CC BY
16
В статье рассмотрены вопросы защиты программного обеспечения информационно-управляющих систем от искажений, возникающих по общей причине. В частности предложен подход, при котором программные модули системы реализуются разными техническими средствами, разнесенными в пространстве с последующим сравнением полученных результатов.
The article considers the protection of software information management systems of the distortions that arise due to common cause. In particular, a method in which software modules are implemented by various technical means, separated in space and then comparing the results obtained.
УДК 656.212.5:681.3
ПАХОМОВА В.М., к.т.н, доцент (ДНУЗТ); ПОВОД В В., студент (ДНУЗТ).
Лопчна структуризащя шформацшних мереж залiзничного транспорту на 0CH0Bi комутаторiв ETHERNET
Постановка проблеми
Стратепя шформатизацп залiзни-чного транспорту Укра'ни на сучасному етат передбачае створення единого ш-формацшного простору при забезпе-ченнi штеграцп автоматизованих систем управлiння залiзничною галуззю [1]. Цiлий ряд лiнiйних тдприемств вико-ристовуе технологiю ETHERNET, тому цшком обгрунтованим е подальша мас-штабованiсть вiдповiдних мереж. Зага-льна структура тако'' гипотетично'' ме-
реж представлена на рис. 1 i припускае по-еднання використання двох базових структур - стягнуту в точку мапстраль, перевагами яко'' е висока продуктивнiсть мапстрал^ а також ii протокольна незалежшсть, i роз-подiлену магiстраль, яка скорочуе вартють кабельно'' системи i долае обмеження на вь дсташ [2]. Для з' еднання рiвня лiнiйних т-дприемств (рiвень 1) з рiвнем залiзницi (рь вень 2) використовуеться FAST ETHER-?ET, для з' еднання рiвня залiзницi з рiвнем Укрзалiзницi (рiвень 3) - GIGABIT ETHERNET.
Рис. 1. Структура гшотетично'1 мереж ETHERNET/FAST ETHERNET/GIGABIT ETHERNET
Оргашзащя подiбних зв'язкiв мож-лива завдяки використанню такого устат-кування як комутатор (вiд англ. switch). Для пщключення вже юнуючих пщпри-емств на залiзничному транспорт можна органiзувати декiлька пiдрiвнiв (напри-клад, /-пiдрiвнiв), на кожному з яких вста-новлена певна кшькють комутаторiв (на-приклад, m-комутаторiв на першому рiвнi: Sw1],..., Sw1m), кожен з яких мае Л-портсв 10 Мб/с i один порт 100 Мб/с для зв'язку з рiвнем залiзницi. На рiвнi залiзницi (рь вень 2) потрiбно и-комутаторiв: Sw21,..., Sw n, кожен з яких мае m/-портiв 100 Мб/с i один порт 1000 Мб/с для зв'язку з рiвнем Укрзалiзницi. На верхньому рiвнi (рь вень 3) можливе використання одного ко-мутатора Sw , у якого и-портсв 1000 Мб/с i ^-портсв 100 Мб/с для пщключення серве-рiв (при необхщносп).
Комутатор пiдвищуе продуктив-нiсть i безпеку мереж1, рятуючи iншi сег-менти мережi вiд необхiдностi обробляти данi, якi 1м не призначалися. Проте засто-сування комутаторiв завжди породжуе не-безпеку втрати кадрiв при передачi, тому одним з основних питань е питання управлшня потоком кадрiв.
Анал1з публ1кац1й
Вщповщно до концепцп шформати-зацп залiзничного транспорту Украши [1] повинен бути здшснений перехiд на три-рiвневу структуру керування зi створен-ням ново'1 територiальноi виробничо'1 сис-теми в схемi керування основною дiяльнi-стю залiзничного транспорту. Необхiдно зазначити, що iнформацiйну шфраструк-туру залiзничноi галузi вiдрiзняють неод-норiднiсть, розподшеншсть на великiй те-риторп й функщонування в реальному ма-сштабi часу [1].
У мережах залiзничного транспорту використовуються технологи сiмейства ETHERNET, в основi яких метод доступу до середовища передачi даних, званий методом колективного доступу з розтзна-ванням несучо'1 i виявленням колiзiй (Carrier Sense Multiply Access with Collision Detection, CSMA/CD) [3]. Метод CSMA/CD визначае основнi тимчасовi та логiчнi спiввiдношення, що гарантують коректну роботу всiх станцiй у мережь Формальна модель станцп мереж при CSMA/CD розроблена та представлена в [4]. Крiм того, розроблена вщповщна iмi-
тацшна модель мережi ETHERNET (без використання комутаторiв) [4]. Технология FAST ETHERNET зберегла в недоторкано-стi метод доступу CSMA/CD, залишивши в нiм той же алгоритм i тi ж тимчасовi пара-метри в бiтових штервалах (сам бiтовий iнтервал зменшився в 10 разiв) [2].
Формулювання шлей статт
Так як втрати, навт невелико'' част-ки кадрiв, звичайно набагато знижують корисну продуктивнють мереж1, то при пе-ревантаженш комутатора рацiонально було б сповшьнити iнтенсивнiсть надходження кадрiв вiд кшцевих вузлiв в приймачi комутатора, щоб дати можливiсть передава-чам розвантажити сво'' буфера з бшьш ви-сокою швидкiстю. Для реалiзацii такого алгоритму в розпорядженнi комутатора повинш бути прийоми зниження штенсив-ностi трафiку пiдключених до його пор^в вузлiв [2]. Ц прийоми засноваш на тому, що кiнцевi вузли строго дотримуються всiх параметрiв алгоритму доступу до середо-вища, а порти комутатора - ш. Цiлью дано'' стать'' е розробка формальних моделей ро-боти комутатора при використанш таких прийомiв та вщповщно'' iмiтацiйноi моделi FAST ETHERNET (з комутатором), за до-помогою яко'' виконуеться аналiз характеристик мереж в повнодуплексному i напi-вдуплексному режимах.
Основний матер1ал
1. Спосiб "гальмування" кшцевого вузла заснований на так званш агресивнiй поведiнцi порту комутатора при захоп-леннi середовища пiсля закшчення пере-дачi чергового кадру або тсля колiзп в напiвдуплексному режимi роботи мережi [2], на пiдставi цього розроблена вщповь дна формальна модель роботи комутатора (рис. 2).
Дiаграма, що представлена на рис. 2, е модифшащею дiаграми iз [3], в котру доданi додатковi стани. Так наприклад, вiдбуваеться перехщ у стан «Аналiз пере-
вантаження» для перевiрки переванта-ження мереж! Якщо воно е, то вщбува-еться перехiд у стан «Прискорена пауза», в якому установлюеться тривалють паузи комутатора у 9,1 мкс (проти 9,6 мкс тех-нолопчно'' паузи станци) в технологи ETHERNET, а також у 0,91 мкс (проти 0,96 мкс технологично'' паузи станци) в технолог!' FAST ETHERNET. Крiм того, введений стан «Аналiз учасникiв колiзii», якщо в конфлiкт вовлечен комутатор MAC-пiдрiвень переходить в стан «Змша iнтервала вiдстрочки», в якому для комутатора установлюеться штервал вщстроч-ки в 50 мкс (проти штервала вiдстрочки станци в 51,2 мкс) в технологи ETHERNET, а також в 5 мкс (проти штервала вщстрочки станци в 5,12 мкс) в технологи FAST ETHERNET, тим самим станци не вдаеться передати свш кадр.
2. Метод зворотного тиску (backpressure) використовуеться не для того, щоб розвантажити буфер процесора порту, безпосередньо пов'язаного з при-душеним вузлом, а розвантажити або за-гальний буфер комутатора (якщо викори-стовуеться арх^ектура з роздшьною зага-льною пам'яттю), або розвантажити буфер процесора шшого порту, в який передае сво'' кадри даний порт. Крiм того, метод зворотного тиску може застосовуватися в тих випадках, коли процесор порту не ро-зрахований на тдтримку максимально можливого для протоколу трафшу [2].
Наприклад припустимо, в порт 1 по-стшно передаються даш з пор^в 2, 3 i 5. Якщо швидкостi передачi по вах портах однаковi та рiвнi швидкостi каналу, то т-сля заповнення вщповщних буферiв кадри почнуть губитися - комутатор буде просто скидати знову приходячi кадри по портах 2, 3 i 5. Втрати кадрiв означають, що за допомогою протоколу бiльш високого рi-вня, проводитиметься повторна передача кадрiв. Для запобiгання цього сучаснi ко-мутатори мають функцiональну можли-вють контролю та керування потоками кадрiв, що надходять у порти [2]. Для ко-мутаторiв ETHERNET/FAST ETHERNET
ця функщя вщома як зворотний тиск (ВР, Васк Pressure). Обмеженiсть вихiдного каналу по порту 1 призводить до запов-нення вхiдних буферiв на портах 2, 3 та 5. Вузол ВР комутатора, виявляючи це, по-чинае передачу порожнiх кадрiв в т кана-ли, вiд яких переповнюються вхiднi буфе-ри пор^в. Так, якщо переповнюеться вхi-дний буфер по порту 2, то комутатор по-
силае пуст кадри, умисно створюючи ко-лiзii в цьому сегментi, в результат! яких зменшуеться потiк кадрiв вiд передаваль-ного пристрою в цьому сегмента На тдс-тавi цього була розроблена формальна модель комутатора в натвдуплексному режимi при його зворотному тиску, яка представлена на рис. 3.
С колiзiя i прийом! перерваний
Нема колiзN i прийом успiшно завершений
По завершенню передачi даних
(г™:)
По завершенню посилення конфлiкту
По завершенню змiни
З комутатором
Рис. 2. Дiаграма станiв порта комутатора при агресивному захопленш середовища
Дiаграма, що представлена на рис. 3, е модифшащею дiаграми iз [3], в котру доданi додатковi стани. Так наприклад, вiдбуваеться перехщ у стан «Аналiз пере-вантаження» для перевiрки переванта-
ження комутатора i в залежностi вiд цього вибираються наступнi дп: якщо нема пе-ревантаження, то перехiд в стан «Техно-логiчна пауза», а якщо е - до стану «Гене-ращя порожнiх кадрiв». В цьому сташ ко-
мутатор посилае порожш кадри у сегмент, вiд якого приходить дуже великий полк кадрiв умисно створюючи штучнi кол^зп, що гальмують його роботу (стан «Штучш
кол^зп»). Пiсля пригальмування активнос-т вузла повернення в стан «Технолопчна пауза», щоб вичекати потрiбний час для наступноi передачi.
6 колiзiя i прийом перерваний
Нема колiзiY i прийом успiшно завершений
По запиту мережевого рiвня на передачу власних даних
По закiнченню випадковоТ паузи
С-\
I Випадкова пауза 1
По завершенню посилення конфлiкту
Поширення кол!з!1
Доки середовище
зайняте (прослуховування несучоТ)
По завершенню передачi даних
(Анал1з Д перевантаженняЁ~
перевантаження
./^"7-:—\
¥ Генерац1я Д ^^ порожшх кадр1в Ё
Нема перевантаження
СТехнолог1чна
пауза 1Г
Пiсля пригальмування активностi вузла
Посилання порожых кадрiв на станцiю
Штучш кол!з1*1
1
Пiсля закiнчення технологiчноТ паузи
?-\
Передача даних
Нема колiзiТ
Рис. 3 ^аграма станiв порта комутатора при його зворотьому тиску на станщю
3. При робот в повнодуплексному режимi МАС-вузол не використовуе метод доступу до середовища CSMA/CD. Вiдмова вiд алгоритму доступу до розподшеного середовища, веде до пщвищення вiрогiдностi втрат кадрiв ко-мутаторами. Для контролю за потоками кадрiв, що направляються кiнцевими вуз-лами в повнодуплексних версiях прото-колiв, використовуються двi команди -"Припинити передачу" i мВiдновити передачу". Порт комутатора, що отримав команду "Припинити передачу", повинний
припинити передавати кадри до отриман-ня команди "Вщновити передачу" [2].
4. Структура iмiтацiйноi моделi (з комутатором). Для прикладу наведена структура програмно'1' iмiтацiйноi моделi Fast Ethemet, яка представлена на рис. 4. Початковi параметри модел! кiлькiсть станцiй; iнтенсивнiсть надходження за-питiв; розмiр кадру; режими роботи мереж' (натвдуплексний, повнодуплекс-ний); управлшня потоком кадрiв при натвдуплексному режимi (метод агре-сивного захвату, метод зворотного тиску). Вхщна форма програмно'1' моделi пред-
ставлена на рис. 5. Результуючi характеристики iмiтацiйноi модели гiстограма динамiки перебування запипв в черзi;
максимальний час очшування запиту в черзi; середнiй час очшування запиту в черзi; час реакци мережi.
Рис. 4 .Структура програмно! iмiтацiйноi моделi Fast Ethernet
Для ознайомлення з процесом та результатами моделювання можна натис-нути кнопку «Результаты». Шсля натис-кання на цю кнопку у вшш моделi з'являться 11 вихiднi характеристики (рис. 6). В режимi реального часу можна спо-стерiгати за динамшою змiн черг на станщях мереж1, а якщо був вибраний один iз методiв керування потоком кадрiв, то i за динамшою змiни черги у буферi комутатора. Пюля закiнчення часу моде-
лювання виводяться вс результуючi характеристики^_
Висновки розвитку
перспективи подальшого
У зв'язку iз стратегiею шформатиза-ци залiзничного транспорту Украши представлений один iз можливих варiан-тв масштабування мереж технологiй сь мейства Ethernet з використанням вщповь дних комутаторiв на рiвнях лiнiйних пщп-риемств, залiзницi та Укрзалiзницi. При
використанш комутатора одше! з основ-них його проблем е управлшня потоком кадрiв як в повнодуплексному, так i в на-пiвдуплексному режимах. У зв'язку з чим розроблеш дiаграми сташв порту комутатора при натвдуплексному режимi за методами: агресивне захоплення середовища комутатором i зворотний тиск комута-
тора на кшцевий вузол, якi покладенi в основу програмно! iмiтацiйноi моделi. Пропонована iмiтацiйна модель надалi може бути використана для визначення параметрiв/характеристик вщповщних мереж в iснуючих iнформацiйних системах залiзничного транспорту.
Рис. 5 .Вхщна форма програмнох моделi Fast Ethernet
Рис. 6. Вихiдна форма програмно' моделi Fast Ethernet
Список лггератури
1. Проект концепцп програми ш-форматизацп залiзничого транспорту Украши.
2. Олифер, В.Г. Компьютерные сети. Принципы, технологии, протоколы [Текст] / В.Г. Олифер, Н.А. Олифер. -СПб: Питер, 2001. - 672 с.
3. Гост 34.913.3-91. Локальные вычислительные сети. Метод случайного доступа к шине и спецификация физического уровня. - М.: Изд-во стандартов, 1992. -303 с.
4. Пахомова, В.Н. Модифицированная имитационная модель ЛВС при коллективном доступе с опознаванием несущей и обнаружением коллизий [Текст] / В.Н. Пахомова, К. Рэу // Iнформ.-керуючi системи на залiзничн. транспорта - 2001. - № 4. - С. 87-92.
Анотацн:
Представлений один i3 можливих вар1анпв масштабованосп мереж технологш амейства ETHERNET з використанням ввдповвдних комута-тор1в на р1внях лшшних шдприемств, зал1зниц1 та Укрзал1зниц1. Розроблена 1мггацшна модель мереж з комутатором, в основу яко! покладен д1агра-ми сташв порту комутатора при натвдуплексному
режим1 за методами: агресивне захоплення сере-довища комутатором i зворотний тиск комутатора на шнцевий вузол, для визначення характеристик мереж в натвдуплексному та повнодуплексному режимах.
Ключовi слова: лопчна структуризащя, ко-мутатор, агресивне захоплення, зворотний тиск
Представлен один из возможных вариантов масштабируемости сетей технологий семейства ETHERNET с использованием соответствующих коммутаторов на уровнях линейных предприятий, железной дороги и Укрзализныци. Разработана имитационная модель сети с коммутатором, в основу которой положены диаграммы состояний порта коммутатора при полудуплексном режиме по методам: агрессивный захват среды коммутатором и обратное давление коммутатора на конечный узел, для определения характеристик сетей в полудуплексном и полнодуплексном режимах.
Ключевые слова: логическая структуризация, коммутатор, агрессивный захват, обратное давление
One of possible variants of scalability of networks of technologies of family of ETHERNET is presented with the use of corresponding switchs on the levels of linear enterprises, railway and UkrRailroad. The simulation model of network is worked out with a switch, in basis of which bubble of port of switch diagrams are fixed at the halfduplex mode after methods: aggressive capture of environment by a switch and reverse pressure of switch on an eventual site, for determination of descriptions of networks in halfduplex and fullduplex modes.
Keyword: logical structuring, switch, aggressive capture, reverse pressures
