,E,H,J}, A1={0,1,X={0,1}}, (U)}.

Мінімізація отриманих двотактних кубів, що відповідають дугам підмножин , дає результат , що формує кубічне двотактне покриття графа у вигляді двох дуг , що свідчить про компактність форми зображення графа та її технологічності для логіко-часового аналізу.

Колізія в сегменті розглядається як змагання двох чи більш станцій, що приводить до перекручування при прийомі інформаційних пакетів. Отже, аналізувати мережу на предмет наявності колізій можна методами синхронного й асинхронного моделювання цифрових систем. Суть цих методів полягає в квантуванні часового континуума модельними затримками перехідних процесів і проходженні сигналів по компонентах мережі. Модель сегмента, що враховує синхронно-асинхронний характер змагань, представлена компонентами

,

де – інтервал часу між подачею чергового набору (пакета) є стандартним атрибутом протоколу мережі; – інтервал номінальних затримок компонентів цифрової системи (мережі); – інтервал (невизначеності) розкиду початку передачі сигналів є єдиним для всіх станцій і є функцією різних шляхів проходження сигналів від передавачів до приймача по кабелю; – алфавіт опису сигналів у сітьовому сегменті.

Різноманіття методів аналізу цифрових систем ґрунтується на варіаціях :

.

На основі введеної моделі визначаються методи синхронно-асинхронного аналізу сітьового сегмента, що дають можливість оперувати різноманіттям існуючих засобів логіко-часового і багатозначного моделювання.

З метою визначення впливу несправностей на працездатність мережі введено клас дефектів корпоративної комп'ютерної мережі, що включає дві підмножини , де – фізичні дефекти компонентів мережі; – модельні несправності елементів мережі, наявність яких приводить до неправильного функціонування моделі або до її невідповідності описаному об'єкту. Фізичні дефекти двох типів , виникають внаслідок неправильних дій, що пов'язані із процесами <проектування, зміни, доповнення, модернізації, експлуатації, ремонту> комп'ютерної мережі, що формалізує підмножину суб'єктивно виникаючих дефектів, яка може бути описана у вигляді елементів

,

а також у результаті відмовлення апаратури через <знос, наявності внутрішнього дефекту>, що формують підмножину . Далі вводиться клас функціональних дефектів для методу доступу до середовища CSMA/CD, що прийняте в Ethernet, де існує значний відсоток помилок, які називаються колізіями:

Кожному функціональному дефекту зі згаданого списку ставиться у відповідність визначення і модель діагнозу – як він виявляється і що йому відповідає на фізичному рівні реалізації комп'ютерної мережі. Безліч діагностичних ознак функціональних дефектів визначено як

де – ідентифікатори збігу, перекручування фактичної реакції на лінії з еталонними сигналами ; – неістотність параметра для формування моделі діагнозу; – вектор діагностичних параметрів: <преамбула; кадр у межах 64-1518 байтів; контрольна сума CRC; рівень напруги в кабелі; сигнал на лініях прийому передавальної станції>.

Інші функціональні дефекти, що не викликаються помилками канального рівня, ідентифікуються шляхом додаткового аналізу результатів тестування мережі або сегмента. До них варто віднести наступні моделі дефектів:

Вони використовуються як базові з метою визначення їхнього впливу на працездатність мережі і можуть бути промодельовані та підлягають діагностуванню.

У третьому розділі подана асинхронна автоматна модель передачі кадру за протоколом CSMA\CD. З метою наступної реалізації рівнобіжних процесів протоколу обміну інформацією мовою опису апаратури розроблена модель мережного сегмента у вигляді безпечної, автоматної, з вільним вибором, обмеженої, поширеної, числової мережі Петрі з одномірною активізацією переходів (рис. 2). Тут можна виділити послідовну частину передачі пакета будь-якою станцією і рівнобіжну частину прийому та обробки пакета всіма іншими станціями в мережі, що цілком відповідає принципу прийому-передачі інформації в мережі Ethernet 10Base2.

Виконання мережі Петрі починається з запуску одного з простих переходів макропереходу t2, для чого в позиції р1 повинна бути присутньою мітка, що свідчить про готовність пакета до передачі. В міру просування міток по мережі відбувається запуск відповідних переходів, що є сутністю протоколу CSMA\CD. Ряд переходів у даній моделі відповідно до функціонування протоколу CSMA\CD вимагає рівнобіжного запуску.

З метою безумовного діагностування дефектів виконується побудова таблиці функцій наступних несправностей: 1 – Cloc – локальна колізія; 2 – Сrem – вилучена колізія; 3 – Clat – пізня колізія; 4 – Csho – короткий кадр; 5 – Clon – довгий кадр; 6 – Cjab – jabber; 7 – Ccrc – помилка CRC; 8 – Сloo – втрата інформації; 9 – Cgho – відблиски; 10 – Calign – помилки вирівнювання; 11 – Cerr – перекручування інформації в активному обладнанні не на канальному рівні; 12 – Cblo – блокування каналу (порушення паузи 9,6 мкс); 13 – Csto – широкомовні “шторми”; 14 – Cmar – помилки маршрутизації; Futil – висока утилізація каналу; FNIC – несправний сітьовий адаптер; Fdr – дефектний сітьовий драйвер; Fsw – несправності комутатора; Fgr – неправильне заземлення; Fcab – дефекти кабельної системи; FEMI – джерело електромагнітних перешкод; FL – надмірна довжина сегмента; Fact – несправне активне устаткування; Fsoft – помилки конфігурації програмного забезпечення. Для побудови таблиць несправностей обчислювальна мережа представляється в структурно-логічному вигляді, де компоненти мережі описані як примітиви, що підлягають діагностуванню з метою наступного відновлення їхньої працездатності і комп'ютерної мережі. Такими примітивами є: кабельна система (кабельні сегменти); сітьові адаптери; термінатори; коннектори (рознімання); вузли мережі (сервери, робочі станції). Модельні експерименти показали гарні результати безумовного діагностування на основі використання таблиць несправностей (ТН) і таблиць функцій несправностей (ТФН) у порівнянні із застосуванням промислових систем логічного аналізу.

Рис. 2. Модель сегмента мережі

Четвертий розділ представлено описом системи логіко-часового аналізу сітьових сегментів. При розробці і розгортанні корпоративних комп'ютерних мереж зі складною архітектурою, а також при зміні архітектури вже існуючих мереж, виникає необхідність у попередній перевірці правильності прийнятих технічних рішень (рис.3). Така перевірка дозволяє виявити й усунути помилки в проекті ще до його реалізації, що як наслідок дозволить значно скоротити матеріальні і часові витрати, які необхідні для усунення тих саме помилок і прорахунків у вже розгорнутій мережі. Такий підхід до рішення задач створення і модернізації мереж особливо актуальний для корпоративних мереж великих підприємств, що, як правило, неоднорідні, мають складну архітектуру, у зв'язку з чим їхня модернізація зазнає труднощів.

Застосування програми на практиці показало її придатність для моделювання поведінки невеликих мереж Ethernet 10BASE-2 у різних режимах. Отримані при тестуванні програми дані досить добре корелювалися з результатами, що здобуті за допомогою промислових аналізаторів протоколів.

Статистика визначення колізій у 10 сітьових сегментах на трьох системах (одна з яких – розроблена програма логіко-часового аналізу) показала гарний збіг результатів. Завдяки тому, що під час створення системи моделювання мережі використовувався підхід, який забезпечує побудову VHDL-моделі з функціонально закінчених модулів, удалося домогтися достатньої компактності VHDL-коду, його приступності для розуміння, спрощення процедури побудовання моделі мережі в цілому. Крім того, даний підхід дозволяє легко вносити зміни в VHDL-описи компонентів мережі, будувати на їхній основі бібліотеки VHDL-моделей сітьового устаткування, перебудовувати модель під потрібну специфікацію фізичного середовища Ethernet. При створенні VHDL-моделі мережі використовувалися тільки стандартні засоби і бібліотеки мови VHDL, завдяки чому можливе використання даного VHDL-коду з VHDL-системами інших виробників. Система логіко-часового моделювання працює у середовищі Active-HDL (Aldec Inc.). Функції пакета: моделювання роботи мережі при базовому і відмінних від нього рівнях навантаження; моделювання роботи мережі під впливом помилок та їхнє діагностування; видачі статистичної інформації про оброблювані об'єкти, на підставі яких можна прогнозувати поводження реальної мережі в даних умовах.

Рис. 3. Веріфикація мережі

Необхідні ресурси: обсяг оперативної пам'яті – 32 мб; операційна система – Windows-95, Windows-98, Windows NT 4.0, Windows 2000; VHDL-середовище – Active-HDL version 3.5., 3.6, 4.1, 4.2. Програмні засоби використовуються для прогнозування й аналізу поведінки існуючих комп'ютерних мереж підприємств у процесі їхньої роботи, а також перед внесенням змін у їхню архітектуру, що дозволяє скоротити часові витрати на пошук й усунення помилок у мережі в процесі її експлуатації.

Дані, що отримані при тестуванні програми, досить добре корелюються з результатами, що здобуті за допомогою промислових аналізаторів протоколів. На рис. 4 представлена статистика визначення колізій (у %) на трьох системах аналізу при дослідженні 10 сегментів (S1-S10). SLVA – розроблений пакет логіко-часового аналізу. При цьому час виконання процедури логіко-часового аналізу сегмента складає кілька секунд.

Додатки представлено структурою програмних засобів моделювання, вихідними модулями сітьових компонентів і процедур аналізу, а також документами, що підтверджують упровадження результатів роботи в технологічний і навчальний процеси.

ВИСНОВКИ

При досягненні поставленої мети – розробки структурно-логічних моделей сегментів корпоративної мережі та її компонентів, що орієнтовані на аналіз технічного стану і діагностування несправностей, які приводять до відмовлень або виникнення колізій, для зменшення часових і матеріальних витрат, що пов'язані з моделюванням і тестуванням сітьових сегментів на стадіях проектування та експлуатації, – у роботі вирішені задачі:–

розробки удосконаленої концепції моделі комп'ютерної системи і мережі у вигляді тріади компонентів <H,S,N>, що дозволяє поширити методи аналізу й тестування обчислювальних систем на комп'ютерні мережі з урахуванням особливостей останніх, які пов'язані з розосередженням у просторі апаратного, програмного, інформаційного забезпечень;–

створення структурно-логічних моделей різних топологій і технологій виконання ЛОМ на основі теорії графів, кубічного зчислення, VHDL-мови опису апаратури високого рівня, що удосконалені для аналізу на існуючих системах моделювання та дозволяють зменшити час визначення колізій і несправностей;–

модифікації кубічної форми зображення графа, як математичного апарата компактного опису функціонально-логічної структури обчислювальної мережі з метою його використання при побудованні автоматних моделей топологій сегментів і їхньому аналізі для виявлення деструктивних процесів, що виникають у мережі на стадії її експлуатації;–

удосконалення концепції асинхронних моделей компонентів локальних обчислювальних мереж із метою реалізації методів синхронного й асинхронного моделювання і визначення впливу несправностей на функціонування мережі, що дають можливість виявлення деструктивних процесів, що впливають на утилізацію каналів;–

розробки функціональних і фізичних моделей несправностей канального та фізичного рівнів у формі <дефект – діагностичні ознаки>, що удосконалені з метою проектування ТН для безумовного діагностування технічного стану мережі, установлення факту наявності колізій і місця виникнення дефекту;–

розробки моделі сегмента обчислювальної мережі як подальшого розвитку безпечної, автоматної, з вільним вибором, обмеженої, поширеної, числової, з одномірною активізацією переходів мережі Петрі, що дозволяє аналізувати технічний стан мережі й визначати деструктивні процеси, які пов'язані з наявністю колізій або фізичних дефектів;–

створення удосконаленої моделі опису несправностей у вигляді таблиці, де задані функціональні та фізичні дефекти, що виникають у мережі на канальному та фізичному рівнях, з метою реалізації безумовного пошуку дефектів на основі аналізу фізичних ознак їхнього прояву в сегменті;–

розробки та практичного застосування програмного комплексу та супровідної документації для моделювання справної поведінки й несправностей, що дозволяють із мінімальними матеріальними витратами здійснювати асинхронний аналіз сегментів мережі з метою визначення колізій і локалізації заданих несправностей компонентів мережі;–

виконання експериментів на моделях реальних сегментів ЛОМ по визначенню деструктивних процесів, що пов'язані з наявністю несправностей, виникненням колізій з метою порівняння ефективності програмного додатка, який розроблено автором, з існуючими аналогами.

Отримані теоретичні і практичні результати можуть бути використані в організаціях, що займаються проектуванням, налагодженням і експлуатацією комп'ютерних мереж для веріфікації проектів та їхніх модифікацій.

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ АВТОРОМ ПРАЦЬ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1. Ханько В.В. Структурно-логические модели для анализа и тестирования сетевых сегментов // АСУ и приборы автоматики.– Вып.112.– 2000.– С. 95-112.

2. Хаханов В.И., Ханько В.В., Абу Занунех И.М. Халиль. Модели неисправностей корпоративных сетей и формулировка задач их диагностирования // Радиоэлектроника и информатика.–1999.– № 4.– С.49-56.

3. Хаханов В.И., Шкиль А.С., Ханько В.В., Сысенко И.Ю. Кубическое моделирование неисправностей цифрових систем // Радиоэлектроника и информатика.– 2000.– № 1.– С. 83-89.

4. Хаханов В.И., Скворцова О.Б., Ханько В.В., Бедратый Р.В. Методы моделирования цифровых структур. Трехтактный автомат // Радиоэлектроника и информатика.– 1998.– № 4.– С. 82-88.

5. Хаханов В.И., Шкиль А.С., Ханько В.В. Дедуктивный метод кубического моделирования неисправностей цифрових устройств // Радиоэлектроника и информатика.– 1999.– № 1.– С. 77-84.

6. Хаханов В.И., Фрадков С.А., Ханько В.В. Модель неисправностей программного продукта. Компьютерный вирус // Радиоэлектроника и информатика.– 1999.– № 1.– С. 77-84.

7. Ханько В.В., Абу Занунех И.М. Халиль. Дефекты локальных сетей и средства их диагностирования // АСУ и приборы автоматики.– Вып.110.– 1999.– С. 88-104.

8. Хаханов В.И., Ханько В.В., Бабич А.В., Абу Занунех И.М. Халиль. Проектирование моделей локальной вычислительной сети для решения задач диагностирования // Радиоэлектроника и информатика.– 2000.– № 2.– С. 81-85.

9. Хаханов В.И., Ковалев Е.В., Ханько В.В., Мехеди М.М. Система генерации тестов для проектирования цифровых автоматов в среде ACTIVE-HDL// АСУ и приборы автоматики. – Вып.111.– 2000. – С. 15-22.

10. Хаханов В.И., Скворцова О.Б., Ханько В.В. Проблемы диагностирования неисправностей и сертификации программного продукта. Материалы четвертой международной конференции "Теория и техника передачи, приема и обработки информации".– Туапсе.– 1998.– Харьков: ХТУРЭ.– 1998.– С. 467-468.

11. Хаханов В.И., Бедратый Р.В., Сысенко И.Ю., Ханько В.В. Методы моделирования цифровых структур. Анализ переходных процессов // Материалы пятой международной конференции "Теория и техника передачи, приема и обработки информации".– Туапсе.– 1999.– Харьков: ХТУРЭ.– 1999.– С. 67-69.

12. Бабич А.В., Ханько В.В., Абу Занунех И.М. Халиль, Дробязко О.А. Модели неисправностей корпоративных сетей и формулировка задач их диагностирования // Материалы 13-й Межд. школы-семинара "Перспективные системы управления на железнодорожном, промышленном и городском транспорте.– Алушта.– Х: ХарГАЖТ.– 2000.– С. 95.

АННОТАЦИЯ

Ханько В.В. Разработка моделей анализа и тестирования сегментов корпоративной компьютерной сети с использованием языка VHDL.– Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.13.12 – системы автоматизации проектных работ.– Харьковский государственный технический университет радиоэлектроники, Харьков, 2001.

Диссертация посвящена вопросам разработки автоматных и сетевых моделей компонентов локальных вичислительных сетей (ЛВС), реализуемых на VHDL-языке описания аппаратуры высокого уровня, в целях логико-временного и структурно-топологического анализа, ориентированного на тестирование коллизий и обнаружение неисправностей, деструктивно влияющих на работоспособность сети, что дает возможность уменьшать материальные и временные затраты сервисного и диагностического обслуживания корпоративной сети.

Основные результаты работы, выносимые на защиту:–

усовершенствованная концепция модели компьютерной системы и сети в виде триады компонентов <H,S,N>, которая позволяет распространить методы анализа и тестирования вычислительных систем на компьютерные сети с учетом особенностей последних, связанных с рассредоточением в пространстве аппаратного, программного, информационного обеспечений;–

структурно-логические модели различных топологий и технологий исполнения ЛВС на основе теории графов, кубического исчисления, сетей Петри и VHDL-языка описания аппаратуры высокого уровня, усовершенствованные для анализа на существующих системах моделирования и позволяющие уменьшить время определения коллизий и неисправностей;–

модификация кубической формы представления графа как математического аппарата компактного описания функционально-логической структуры вычислительной сети в целях его использования при построении автоматных моделей топологий сегментов и их анализе для выявления деструктивных процессов, возникающих в сети на стадии ее эксплуатации;–

усовершенствованная концепция асинхронной модели компонентов ЛВС в целях реализации методов синхронного и асинхронного моделирования влияния неисправностей на функционирование сети и выявления деструктивных процессов, влияющих на утилизацию каналов;–

модели неисправностей канального и физического уровней в форме <дефект – диагностические признаки>, которые усовершенствованы в целях проектирования таблицы неисправностей для безусловного диагностирования технического состояния сети, установления факта наличия коллизий и места возникновения неисправности;–

модель сегмента вычислительной сети как дальнейшее развитие безопасной, автоматной, со свободным выбором, ограниченной, расширенной, числовой, с одномерной активизацией переходов сети Петри, которая позволяет анализировать техническое состояние сети и определять деструктивные процессы, связанные с наличием коллизий или дефектов;–

усовершенствованная модель описания неисправностей в виде таблицы, где заданы функциональные и физические дефекты, возникающие в сети на канальном и физическом уровнях, в целях реализации безусловного поиска дефектов на основе анализа физических признаков их проявления в сегменте.

Практическое значение полученных результатов определяется:–

разработкой и практическим применением программного комплекса и сопроводительной документации для моделирования исправного поведения и неисправностей, позволяющих осуществлять асинхронный анализ сегментов сети в целях определения коллизий и локализации заданных неисправностей компонентов сети;–

выполненными экспериментами на моделях реальных сегментов ЛВС по определению деструктивных процессов, связанных с наличием неисправностей, возникновением коллизий в целях сравнения эффективности разработанного автором программного приложения с существующими аналогами;–

внедрением теоретических результатов, моделей и программных средств в учебный и технологический процесс в целях автоматизации моделирования и диагностирования компонентов корпоративной вычислительной сети.

Достоверность теоретических результатов подтверждается корректностью введенных моделей, доказательством теорем и лемм, внедрением и эксплуатацией программных средств моделирования и диагностики вычислительной сети, реализацией модельных и натурных диагностических экспериментов над реальными фрагментами корпоративной вычислительной сети.

Результаты диссертации в виде приложений используются на: АО "Мариупольский порт", Мариуполь (акт о внедрении от 24.08.2000); ЗАО "Энергосбережение", Харьков (справка о внедрении от 03.07.2000); а также в учебном процессе Харьковского государственного технического университета радиоэлектроники (акт о внедрении от 11.09.2000) и Национального технического университета "Харьковский политехнический институт" (справка о внедрении от 24.11.2000).

Характеристика программного продукта логико-временного анализа сетевого сегмента: Операционная система – Windows 95, 98, NT4.0. Интегрированная среда проектирования и верификации – Active-HDL. Объем строк языка VHDL для описания модели сетевого сегмента – 800, что составляет 12 программных модулей.

Ключевые слова: логико-временной анализ, структурно-логические модели сети, тестирование коллизий, диагностирование неисправностей.

АНОТАЦІЯ

Ханько В.В. Розробка моделей аналізу й тестування сегментів корпоративної комп'ютерної мережі з використанням мови VHDL.– Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.13.12 – системи автоматизації проектувальних робіт – Харківський державний технічний університет радіоелектроніки, Харків, 2001.

Дисертація присвячена питанням розробки автоматних і сітьових моделей компонентів ЛОМ, що реалізовані на VHDL-мові опису апаратури високого рівня, з метою логіко-часового і структурно-топологічного аналізу, який орієнтовано на тестування колізій і виявлення несправностей, що деструктивно впливають на працездатність мережі. Це дає можливість зменшувати матеріальні і часові витрати сервісного та діагностичного обслуговування корпоративної мережі.

Теоретичне значення отриманих результатів полягає в створенні моделей логіко-часового аналізу сегментів корпоративної комп'ютерної мережі та їхніх зображень на мові опису апаратури VHDL з метою їхнього наступного використання в середовищі Active-HDL для веріфікації і тестування мережних проектів і їхніх модернізацій; практичне – визначається розробкою і застосуванням програмного комплексу для моделювання справної поведінки й несправностей, що дозволяють здійснювати асинхронний аналіз сегментів мережі з метою визначення колізій і локалізації заданих несправностей компонентів мережі.

Ключові слова: логіко-часовий аналіз, структурно-логічні моделі мережі, тестування колізій, діагностування несправностей.

ABSTRACT

Hanko V.V. Networks modeling for analysis and testing using VHDL. – Manuscript. Thesis for a candidate degree of technical sciences on speciality 05.13.12 – Computer-Aided Design Systems.– Kharkov State Technical University of Radio electronics, Kharkov, 2001.

The thesis is devoted to questions of local area network components of the state machine and network model development, realizing on VHDL-language, with the purposes of the logical-and-timing and structural - topological analysis oriented to collisions testing and fault detection, that destructively influenses on serviceability, and enables to reduce material and time expenses of service and diagnostic assistance of the corporate network.

The significance of the obtained results consists in creation of logical-and-timing analysis models of the corporate computer network segments and their representation on VHDL -language with the purposes of their usage in the Active-HDL for verification both testing of the network projects and their modernizations. The practical value of the obtained results is defined by development and application the program complex for simulation of fault-free and fault behaviour, that permitting to realize the asynchronous analysis of the network segments with the purposes of collisions definition and location target faults of network components.

Keywords: logical-and-timing analysis, structural-logical network models, collisions testing, faults diagnosing.