CC BY
141
УДК 681.3
А.И. Пикалов
студент,
кафедра вычислительной техники и защиты информации, ГОУ ОГУ «Оренбургский государственный университет»
Р.Р. Галимов
канд. техн. наук, доцент, кафедра вычислительной техники и защиты информации, ГОУ ОГУ «Оренбургский государственный университет»
АНАЛИЗ МЕТОДОВ ПОВЫШЕНИЯ ОТКАЗОУСТОЙЧИВОСТИ БЕСПРОВОДНОЙ СЕТИ РАСПРЕДЕЛЕННЫХ СИСТЕМ КОНТРОЛЯ И УПРАВЛЕНИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИМИ ОБЪЕКТАМИ
Аннотация. Качество управления удаленными технологическими объектами во многом зависит от своевременного получения данных о состоянии производственного оборудования. В связи с популярностью применения в качестве каналов связи беспроводных решений существует необходимость в выборе оптимальных методов повышения надежности передачи технологических данных при обеспечении минимальных стоимостных затратах. В работе рассмотрены различные классы методов резервирования и планирования приоритетов, алгоритмов маршрутизации и балансировки нагрузки. Определены достоинства способов повышения отказоустойчивости беспроводных сетей передачи технологической информации на основе принципов самоорганизации.
Ключевые слова: метод повышения надежности, качество управления, распределенная система контроля и управления, беспроводная сеть передачи данных.
A.I. Pikalov, Orenburg State University
R.R. Galimov, Orenburg State University
ANALYSIS OF METHODS FOR INCREASING RESILIENCY OF A WIRELESS NETWORK DISTRIBUTED
SYSTEMS OF CONTROL AND MANAGEMENT OF TECHNOLOGICAL OBJECTS
Abstract. Quality management of remote technological objects is largely dependent on the timely receipt of data on the status of the production equipment. Due to the popularity of the use as communication channels of wireless solutions, there is a need to develop and implement methods of improving the reliability of transmitting the process data.
Keywords: method of improving the reliability of, quality control, distributed system control and management, wireless data network.
Качество управления удаленными технологическими объектами (ТО) во многом зависит от своевременного получения данных о состоянии производственного оборудования. В связи с популярностью применения в качестве каналов связи беспроводных решений существует необходимость в разработке и применении методов повышения надежности передачи технологических данных.
Вопросам повышения отказоустойчивости беспроводных телекоммуникационных систем (ТС) посвящено множество работ, в частности данные вопросы рассмотрены в работах [1; 2; 3]. Несмотря на значимость данных работ необходимо отметить, что в них не в достаточной степени представлены сравнительные характеристики различных методов повышения надежности и возможности их применения в комплексе. В связи с этим существует необходимость в проведении анализа методов повышения отказоустойчивости беспроводных ТС с целью выявления оптимальных вариантов.
Целью данной работы является анализ повышения отказоустойчивости беспроводной сети за счет выявления эффективных методов обеспечения требуемого уровня надежности при минимальных стоимостных затратах.
При построении и модернизации беспроводных сетей (БС) распределенной системы контроля и управления ТО возникает задача выбора оптимальных проектных решений по повышению отказоустойчивости низкоскоростных БС распределенных систем, с учетом возможного влияния на качество контроля и управления технологическими объектами нефтегазодобычи.
На рисунке 1 представлена обобщенная структурная схема РСКУ (распределительные
системы контроля и управления), использующей в качестве каналов связи беспроводные решения с ретранслирующими узлами (РС). Данные о состоянии технологического оборудования от источников данных (ИД) должны своевременно передаваться на диспетчерский пункт (ДП) для принятия решений по управлению технологическим процессом. Основным критерием эффективности в данной работе является поддержание качества передачи данных по беспроводной сети распределенной системы контроля и управления ТО на заданном уровне, которое зависит от параметров надежности ТС. Оценка отказоустойчивости телекоммуникационной системы в данной работе определяется как ухудшение качества управления РСКУ ОБ из-за потерь пакетов данных [10].
В результате анализа литературы [7; 8; 9] были выявлены основные факторы, влияющие на возможные потери сообщений в беспроводной телекоммуникационной системе РСКУ ТО: оценка надежности телекоммуникационного оборудования; пропускная способность ретранслирующих узлов; уровень радиосигнала, определяющийся во многом топологией расположения ретрансляционных станций и расстоянием, на которое передаются данные технологических объектов.
С учетом определенных выше факторов определены основные методы повышения отказоустойчивости беспроводной телекоммуникационной системы: резервирование, применение эффективных алгоритмов маршрутизации и балансировки нагрузки, определение приоритетов сетевых пакетов.
Основным способом повышения надежности технических систем является резервирование: структурное, функциональное, временное, информационное [4]. Простое дублирование оборудования РС приводит к значительным затратам при их большом количестве. Резервирование оборудования не может предотвратить потери данных в результате возникновения препятствий на пути радиосигнала между ИД и ретрансляционной станцией. Более оптимальным для беспроводных каналов связи является размещение на местности дополнительных ретрансляционных станций, позволяющих создавать несколько маршрутов для каждого источника данных. На рисунке 1 дополнительные маршруты представлены штриховыми линиями. Для снижения стоимостных затрат необходимо определять топологию размещения РС, позволяющее обслуживать несколько источников данных.
Эффективность использования методов структурного и функционального резервирования во многом будет зависеть от параметров алгоритмов маршрутизации, которые должны своевременно формировать оптимальные маршруты в условиях изменения топологии. В результате обзора литературы были выделены следующие классы способов маршрутизации по способу распределения функций: централизованная, распределенная и смешанная [5].
Основным достоинством централизованной маршрутизации является учет всех параметров состояния сети, что приводит к большим вычислительным затратам. Недостатком ис-
пользования централизованной маршрутизации для низкоскоростных каналов связи является их загрузка служебной информацией, содержащей данные о состоянии маршрутов и передающихся на центральный узел. Также снижается оперативность изменения таблиц маршрутизации вследствие ожидания доставки данных до центрального узла и возврата его решения. Предпочтительнее применение распределенной маршрутизации, позволяющей распределить функции выбора маршрута на множество узлов сети, вплоть до ИД. Это позволяет оперативно изменять маршруты передачи при изменении топологии и воздействии внешних помех. При этом будет генерироваться минимальный локализованный поток служебных данных. Основной недостаток распределенной схемы - маршруты определяются без учета глобального состояния сети, что может привести к загруженности определенных узлов сети.
Для выбора оптимального маршрута каждый узел связи должен располагать информацией о состоянии телекоммуникационной системы в целом - всех остальных узлов и линий связи. По данному признаку различают два вида маршрутизации - фиксированную и адаптивную. Фиксированная маршрутизация характеризуется тем, что при выборе маршрута учитывается изменение топологии сети и не учитывается изменение ее нагрузки. Принятие решения о направлении передачи пакетов при адаптивной маршрутизации осуществляется с учетом параметров как топологии, так и нагрузки сети.
Для БС РСКУ оптимально использование адаптивных алгоритмов маршрутизации, которые можно разделить на виды по уровню применения на уровне источников данных или РС: локальную и распределенную. Для источников данных предпочтительно использование локальной маршрутизации, при которой решения о выборе маршрута производится с использованием последних данных о состоянии ближайших РС. Для обеспечения данного способа маршрутизации потребуется минимальный поток служебной информации между ИД и ретрансляционной станцией. Эффект «близорукости» будет решаться на уровне ретрансляторов.
Распределенную адаптивную маршрутизацию рекомендуется использовать на уровне РС, которые будут обмениваться периодически служебной информацией для определения уровня загруженности соседей и их работоспособности Учет состояния соседних узлов при выборе маршрута существенно повышает эффективность алгоритмов маршрутизации, но это достигается за счет увеличения загрузки сети служебной информацией. Кроме того, сведения об изменении состояния узлов распространяются по сети сравнительно медленно, поэтому выбор маршрута производится по несколько устаревшим данным.
При изменении топологии возможны ситуации дисбаланса нагрузки на работоспособных узлах ТС, что приведет к увеличению задержек и потерь сообщений с данными. Данное обстоятельство определяет необходимость использования эффективных методов балансировки, учитывающее относительно высокую частоту события изменения топологии. Это определяет необходимость использования динамических алгоритмов выравнивания нагрузки, которые делятся на следующие классы: централизованные, иерархические и полностью распределенные алгоритмы [6]. Для беспроводных каналов связи РСКУ оптимально применение распределенных механизмов балансировки, позволяющих повысить отказоустойчивость БС РСКУ за счет перераспределения нагрузки между узлами передачи при изменении топологии сети при отказах её узлов.
При выходе из строя большого количества узлов БС или недостаточном использовании механизмов балансировки нагрузки возможны ситуации потери данных из-за недостаточной производительности РС. При этом необходимо учитывать, что РСКУ передаются пакеты, обладающие различным уровнем значения для технологического процесса. Например, сообщения телесигнализации о выходе параметров оборудования за предельные значения имеют большее значение, чем данные о текущих характеристиках. Это обуславливает необходимостью снижения уровня ущерба вследствие потерь пакетов из-за перегрузки за счет использования системы определения приоритетов, которые делятся на два класса: статистическое и динамическое.
Статическое планирование приоритетов пригодно для конечного числа станций и характеризуется небольшими затратами на реализацию. Динамическое планирование характеризуется изменением первоначальных приоритетов, с учетом длительности интервала времени и невозможности передачи данных для ИД из-за низкого приоритета. В частности, для РСКУ могут быть выделены два уровня приоритетов - низкий (для обычных данных) и высокий (для данных, чувствительных к временным задержкам). Станция с низким уровнем приоритета, долго не имеющая доступа к сети, постепенно увеличивает свой приоритет. Данная система планирования должна применяться для систем с большой интенсивностью высокоприоритетных сообщений, чтобы предотвратить «голодание» ИД с низким приоритетом, которое в длительном интервале времени негативно скажется на качестве управления технологическим процессом.
В таблице 1 представлены сравнительные характеристики различных методов повышения отказоустойчивости беспроводной сети РСКУ ТО.
Таблица 1 - Сводная таблица характеристик методов
Название метода Тип Требования к каналам связи Оперативность Комментарии Стоимость внедрения Сложность реализации
Резер-вирова-ние Структурное - - Перераспределение нагрузки между ретрансляторами в случае отказа станции Дорого Простой
Функциональное Средние - Способность выполнять дополнительные функции Средне Сложный
Временное Средние - - Средне Сложный
Алгоритм маршрутизации Централизованный Высокие Низкая Уязвим к отказам центрального узла, низкая гибкость Дорого Сложный
Распределенный Низкие Высокая Функции управления распределены между узлами, гибкость Средне Простой
Смешанный Средние Средняя - Дорого Сложный
Балансировка нагрузки Статический алгоритм - Низкая Не изменяются в процессе работы, чувствителен к изменению топологии Дешево Простой
Динамический алгоритм - - Не критичен к изменению топологии Средне Сложный
Планирование приоритетов Статическое присвоение - - Низкая гибкость, применимы для конечного числа станций Средне Простой
Динамическое присвоение - - Появление дополнительных временных затрат на присвоение маркера приоритета каждому пакету. Средне Сложный
Таким образом, для повышения отказоустойчивости БС РСКУ необходимо использовать совокупность взаимосвязанных методов, таких как структурное резервирование маршрутов передачи данных, использование распределенных алгоритмов маршрутизации, динамической балансировки нагрузки. С учетом использования низкоскоростных каналов требуется применение децентрализованных механизмов управления БС. В связи с этим необходимо разработать
комплексную модель обеспечения отказоустойчивости, учитывающую параметры по топологии, надежности, производительности.
Список литературы:
1. Молчанов В.А. Разработка и исследование алгоритмов построения отказоустойчивых сенсорных сетей: дисс. ... канд. техн. наук: 05.12.13 / В.А. Молчанов. - М., 2011. - 169 с.
2. Ла В.Х., Кавалли А. Исследование отказоустойчивой маршрутизации в беспроводных сетях: статья ... канд. техн. наук: 05.12.13 / В.Х. Ла. - М., 2014. - 10 с.
3. Худоногова Л.И., Муравьева С.В. Метод передачи данных с учетом их приоритета: статья ... канд. техн. наук: 05.12.13/ Л.И. Худоногова. - Томск, 2014.- 10 с.
4. Резервирование. Способы резервирования [Электронный ресурс]. - Электрон. дан. -studfiles.ru [М.].: сод. 2015. - Режим доступа http://www.studfiles.rU/preview/2568253/page:4 -19.03.2016.
5. Маршрутизация пакетов в сетях. Алгоритм маршрутизации. Способы резервирования [Электронный ресурс]. - sga-gos.narod.ru [М.].: сод. 2013. - Режим доступа http://sga-gos.narod.ru/seti.htm - 19.03.2016.
6. Обзор методов балансировки нагрузки в компьютерных сетях [Электронный ре-сурс^^^^т [М.]: сод. 2015. - Режим доступа http://www.lib.tpu.ru/fulltext/c/2014/C04/V1/009.pdf - 19.03.2016.
7. Аралбаев Т.З. Структурно-параметрический и структурно-топологический синтез РСКУ объемами нефтегазодобычи / Т.З. Аралбаев, Р.Р. Галимов. - Уфа: АН РБ, Гилем. 2010. -144 с.
8. Перфильев А.Е. Модели и алгоритмы расчета эксплуатационной надежности и отказоустойчивости телекоммуникационных систем «Информационные и телекоммуникационные технологии в интеллектуальных системах». - М., 2012. - С. 110-122.
9. Ямбулатов Э.И. Разработка отказоустойчивых распределенных систем управления телекоммуникационными сетями: дисс. ... канд. техн. наук: 05.13.01 / Ямбулатов Э.И. - Ставрополь, 2014. - 169 с.
10. Галимов Р.Р., Пикалов А.И. Оценка надежности беспроводной сети распределенной системы контроля и управления технологическими объектами нефтегазодобычи // Приволжский научный вестник. - Ижевск, 2016. - № 2 (54). - С. 46-49.
