Харківський національний університет радіоелектроніки
Міністерство освіти і науки України
Харківський національний університет радіоелектроніки
Бабіч Ганна Віталіївна
УДК 004.732:004.052.42
Методи пошуку несправностей в локальних обчислювальних мережах та їх сегментах
05.13.13 – обчислювальні машини, системи та мережі
Автореферат
дисертації на здобуття наукового ступеня
кандидата технічних наук
Харків - 2007
Дисертацією є рукопис
Робота виконана на кафедрі автоматизації проектування обчислювальної техніки Харківського національного університету радіоелектроніки Міністерства освіти і науки України
Науковий керівник: | доктор технічних наук, професор Кривуля Геннадій Федорович, Харківський національний університет радіоелектроніки, завідувач кафедри автоматизації проектування обчислювальної техніки
Офіційні опоненти: | доктор технічних наук, професор Хажмурадов Манап Ахмадович,
начальник відділу математичного забезпечення Національного наукового центра “Харківський фізико-технічний інститут” МОН України
кандидат технічних наук, доцент Скляр Володимир Володимирович,
провідний науковий співробітник відділу аналізу безпеки управляючих та інформаційних систем АЕС державного підприємства “Державний науково-технічний центр з ядерної та радіаційної безпеки”, Державний комітет ядерного регулювання України
Провідна установа: | Національний технічний університет “Харківський політехнічний інститут” МОН України, м. Харків
Захист відбудеться 12.09.2007 р. о _16_ годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 64.052.01 Харківського національного університету радіоелектроніки за адресою: 61166, м, Харків, пр. Леніна, 14.
З дисертацією можна ознайомитися у бібліотеці Харківського національного університету радіоелектроніки за адресою: 61166, м, Харків, пр. Леніна, 14.
Автореферат розісланий 25.06.2007 р.
Вчений секретар
спеціалізованої вченої ради Д 64.052.01
кандидат технічних наук Чалий С.Ф.
загальна характеристика роботи
Актуальність теми. Інтенсивне поширення сфер використання мережної інфраструктури призводить до зростання вимог щодо надійності, відмовостійкості і продуктивності локальних обчислювальних мереж. Висока продуктивність мережі забезпечується, у першу чергу, відсутністю дефектів і вузьких місць, що призводять як до уповільнення швидкості роботи мережі, так і до недосяжності або до виходу з ладу комунікаційних компонентів. У разі виникнення зазначених проблем, істотним є час, який затрачується на їх пошук і відновлення працездатності мережної системи. На цей час вирішення задач діагностування локальних обчислювальних мереж, до яких відноситься наукова задача пошуку мережних несправностей, являє собою досить складну проблему. Це пов'язано, по-перше, з тим, що мережні несправності поділяються на різні типи, для пошуку кожного з яких необхідно використовувати різноманітні види діагностичного обладнання, а також застосовувати різноманітні методи, алгоритми і методики. Більш того, пошук та усунення несправностей програмного забезпечення не входить до задачі діагностування локальних обчислювальних мереж, і звідси виникає додаткова проблема відокремлення несправностей прикладного програмного забезпечення від несправностей мережі. По-друге, пошук навіть однотипних несправностей ускладнюється відсутністю єдиного формалізованого алгоритму дій адміністратора-діагноста, що підтверджується наявністю різноманітних способів представлення локальних обчислювальних мереж як об'єкта діагностування, кожний з яких має свої переваги і недоліки, але не є єдиним. Відсутність формалізованого методу визначення області підозрюваних несправностей також призводить до високих часових витрат на проведення діагностичного експерименту і, отже, пошук несправності. Також, на цей час відсутня єдина формалізована методика, що дозволяє виявити будь-який із видів несправностей. Це призводить до необхідності наявності у діагноста досить високого рівня досвіду і знань у галузі мережних технологій з метою забезпечення коректності постановки діагностичного експерименту і, як наслідок, поставленого діагнозу. Зазначені проблеми обумовлюють великі часові витрати на пошук несправності, а також звужують діапазон суб'єктів, що забезпечують коректне рішення задачі пошуку несправності, що призводить до високої трудомісткості і складності рішення вказаної задачі.
Таким чином, актуальною науково-технічною задачею є розробка методів пошуку несправностей в локальних обчислювальних мережах та їх сегментах, що забезпечать зниження трудомісткості, скорочення часових витрат на пошук несправності в локальних обчислювальних мережах і підвищення ефективності процедури постановки діагнозу за рахунок забезпечення відповідної глибини пошуку несправності.
Розвинуті в роботі положення базуються на роботах наступних вчених: К.Гі, М.Като, Д.Іїмура, Д.Мартін, Д.Чалліс, Д.Несер, Л.Чапел, Дж. Хогдал, С. Юдицький, В. Борисенко, П. Адаскін, І. Іванцов та ін.
Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами
Дисертаційна робота виконувалась згідно з планами науково-дослідних робіт кафедри „Автоматизація проектування обчислювальної техніки” (АПОТ) Харківського національного університету радіоелектроніки протягом 2003-2004 рр. Дисертаційна робота безпосередньо пов’язана з держбюджетними НДР:
№ 03-26 - “Використання нових інформаційних технологій для проектування комп’ютерних систем”, № держ. реєстрації 0103U007150.
№ 03-07 – “Дослідження розподілених комп’ютерних систем з неповним керуванням”, № держ. реєстрації 0103U004025.
Результати впроваджено в навчальний процес та дипломне проектування кафедри АПОТ Харківського національногу університету радіоелектроніки.
Всі вищевказані роботи виконувались за безпосередньою участю автора.
Мета дисертаційної роботи – зниження трудомісткості, скорочення часових витрат на пошук несправності в локальних обчислювальних мережах і підвищення ефективності процедури постановки діагнозу за рахунок забезпечення відповідної глибини пошуку несправності.
Для досягнення поставленої мети було вирішено наступні задачі:–
виконано аналіз існуючих методів і засобів діагностування локальних обчислювальних мереж, виділено об'єкт, мету і задачі дослідження;–
розроблено структурну модель і структурний метод пошуку явних адресованих несправностей в сегменті локальних обчислювальних мереж;–
розроблено метод пошуку явних мережних несправностей;–
розроблено метод відокремлення несправностей прикладного програмного забезпечення від несправностей локальних обчислювальних мереж;–
розроблено метод пошуку прихованих мережних несправностей;–
розроблено метод визначення області підозрюваних несправностей прихованого типу;–
виконано практичну реалізацію розроблених методів і представлено порівняльні характеристики для оцінки їхньої ефективності.
Об’єкт дослідження – процеси діагностування локальних обчислювальних мереж
Предмет дослідження – методи і засоби зниження трудомісткості, скорочення часових витрат і підвищення ефективності процедури пошуку несправностей у локальних обчислювальних мережах.
Методи дослідження. Для методу пошуку явних адресованих несправностей і методів визначення області підозрюваних несправностей явного і прихованого виду використовується апарат теорії графів, теорії множин і технічної діагностики цифрових пристроїв. Для методів пошуку явних і прихованих несправностей у локальних обчислювальних мережах і методу відокремлення несправностей прикладного програмного забезпечення від мережних несправностей використовується апарат теорії планування пасивного й активного експерименту та інші розділи математичної статистики.
Наукова новизна отриманих результатів
1) Вперше одержано метод відокремлення несправностей прикладного програмного забезпечення від мережних несправностей, який відрізняється від відомих застосуванням додаткових часових параметрів, що дозволяє скоротити часові витрати на пошук несправності.
2) Удосконалено методи пошуку явних і прихованих мережних несправностей, які відрізняються від відомих розробкою і застосуванням плану експерименту, що дає змогу підвищити ефективність процедури постановки діагнозу, а також знизити трудомісткість пошуку явних і прихованих мережних несправностей.
3) Удосконалено структурний метод пошуку явних адресованих несправностей, який відрізняється від відомих сполученням структур даних умовного методу пошуку дефектів в цифрових пристроях і безумовного методу аналізу багатозначних таблиць несправностей, що дає можливість скоротити область підозрюваних несправностей.
4) Набув подальшого розвитку метод визначення області підозрюваних несправностей прихованого типу, який відрізняється від відомих урахуванням різної природи явних і прихованих несправностей на основі застосування матриці елементарних перевірок та процедури кодування реакцій, що дає можливість зменшити розмір таблиці експериментальних даних та скоротити часові витрати на пошук прихованих несправностей.
Практичне значення отриманих результатів визначається:–
розробкою методології пошуку різних типів мережних несправностей, а також рекомендацій щодо практичного застосування зазначеної методології для мережного діагноста, що знижує трудомісткість і скорочує часові витрати на традиційну процедуру пошуку несправностей, а також підвищує ефективність процедури постановки діагнозу;–
удосконаленням методів пошуку явних і прихованих мережних несправностей шляхом розробки і застосування плану експерименту, що призводить до скорочення часових витрат на пошук несправностей, підвищення ефективності процедури постановки діагнозу та зниження трудомісткості процедури пошуку несправностей;–
впровадженням теоретичних результатів у вигляді методів і алгоритмів у навчальний процес університету та науково-виробничий і технологічний процеси підприємств із метою дослідження стану мережі, які експлуатуються у рамках зазначених установ.
Впровадження результатів дисертаційної роботи – у навчальний процес Харківського національного університету радіоелектроніки (курси “Діагностика, верифікація і стандартизація комп'ютерних систем і мереж”, “Основи діагностики комп'ютерних систем і мереж”), у науково-виробничий процес підрозділу ALDEC-Club кафедри АПОТ, у науково-дослідницьку та виробничу діяльність АТ “НДІРВ”.
Особистий внесок здобувача. Основні положення і результати дисертаційної роботи отримані автором самостійно. У публікаціях, написаних у співавторстві, авторові належать: [1,8,9] - моделі локальних обчислювальних мереж (ЛОМ) для вирішення задач діагностування із застосуванням апарату технічної діагностики цифрових пристроїв; [3,6,7,10-13,15,16] – кубічні моделі цифрових схем; [4,14,18-20] – структурна модель ЛОМ, модифікований структурний метод пошуку явних адресованих несправностей; [5] – класифікація експертних систем для діагностування ЛОМ, формулювання вимог до експертних систем для діагностування ЛОМ, постановка задачі пошуку мережних несправностей; [17] – модель корпоративної обчислювальної мережі як об'єкта діагностування; [21] – модель явних несправностей ЛОМ, план пасивного експерименту для пошуку явних мережних несправностей, метод відсіювання факторів; [22] – загальна схема планування активного експерименту для пошуку прихованих мережних несправностей; [23-25] – метод відокремлення несправностей прикладного програмного забезпечення від несправностей мережі, процедура визначення області підозрюваних несправностей прихованого типу.
Апробація результатів дисертації. Основні результати дисертаційної роботи доповідалися та обговорювалися на: 7-й Міжнародній конференції “Теорія і техніка передачі, прийому й обробки інформації” (Туапсе, 2001); 13-й Міжнародній школі-семінарі “Перспективні системи керування на залізничному, промисловому і міському транспорті” (Алушта, 2001); VI International Conference “CADSM-2001” (Lviv - Slavsko, 2001); IV міській науково-технічній конференції “Актуальні проблеми сучасної науки в дослідженнях молодих учених Харківщини” (ХДУ, Харків, 2001); 5-му Міжнародному молодіжному форумі “Радіоелектроніка і молодь у XXI столітті” (ХТУРЕ, Харків, 2001); VIII International Conference “MIXDES-2001” (Zakopane, 2001); International Workshop “DESDES-2001” (Zielona Gura, 2001); 1-му Міжнародному радіоелектронному форумі “Прикладна радіоелектроніка. Стан і перспективи розвитку” (Харків, 2002); 9th International Conference “MIXDES-2002” (Wroclaw, 2002); VII-th International Conference ”TCSET-2002” (Lviv-Slavsko, 2002); 7-му Міжнародному молодіжному форумі “Радіоелектроніка і молодь у XXI столітті” (ХНУРЕ, Харків, 2003); VII International Conference “CADSM-2003” (Lviv - Slavsko, 2003); 1st International Conference “Advanced computer systems and networks: design and application” (Lviv, 2003); VIII International Conference ”TCSET-2004” (Lviv-Slavsko, 2004); 2nd East-West Design&Test Workshop “EWDTW-2004” (Yalta–Alushta, 2004); 10-й Ювілейній міжнародній науковій конференції “Теорія і техніка передачі, прийому й обробки інформації” (Харків–Туапсе, 2004); 1-й науково-практичній конференції “Інформаційні технології – у науку й освіту” (ХНУРЕ, Харків, 2005), 6-й Міжнародній науково-практичній конференції “Сучасні інформаційні та електронні технології” (Одеса, 2005), 3rd East-West Design&Test Workshop “EWDTW-2005” (Odessa, 2005), а також на наукових семінарах і засіданнях кафедри АПОТ ХНУРЕ.
Публікації. Результати наукових досліджень викладено у друкованих працях. До них належать 5 статей, опублікованих у наукових виданнях, що включені до переліку ВАК України, а також 20 публікацій у тезах доповідей наукових конференцій.
Структура та обсяг роботи. Дисертація має вступ, п'ять розділів, висновки, що містять основні результати, список використаних джерел і додатки. Загальний обсяг роботи складає 188 сторінок, з них 145 сторінок основного тексту, що включає 60 малюнків і 25 таблиць, в тому числі на окремих сторінках. Список використаних джерел – 116 найменувань, 5 додатків – на 25 сторінках.
ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ
У вступі обґрунтовано актуальність теми, сформульовано мету і задачі досліджень, наукову новизну і практичне значення отриманих результатів. Наведено дані про впровадження результатів роботи, особистий внесок автора і публікації.
У першому розділі наведено основні поняття і визначення щодо об'єкта дослідження з метою його адаптації до застосування апаратів технічної діагностики цифрових пристроїв і теорії планування експериментів. Виконано аналіз мережних несправностей (рис.1) та засобів і методів діагностування ЛОМ, в результаті якого були виявлені проблеми, наведені у вступі. Було сформульовано основні задачі наукового дослідження (рис.1).
Рис.1. Класифікація мережних несправностей та запропонована методологія їх пошуку
Дано визначення ЛОМ як об’єкта діагностування (ОД), де ЛОМ визначається співвідношенням (1), що зв'язує час реакції прикладного програмного забезпечення (ПЗ) сервера на запит клієнта y (критерій якості роботи ЛОМ) з факторами, що на нього впливають:
. (1)
Фактори, які характеризують компоненти ЛОМ як ОД та впливають на значення критерію якості роботи ЛОМ, представлені наступними множинами: сукупність характеристик пасивного мережного обладнання, сукупність характеристик активного мережного обладнання, сукупність характеристик системних ресурсів сервера і робочих станцій, сукупність конфігураційних і мережних настроювань мережної операційної системи.
Другий розділ присвячений розробці структурного методу пошуку явних адресованих несправностей, що базується на структурах даних умовного методу пошуку дефектів у цифрових пристроях (ЦП) і безумовного алгоритму аналізу багатозначних таблиць несправностей (БТН). Запропонований метод спирається на властивість адресованості активного мережного компоненту і використовує адресний тест для визначення його стану. За результатами застосування тесту будується вектор елементарної перевірки (ВЕП) R={R1, … Ri, … Rn}, , n – число контрольних точок (кінцевих вузлів), крім джерела тестів:
Структурна модель ЛОМ як ОД представлена у вигляді орієнтованого графа G=(V, E) відповідно до тестових шляхів, з числом проміжних і кінцевих вузлів 0,1,2, ...,V та з числом дуг-зв'язків між ними 1, 2,..., E (рис.2,3).
Рис.2. Фрагмент ЛОМ з сервером-джерелом тестів
Структура ЛОМ має у своєму складі вузол-джерело тестів V1, яким є свідомо справний кінцевий вузол. Даний вузол генерує вхідні тестові послідовності, приймає й аналізує вихідні реакції на тести, а також задає орієнтованість графа. Інші вузли нумеруються відповідно до процедури індексування: спочатку проміжні системи, потім – кінцеві.
Рис.3. Структурна модель фрагменту ЛОМ
Матриця досяжностей M=[mij] описує можливі шляхи від вузла Vi до вузла Vj. При цьому елемент матриці дорівнює: , де - шлях від вузла-джерела тестів Vi до вузла-приймача Vj. Представлено матрицю досяжностей Mj для структурної моделі фрагменту ЛОМ (рис.2,3), і відповідний ВЕП Ri, який складається з вершин-кінцевих вузлів розглянутої мережі:
Процедура визначення області підозрюваних несправностей (ОПН) у випадку наявності одиночної несправності виконується відповідно до існуючої для аналізу багатовиходових схем у структурному методі ПД: . У випадку наявності кратної несправності, наприклад, у ЛОМ шинної топології (ОПН D=): . Виконано діагностичні експерименти у мережах технології Ethernet, що підтвердили коректність діагнозів, поставлених за розробленим методом. Оцінка часових витрат на пошук несправностей структурним методом показала лінійне скорочення сумарного часу діагностування за рахунок одночасної подачі тесту на всі шляхи. Апаратурні витрати визначаються ціною елементарної перевірки (ЕП) на кожній контрольній точці (КТ). Ціна ЕП в усіх КТ для структурного методу прийнята однаковою, а програмне тестування ПК за мережною адресою (ping), яке є достатнім для виявлення явних адресованих несправностей, є ЕП з самою низькою ціною відносно апаратурних витрат.
У третьому розділі пропонується метод пошуку явних мережних несправностей, який є сполученням методу пасивного діагностування ЛОМ і плану пасивного експерименту (рис.4). Застосування апарату теорії планування експерименту для досягнення зазначеної мети полягає в рішенні статистичної задачі визначення фактора із співвідношення (1), який найбільш впливає на спостерігаєму залежну змінну (критерій якості роботи мережі). При незадовільній якості роботи мережі зазначений фактор є потенційною областю несправності.
Рис.4. Загальна схема методу пошуку явних мережних несправностей
Для етапу відсіювання факторів пропонується відповідна процедура, яка відрізняється від відомих адаптацією до ЛОМ як ОД. Задача відсіювання несуттєвих факторів для ЛОМ як ОД і формування списку факторів для пасивного експерименту вважається вирішеною, якщо виконуються наступні умови мінімізації: , де Lf – список факторів для пасивного експерименту; Nf – загальна кількість факторів для ЛОМ як ОД; Nh – кількість проміжних та кінцевих вузлів. Процедура містить наступні етапи.
1. Угрупування факторів і ранжування груп з метою виконання першої умови мінімізації. Угрупування факторів виконується відповідно до типів факторів: група 1 – фактори-симптоми, підгрупи: пакети-помилки, пакети-сигнали; група 2 – фактори-характеристики, підгрупи: фактори-характеристики завантаження системних ресурсів; фактори-характеристики завантаження каналу зв'язку. Ранжування факторів виконується відповідно до ступеня прояву несправності: ранг 1 – фактори-симптоми у вигляді пакетів-помилок канального рівня; ранг 2 – фактори-симптоми у вигляді пакетів-помилок інших рівнів моделі OSI; ранг 3 – фактори-характеристики завантаження каналу зв'язку; ранг 4 – фактори-характеристики завантаження системних ресурсів.
2. Визначення ОПН у вигляді тракту передачі даних (ТПД) з метою виконання другої умови мінімізації:
а) спостереження за рівнями факторів із групи з рангом 1;
б) якщо має місце фактор з рівнем “+1”, то виконується формування ТПД, де початкова точка – адреса джерела фактора з рівнем “+1”, кінцева точка – адреса вузла призначення, з яким у даний момент часу встановлено сеанс зв'язку від вузла-джерела фактора з “+1” рівнем;
в) складання списку факторів для проміжних і кінцевих вузлів, що входять у ТПД – на даному етапі забезпечується виконання другої умови мінімізації;
г) з метою урахування впливу інших вузлів ЛОМ на характеристики ТПД необхідним і достатнім є включення в список факторів для ТПД фактора утилізації інших проміжних і кінцевих вузлів ЛОМ;
д) якщо усі фактори з групи, яка спостерігається на даному етапі, мають рівні “-1”, то виконується перехід до групи з рангом на рівень нижче, і всі пункти процедури формування ТПД у випадку виявлення фактора з “+1” рівнем виконуються стосовно до цієї групи.
Звідси кількість факторів, які включаються в пасивний експеримент після застосування методу відсіювання, буде дорівнювати:
, (2)
де – список факторів для пасивного експерименту після застосування процедури відсіювання; Nf – загальна кількість факторів для ЛОМ як ОД; – сума груп факторів, у яких не виявлено жодного фактора з рівнем “+1”; k – максимальна кількість груп факторів (тут k=4); – сукупність факторів, що описують проміжні і кінцеві вузли ЛОМ, кожний з яких входить до тракту передачі даних DTP; – сукупність факторів утилізації проміжних і кінцевих вузлів, що не входять до DTP. Таким чином, у (2) має місце лінійне скорочення кількості факторів і вузлів ЛОМ, які включаються в план пасивного експерименту на наступних етапах.
Застосування однофакторного дисперсійного аналізу на етапі виявлення фактору-потенційного джерела мережної несправності обумовлено вимогою незалежності, яка пред'являється до факторів для пасивного експерименту. Розроблений метод підвищує ефективність процедури постановки діагнозу за рахунок забезпечення глибини пошуку несправності до фактора, що характеризує компонент ЛОМ як ОД. Проте, за наявністю в ЛОМ кратних несправностей, прихованих мережних несправностей або несправностей прикладного ПЗ запропонований метод є неефективним.
У четвертому розділі пропонується метод пошуку прихованих мережних несправностей, що представляє собою сполучення методу активного діагностування ЛОМ з розробкою і застосуванням плану активного експерименту (рис.5). Пропонуються методи вирішення задач, що забезпечують зниження часових витрат на пошук прихованої несправності, а саме: відокремлення несправностей прикладного ПЗ від несправностей ЛОМ і визначення ОПН з метою скорочення кількості факторів, що мають бути включені в ТЕД.
Рис.5. Загальна схема методу пошуку прихованих мережних несправностей
Запропонований метод відокремлення несправностей прикладного ПЗ від несправностей ЛОМ базується на кореляційному аналізові значень параметра “час реакції прикладного ПЗ сервера на запит клієнта” і введеного для даного методу параметра “швидкість роботи мережі”, що характеризує якість роботи мережі без урахування прикладного ПЗ. Якщо кореляційний лінійний зв'язок між зазначеними параметрами існує, то носій несправності – ЛОМ, у противному випадку – прикладне ПЗ.
Метод визначення ОПН для пошуку прихованих мережних несправностей базується на запропонованому в розділі 2 структурному методі пошуку явних адресованих несправностей у сегменті ЛОМ. Сформульовано вимоги, що забезпечують адаптацію структурного методу пошуку явних адресованих несправностей до визначення ОПН прихованого типу. Зокрема, через недостатність одноразового зняття показання (реакції) для виявлення прихованих несправностей замість ВЕП використується матриця елементарних перевірок (МЕП) , де , n – кількість кінцевих вузлів мережі; , m – кількість знять показань при виконанні тестування ЛОМ. Запропоновано процедуру кодування реакцій, за рахунок якої забезпечується коректна обробка та інтерпретація чисельних значень параметра Rij, що спостерігається, у позитивну або негативну реакцію. Виконання кодування значень параметра, який спостерігається, як у координатах множини кінцевих вузлів - контрольних точок, так і в координатах множини знять показань забезпечує однозначне кодування реакції, у тому числі й у випадку, коли носієм несправності є проміжна (комутуюча) станція або вузол-джерело тестів. Після виконання процедури кодування реакцій метод визначення ОПН містить наступні етапи:
1. Одержання мінімізованої МЕП шляхом склеювання однакових стовпців і виконання процедури визначення ОПН для кожного вектора-стовпця з мінімізованої МЕП: , де - ВЕП з мінімізованої МЕП; Mk – матриця досяжностей. У випадку виникнення кратної несправності застосовується процедура: .
2. Після одержання ОПН по кожному векторові-стовпцю МЕП з метою відсіювання випадкових результатів (погрішностей експерименту) виконується наступна процедура визначення результуючої ОПН:
2.1 Виконується визначення первинної ОПН шляхом застосування операції об'єднання отриманих ОПН Dj:
2.2 В отриманій виконується призначення ваг кожному елементові області, де вага позначає кількість присутностей кожного елемента в кожній з областей Dj.
2.3 За правилом виконується відбір у результуючу ОПН , при якому до заносяться ті елементи області , що відповідають умові ?X(0).
Результуюча ОПН буде брати участь у наступному етапі планування активного експерименту і буде основою для побудови плану експерименту.
Сформульовано вимоги до факторів, які включаються в активний експеримент, наведені причини неможливості проведення чистого активного експерименту для ЛОМ як ОД, а також запропоновано способи їхнього усунення. Зокрема, запропоновано вирішення задачі забезпечення незалежності факторів за рахунок послідовного угрупування вузлів H, які характеризуються однаковим набором факторів f, у блоки ; угрупування факторів за компонентами нижчого рівня, відповідно до ієрархічного компонентного підходу представлення ЛОМ як ОД, вузла Hj і упорядковування зазначених компонентів і факторів в них для усіх вузлів блоку Ci так, що:
Тут , Sm – компонент нижчого рівня відповідно до ієрархічного підходу, що описується множиною факторів-характеристик. Вибір факторів для експерименту виконується таким чином, щоб протягом проміжку часу t1 виконувався експеримент для факторів з множини , в t2 – для факторів з множини і т.д. Пропонується процедура завдання меж варіювання факторів і їхнього кодування. Зазначена процедура складається з наступних етапів.
1. На усі вузли ОПН подається порівневе тестове навантаження, де першому рівневі відповідає рівень утилізації мережі 10%, останньому – максимально припустимі 60%. На кожному з рівнів виконується фіксація значень усіх факторів, що характеризують компоненти Sm.
2. Відповідно до правила угрупування вузлів по блоках для кожного блоку Ci будується таблиця значень факторів для різних вузлів блоку:
Таблиця 1
Таблиця значень факторів для вузлів блоку Ci |
… | … | … | U=10% | a11 | b11 | … | x11 | a11 | b11 | … | x11 | … | x11 | U=20% | a21 | b21 | … | x21 | a21 | b21 | … | x21 | … | x21
U=30% | a31 | b31 | … | x31 | a31 | b31 | … | x31 | … | x31 | U=40% | a41 | b41 | … | x41 | a41 | b41 | … | x41 | … | x41 | U=50% | a51 | b51 | … | x51 | a51 | b51 | … | x51 | … | x51
U=60% | a61 | b61 | … | x61 | a61 | b61 | … | x61 | … | x61 | 3. Для кожної множини , , …, кожного блоку Ci на кожному рівні подачі тестового навантаження обчислюється , , … , (таблиця 2).
Таблиця 2
Скорочена таблиця значень факторів для блоку Ci |
… | U=10% | (a11+…+ x11)/k | (a11+…+ x11)/k | … | (a11+…+ x11)/k | U=20% | (a21+…+ x21)/k | (a21+…+ x21)/k | … | (a21+…+ x21)/k | U=30% | (a31+…+ x31)/k | (a31+…+ x31)/k | … | (a31+…+ x31)/k | U=40% | (a41+…+ x41)/k | (a41+…+ x41)/k | … | (a41+…+ x41)/k | U=50% | (a51+…+ x51)/k | (a51+…+ x51)/k | … | (a51+…+ x51)/k | U=60% | (a61+…+ x61)/k | (a61+…+ x61)/k | … | (a61+…+ x61)/k | 4. Відповідно до правила для кожного стовпця із таблиці 2 виконується визначення значення початкових координат {f1(0), f2(0), …, fn(0)} з подальшим дворівневим кодуванням (таблиця 3).
Таблиця 3
Приклад процедури кодування факторів для досліджуваної ЛОМ |
… | U=10%–– | …– | U=20%–– | …– | U=30%– | + | …– | U=40% | + | + | …– | U=50% | + | + | … | + | U=60% | + | + | … | + | Розроблено план активного експерименту, що містить:
1) вибір блоку C1;
2) вибір фактора f1 з підсистеми S1 вузлів {Hk} C1;
3) складання таблиці експерименту для фактора f1 з підсистеми S1 вузлів {Hk} C1 і виконання повнофакторного експерименту (ПФЕ) 2n для двох рівнів факторів, де n – кількість вузлів у блоці C1;
4) виконання дисперсійного аналізу з метою перевірки нуль-гіпотези “фактор f1 не впливає на параметр”;
5) якщо гіпотеза відкидається > виконання регресійного аналізу і виявлення вузла, зміна значень фактора f1 на якому впливає на параметр;
6) перехід до п.2 і виконання пп. 2-5 доти, доки не буде виконаний експеримент для усіх факторів блоку C1;
7) перехід до наступного блоку і виконання пп. 2-6;
8) складання таблиці факторів з найбільшим коефіцієнтом регресії і виявлення вузла або вузлів, що характеризуються цими факторами.
Усі статистичні процедури виконуються за допомогою функцій статистичного аналізу даних, наданих пакетом Microsoft Excel, а також пакетом Statistica. Таким чином, істотно скорочується час на обробку даних і формулювання остаточного, статистично підтвердженого діагнозу за даними експерименту.
У п'ятому розділі представлена практична реалізація розроблених методів пошуку несправностей на прикладі фрагмента ЛОМ. Виконано порівняльний аналіз існуючих методів пошуку несправностей у ЛОМ із розробленими методами, який показує ефективність застосування розроблених методів за такими параметрами:
1. Час пошуку несправності – , де n – кількість процедур, передбачена аналізованим методом для пошуку всіх заявлених типів несправностей; – час, затрачуваний на виконання кожної з i-х процедур пошуку несправності; зазначений час формується з трьох складових: , де tt – час, затрачуваний на подачу тесту; tr – час, затрачуваний на зняття реакції; td – час, затрачуваний на постановку діагнозу.
2. Глибина пошуку несправності D – визначається ієрархічним рівнем, на якому аналізований метод завершує процедуру пошуку несправності. Тут оцінюється за чотирибальною системою, де бал 1 має на увазі визначення ОПН у вигляді ТПД, бал 4 – фактор, що належить до множини Sm.
3. Матеріальні витрати на пошук несправності C – визначаються як сума вартостей кожного з апаратних/програмних засобів, використовуваних в аналізованому методі пошуку несправностей. Вартість кожного з засобів виражається в умовних одиницях, тобто засоби ранжуються за 10-бальною шкалою вартості один щодо одного.
4. Кількість вузлів, що беруть участь у процедурі пошуку несправності Q – визначається як співвідношення загальної кількості кінцевих і проміжних вузлів ЛОМ, яка діагностується, до кількості, на якій виконуються процедури пошуку несправності аналізованого методу.
Рис.6. Порівняльна характеристика за часом пошуку несправності |
Рис.7. Порівняльна характеристика за глибиною пошуку
Рис.8. Порівняльна характеристика за вартістю застосування методів |
Рис.9. Порівняльна характеристика за кількістю вузлів, які приймають участь у процедурі локалізації несправності
Як стендові мережі були задіяні: мережа 1 – 4 сегменти, загальна кількість кінцевих станцій = 35, несправність “дефекти ПЗ на сервері”; мережа 2 – 7 сегментів, загальна кількість кінцевих станцій = 48, несправність “вузькі місця в пам'яті і дисковому просторі на сервері”. Отримані результати підтверджено відповідними актами про впровадження.
У додатках наведено лістінги програмних модулей системи пошуку явних адресованих несправностей, плани експериментів, акти про впровадження результатів дисертаційної роботи.
ВИСНОВКИ
У дисертаційній роботі наведене нове вирішення науково-технічної задачі розробки методів пошуку несправностей в локальних обчислювальних мережах та їх сегментах, що забезпечують зниження трудомісткості, скорочення часових витрат на пошук несправності в локальних обчислювальних мережах і підвищення ефективності процедури постановки діагнозу, що полягає в винесенні на захист наступних наукових результатів:
1. Вперше одержано метод відокремлення несправностей прикладного програмного забезпечення від мережних несправностей, який відрізняється від відомих застосуванням додаткових часових параметрів, що дозволяє скоротити часові витрати на пошук несправності у середньому на 15 %.
2. Удосконалено методи пошуку явних і прихованих мережних несправностей, які відрізняються від відомих розробкою і застосуванням плану експерименту, що дає змогу підвищити ефективність процедури постановки діагнозу, а також знизити трудомісткість пошуку явних і прихованих мережних несправностей у середньому на 20%.
3. Удосконалено структурний метод пошуку явних адресованих несправностей, який відрізняється від відомих сполученням структур даних умовного методу пошуку дефектів в цифрових пристроях і безумовного методу аналізу багатозначних таблиць несправностей, що дає можливість скоротити область підозрюваних несправностей у середньому на 10%.
4. Набув подальшого розвитку метод визначення області підозрюваних несправностей прихованого типу, який відрізняється від відомих урахуванням різної природи явних і прихованих несправностей на основі застосування матриці елементарних перевірок та процедури кодування реакцій, що дає можливість зменшити розмір таблиці експериментальних даних та скоротити часові витрати на пошук прихованих несправностей у середньому на 15%.
5. Запропоновано методологію пошуку мережних несправностей, яка базується на поетапному застосуванні розроблених методів пошуку явних адресованих, явних і прихованих мережних несправностей, що забезпечує високу ефективність процедури постановки діагнозу за рахунок використання повної моделі несправностей локальної обчислювальної мережі як об’єкта діагностування. У ході порівняння з аналогами було встановлено, що запропонована методологія має найкращі характеристики з параметрів “часові витрати на пошук несправності” і “кількість вузлів, що включаються в процедуру пошуку несправності”. За параметрами “вартість” і “глибина пошуку несправності” запропонована методологія має показники на рівні кращих.
6. Результати дисертаційної роботи впроваджено у навчальний процес Харківського національного університету радіоелектроніки, у науково-виробничий процес підрозділу ALDEC-Club кафедри АПОТ, у науково-дослідницьку та виробничу діяльність АТ “НДІРВ”.
Список опублікованих праць за темою дисертації
1. 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.
2. Кривуля Г.Ф., Бабич А.В., Липчанский А.И., Шкиль А.С. Применение экспертных систем реального времени для диагностики компьютерных систем // Інформаційно-керуючі системи на залізничному транспорті. – 2004. - №1. – С. 67-73.
3. Хаханов В.И., Бабич А.В., Скворцова О.Б. Генерация тестов для цифровых устройств (аналитический обзор) // АСУ и приборы автоматики. – 2001. - №116. – С. 88-94.
4. Хаханов В.И., Бабич А.В., Скворцова О.Б. Алгоритм построения кубических покрытий для схем с триггерными структурными (модифицированный П-алгоритм) // АСУ и приборы автоматики. – 2001. - №115. – С. 105-111.
5. Бабич А.В., Хаханова А.В., Кривуля Г.Ф. Структурный метод поиска дефектов в сегменте локальной вычислительной сети // АСУ и приборы автоматики. – 2003. - №122. – С. 8-15.
6. Хаханов В.И., Скворцова О.Б., Бабич А.В. Метод псевдослучайной генерации тестов для цифровых схем // Сб.науч.тр. 7-й Междунар. конф. “Теория и техника передачи, приема и обработки информации”. – Туапсе. – 2001. – С.305-306.
7. Скворцова О.Б., Бабич А.В., Хаханова И.В. Кубические модели цифровых схем для анализа качества тестов // Материалы 13-й Междунар. школы-семинара "Перспективные системы управления на железнодорожном, промышленном и городском транспорте. Алушта. 2001. Харьков: ХарГАЖТ.– 2001.– С. 146-147.
8. Hahanov V.I., Babich A.V., Abu Zanuneh I.M. Halil. Desining of LAN models for diagnosis problem solving // Proceedings of the VI-th Conference „CADSM-2001”. – Lviv – Slavsko.– P. 307-309.
9. Хаханов В.И., Бабич А.В. Абу Занунех И.М. Халиль. Проектирование моделей локальной вычислительной сети для решения задач диагностирования // IV городская науч.-техн. конф. “Актуальные проблемы современной науки в исследованиях молодых ученых Харьковщины”.– Харьков: ХГУ.– 2001.– С. 85-86
10. Скворцова О.Б., Бабич А.В. Система генерации тестов цифровых проектов в среде Active-HDL // Материалы 5-го Междунар. молодежного форума “Радиоэлектроника и молодежь в XXI веке”. – Харьков: ХТУРЭ. - 2001.– С. 22-23.
11. Hahanov V.I., Sysenko I.U., Babich A.V. System for Digital Device Test Generation in Active-HDL // 8-th International Conference “Mixed Design of Integrated Circuits and Systems”. – Poland. – Zakopane: DMCSTUL -– 2001. – P. 235-238.
12. Hahanov V.I., Babich А.V., Masud M.D. Mehedy. System for digital device test generation in Active-HDL // International Workshop on Discrete-Event System Design “DESDES’01”. – Zielona Gura. – 2001. – P. 153-156
13. Vladimir Hahanov, Anna Babich, Stanley Hyduke. Test Generation and Fault Simulation Methods on the Basis of Cubic Algebra for Digital Devices // Proceedings of Digital Systems design Workshop: IEEE Computer Society Press. – 2001. – Р.228-235
14. Кривуля Г.Ф., Хаханов В.И., Шкиль А.С., Бабич А.В. Структурный метод поиска дефектов в сегменте локальной вычислительной сети // Сб.науч.тр. 1-го Международного радиоэлектронного форума “Прикладная радиоэлектроника. Состояние и перспективы развития” МРФ-2002. Часть 2. – Харьков: АН ПРЭ, ХНУРЭ. 2002. – С. 257-260.
15. V.I. Hahanov, А.V. Babich, A.V. Sokolov. Deterministic method of genetic algorithms of test generation for digital systems verification // Proceedings of the 9th International Conference “MIXDES-2002”. – Wroclaw. – 2002. .– P. 535-540.
16. V. Hahanov, A. Babich, A. Sokolov, V. Pudov. Deterministic method of genetic algorithms of test generation for digital systems verification // Proceedings of the VII-th Conference “TCSET’2002”. – Lviv – Slavsko.– P. 257-258.
17. Бабич А.В., Напрасник С.В., Кобец И.А. Поиск дефектов в корпоративной вычислительной сети // Материалы 7-го Междунар. молодежного форума “Радиоэлектроника и молодежь в XXI веке”. – Харьков: ХНУРЭ. - 2003. – С. 472.
18. Babich A.V., Pobegenko I.A., Hahanova A.V. Structural method of fault location in a LAN segment // Proceedings of the CADSM’2003.– Lviv. – P. 237-240.
19. Babich A.V., Krivulya G.F., Lipchansky A.I. Structural method of fault location in a LAN segment // Proceedings of the 1st International Conference “Advanced computer systems and networks: design and application”. – Lviv. – 2003. – P.81-84.
20. G.F. Krivoulya, A.S. Shkil, A.V. Babich A.V. Structural method of explicit fault location in a LAN segment//Proceedings of the TCSET’2004. – Lviv–Slavsko. - P. 353-356.
21. A.V. Babich, I.N. Chugurov, Ye. Grankova, K.V. Kolesnikov. Planning of passive experiment for explicit faults and bottlenecks location // Proceedings of East-West Design&Test Workshop.– Yalta – Alushta, Crimea. - P. 288.
22. Бабич А.В., Напрасник С.В., Шкиль А.С. Метод планирования активного эксперимента для решения задач диагностирования сети // Сб.тез.докл. 10-й Юбилейной междунар. науч. конф. “Теория и техника передачи, приема и обработки информации”. – Харьков – Туапсе. - 2004. – С. 325-326.
23. Babich A., Babayev A., Lukashenko O., Mostovaya K. Preliminary procedures of active experiments design for implicit faults and bottlenecks location in LANs // Материалы научно-практической конференции “Информационные технологии – в науку и образование”. – Харьков. – 2005. – С. 109-111.
24. А.В. Бабич, В.А. Кульбачный, А.И. Липчанский. Метод локализации скрытых дефектов и узких мест на основе планирования активного эксперимента // Материалы 6-ой Междунар. научно-практической конф. “Современные информационные и электронные технологии”. – 2005. – С.101.
25. Babich G. V., Skvortsova O. B., Krasovskaya A. A., Kovalenko A.A. The method of implicit defects and bottlenecks location based on active experiment planning // Proceedings of IEEE East - West Design&Test Workshop (EWDTW'2005). – Odessa. – 2005. – P.189-190.
Анотації
Бабіч Г.В. Методи пошуку несправностей в локальних обчислювальних мережах та їх сегментах. – Рукопис.
Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.13.13 – Обчислювальні машини, системи та мережі. – Харківський національний університет радіоелектроніки, Харків, 2007
Дисертація присвячена вирішенню задач зниження трудомісткості, скорочення часових витрат на пошук несправності в ЛОМ і підвищення ефективності процедури постановки діагнозу за рахунок забезпечення відповідної глибини пошуку несправності. В дисертації запропоновано структурний метод пошуку явних адресованих несправностей, який забезпечує лінійне скорочення часових витрат на постановку діагнозу та характеризується мінімальними апаратурними витратами.
Удосконалено методи пошуку явних і прихованих мережних несправностей, які відрізняються від відомих розробкою і застосуванням плану експерименту, що дає змогу підвищити ефективність процедури постановки діагнозу, а також знизити трудомісткість
