CC BY
10Системы, сети и устройства телекоммуникаций
УДК 681.518, 004.942
ОРГАНИЗАЦИЯ ОБМЕНА И ДОСТАВКИ ДАННЫХ В РАСПРЕДЕЛЕННЫХ
АВТОМАТИЗИРОВАННЫХ СИСТЕМАХ ИСПЫТАНИЙ РАКЕТНО-КОСМИЧЕСКОЙ ТЕХНИКИ Бистерфельд Ольга Александровна
кандидат технических наук, доцент, доцент кафедры информатики и вычислительной техники
ФГБОУ ВПО «Рязанский государственный университет имени С.А. Есенина».
E-mail: bist19@yandex.ru.
Адрес: 390000, г. Рязань, ул. Свободы, 46.
Аннотация: Для оптимизации затрат на развитие и эксплуатацию комплексов полигонов и космодромов требуется повысить уровень автоматизации процессов измерительного обеспечения пусков ракетно-космической техники. Предложено снизить интенсивность обменов между базами данных системы при выполнении целевых задач путём выполнения централизованной заблаговременной рассылки массивов идентификаторов экземпляров. Для транспортировки данных по каналу связи со спутниковым сегментом неэффективны протоколы, созданные в своё время для компьютерных сетей. Предложено парировать зависимость надёжностных характеристик спутникового канала от интенсивности передач путём оптимизации параметров управления транспортным протоколом; применять протокол с непрерывной выдачей блоков в канал связи и с повторами только искажённых блоков; анализировать время поступления сообщений обратной связи. Описанные подходы позволят повысить достоверность передачи в режиме реального времени и снизить время доставки в режиме отложенной транспортировки. Разработанные модели транспортных протоколов адаптированы к применению в малообслуживаемых компонентах полигонов и космодромов.
Ключевые слова: территориально распределённые автоматизированные информационные системы, интеграция данных, спутниковые каналы связи, транспортные протоколы, моделирование.
Введение
В жизненном цикле ракетно-космической техники (РКТ) важную роль играют длительные и всесторонние испытания. Испытания проводят при проектных работах, при отработке опытных образцов РКТ на заводах-изготовителях, на специальных полигонах со сложными распределёнными полигонными измерительными комплексами. При подготовке к пуску ракет космического назначения на технических комплексах и стартовых позициях космодромов продолжаются проверки с применением большого числа специализированных автоматизированных и информационных систем (АС и ИС), входящих в измерительные комплексы космодромов. Тщательно контролируется поведение изделий на активном участке полёта с помощью сети измерительных пунктов со средствами оптических,
радиолокационных, телеметрических и других измерений. Для управления космическими объектами, для мониторинга их состояния в наземных автоматизированных комплексах управления функционируют отдельные командно-измерительные комплексы. Из соображений безопасности на случай возможной аварии ракеты стартовые позиции, районы падения компонентов РКТ, выделенные полигонам и космодромам, размещают в малонаселенной местности, где отсутствует телекоммуникационная инфраструктура. Необходимы также измерительные пункты морского базирования, где принципиально невозможны проводные и оптоволоконные линии связи. С появлением систем спутниковых каналов связи их используют в измерительных комплексах космодромов и полигонов для сбора измерительной информации (рис. 1).
Передача данных ~
---Спутник-ретранслятор
| достоверность передачи при репортаже | Еремя гарантированной доставки всех данных
И
Патент
Ло2450466
Центры
обработки
и аналк а
И
Обмен и интеграция
Патент .N"22447495
т-1 Т
- --
#
V
Ст^гговые площадки Траектории запуска
3
*' Л" • 9
■ /*Ч
Районы падения отделяемых частей
Рис. 1. Обмен и доставка данных в распределённых автоматизированных системах испытаний
ракетно-космической техники
За время смены формации страны развитию и совершенствованию систем ракетно - космической отрасли не уделялось достаточного внимания. В настоящее время выполняется ряд проектов по определению направлений развития измерительных комплексов космодромов и полигонов. Рыночные условия диктуют жёсткие ограничения на сроки, финансовые и производственные ресурсы, которые могут быть выделены в государственном оборонном заказе. Требуется изначальное создание комплекса моделей, детализирующего облик нового состояния и позволяющего оптимизировать и сократить затраты на развитие и эксплуатацию комплексов полигонов и космодромов. Новые подходы должны обеспечить повышение уровня автоматизации процессов измерительного обеспечения пусков РКТ и снизить потребность в ресурсах, в том числе в высококвали-
фицированном обслуживающем персонале. Модели должны быть адаптированы к применению в малообслуживаемых компонентах полигонов и космодромов. В этом ряду и крупная проблема эффективной организации информационных структур, интеграции данных, доставки измерительных данных от удаленных компонентов комплексов полигонов и космодромов в центры обработки и анализа [1, 2].
Методы обмена и интеграции данных в базах данных распределенных систем
Наиболее распространённые известные способы интеграции данных в системе взаимодействующих баз данных (БД) не позволяют организовывать в БД корректные массивы данных: допускается многократное повторение одних и тех же по смысловому содержанию записей данных в тех случаях, когда данные поступают
от различных источников данных. Заблаговременное формирование централизованных идентификаторов экземпляров (ЦИДЭ) для классификаторов и систем кодирования не предусмотрено, следствием является выполнение излишних процедур при обменах между БД.
Отсутствие в известных способах упреждающей рассылки из службы идентификации данных (СИД) изменённых массивов ЦИДЭ может приводить к задержкам готовности БД к выдаче обменных данных. Такие задержки могут быть неприемлемы в информационных системах, работающих в реальном времени.
В известных способах не предусматривается заблаговременная централизованная подготовка новых массивов ЦИДЭ. Преимущества
такой возможности, в случаях, если такие массивы могут быть заранее подготовлены и разосланы, заключается в повышении оперативности предстоящих обменов между БД системы.
Обобщённое структурное решение АС для реализации нового способа интеграции данных [3, 4] представлено на рис. 2.
Способ интеграции информационных ресурсов [4] использует информационные обмены между БД. Предусматривается генерация новых ключей для записей, чем обеспечивается уникальность записей в БД. В то же время централизованно (в рамках АС, ИС) генерируются уникальные ключи для типов записей и для отдельных экземпляров записей - ЦИДЭ.
РБД
Устройство метаданных
L
Устройство формирования массива записей для обмена
Блок приема массива ЦИДЭ
Устройство приема записей при обмене
БД
БД
Устройство
службы
центр апиз ов анной
идентификации
данных ИС
(СИД)
о К к к
£Г Ö И К К
О
ы
<D
н
БД
*->
<-►
БД
Рис. 2. Структура системы для осуществления способа обмена
В специальной структуре метаданных в каждой БД формируются соответствия между централизованно сгенерированными ключами и ключами, сгенерированными в БД при занесении записей.
Централизованная генерация ЦИДЭ обеспечивает возможность при приёме записей в БД от любой другой БД системы выполнение процедур:
- генерации собственных (для приемника) уникальных ключей для принимаемых записей (чем обеспечивается уникальность записей в БД);
- выявления в принимаемых записях информационных объектов, уже имеющихся в БД, и предотвращения повторной записи таких объектов;
- объединения данных от нескольких БД источников в БД приёмнике в единый логически связанный информационный массив.
Заблаговременное корректное формирование интегрируемых структурированных информационных ресурсов, повышающее оперативность представляемых ими данных, может быть обеспечено:
— централизованной заблаговременной генерацией массивов ЦИДЭ и их рассылкой по БД в части классификаторов и систем кодирования данных;
— централизованной заблаговременной рассылкой массивов ЦИДЭ в случаях их изменений;
— централизованной заблаговременной генерацией дополнительных массивов ЦИДЭ и их рассылкой по БД при плановых расширениях интегрируемых информационных ресурсов ИС.
Ускорение обменов данными между БД происходит за счёт исключения «постепенности» идентификации в БД системы объектов классификаторов и систем кодирования, а также и уменьшения интенсивности обменов между службой СИД и БД при выполнении информационной системой целевых задач и новых целевых задач.
Доставка измерительных данных в центры обработки и анализа
В космических системах данные передаются на большие расстояния (сотни тысяч км) и по
радиоканалам, для которых характерна низкая вероятность передачи данных без искажений. Основные объёмы данных передаются в монопольном режиме. Для транспортировки данных практически используют протоколы, созданные в своё время для компьютерных сетей: UDP - при необходимости доставки данных потребителям в реальном времени, и TCP - для гарантированной полноты доставки данных. Применение их в космических системах нельзя признать эффективным [1]. Выражение для оценки результирующей пропускной способности и конкретные оценки из рекомендаций Международного союза электросвязи (International Telecommunication Union [5]) подтверждают это (рис. 3).
W 1.Е+4
- RTT. ins
Рис. 3. Результирующая пропускная способность протокола TCP (вероятность искажения символа в канале связи - Loss; время распространения сигнала в прямом и обратном канале -RTT; канал связи 10 Мб/с) [5]
При Loss = 1. E — 3 протокол TCP снижает результирующую пропускную способность в десять раз только за счет избыточных передач данных, необходимых для парирования искажений в канале связи. Еще более значительно снижается результирующая пропускная способность при передаче данных на большие расстояния. При передаче данных по спутниковому каналу связи с RTT > 500 ms, даже при Loss = 1. E — 6, результирующая пропускная способность снижается в сотню раз (в TCP тратится время на ожидание подтверждающих сообщений по каналу обратной связи).
В [6] разработаны новые, более эффективные процедуры доставки данных на большие
расстояния и при значительных вероятностях искажения данных в канале связи. В режиме реального времени (при репортаже) передаётся только часть данных, парируется зависимость надёжностных характеристик канала от интенсивности передач путём изменения параметров транспортного протокола [6, 7]. Оптимальные значения параметров определяют с помощью программы [8]; исходные данные для моделирования получают при предварительном тестировании канала связи (передаче в режиме без подтверждения блоков тестовых данных при различных значениях размера передаваемых блоков и скважности передачи).
При передаче в режиме гарантированной доставки данных повторяется передача только искажённых блоков данных, а выдача данных проводится непрерывно, вне зависимости от результатов передачи предыдущих фрагментов данных.
Математическая модель результирующей пропускной способности SЭ ПСп такого протокола [7]:
^бл^ф
Р _ р _ у.1
*птд бд х прд бд -1- У
n+rzb •
Э ПСП (Дбл + ггь)^ПВТ ( )
где ^бл - размер блока (сегмента, пакета) данных; 5ф- пропускная способность канала связи; ^бл - размер блока данных; г2Ь - размер заголовка блока данных; /сПВТ - коэффициент повторов блоков данных.
Для учёта среднего значения коэффициента повторов блоков данных:
^ПВТ ^прд бд + 2^рд бд-^прд бд +
+ ор2 р + 4рЗ р + ... =
прд бд прд бд прд бд прд бд
^птд бд) + 2ЛфД бд^1 ^птд бд) + + 3(1 — Рптд бд) + + 4Лфд бдС1 ^птд бд) + "' 1 + ^птд бд +
+р.
+ р.
+ рп
+
птд бд птд бд птд бд
где Рпрд бд - вероятность правильной передачи блока данных; Рптд бд - вероятность искажения при передаче блока данных.
Бесконечный ряд является сходящейся бесконечной геометрической прогрессией
С^птд бд < 1):
где
р = 1 — Ь055 - вероятность правильной передачи символа в канале связи.
Зависимости SЭ ПСП от и ЯТТ, рассчитанные по (1), показаны на рис. 4.
RTT, ms
Loss
Рис. 4. Результирующая пропускная способность протокола с непрерывной выдачей блоков в канал связи и с повторами только искажённых блоков (канал связи 10 Мб/с)
^пвт —
1_Р
птд бд
(2)
В монопольном канале связи отсутствуют передачи каких-либо иных потоков данных. Отрезок времени от момента окончания отправки передающей стороной окна данных и до момента поступления квитанции с приёмной стороны является детерминированным -длительность его не подвержена существенным флуктуациям. Анализ времени поступления сообщений обратной связи может использоваться для повышения достоверности передачи.
Применение вышеописанных подходов позволяет сократить фактический объём передаваемых данных (новый протокол более экономичен в процедурах повторных передач, компенсирующих потери данных).
В совокупности, при передаче данных по спутниковым каналам связи, результирующая пропускная способность возрастает в десятки и сотни раз.
Литература
1. Лоскутов А.И., Бянкин А.А., Обрученков В.П. Запросный метод оценки состояния и сбора данных телеизмерений бортовой аппаратуры космических аппаратов на основе неполного анализа значений телеметрируемых параметров. // Радиотехнические
и телекоммуникационные системы. - 2012. - №1. -С. 59-64.
2. Родионов А.В., Акмолов А.Ф., Ефимов С.Н., Викторов Е.А. Модернизированный протокол множественного доступа для коммутируемого спутникового моноканала в условиях смешанного трафика // Радиотехнические и телекоммуникационные системы. - 2012. - № 1. - С. 70-77.
3. Пат. № 2351010 Российская федерация. Способ информационного обмена между базами данных информационных систем и система для его осуществления / Везенов В.И., Новиков Ю.А., Пресняков А.Н., Свешников О.Г., Хлебников Н.Ю. 27.03.2007; опубл. 27.03.2009.
4. Пат. № 2447495 Российская федерация. Способ информационного обмена между базами данных информационных систем и система для его осуществления / Бисшерфельд ОА. - заявлено 6.04.2011; опубл. 10.04.2014.
5. Telecommunication standardization sector of International Telecommunication Union. Y/1541,
Поступила 23 апреля 2014 г.
12.2011. Series Y: Global information infrastructure, Internet protocol aspects and next-generation networks. Internet protocol aspects - Quality of service and network performance. Network performance objectives for-based services. - Режим доступа: http://www.itu.int/ru/ITU-
T/publications/Pages/default.aspx (дата обращения 5.04.2014).
6. Пат. № 2450466 Российская федерация. Способ передачи информации по каналам связи и система для его осуществления / Бисшерфельд О.А.. -заявлено 29.04.2011; опубл. 10.05.2012.
7. Бисшерфельд О.А. Моделирование передач в монопольном режиме спутникового канала связи // Вестник КИГИТ. - 2012. - №1. - С. 53-61.
8. Свидетельство о гос. рег. прогр. для ЭВМ № 2011617030. Программа имитационного моделирования передач данных по каналу связи со спутниковым сегментом / Бисшерфельд О.А. - опубл. 09.09.2011.
English
The organization of data exchange and delivery in distributed automated tests systems of aerospace equipment
Olga Aleksandrovna Bisterfeld - Candidate of Engineering, Associate Professor Department of Information Science and Computer Engineering Federal state budgetary educational institution of higher professional education "Ryazan State University named after S.A. Yesenin".
E-mail: bist19@yandex.ru.
Address: 390000, Ryazan, ulitsa Svobody, 46.
Abstract: It is required to raise the automation degree of measuring support of aerospace systems launching for the purpose of expenses optimization for development and maintenance of training areas and launching sites. Recommendations are to lower intensity of exchanges between system databases when completing target tasks by performing the centralized preliminary forwarding of arrays of the centralized instance identifiers. The protocols developed for computer networks are ineffective for the data transport via communication channel with the satellite segment. It is offered to counteract the dependence of the reliability characteristics of the satellite channel on the intensity of transmissions by optimization of the transport protocol control parameters; to apply the protocol with continuous introduction of units into the communication channel and repetition only of the distorted units; to analyze the delivery time of feedback messages. The described approaches will allow to raise the transmission reliability in the real time mode and to lower the delivery time in the mode of the delayed transportation. The developed models of transport protocols are adapted for application in low-serviced components of polygons and the cosmodromes.
Key words: geographically distributed automated information systems, data integration, satellite communication channels, transport protocols, simulation.
References
1. Loskutov A.I, Bjankin AA, Obruchenkov V.P. Query evaluation method of state and data acquisition of telemeasurements of onboard equipment of space vehicles on the basis of incomplete analysis of telemetered parameter values. Radiotehnicheskie i telekommunikacionnye sistemy. 2012. №1. P. 59-64.
2. Rodionov A.V, Akmolov A.F., Efimov S.N., Viktorov E.A. The modernized protocol of multiple access for a switched satellite mono channel in the conditions of mixed traffic. Radiotehnicheskie i telekommunikacionnye sistemy. 2012. № 1. P. 70-77.
3. Vezenov V.I, Novikov Ju.A, Presnjakov A.N., Svetnikov O.G, Hlebnikov N.Ju. Method of communication among databases of information systems and system of its implementation. The patent for the invention of the Russian Federation № 2351010, priority 3/27/2007.
4. Bisterfeld O.A. Method of communication among databases of information systems and system of its implementation. The patent for the invention of the Russian Federation № 2351010, priority 3/27/2007.
5. Telecommunication standardization sector of International Telecommunication Union. Y/1541, 12.2011. Series Y: Global information infrastructure, Internet protocol aspects and next-generation networks. Internet protocol aspects - Quality of service and network performance. Network performance objectives for-based services. Access mode : http://www. itu. int/ru/ITU-T/publications/Pages/default. aspx <http://www. apastyle.org/apa-style-help. aspx> (date of reversal 4/5/2014).
6. Bisterfeld O.A. Method of communication among databases of information systems and system of its implementation. The patent for the invention of the Russian Federation № 2450466, a priority from 4/29/2011.
7. Bisterfeld O.A. Transmission modelling in an exclusive mode of a satellite communication channel. Vestnik KIGIT. 2012. №1. P. 53-61.
8. Bisterfeld O.A. Program of simulation modeling data transmissions through a communication channel with the satellite. Certificate on the state registration of the computer program № 2011617030 dated 9/9/2011 of Federal Agency of intellectual property, patents and trade marks.
