Оценка производительности вычислительного комплекса информационно-измерительной и управляющей системы специального назначения
На правах рукописи
Баштанник Николай Андреевич
Оценка производительности вычислительного комплекса информационно-измерительной и управляющей системы специального назначения
Специальность:
05.11.16 «Информационно-измерительные и управляющие системы»
Автореферат
диссертации на соискание ученой степени
кандидата технических наук
Астрахань – 2010
Работа выполнена в ГОУ ВПО «Астраханский государственный университет»
| Научный руководитель: | доктор технических наук, профессор Лобейко Владимир Иванович |
| Официальные оппоненты: | кандидат технических наук Андреев Александр Александрович доктор технических наук, профессор Исмагилов Флюр Рашитович |
| Ведущее предприятие: | 929 Государственный летно-испытательный центр им. В.П.Чкалова. |
Защита состоится «17» декабря 2010 г. в 13.00 часов на заседании диссертационного совета ДМ 212.009.03 при Астраханском государственном университете по адресу: 414056, Астрахань, ул. Татищева 20а.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Астраханского государственного университета. Автореферат диссертации размещен на сайте университета www.aspu.ru
Автореферат разослан «___» _________ 2010 г.
Ученый секретарь
диссертационного совета,
к.т.н. Щербинина О.В.
Общая характеристика работы
Актуальность темы. Проблемы производительности вычислительных систем (ВС) исследуются с 70-х годов прошлого столетия и, хотя получены основательные методические и теоретические результаты, далеко не все вопросы, возникающие в практической реализации методик оценки быстродействия сложных систем управления являются успешно разрешенными.
Большой вклад в развитие методов оценки производительности вычислительных систем внесли такие ученые как Авен О.И., Гурин Н.И., Коган Я.А., Велихов Е.П., Кузнецов Н.А., Вишневский В.М., Петрова И.Ю., зарубежные ученые Байцер Б., Феррари Д., Клейнрок Л. и другие.
Основные причины, снижающие качество и эффективность оценки производительности вычислительных комплексов (ВК) в процессе полигонных испытаний:
- недостаточная проработка теоретических основ построения и функционирования ВС;
- необоснованность подходов к выбору факторов, влияющих на производительность системы и диапазонов их изменения;
- слабая связь проводимых экспериментов с аналитическим моделированием ВС и прямыми измерениями сетевого трафика испытываемой информационно-измерительной и управляющей системы (ИИУС) в условиях реальной загрузки;
- отсутствие системного подхода к обоснованию и разработке методики опытно – теоретического исследования производительности распределенных вычислительных систем;
- несоответствие существующих формулировок требований тактико-техническому заданию ( ТТЗ) к быстродействию ВК ИИУС, целям и задачам исследования их производительности.
Имеющиеся работы в области моделирования систем массового обслуживания носят обобщенный характер и не учитывают специфики полигонных испытаний ИИУС специального назначения, структурная схема которой представлена на рис.1. Фрагмент ИИУС представлен на рис.2.
До настоящего времени оценка производительности ВК производилась после изготовления опытного образца по окончании этапа полигонных испытаний с привлечением большого количества наземных и воздушных средств. Не редки были случаи, когда готовое изделие уже по окончании государственных испытаний, оказывалось, по производительности не удовлетворяет предъявленным в ТТЗ заказчиком требованиям. Подобная практика побудила автора разработать опытно-теоретический метод оценки производительности ВК ИИУС. Суть опытно-теоретического метода заключается в том, что на этапе эскизного проектирования изделия по разработанным автором аналитически моделям просчитываются основные параметры, заданные в ТТЗ заказчиком.
Рис.1 Информационно-измерительная и управляющая система
специального назначения.
С учетом расчетных параметров изготавливается опытный образец изделия (ООИ). После изготовления ООИ, он проверяется в натурных экспериментах по предлагаемой автором методике для получения более точных значений параметров, т.к. вероятностное моделирование сетевых процессов протекающих в ВК ИИУС при обработке информационных потоков, позволяет получать приближенные прогнозные оценки основных показателей производительности ООИ, но только экспериментальное подтверждение может считаться критерием истины. Данный метод отличается от существующих тем, что на этапе эскизного проектирования разработчик изделия может получить прогнозные оценки основных параметров производительности проектируемого изделия. Этот метод дает выигрыш и по времени и по финансам, позволяя экономить сотни миллионов рублей, кроме того снижает риски разработчику от изготовления некондиционного изделия.
Эффективное управление вычислительным комплексом, его модернизация невозможны без определения качества функционирования, одной из составляющих которого является оценка производительности ВК. Преодоление указанных трудностей позволяет в процессе испытаний качественно оценивать быстродействие ВК, соответствие конструкторских решений требованиям ТТЗ к разрабатываемой ИИУС, объему и спектру решаемых задач.
Рис.2 Фрагмент информационно-измерительной и управляющей системы.
Исследования, посвященные оценке производительности вычислительного комплекса информационно-измерительной и управляющей системы специального назначения на этапе эскизного проектирования, в целях повышения качества процесса полигонных испытаний, являются актуальными.
Объектом исследования является методика определения быстродействия пространственно-распределенных вычислительных комплексов современных специализированных ИИУС реального времени в условиях полигонных испытаний сложных систем.
Предмет исследования – свойства, составные части этой методики, направленные на определение и числовое выражение критериев производительности вычислительных сетей разрабатываемых и перспективных ИИУС на основе предложенного опытно-теоретического метода.
Цель и задачи исследования. Целью диссертационной работы является повышение эффективности системы полигонных испытаний и исследований, существующих и перспективных образцов специализированных ИИУС жестко регламентированного режима реального времени на основе разработки научно-методического аппарата адекватной оценки производительности вычислительных комплексов специализированных ИИУС, построенных на основе вычислительных сетей.
Для достижения поставленной цели в диссертационной работе осуществляется решение следующих задач:
- Анализ существующих методов оценки производительности вычислительных ресурсов ИИУС специального назначения в полигонных испытаниях и исследованиях сложных систем.
- Выбор и обоснование показателей производительности вычислительной сети специализированной ИИУС.
- Обоснование и разработка метода оценки производительности вычислительной сети опытно-теоретическим методом на основе анализа свойств сетевых процессов, моделирования взаимодействия элементов сети и измерения сетевого трафика. Разработка аналитических моделей для последующего их использования на этапе эскизного проектирования ВС ИИУС.
- Разработка модели экспериментального исследования производительности ВК, методическая разработка технологии измерений сетевого трафика и интерпретации полученных результатов.
Методы исследования. В работе использовались методы и рекомендации теории вероятностей, теории случайных процессов, теории массового обслуживания и системного анализа.
На защиту выносятся следующие положения:
1. Методология оценки производительности вычислительного комплекса сетевой архитектуры сложных систем на этапе эскизного проектирования адекватный программной реализации современных информационно-измерительных и управляющих систем специального назначения.
2. Метод оценки производительности сети вычислительного комплекса на основе преобразования графа сложной структуры в последовательность графов типовой структуры.
3. Методика использования многофункциональных анализаторов сетевых протоколов для программного и информационного обеспечения процессов отработки испытаний образцов информационно-измерительных и управляющих систем специального назначения.
4. Рекомендации по совершенствованию вычислительной сети на основе метода предварительной оценки производительности вычислительного комплекса и по результатам испытаний ИИУС.
Научная новизна.
- Предлагается методология оценки производительности ВК сетевой архитектуры сложных систем на этапе эскизного проектирования, адекватная аппаратно – программной реализации современных специализированных ИИУС, отличающаяся от известных тем, что:
- выполнение программ должно гарантированно выполняться в заданное время (цикл);
- достаточно высокий процент операций передачи данных для взаимодействующих ИИУС и элементов самой ИИУС.
- Для пространственно-распределенной сети разработан метод оценки производительности ВК на основе преобразования графа сложной структуры в последовательность графов типовой структуры.
- Предложены методики использования многофункциональных анализаторов сетевых протоколов для программного и информационного обеспечения процессов отработки и испытаний опытных образцов ИИУС.
- На основе метода оценки производительности ВК сетевой архитектуры и результатов испытаний даны рекомендации по совершенствованию ВК ИИУС.
Практическая ценность работы:
- Предложенный научно-методический аппарат позволяет разработать методики исследования эффективности функционирования аппаратно-программных средств ВК ИИУС и оценки производительности ВК.
- Исследование свойств информационного трафика, циркулирующего в сети ВК позволяет весьма оперативно отслеживать влияние изменений, вносимых разработчиком в специализированное программное обеспечение ИИУС в ходе полигонных испытаний, оценивать готовность изделия и сокращать сроки внедрения на фоне минимизации финансовых затрат, а в целом – повысить эффективность испытаний сложных систем.
Личный вклад автора
Предложенные в диссертации методики, подходы и алгоритмы оценки производительности ВК ИИУС специального назначения разработаны лично автором.
Апробация научных результатов. Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на Международных научных (научно-практических) конференциях АСТИНТЕХ-2010 (Астрахань), ИНФО-2010 (Москва-Сочи) и в ходе согласования методик оценки соответствия производительности вычислительной сети технологии Fast Ethernet требованиям вычислительного процесса реального времени КИМУ–2000 в рамках ОКР.
Публикации. Основные положения диссертации опубликованы в Межвузовских сборниках научных статей «Известия ВолгГТУ», серия «Актуальные проблемы управления, вычислительной техники и информатики в технических системах», трудах 708 НИИЦ и 4 ГЦМП МО РФ.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы и приложений. Основное содержание диссертационной работы изложено на 130 страницах машинописного текста, иллюстрированного 15 рисунками и 10 таблицами.
Краткое содержание работы
Во введении к диссертационной работе обосновывается актуальность темы диссертации, формулируется цель и задачи исследования, приводятся основные положения и результаты, выносимые на защиту, отмечается их научная новизна, практическая и теоретическая значимость работы. Приводятся сведения о внедрении результатов работы и публикациях.
В первой главе проводится анализ существующих методов оценки производительности ВК сетевой архитектуры, выявлены особенности современных ИИУС как объекта исследования. Определены критерии производительности ВК: время реакции, пропускная способность. Проведен подробный анализ степени влияния на производительность ВК ИИУС пропускной способности протоколов канального уровня, алгоритма управления доступом сетевых узлов к разделяемой среде передачи данных, размера информационного кадра, представленный на рис.3.
Рис.3 Факторы, оказывающие влияние на производительность ВК ИИУС.
Исследовано влияние на производительность вычислительной сети служебного и широковещательного трафика. Рассмотрены вопросы воздействия топологии связей между модулями ВК на его быстродействие.
На основе анализа образцов ВС осуществлена постановка задачи прогнозного определения параметров быстродействия ВК методами теории массового обслуживания при следующих задаваемых граничных условиях:
производительность вычислительного комплекса сетевой архитектуры, при фиксированном значении N (числа модулей в сети), должна удовлетворять следующим условиям:
по пропускной способности 
, где 
- пропускная способность сети опытного образца, а 
- заданная пропускная способность;
по времени реакции 
, где 
- время затраченное на передачу пакета данных и получение квитанции (время реакции), а 
- заданное время на передачу пакета данных и получение квитанции;
при вычислениях начиная с r-го члена бесконечных сумм, остальные не учитываются.
Аналитическая модель состоит из уравнений, которые приближенно отражают структуру и алгоритм функционирования сети. Основные достоинства аналитического моделирования характеристик сети ВК – относительная простота соответствующих расчетов и сравнительно малые затраты времени на вычисления. Но большинство аналитических моделей позволяют получать только средние значения нужных характеристик в стационарном режиме функционирования ВК. Во многих случаях теория систем массового обслуживания обеспечивает компромисс между требованиями к точности модели, сложностью получения численных результатов и возможностью их интерпретации. Для создания аналитической модели сделаны следующие допущения:
о топологии вычислительной сети ИИУС;
характере распределения во времени входящего в модули ВК потока кадров с транспортируемыми данными;
правилах и дисциплине обслуживания информационных кадров в узлах сети.
При выдвинутых граничных условиях и допущениях аналитическая модель позволяет найти значение выбранного показателя производительности 
, если этот показатель можно выразить символически как явную функцию от входных параметров 
модели:
. (1)
Исследование параметров быстродействия сети ВК возможно на основе декомпозиции сети на элементы, к числу которых следует отнести: вычислительные модули (АРМ, модуль связи с внешними абонентами, модуль обработки входной информации, модуль управления боевыми действиями и др.); узлы, осуществляющие функции сегментации сети ВК, локализации сетевого трафика, маршрутизации транспортируемых информационных кадров (мосты, коммутаторы, маршрутизаторы); разделяемая передающая среда.
В результате декомпозиции в рамках принятых допущений о характере входного информационного потока, виде его обслуживания в модулях и узлах сети, можно построить автономные аналитические модели функционирования: модуля ВК и разделяемой среды передачи данных; взаимодействующих в процессе последовательной обработки информации модулей; АРМ оперативного персонала с вычислительными модулями сети; сети ВК с внешними абонентами ИИУС. Таким образом, модель сети ВК 
представляет собой множество аналитических моделей 
, описывающих на основе теории систем массового обслуживания функционирование компонентов, получаемых в результате декомпозиции вычислительной сети ИИУС: 
. Множество 
может варьироваться применительно к исследованию показателей быстродействия конкретного ВК ИИУС.
Во второй главе построена аналитическая модель взаимодействия модуля ВК и среды передачи данных, определена вероятность обслуживания кадров протокола канального уровня. Исследовано изменение показателей производительности модуля ВК в нестационарном режиме. Рассмотрено взаимодействие модулей сети, ведущих последовательную обработку информационного потока кадров. Показана возможность моделирования ВК сетью массового обслуживания. Приведена схема аналитического расчета производительности коммутаторов в вычислительных сетях ИИУС.
Структура сети массового обслуживания представлена графом на рис. 4. Структурная схема оценки производительности ВК ИИУС показана на рис.5.
Аналитическая модель модулей ВК, ведущих последовательную обработку информационного потока представлена системой дифференциальных уравнений вида
(2)
Структура сети после декомпозиции представлена графом на рис.6.
Вероятность своевременного обслуживания кадров в системе массового обслуживания с ожиданием имеет вид
(3)
Модель взаимодействия среды передачи данных и модуля ВК имеет следующий вид
 |  ,  ,  ,  ,  ,  ,  . (4) |
Здесь 
- вероятность отсутствия в модуле сети ВК кадров, требующих обработки; 
- вероятность заполнения буфера 
кадрами; 
- вероятность отказа в обслуживании кадра; 
- среднее число кадров, находящихся в буфере модуля ВК; 
- среднее время, которое обслуживающий прибор тратит на обработку одного кадра; 
- необходимая емкость буферной памяти модуля ВК, выраженная в кадрах протокола; 
- вероятность своевременного обслуживания кадров с данными в зависимости от параметров 
, 
, 
, 
. Где 
-число модулей сети; 
- номинальная пропускная способность протокола; 
-длина поля данных; 
- максимальное время реакции.
Вероятность бесконфликтного исхода 
-й попытки сетевого контроллера осуществить доступ к разделяемой среде при 
претендентах представлена на рисунках 7,8.
 |  |
Рис.7 Вероятность бесконфликтного исхода сетевого контроллера осуществить доступ к разделяемой среде при  претендентах. | Рис.8 Вероятность бесконфликтного исхода  -й попытки сетевого контроллера осуществить доступ к разделяемой среде при  претендентах. |
Интенсивность входящего потока кадров 
рассматривалась в границах от 17 до 6000 кадр/с. Время ожидания обслуживания выбрано равным 
с.
 |  |  |
Рис.9 Зависимость среднего числа кадров, ожидающих обслуживания от интенсивности входящего потока кадров  . | Рис.10 Зависимость вероятности обслуживания кадра (относительной пропускной способности системы) и вероятности отказа в обработке кадров модулем ВК вследствие перегрузки от интенсивности потока кадров. | Рис.11 Характер зависимости вероятности простоя среды передачи данных от интенсивности потока кадров  . |
Зависимость среднего числа кадров, ожидающих обслуживания от интенсивности входящего потока кадров 
представлена на рисунке 9. Зависимость вероятности обслуживания кадра (относительной пропускной способности системы) и вероятности отказа в обработке кадров модулем ВК вследствие перегрузки от интенсивности потока кадров представлена на рисунке 10. Характер зависимости вероятности простоя среды передачи данных от интенсивности потока кадров 
показан на рисунке 11.
В третьей главе рассматриваются вопросы экспериментального исследования ВК ИИУС. Вводится понятие измерительного эксперимента, описывается его структура, определяется формальная модель организации и проведения экспериментального исследования ВК. Разработана методика проведения измерений сетевого трафика ВК ИИУС анализаторами сетевых протоколов. Определены этапы проведения измерительного эксперимента, исследовано влияние различных ошибочных ситуаций в передаче информационных кадров на производительность ВК.
Структура формальной модели процесса организации и проведения экспериментальных исследований сети ВК представлена графом 
на рис. 12, в котором множество вершин 
отождествляется с действиями испытателей в процессе организации экспериментов, а множество дуг 
определяет связи между этапами и порядок их выполнения: 
, где 
; 
.
Смысловое значение вершин графа 
: 
– постановка задачи эксперимента (ПЗ); 
– построение алгоритма эксперимента (АЭ); 
– выбор имеющихся измерителей трафика (ИТ); 
– выбор новых технических средств (НС); 
– построение алгоритма управления привлекаемыми измерителями (АУ); 
– настройка измерителя (НИ); 
– проведение эксперимента (ПЭ); 
– обработка данных (ОД); 
– моделирование элементов ВК на основе экспериментальных данных (моделирование сетевого процесса) (МП); 
– получение результата исследования производительности ВК (РИ).
Рис. 12 Структура формальной модели процесса организации и проведении эксперимента.
В соответствии с постановкой задачи (ПЗ) экспериментатор строит алгоритм эксперимента (АЭ), из которого становится ясно, какие действия необходимо совершить, чтобы выполнить поставленную задачу. При составлении алгоритма измерительного эксперимента требуется на уровне общих задач эксперимента учесть все элементарные действия при реализации измерений. На основе алгоритма эксперимента производится выбор измерителя сетевого трафика (ИТ) в качестве экспериментальной установки, определяются измеряемые количественные характеристики информационных потоков в сети (характеристики сетевого трафика). В том случае, когда технические характеристики измерителей, имеющихся в распоряжении, не удовлетворяют требованиям проведения эксперимента и предполагаемому трафику, необходимо привлечение новых средств (НС) измерения.
Процесс дополнения экспериментально-исследовательской базы новыми средствами может оказывать влияние на проведенный выбор измерителей и даже приводить к частичному изменению первоначально согласованной номенклатуры аппаратно-программных измерительных
средств 
. Далее производится построение алгоритма управления (АУ) измерителями сетевого трафика в ходе эксперимента исходя из общего алгоритма эксперимента и технических возможностей применяемых измерителей.
В процессе создания алгоритма управления и настройки измерителей (НИ) возможны корректировки состава и функций измерителей 
. После окончания настройки аппаратно-программных средств измерения трафика вычислительной сети испытатели проводят эксперимент (ПЭ). В результате получаются экспериментальные данные и выявляются возможные ошибки в общем алгоритме эксперимента. Для устранения ошибок выполняется корректировка 
. Полученные данные подвергаются обработке (ОД), после которой получаются массивы данных, готовые для проведения анализа, а также для использования в моделировании работы сети ВК. На этом этапе проведения исследования могут выявиться погрешности в составлении алгоритма эксперимента и может потребоваться его коррекция 
. Следующим этапом экспериментальных исследований является моделирование сетевого процесса (МП) в исследуемом ВК. В случае неудовлетворительного результата работы модели возможна корректировка поставленной задачи 
. Результат исследования производительности (РИ) завершает процесс экспериментальных исследований. Схема подключения рабочей станции анализатора протоколов Network Instruments Observer 9.1 к ВК ИИУС на основе концентратора показана на рис.13.
Методика проведения измерительных экспериментов включает в себя:
элементы измерительного эксперимента; этапы проведения эксперимента; характеристики структурированной кабельной системы вычислительной сети; первичное исследование сети ВК; недостатки специального программного обеспечения и архитектуры сети; подключение анализатора протоколов к исследуемому ВК; интерпретация результатов измерений.
Моделирование работы модуля ВК производилось в следующих условиях:
Таблица 2
| Величина | Значение | Размерность | Комментарий |
| n | 1 | ед. | Количество каналов обслуживания в моделируемой системе массового обслуживания. |
| k | 1 | ед. | Количество занятых каналов обслуживания. |
| 17 - 6000 | кадр/с | Интенсивность потока кадров, поступающих в модуль ВК, определена по результатам измерительного эксперимента на ИИУС в условиях малой информационной нагрузки. | |
| Cн | 10 | Мбит/с | Номинальная пропускная способность среды передачи данных. |
| tож | 0,001-0,01 | с | Время ожидания обслуживания (предполагаемое время реакции ВК ИИУС). |
| s | 1 | ед. | Предполагаемое количество кадров, ожидающих обслуживания в буфере модуля ВК. |
| r | 10 | ед. | r-й член бесконечных сумм, начиная с которого остальные не учитываются. |
| tкв | 512 | бит | Квант времени (slot time), обеспечивающий максимальную задержку двойного пробега бита по кабелю. |
| tмки | 96 | бит | Межкадровый интервал (Inter Packet Gap) или технологическая пауза, выдерживаемая модулем ВК по окончании передачи в канал очередного кадра Ethernet для приведения сетевых контроллеров в исходное состояние. |
| tjam | 32 | бит | Специальная jam-последовательность, передаваемая модулем ВК в канал с целью корректной обработки наблюдаемой коллизии. |
| Lз | 26 | бит | Длина заголовка кадра Ethernet. |
| Lд | 848 | бит | Длина поля данных кадра Ethernet. |
| N | 6 | ед. | Количество вычислительных модулей в сети ИИУС. |
| q | 1 - 7 | ед. | Число попыток доступа к среде передачи данных. |
Анализ значений вероятности бесконфликтного исхода доступа 
модуля ВК к разделяемой среде передачи данных позволяет сделать предположение о том, что вычислительная сеть ИИУС, содержащая шесть модулей будет осуществлять передачу кадров Ethernet в условиях конкурентного доступа модулей к разделяемой среде передачи данных, влияние коллизий на работу вычислительной сети не исключается. В условиях предполагаемой информационной нагрузки (
кадр/с) в буферах модулей ВК ожидается появление не более двух кадров. Вероятность обслуживания кадров модулем ВК сохраняет приемлемые значения при интенсивности входящего потока 
кадр/с (это диапазон устойчивого функционирования ВК ИИУС) и быстро убывает при достижении значений интенсивности входящего потока кадров 
кадр/с. Пороговым значением интенсивности входящего потока, при котором практически прекратится обслуживание кадров (
), следует считать 
кадр/с. Значение 
кадр/с соответствует информационному насыщению сети ВК (
). Оценка производительности вычислительной сети ИИУС проводилась в серии из четырех полунатурных экспериментов. Имитация внешних абонентов ИИУС осуществлялась комплексной имитационной моделирующей установкой (КИМУ).
В качестве анализатора протоколов использовался Network Instruments Observer 9.1 (версия 0008.0000). Анализатор протоколов был инсталлирован на рабочей станции ИВК КИ-МП 05 ЛКНВ.466215.007.
Четвертая глава содержит результаты решения задачи оценки параметров производительности ВК опытного образца ИИУС. Приведены значения основных показателей производительности.
В целях экспериментальной проверки предложенного способа оценки производительности ВК проведены исследования модели и прямые измерения сетевого трафика ВК ИИУС в различных условиях информационной загрузки. Поскольку в основе ВК ИИУС лежит вычислительная сеть, выполненная по технологии Ethernet 10Base-T, то расчет вероятности обслуживания кадров произведен в математической системе автоматического проектирования MathCAD 11.
Определение эффективности предложенного способа оценки производительности затруднено тем, что применяемые в настоящее время методики принципиально не учитывают сетевой архитектуры ВК современных ИИУС и особенностей распределенных вычислений. Поэтому ограничиться прямым сравнением временных затрат и затрат человеческого труда на реализацию того или иного способа оценивания быстродействия ВК опытного образца ИИУС некорректно. Быстрое старение реализуемых разработчиком технических решений накладывает жесткие ограничения на продолжительность ведения всех этапов ОКР, в том числе и полигонных испытаний опытных образцов ИИУС. Рассматривая эффективность применения методики оценки производительности ВК, уместно говорить о тех её характеристиках и возможностях, которые способствуют детальному исследованию вычислительного процесса, оказывают положительное влияние на ход разработки изделия. Сравнительные характеристики существующих и предлагаемого метода оценки производительности ВК ИИУС приведены в таблице 4.
Таблица 4
| Характеристика метода оценки | Существующие методы | Предлагаемый метод |
| Наличие механизма предсказания поведения вычислительного процесса. | + | |
| Возможность использования для отладки комплекса программных средств. | + | |
| Определение пропускной способности прикладного программного обеспечения. | + | |
| Выявление событий, вызывающих ухудшение работы ВК | + | |
| Оценка граничных значений параметров быстродействия ВК без привлечения реальных и моделируемых средств. | + | |
| Определение пропускной способности и времени реакции активного сетевого оборудования (концентраторов, коммутаторов, маршрутизаторов). | + | |
| Диагностика сети ВК на любом уровне эталонной модели OSI. | + | |
| Получение значений параметров производительности ВК в реальном масштабе времени. | + | + |
| Необходимость обработки больших объемов зарегистрированной информации с целью определения фактов «растяжки» циклов решения функциональных задач. | + | |
| Использование сервисных программ, определяющих коэффициент загрузки процессоров модулей, в составе прикладного программного обеспечения. | + | |
| Применение внешней системы регистрации входных и выходных потоков данных. | + | |
| Необходимость разработки аналитических моделей вычислительного процесса. | + |
Важно не только уметь оценить производительность ВК, диагностировать проблемы в его работе, но и дать рекомендации разработчику по оптимизации работы сети ИИУС. Методика исследования должна позволить предсказывать результат определенных изменений в системе (увеличения информационной нагрузки, доработки конструкции и комплекса программных средств ВК). Для оценки производительности разрабатываемой системы таким механизмом предсказаний являются аналитические модели, основанные на теории очередей. Не потребуется серьезных финансовых затрат на изменение инфраструктуры сети ВК, если уже на ранних этапах испытаний располагать данными о средней производительности, пропускной способности используемого сетевого оборудования. Данные о средней производительности позволяют выявить различия в используемых драйверах, изменения параметров сетевых адаптеров, влияние на производительность ВК изменения аппаратной платформы разработчиком изделия. Эксперименты по измерению параметров сетевого трафика ВК опытного образца ИИУС, проводимые в различных условиях информационной нагрузки, показали, что достаточно полное представление о характере вычислительного процесса может быть получено в течение 3-4-х сеансов измерения одного натурного или полунатурного эксперимента. За это время определяются значения реальной пропускной способности 
, утилизации среды передачи данных 
, времени реакции 
сети ВК, значения интенсивностей 
входящих и выходящих информационных потоков по модулям ВК. Проведенные экспериментальные исследования показали отклонения значений производительности ВК просчитанные по аналитическим моделям и полученные в эксперименте не более 15%. Предлагаемый метод по достоверной оценке производительности ВК ИИУС на 40% эффективнее существующих методов. Трудозатраты при этом составляют 4-6 человеко/часов. Анализ результатов и детальная оценка производительности ВК требуют 8 человеко/часов. Весь этап оценки производительности требует 12-14 человеко/часов. Детальное исследование выявленной сетевой проблемы требует проведения отдельного эксперимента или даже серии экспериментов. Дополнительной обработки зарегистрированных данных не требуется, анализировать захваченные кадры с данными можно непосредственно в ходе измерительного эксперимента. На сбор и обработку данных по существующим методикам требуется затрачивать 8-16 человеко/часов. Собственно анализ результатов эксперимента и оценка производительности занимают приблизительно 26 человеко/часов. Трудозатраты всего этапа исследования составляют около 34-42 человеко/часов. Выигрыш в трудозатратах от применения предложенного способа исследования производительности ВК ИИУС составляет 22-28 человеко/часов, что в процентном соотношении составляет 25-30%.
Заключение
В заключении даны основные результаты исследований и сделан вывод, что в целях повышения качества процесса полигонных испытаний в диссертационной работе решена важная и актуальная научная задача разработки методики оценки производительности ВК сетевой архитектуры ИИУС специального назначения. Выигрыш в трудозатратах от применения предложенного метода оценки производительности ВК ИИУС составляет 22-28 человеко/часов, а в процентном соотношении 25-30%.
В приложении приведены таблицы с результатами проведенных измерений, графики, рисунки, фрагмент записи сетевого трафика, копии актов внедрения.
Основные выводы по результатам диссертационной работы
Проведен анализ существующих методов оценки производительности ВК ИИУС и особенностей ВК ИИУС специального назначения.
Определены параметры быстродействия ВК: время реакции вычислительной сети, пропускная способность (основные), утилизация сетевых ресурсов, время доступа к разделяемой среде (дополнительные).
Определены параметры, оказывающие наиболее заметное влияние на производительность ВК ИИУС: коммуникационные протоколы, особенности архитектуры вычислительной сети, характер широковещательного трафика, особенности реализации управления доступом модулей ВК к разделяемой среде.
Разработаны вероятностные модели, позволяющие найти приближенные значения основных показателей быстродействия ВК ИИУС в стационарном и переходном режимах функционирования.
Определены практические цели экспериментального исследования ВК ИИУС.
Приведена формальная модель подготовки и проведения измерительных экспериментов по оценке производительности ВК опытных образцов ИИУС в ходе полигонных испытаний.
Разработана методика проведения измерений параметров быстродействия вычислительных сетей опытных образцов ИИУС, определяющая цель, задачи и условия проведения измерительных экспериментов.
Разработана методика обнаружения ошибок в измерительных экспериментах.
Проведено исследование ВК опытного образца ИИУС в соответствии с предлагаемой методикой оценки производительности ВК ИИУС опытно-теоретическим методом.
Продемонстрирована возможность решения задачи оценки производительности ВК сетевой архитектуры на основе аналитического моделирования и прямых измерений информационного трафика сети.
Результаты измерений демонстрируют достаточную сходимость с прогнозными оценками, полученными при исследовании модели ВК.
ОСНОВНЫЕ ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ
Личные работы автора в соавторстве, опубликованные в изданиях рекомендованных ВАК РФ
|
Доклады на Международных научных (научно-практических) конференциях
| 1 | Баштанник Н. А., Лобейко В. И. Метод оценки телекоммуникационной сети обмена данными перспективных АСУ с использованием технико-экономических показателей. Материалы Международной научной конференции «АСТИНТЕХ-2010». АГУ, Астрахань 2010. |
| Баштанник Н. А., Лобейко В. И., Поляков С.В. Оценка пропускной способности телекоммуникационной сети обмена данными АСУ методом Монте-Карло. Материалы Международной научно-практической конференции «ИНФО-2010», Московский государственный институт электроники и математики (МИЭМ) Москва-Сочи 2010. | |
Личные работы автора в соавторстве, опубликованные в сборниках научных трудов
| 1 | Баштанник Н. А., Лобейко В. И. Оценка технико-экономических показателей телекоммуникационной сети обмена данными перспективных АСУ в ходе государственных испытаний. Сборник научных статей. ГЦМП МО РФ, 2009. |
| 2 | Баштанник Н. А., Лобейко В. И. Оптимизация путей обмена информацией между элементами АСУ методом перебора маршрутов передачи информации. Сборник научных статей. ГЦМП МО РФ, 2009. |
| 3 | Баштанник Н. А., Лобейко В. И. Определение показателей оценки эффективности телекоммуникационных сетей обмена данными, используемых перспективными АСУ. Сборник научных статей. ГЦМП МО РФ, 2009. |
| 4 | Баштанник Н. А., Лобейко В. И. К вопросу расчета технико-экономических показателей телекоммуникационной сети обмена данными перспективных АСУ в ходе государственных испытаний. Научно-технический сборник. НИИЦ ПВО МН, 2009, выпуск №46, книга 2. |
| 5 | Баштанник Н. А., Лобейко В. И. Обмен информацией между элементами АСУ методом перебора маршрутов передачи информации. Научно-технический сборник. НИИЦ ПВО МН, 2009, выпуск №46, книга 2. |
| 6 | Баштанник Н. А, Лобейко В. И. Оценка эффективности телекоммуникационных сетей обмена данными, используемых перспективными АСУ. Научно-технический сборник. НИИЦ ПВО МН, 2009, выпуск № 46, книга 2. |
| 7 | Баштанник Н.А., Лобейко В.И., Поляков С.В. Об оценке эффективности АСУ. Сборник научных статей. ГЦМП МО РФ, 2010. |
| 8 | Баштанник Н.А., Лобейко В.И., Поляков С.В. Выбор оптимальных потоков и определение оптимальных маршрутов передачи информации в телекоммуникационных сетях обмена данными перспективных АСУ по критерию средней задержки. Сборник научных статей. ГЦМП МО РФ, 2010. |
| 9 | Баштанник Н.А., Лобейко В.И., Поляков С.В. Определение пропускной способности телекоммуникационной сети обмена данными АСУ методом статистического моделирования. Научно-технический сборник. НИИЦ ПВО МН, 2010, выпуск №47, книга 1. |
| 10 | Баштанник Н.А., Лобейко В.И., Осьмаков А.Н. Анализ уязвимости информации, циркулирующей в телекоммуникационных сетях АСУ. Научно-технический сборник. НИИЦ ПВО МН, 2010, выпуск №47, книга 1. |
Участие в разработках НИР
| 1 | Отчет о комплексной НИР шифр «Система-36» этап 2. «Разработка методики обоснования структуры, состава и способов применения измерительного комплекса полигона для обеспечения испытаний перспективных средств вооруженной борьбы». Знаменск. 2008 г. 98 с. |
| 2 | Итоговый отчет о комплексной НИР шифр «Система-36». Знаменск. 2009 г |
