CC BY
181
АНАЛИЗ МНОЖЕСТВА ВОЗМОЖНЫХ ДЕФЕКТОВ ЛОКАЛЬНОЙ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНОЙ СЕТИ
© Воронин В.В.*, Воронин Д.В.*, Давыдов О.А.*
Тихоокеанский государственный университет, г. Хабаровск
Анализируется множество возможных дефектов локальных вычислительных сетей с целью формального их представления в рамках экспертной диагностической системы.
В общем случае под дефектом понимают недопустимое отклонение от нормы [1]. Дефекты проявляются как неисправности. По системному признаку множество возможных дефектов разбивается на два класса: дефекты элементов объекта диагностирования (ОД) и дефекты связей.
Современные теоретические исследования задачи поиска дефектов по используемому математическому аппарату делятся на несколько практически не взаимосвязанных теорий (диагностика аналоговых объектов, диагностика дискретных объектов, статистическая диагностика, функциональная диагностика и др.). Каждая из них служит методологической основой лишь определенного направления.
В то же время история развития техники свидетельствует о том, что, несмотря на рост сложности технических объектов и отсутствие единой теории, практика поиска дефектов является достаточно успешной. Основу такого успеха составляют знания индивидуальных особенностей данного ОД и условий его эксплуатации. А такие знания являются в основном неформальными, и субъект диагностической деятельности приобретает их не из литературных источников, а формирует самостоятельно в длительном процессе профессиональной работы или получает в результате общения с другими специалистами в области практической диагностики. Обычно профессионалы диагностической деятельности не имеют хорошей теоретической подготовки, в результате чего их ценные знания остаются не опубликованными.
Объектом диагностирования в данной работе рассматривается локальная вычислительная сеть (ЛВС).
ЛВС представляют собой системы распределенной обработки данных. В отличие от глобальных и региональных вычислительных сетей они охватывают небольшие территории (диаметром 5-10 км) внутри отдельных предприятий, офисов, бирж, банков, учреждений, вузов, научно-исследовательских организаций и т.п. При помощи общего канала связи ЛВС может объединять от десятков до сотен абонентских узлов, включающих персональные
* Декан ФАИТ, доктор технических наук, профессор.
* Магистрант.
* Аспирант.
компьютеры (ПК), внешние запоминающие устройства (ЗУ), дисплеи, печатающие и копирующие устройства, кассовые и банковские аппараты, интерфейсные схемы и др. ЛВС могут подключаться к другим локальным и большим (региональным, глобальным) сетям ЭВМ с помощью специальных шлюзов, мостов и маршрутизаторов, реализуемых на специализированных устройствах или на ПК с соответствующим программным обеспечением.
ЛВС относятся к категории сложных систем. Наиболее существенные их черты [2, 3]: наличие единой цели функционирования для всей системы; многообразие функций, реализуемых системой и направленных на достижение данной цели; большое число информационно-связанных и взаимодействующих элементов, составляющих систему; возможность деления системы на подсистемы, цели функционирования которых подчинены общей цели; иерархическая структура связей подсистем и иерархия показателей качества функционирования системы; наличие управления в системе (подсистемах) и высокая степень её автоматизации; высокий уровень надежности системы, построенной в целом из ненадежных элементов.
В настоящее время существует традиционный подход к задаче поиска дефектов - имея определенный объект диагностирования, предлагаются формальные способы его представления и, как следствие, множество дефектов ограничивается данным формализмом.
Данный подход существенно ограничивает множество возможных дефектов конкретного ОД. В статье акцент делается на анализе множества реально возможных дефектов с точки зрения конкретных диагностических особенностей ОД.
Формальное представление множества возможных дефектов
Основными разновидностями дефектов в ЛВС являются: нарушения исправности сетевого кабеля; отсутствие электропитания; отказ дисковых систем или систем архивации; нарушения работы серверов, рабочих станций, сетевых карт; ошибки в сетевом программном обеспечении (ПО); заражение системы компьютерными вирусами и т.д.
Исследование знаний о множестве возможных дефектах ОД представим в виде результата анализа родовидовых отношений, который приведен в табл. 1. В ней перечислено 21 вид дефектов [1, 4-6].
Таблицы 1
Классификация возможных дефектов ЛВС
Род дефекта Вид дефекта Возможные причины
1. Нарушение исправности сетевого кабеля 1. Обрыв кабеля Ошибки при монтаже, скрытые дефекты конструкции, процессы старения, замыкания жил, намокание кабеля, межкабельные наводки, помехи от сети переменного тока, атмосферные явления.
2. Короткое замыкание
3. Электромагнитные наводки
4. Повреждение соединительных устройств
Продолжение табл. 1
Род дефекта Вид дефекта Возможные причины
2. Отключение электропитания 1. Всплески напряжения Нестабильность работы генератора, аварии в сетях электроснабжения, неправильное подключение понижающих трансформаторов, ток потребления не синхронизирован с сетевой частотой, включение энергоемкого оборудования, запуск мощных электродвигателей, перегрузка по линии электропитания, грозовые разряды, коммутация индуктивных нагрузок, короткие замыкания
2. Высоковольтные выбросы
3. Проседание напряжения
4. Высокочастотный шум
5. Выбег частоты
6. Подсадка напряжения
7. Пропадание напряжения
3. Отказ дисковых систем или систем архивации 1. Выход из строя каналов доступа (сбой или отказ аппаратуры) Отключения электропитания, ошибки в системном ПО, дефекты сетевого кабеля, неисправности электрических схем и контроллеров, ошибки пользователей и системных администраторов, преднамеренное уничтожение или изменение данных, заражение компьютерным вирусом, сбои из-за пыли.
2. Отсутствие необходимой производительности
3. Ошибки программных средств и пользователей
4. Порча или потеря носителей архивной информации
5. Ошибки КЭШ-памяти
4. Нарушение работы серверов, рабочих станций, сетевых карт 1. Зависание сервера Серверу не хватает ОЗУ, Сетевая карта неправильно установлена или сконфигурирована, сервер медленно работает с памятью, трафик высок, поврежден жесткий диск или нет питания, дефекты сетевого кабеля, неправильно установлено ПО, не загружен драйвер, ошибки КЭШ-памяти, ближайший к серверу коннектор не работает, повреждения хаба, репитер выключен, конфликты адресов, ошибки протоколов, конфликты сетевой карты с другим оборудованием.
2. Проблемы с запуском сервера
3. Ошибки сетевой ОС
4. Ошибки инициализации сетевой карты или рабочей станции
5. Нарушения функционирования или отказ сетевой карты или рабочей станции
В табл. 1 фактически заданы не дефекты, а шаблоны возможных дефектов ЛВС постольку, поскольку они описывают родовидовые отношения и первопричины возможных дефектов, но не фиксируют их пространственновременную и внешнюю определенность.
Полученные шаблоны дефектов можно классифицировать по множеству признаков. Классификацию дефектов по этим признакам приведем в табличной форме (см. табл. 2), здесь Р( - предикат класса дефектов, необходимый для формального представления множества дефектов в вычислительной системе.
Каждый класс дефектов из табл. 2 имеет свои специфические особенности, выражающиеся в технологии их поиска. В общем случае множество возможных дефектов неоднородно, оно может включать дефекты всех перечисленных выше классов. Кроме того, дефект может удовлетворять различным критериям классификации.
Таблица 2
Классификация дефектов в технических объектах
По отношению к этапам жизненного цикла
Конструктивный Р1() 1-1,1-4; 3-1,3-3,3-4; 4-2,4-3,4-4,4-5; Технологический Р2() 1,3,4; Эксплуатационный Р3О 1-1,1-2,1-4; 2; 3-1,3-4,3-5; 4-2,4-4,4-5;
Характеристики временной определенности
Устойчивый Р4() 1-1,1-4; 3-1,3-4; 4-2,4-4,4-5; Неустойчивый Р5() 1-2,1-3; 2; 3-2,3-3,3-5; 4-1,4-3;
По системному признаку
Дефект элемента Р6() 3,4; Дефект связи Р7() 1 Комплексный Р$() 2
По отношению к пространственной границе объекта
Внешний Р9() 1,2; Внутренний Р10() 3,4;
Характер нормы эксплуатационного дефекта
Прогрессивный Р11() 2-1,2-2,2-5; Регрессивный Р12() 2-3,2-6,2-7; 3,4; Реверсивный Рв() 1; 2-4;
Характер становления дефекта
Постепенный Р14() 1-1,1-4; Внезапный Р15() 1-2; 2; Комбинированный Рм() 1-3; 3,4;
Степень влияния на функциональные процессы
Наличие отказаР17() 1-1,1-2,1-4; 2; 3-1,3-4,3-5; 4-1,4-2,4-4,4-5; Отсутствие отказа Р18() 1-3; 3-2,3-3; 4-3;
Технологическая сложность
Простые Р23() 1,2; Сложные Р24() 3,4;
По отношению к границе жизненного цикла
Ресурсный Р25() 1,2,3,4; Нересурсный Р26()
Остановимся на выявлении наиболее оптимальных решений проблемы выявления дефекта на начальной стадии.
Универсального решения, исключающего перечисленные причины (сбои оборудования, вызванные: нарушениями работы сетевого кабеля, отключением электропитания, отказом дисковых систем и систем архивации данных и т.п.), нет, однако во многих организациях разработаны и применяются технические средства и административные меры, позволяющие риск потери данных или несанкционированного доступа к ним свести к минимуму. Речь идет о необходимых администратору ЛВС специальных аппаратных и программных средствах, обеспечивающих постоянный контроль за работой сетевых устройств, кабельной системы и сетевого ПО.
Однако наиболее удобным способом представления множества возможных дефектов являются экспертные системы, сочетающие в себе следующие достоинства:
- Простота использования конечным пользователем. Отсутствует необходимость приобретения специальных знаний, либо соответст-
вующей подготовки для работы с профессиональным ПО и дорогостоящим оборудованием. Данный класс систем позволяет решить возникшую проблему в отсутствие эксперта.
- Объективный подход к использованию полученных данных. В отличие от человека к любой информации экспертные системы подходят объективно, что улучшает качество проводимой экспертизы. При решении задач, требующих обработки большого объема знаний, возможность возникновения ошибки при переборе очень мала.
- Элементы искусственного интеллекта. Данные системы выдают советы, проводят анализ, дают консультации, ставят диагноз. Практическое применение таких систем на предприятиях способствует повышению квалификации специалистов.
Этот вид систем аккумулирует человеческие знания о выявлении причин аномальной работы сетей и возможных способах приведения сети в работоспособное состояние. Экспертные системы часто реализуются в виде отдельных подсистем различных средств мониторинга и анализа сетей: систем управления сетями, анализаторов протоколов, сетевых анализаторов. Простейшим вариантом экспертной системы является контекстно-зависимая Ие1р-система. Более сложные экспертные системы представляют собой базы знаний, обладающие элементами искусственного интеллекта.
Системная характеристика ОД
Существует множество причин, которые могут серьезно повлиять на работоспособность ЛВС. В качестве конкретного экземпляра ОД выберем ЛВС Тихоокеанского государственного университета (ТОГУ). Она в настоящее время включает 2168 компьютеров, часть из которых находится в 40 компьютерных классов. Создана собственная служба сервисного обслуживания и ремонта. Схемы сети представлена на рис. 1.
Сеть построена на основе оптоволоконного кабеля в центральном сегменте и медного витого кабеля для подключения подразделений. Оптоволоконная сеть объединяет центральный коммуникационный серверный узел с семью коммуникационными узлами главного корпуса университета, коммуникационный узел лабораторного корпуса и коммуникационные узлы общежитий студенческого городка. Пропускная способность центрального сегмента составляет 1 Гбит/сек, подразделения подключены на скорости 100 Мбит/сек. Принятые при разработке технические и технологические решения позволили создать универсальную телекоммуникационную среду для переноса и коммутации трафика произвольного типа (данных, голоса и видео), предоставления неограниченного набора услуг по стандартным правилам и протоколам, и обладающую гибкой возможностью по созданию, управлению и персонализации услуг.
Коішунккацио***е узлы Умл &}w*
общежитий студенческого
городе лабораторного
корпуса
Рис. 1. Схема ЛВС ТОГУ
Сеть объединяет 40 серверов и 110 единиц сетевого оборудования. Используется технология беспроводного доступа WI-FI. В настоящее время внедрена первая очередь комплекса оборудования с 16 точками доступа и централизованным управлением, позволяющая одновременно подключать до 512 пользователей.
Серверный парк центрального узла включает в себя 17 специализированных серверов ведущих производителей компьютерного оборудования, таких как Intel (6 шт.), НР (8 шт.), Sun Microsystem (3 шт.), два дисковых массива. Сервера центрального узла обеспечивают бесперебойное функционирование и резервирование таких служб как email, www, proxy, dns, icq, lotus. Все сервера максимально защищены от несанкционированного доступа как физически, так и в сети. Журналирование действий пользователей ведется на отдельный хорошо защищенный сервер. Доступ в интернет осуществляется через прокси-сервер, на котором ведется проверка почтовых сообщений и информации, получаемой из интернета на вирусы.
Внешним представлением данной сети будут характеристики, которые можно снять с помощью диагностических устройств (тестеры, сканеры). В табл. 3 приведем диагностические показатели, фиксируемые тестерами и сканерами при обнаружении дефектов в кабельной системе [2].
Таблица 3
Характеристика Краткое описание Допустимые диапазоны, оптимальные параметры Дефекты
Пропускная способность Скорость передачи данных по линии связи. В качестве единицы пропускной способности используется бит в секунду. 100 Мбит/с - FDDI, Fast Ethernet, 100 VG-Any LAN. 155 Мбит/с - ATM. 1000 Мбит/с - Gigabit Ethernet. Снижение скорости.
Качество передачи данных Определяется параметром Bit Error Rate - интенсивность битовых ошибок BER. Этот параметр на современных линиях связи довольно низок, изменяется от 1C4 до 10’9. Чем меньше BER, тем лучше. От 10-4 до 10"6. Значение достоверности 10-4 говорит о том, что в среднем из 10000 бит искажается значение одного бита. Появление искажений.
Полоса пропускания Непрерывный диапазон частот, при которых сигнал передается без значительных искажений. Чем шире полоса, тем больше максимально возможная скорость передачи информации по линии связи. Отношение амплитуды выходного сигнала к амплитуде входного превышает заранее заданный предел - 0,5. Появление искажений.
Затухание Относительное уменьшение амплитуды или мощности сигнала. Чем меньше падает мощность, тем лучше связь. При частоте 1МГц - от 20 дБ. До 22,9 дБ на частоте 125 МГц. Уменьшение мощности сигнала.
NEXT - Near End Cross Talk - перекрестные наводки на ближнем конце Помехоустойчивость кабеля к внутренним помехам. Наведенный сигнал, исходящий от соседней пары, может привести к существенному искажению сигнала, на данной паре. При частоте 1 МГц принимает значение не менее 75 дБ, а на частоте 125 МГц - 41 дБ. Снижение скорости передачи, блокировка сетевого оборудования.
Волновое сопротивление или полное сопротивление сети (импеданс) Единицей измерения волнового сопротивления считается Ом. Это постоянная для кабеля величина. 100 Ом. Допускаются отклонения ±15 %. Нарушения симметричности витой пары, некачественная заделка контактов разъема.
Активное сопротивление Сопротивление постоянному току. Активное сопротивление зависит от длины кабеля. Не должно превышать 170 Ом на километр. Изменение мощности сигнала.
Емкость Свойство металлических проводников накапливать энергию. Металлические провода, разделенные диэлектриком, образуют подобие конденсатора. Макс. рабочая емкость: 5.6 нФ/м. Ограничение полосы пропускания, искажения сигнала, падение скорости передачи.
Электрический шум, электрические помехи Источник - различные электроприборы. Шум - фоновый или импульс ный. Фоновый - длительный, его источник -микроволновые печи, компьютеры, офисная техника. Импульсный: сварочные аппараты, погодные явления (милливольты). Параметры сигнал / шум ACR и ELFEXT ACR: 3,1 - 6,1 дБ. ELFEXT: 17 - 17,4 дБ. Искажение сигнала, уменьшение скорости передачи.
Возвратные потери или эхо передачи (Return Loss, RL) Параметр, который определяется отношением мощности передаваемого по линии сигнала к мощности отраженного. 8-10 дБ. Искажение сигнала.
Иерархическим представлением будет совокупность систем или узлов, объединенных в общую сеть. Верхним уровнем ОД будет вся локальная вычислительная сеть университета, представленная на рис. 1. Средний уровень -совокупность отдельных узлов: узлы левого и правого крыла, центральные
узлы, узел лабораторного корпуса, узел библиотеки, узлы общежития. Нижним уровнем является отдельный узел.
Иллюстрация нижнего уровня ОД приведена на рис. 2.
Рис. 2. Схема нижнего уровня иерархии ОД
С точки зрения функционального представления рассмотрим сервер узла и рабочие станции, подключенные к этому серверу. Так на сервер отдельной аудитории установлено специальная сетевая ОС - Огасіе ЯеШа! 5.6, а на рабочие станции клиентские ОС - Windows, Sun, Linux. В функциональном представлении ЛВС можно отнести к классу поточных систем [1]. Основными элементами сети являются стандартные компьютеры - клиентские станции, не имеющие ни общих блоков памяти, ни общих периферийных устройств. Связь между клиентскими станциями осуществляется с помощью специальных периферийных устройств - сетевых адаптеров, соединенных относительно протяженными каналами связи.
Сетевые адаптеры и каналы связи решают в сети достаточно простую задачу - они передают сообщения с запросами и ответами от одного компьютера к другому, а основную работу по организации совместного использования ресурсов выполняют клиентские и серверные части операционных систем.
С помощью этих сообщений одна клиентская станция обычно запрашивает доступ к локальным ресурсам другой станции. Такими ресурсами мо-
гут быть как данные, хранящиеся на диске, так и разнообразные периферийные устройства - принтеры, модемы, факс-аппараты и т.д.
Отобразим описанные процессы, протекающие при функционировании ЛВС с помощью схемы [6], являющейся функциональным представлением объекта диагностирования (рис. 3).
Клиент (рабочая станция) Сервер
Рис. 3. Функциональное представление ЛВС
При описании функциональной модели ЛВС особое внимание стоит уделить рассмотрению формирующих ее подсистем, а именно: аппаратной (компьютеры и коммуникационное оборудование) и программной (операционные системы и сетевые приложения).
Весь комплекс программно-аппаратных средств сети может быть описан многослойной моделью. В основе любой сети лежит аппаратный слой стандартизованных компьютерных платформ.
В сетях широко применяются компьютеры различных классов - от персональных компьютеров до мэйнфреймов и суперЭВМ. Набор компьютеров в сети должен соответствовать набору разнообразных задач, решаемых сетью. В связи с этим архитектура компьютеров, их аппаратные составляющие или компоненты разнятся от сети к сети. Доминирующим подмножеством дефектов здесь являются дефекты дисковой системе (жесткие диски, винчестеры). Именно они приводят к катастрофическим последствиям - потере важной информации, данных и к соответствующим финансовым затратам для последующего устранения этих последствий.
Второй слой - это коммуникационное оборудование. Хотя компьютеры и являются центральными элементами обработки данных в ЛВС, не менее
важную роль играют коммуникационные устройства. Кабельные системы, повторители, мосты, коммутаторы, маршрутизаторы и модульные концентраторы находятся с компьютерами и системным программным обеспечением в одном ряду как по влиянию на характеристики сети, так и по стоимости. Коммуникационное устройство может представлять собой сложный специализированный мультипроцессор, который нужно конфигурировать, оптимизировать и администрировать. Изучение принципов работы коммуникационного оборудования требует знакомства с большим количеством протоколов, используемых как в локальных, так и глобальных сетях. В отношении диагностических задач здесь доминируют дефектов кабельных систем и сетевых адаптеров.
Третьим слоем, образующим программную платформу ЛВС, являются операционные системы (ОС). От того, какие концепции управления локальными и распределенными ресурсами положены в основу сетевой ОС, зависит эффективность работы всей сети. При диагностировании ЛВС важно учитывать, насколько просто данная операционная система может взаимодействовать с другими ОС сети, насколько она обеспечивает безопасность и защищенность данных, можно ли перенести ее на компьютер другого типа и многие другие соображения.
Самым верхним слоем сетевых средств являются различные сетевые приложения, такие как сетевые базы данных, почтовые системы, средства архивирования данных, системы автоматизации коллективной работы, что кратко можно объединить понятием сетевое ПО. Очень важно представлять диапазон возможностей, предоставляемых приложениями для различных областей применения, а также знать, насколько они совместимы с другими сетевыми приложениями и операционными системами.
* * *
В статье рассмотрено множество возможных дефектов ЛВС. Приведена их классификация и предложена предикатная форма для формального представления в экспертной системе. Кроме того, проанализированы различные системные представления ЛВС как объекта диагностирования. В дальнейшем предполагается исследовать временные, причинно-следственные отношения и отношения эквивалентности дефектов.
Список литературы:
1. Воронин В.В. Воронин В.В. Теоретические проблемы диагностических экспертных систем. - Владивосток: Дальнаука, 2005. - 164 с.
2. Поляк-Брагинский А.В. Локальные сети. Модернизация и поиск неисправностей. - СПб.: БХВ-Петербург, 2006. - 640 с.
3. Бусленко Н.П., Калашников В.В., Коваленко И.Н. Лекции по теории сложных систем. - М.: Сов. радио, 1973. - 439 с.
4. Криста Андэрсон, Марком Минаси. Локальные сети. Полное руководство: пер. с англ. - СПб.: КОРОНА принт, 1999. - 624 с.
5. Куско А. Сети электроснабжения. Методы и средства обеспечения качества энергии / А. Куско, М. Томпсон; пер. с англ. А.Н. Рабодзея. - М.: До-дэка-ХХ1, 2010. - 336 с.
6. Локальные вичислительные сети: Справочник. В 3-х кн. Кн. 3: Организация функционирования, эффективность, оптимизация/ С.В. Назаров, Н.В. Ашихмин, А.В. Луговец и др.; под ред. С.В. Назарова. - М.: Финансы и статистика, 1995. - 248 с.
