CC BY
101
Volumetric modeling with implicit functions: a cloud is bom. Visual Proceedings of SIGGRAPH ’97 Los Angeles, California. 147p. 4. Nishita T, Dobashi Y, Nakamae E (1996) Display of clouds taking into account multiple anisotropic scattering and sky light. Proceedings of SIGGRAPH ’96, New Orleans, LA. P. 379-386. 5. Voss R (1983) Fourier synthesis of Gaussian fractals: 1/f noises, landscapes, and flakes. In SIGGRAPH ’83: Tutorial on State of the Art Image Synthesis. Vol 10, ACM SIGGRAPH. 6. Nishita T, Nakamae E (1994) A method for displaying metaballs by using B' ezier clipping. Comput Graph Forum 13:271-280. 7. Атмосфера: Справочник. Л.: Гидрометеоиздат, 1991. 512 с.
Поступила в редколлегию 23.01.2000
Рецензент: д-р техн. наук, проф. Руденко О.Г.
Остроушко Андрей Павлович, аспирант кафедры ЭВМ ХТУРЭ. Научные интересы: растровые графические системы реального времени. Адрес: Украина, 61168, Харьков, пр. Ленина, 14, тел. 40-93-54.
Гусятин Владимир Михайлович, канд. техн. наук, доцент кафедры ЭВМ ХТУРЭ. Научные интересы: теория и практика построения спецпроцессоров растровых графических систем реального времени. Адрес: Украина, 61726, Харьков, пр. Ленина, 14, тел. 40-93-54, 66-61-22.
УДК 681.326
ПРОЕКТИРОВАНИЕ МОДЕЛЕЙ ЛОКАЛЬНОЙ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНОЙ СЕТИ ДЛЯ РЕШЕНИЯ ЗАДАЧ ДИАГНОСТИРОВАНИЯ
ХАХАНОВ В.И., ХАЛЬКО В.В, БАБИЧА.В, АБУ ЗАНУНЕХ И.М. ХАЛИЛЬ
Предлагается метод проектирования модели локальной вычислительной сети в целях решения задач диагностирования путем адаптации и модификации существующих методов и алгоритмов тестирования цифровых устройств и систем: моделирования неисправностей, генерации тестов, контроля и поиска дефектов.
Введение
Вычислительная сеть (ВС) для пользователя представляется как компьютер с виртуальным изображением на экране монитора информации, средств ее поиска, преобразования и доставки, которые фактически могут быть рассредоточены в доступных для человека пространстве и времени.
Для вычислительной сети двумерная модель персонального компьютера (ПК) в виде Hardrware, Software получает третье измерение, что иллюстрируется рис. 1.
Рис. 1. HSN-модель вычислительной сети
Здесь ПК — персональный компьютер; ЛВС — линейная вычислительная сеть; КВС — корпоративная вычислительная сеть; HSN — обозначения компонентов вычислительной сети: Hardware, Software, Netware.
По мере увеличения параметров <H, S, N> повышается производительность и функциональные свойства образования “компьютер + сеть”, которое далее будем называть HSN-системой.
Постановка задачи
Поскольку упомянутая система содержит, как и ПК, аппаратурное обеспечение в виде сетевых плат, кабельных соединений, коммутаторов, то методы и средства технической диагностики цифровых устройств могут быть модифицированы и адаптированы к сетевым структурам. Конкретно проблема тестирования ВС может быть сведена к модификации уже известных алгоритмов моделирования исправного поведения и неисправностей, методов генерации тестов, средств проектирования алгоритмов поиска дефектов [1].
Модификация моделей, методов и алгоритмов связана со спецификой объекта (исследования) диагностирования — HSN-системы, которая имеет следующие отличия от цифрового устройства [2-6]:
1. Рассредоточение цифровой аппаратуры HSN-системы в пространстве.
2. Наличие значительных по длине соединительных проводов и вспомогательного пассивного оборудования (патч-панели, патч-корды, коннекторы, розетки).
3. Совмещение каналов ввода, передачи, преобразования и наблюдения информации на одной рабочей станции.
4. Существенные различия между логическими и физическими структурами приема и передачи информации.
5. Многообразие типов логических и физических неисправностей, приводящих к неправильному функционированию сети или ее компонентов [2].
6. Рассредоточение в пространстве возможных линий наблюдения состояния сети (точек контроля) для проверки прохождения информации по кабельным системам.
С учетом приведенных выше особенностей объекта диагностирования целью исследования является уменьшение времени логического анализа HSN-системы для диагностирования ее технического состояния благодаря применению модифицированных методов тестирования цифровых устройств к структурно-функциональной модели сети.
Для достижения данной цели предлагается решить следующие задачи:
РИ, 2000, № 2
81
1. Проектирование структурно-функциональной модели вычислительной сети, учитывающей ее технологию, топологию, протоколы обмена информацией, физические и логические компоненты, составляющие HSN-систему.
2. Генерация тестов проверки активной аппаратуры, кабельной системы, логических устройств в целях контроля работоспособности сети и определения места, причины и вида дефекта, приводящего HSN-систему или ее компоненты в состояние неправильного функционирования.
3. Моделирование неисправностей сетевых компонентов (логических и физических) в целях определения качества сгенерированного теста и его валидности для контроля и поиска дефектов.
Для успешного решения сформулированных задач необходимо представить модель сети в форме, которая приемлема для методов и алгоритмов тестирования цифровых устройств и систем [1].
1. Проектирование HSN-модели сети
Так как вычислительная сеть в соответствии со структурой (см. рис. 1) представлена как компьютерная система, рассредоточенная в пространстве, то задачу построения модели ВС можно решать, используя ту же теоретическую базу, что и для построения модели вычислительного устройства, а именно: используя аппараты булевой алгебры, теории множеств, теории автоматов и графов. Таким образом, построение HSN-модели сводится к выполнению следующих этапов: 1) представление ВС в виде графа; 2) описание модели в виде булевых уравнений путем анализа тестопригодности структурно-функционального графа сети; 3) построение логической схемы на основе полученных булевых уравнений.
Рассмотрим получение HSN-модели сети.
1.1. Представление ВС в виде графа
Для этого ВС приводится к виду обобщенной структурно-логической модели [2,7], представленной графом S = <V,E> с вершинами
V={V1,V2, ..., Vi ,..., Vn|,
в качестве которых выступают узлы сети: компьютеры, коммутаторы, концентраторы, репитеры, маршрутизаторы, а также дугами
E={E1,E2, ..., Ej ,..., Em|,
которые задают отношения приема/передачи информации, в том числе и диагностической, между компонентами сети. Используя структурно-логический подход к описанию ВС, базовые сетевые топологии можно представить в виде следующих графов (рис. 2).
Рис. 2. Граф топологии: а — кольца; б — звезды; в — шиті
Граф топологии можно расширить с учетом тестопригодности модели ВС. Для этого каждую вершину графа S следует разложить на подграфы (рис. 3 а, б), представляющие компоненты сети, которые подлежат диагностическому обслуживанию, в целях обеспечения ее правильного функционирования. В качестве компонентов выступают сетевые адаптеры, кабельная система, включая коннекторы и терминаторы, патч-панели и патч-корды, порты концентраторов и коммутаторов.
(vT)^- = —(CAi)—(кГ) а
(v^ = @H0H^ б
Рис.3. Структура вершины сети для Ethernet технологии: а — топология шины; б — звезды. ПК, — персональный компьютер; СА, — сетевой адаптер;
К, — кабель; П, — порт коммутатора
Первый этап проектирования модели сети завершается получением полного графа S, каждая вершина которого есть подграф типа а или б (см. рис.3). На рис. 4 приведены полные графы топологий звезды и шины.
а
Рис. 4. Полные графы топологий: а —звезды; б — шины
1.2. Описание модели в виде булевых уравнений
Определение 1. Генератор тестов (ГТ) — узел сети, функциональное назначение которого — получение и передача входных стимулов в целях тестирования остальных компонентов сети. Необходимое условие тестирования сети заключается в наличии заведомо исправного состояния ГТ.
82
РИ, 2000, № 2
Определение 2. Логическим графом тестирования сети (Л ГТС) называется структура, которая имеет:
1) вершину-исток, представляющую генератор тестов;
2) все остальные вершины сети, достижимые из ГТ, которые физически реализуют ПК, сетевые адаптеры, кабельные сегменты, порты концентраторов, патч-панелей, коммутаторов;
3) дугу графа, которая задает отношение приема-передачи информации для смежных вершин, определяемых топологией сети.
Определение 3. Дизъюнктивная нормальная форма тестирования сети (ДНФ ТС) есть булева функция, где терм представляет собой путь в ЛГТС от вершины ГТ к каждому из оставшихся узлов сети, подлежащего тестированию.
При условии, что в качестве ГТ сети выступает вершина 1 (ПК1, СА1, К1), для структуры, представленной на рис. 4, булева функция тестирования локальной сети имеет следующий вид:
Ya = (ПК! л CAj л Kj л ПД л ^ (ПК2 А СА2 А К 2 А П 2 А ... А ПК n А СА n А К n А П n). Для второй структуры, представленной на рис. 4, б, булева функция тестирования сети описывается уравнением
Yб = [(ПК! л САД л КД л [(ПК2 л СА2) л К2] л...
А [(ПК N А СА n) а К n],
где {Ya, У0} є Y = {0,1}; 1 — идентификатор состояния правильного функционирования сети; 0 — неправильного.
1.3. Построение логической схемы по ДНФ ТС
Для проектирования логической схемы тестирования сети (ЛС ТС) по модели ВС в виде булевых уравнений следует осуществить ее синтез на основе примитивных элементов в базисе и / или.
При этом необходимо уменьшать количество входов примитивов в целях повышения глубины диагностирования неисправностей сети. Это достигается путем представления одного терма булевой функции в виде совокупности двух или более элементов, что приводит к избыточности результирующей логической схемы.
На рис. 5, а, б приведены ЛСТС, представленных булевыми уравнениями Ya, У®.
а б
Рис. 5. Логические схемы тестирования сетей: а — для функции Ya; б — для функции У5
Здесь введены следующие обозначения:
Для схемы а: 1 — nK1...nKN; 2 — СА^.СА^ 3 — K1v.KN; 4 — ni...nN; 5 — состояние ПК+СА; 6 — состояние К+П; 7 — состояние узлов 1...N; 8 — состояние связи между ГТ и тестируемыми узлами сети; 9 =>Y— состояние сети (сегмента); (1-4) — цифровые идентификаторы входных линий схемы, которые имеют значения {0,1}, где 0 — неисправное состояние компонента; 1 — исправное.
Для схемы б: 1— ПКн..ПК^ 2 — СА^.СА^ 3 — К1... К^ 4 — состояние ПК+СА; 5 — состояние узлов 1.. .N; 6 — состояние связи между ГТ и тестируемыми узлами сети; 7=>Y— состояние сети (сегмента); (1-3) — цифровые идентификаторы входных линий схемы, которые имеют значения {0,1}, где 0 — неисправное состояние компонента; 1 — исправное.
2. Решение задач диагностирования на логической схеме тестирования сети
2.1. Генерация тестов для модели ВС
Тест — вход-выходная последовательность, предназначенная для установления соответствия технического состояния объекта наперед заданным техническим состояниям [1].
Поэтому целью генерации тестов для ВС является получение таких наборов, которые позволят:
1) установить неисправность сети или ее исправное состояние;
2) определить место, причину и вид дефекта при установлении факта неисправности сети.
Определение 4. Модель выходного сигнала логического элемента Y = {0,1} соответствует корректной передаче и приему теста между вершиной ГТ и тестируемым узлом (Y = 1) или наличию неисправности в узле (Y = 0).
Тестом может служить пакет, генерируемый анализатором протоколов, содержащий, например Тз =100 байт. На терминале ГТ выполняется сравнение посланного Tj8 и принятого TjR пакетов в целях формирования состояния выхода примитива, соответствующего тестированию узла i:
Yj =
І! <
:T8 © TjR = 0; = T8 ©TjR = !.
0
Наличие “0” в тестовом наборе свидетельствует о внесении неисправности в целях ее последующего моделирования для определения ее влияния на техническое состояние сети. Идентификатор неисправности в виде “0” соответствует физическим или логическим дефектам, эмулируемым по входным линиям схемы сети:
— умышленный перегиб кабеля;
— изъятие терминатора;
— отсоединение кабеля от сетевой карты;
— умышленное некорректное конфигурирование сетевой карты;
—генерация пакетов неверной длины анализатором протоколов.
Определение 5. Тестом проверки логической схемы сети с шинной топологией является входная последовательность, формирующая на выходе схемы значение 1.
РИ, 2000, № 2
83
Утверждение. Для топологии “шина” существует только один тестовый набор для схемы, содержащей n входов, который обладает данным свойством:
T = (111....1).
n
Доказательство основывается на том факте, что в схеме, имеющей только логические элементы И, состояние выхода Y= 1 существует, когда VX; = 1. Других типов элементов в логической схеме сети, реализованной по шинной топологии, быть не может, поскольку тест-пакет, посланный из узла ГТ, принимается по схеме И всеми остальными компьютерами сети.
Следствие. С учетом возможности использования широковещательного режима (broadcast) для топологии “звезда” тест проверки исправности логической схемы упомянутой структуры также содержит один набор, включающий n единиц.
2.2. Моделирование неисправностей
Для моделирования неисправностей ВС, представленной логической схемой, предпочтительно использовать дедуктивный метод, который позволяет за одну итерацию обработки определять все константные дефекты, проверяемые в схеме на входном тестовом векторе. Данный метод ориентирован как на функциональное описание цифровых систем, так и на вентильный уровень представления логических схем, что удовлетворяет предложенной выше модели задания вычислительной сети. Кроме того, такая модель легко описывается на языке описания аппаратуры VHDL, что позволяет использовать существующие симуляторы [6] для верификации цифровых проектов в целях проектирования, отладки и моделирования исправного поведения вычислительной сети. Однако проблема моделирования неисправностей не всегда находит свое решение в системах проектирования, хотя ее практическая целесообразность очевидна как для решения задач тестирования, так и для верификации [6].
Пример 1. Для модели ВС, представленной логической схемой (рис. 6), выполнить анализ неисправностей с помощью кубического алгоритма моделирования [7].
Рис. 6. Логическая схема модели сети
Примитивы 1, 2, 7 представляют техническое состояние ГТ; так как он должен быть заведомо исправным, то моделирование неисправностей для указанных выше примитивов не производится.
Схема имеет два типа логических элементов, поведение которых задается кубическими покрытиями:
C(AND)
X1 X2 Y
0 X 0
X 0 0
1 1 1
C(OR)
X1 X2 Y
1 X 1
X 1 1
0 0 0
Для входного тестового набора Т= (111111111111) моделируется исправное поведение объекта, которое дает по всем нумерованным линиям вектор
T = (111111111111111111111111).
24
Затем для модели ВС, представленной цифровой схемой, генерируется список входных дефектов по правилу:
Lj = {jTj} [1]: L5 = {ПК2}, L6 = {СА2}, L7 = {К2},
L8 = {П2}, L, = {ПК3}, L10 = {СА3}, Ln = {КЗ}, = fa} .
Выполняется последовательная обработка всех элементов схемы для вычисления выходных списков неисправностей. Для третьего примитива результат моделирования имеет вид
Г 5 6 15І Г 5 6 15
l15 = T(111) © с 0 X X 0 0 0 = L 1 X X 1 1 1
1 1 1 0 0 0
= {ПК 2, СА 2}.
- L5 U L6 -
Последовательная обработка оставшихся элементов в схеме дает следующие результаты:
L16 = {К2,П2}; L17 = {ПКЗ,САЗ}; L18 = {КЗ,П3};
L20 = {ПК2, СА2, К2, П2}; L21 = {ПКЗ,САЗ, КЗ, П3}; L22 = L20 = (ПК2, СА2, К2, П2};
L23 = L21 = {ПКЗ,САЗ,КЗ,ПЗ}; L24 = L22 nL23.
2.3. Процедура поиска дефектов
Предпочтительными для поиска дефектов в ВС, представленной структурно-логической моделью, являются условные методы диагностирования: обратного прослеживания и половинного деления [ 1 ]. Они предполагают наличие ведомого зонда и контрольных точек наблюдения реакций в них. Это необходимо для поиска дефектов в сети в реальном масштабе времени, когда в качестве зонда выступает диагностическое оборудование в аппаратном (рефлектометры, тестеры, сетевые анализаторы ) или аппаратно-программном (анализаторы протокола) исполнении. В качестве контрольных точек выступают компоненты сети (ПК, сетевые адаптеры, кабельные сегменты, коммутирующие узлы в виде концентраторов, повторителей, мостов, маршрутизаторов), имеющие доступные разъемы или визуальные терминалы для снятия информации. Реакция в контрольной точке может быть в форме сигнатуры [7], физических цифровых сигналов, либо в виде структуры пакета, имеющего собственную CRC.
Стратегия обратного прослеживания эффекта про -явления неисправности по структуре сети ориентирована на последовательное выполнение проверок линий логической модели сети в целях восстановления ее работоспособности.
84
РИ, 2000, № 2
Метод половинного деления применяется при поиске дефектов в сети с шинной топологией, поскольку каждая точка контроля разбивает множество неисправностей на два примерно одинаковых подмножества. Результат проверки в очередной точке уменьшает подозреваемую область наличия дефекта в два раза. Для сегмента сети с топологией “звезда” метод половинного деления неэффективен вследствие невозможности выбора точки контроля, разбивающей множество неисправностей на два одинаковых подмножества.
Для ВС с шинной топологией проектирование модели сводится к получению структурно-логического графа, с исключением стадии получения булевых уравнений, которые ориентированы на решение задач генерации тестов и моделирования неисправностей.
Пример 2. Выполнить поиск дефектов методом половинного деления [1] для шинной топологии, граф которой показан на рис. 7.
Рис. 7. Граф шинной топологии: 1 — ПК1+ СА1; 2 — К1; 3 — ПК2+СА2; 4 - К2; 5 - ПК3+СА3; 6 - К3; 7 - ПК4+СА4
Данному графу ставится в соответствие результирующая матрица достижимостей:
M 1234567
1 1
2 1 1
3 1 1 1
4 1 1 1 1
5 1 1 1 1 1
6 1 1 1 1 1 1 .
7 1 1 1 1 1 11
Ai Bj 1234567 7654321
где Аі - количество единиц, содержащихся в і-й строке матрицы, Bj - число единиц, содержащихся в j-м столбце. Для выбора очередной точки контроля по матрице достижимости используется критерий минимакса:
f = Max |i [min(A;,Bj)].
При вычислении последнего получаются следующие оценки: min(Ai,Bj) = дают значение f = Max = 4 .
Pi 1234567
min 1234321
которые
Следовательно, критерию минимакса для начальной точки контроля удовлетворяет точка P4. После выполнения элементарной проверки на Р4 область подозреваемых дефектов определяется подмножествами, реализующими положительный и отрицательный исходы проверок:
М+(Р4) =(1, 2, 3); М-(Р4)=(5, 6, 7),
для которых подграфы задаются уже в виде соответствующих матриц
1 2 3 5 6 7
M- (P4) = 1 2 1 1 1 ; m+(P4) = 5 6 1 1 1
3 1 11 7 1 11
Продолжив выполнение половинного разбиения графа в каждой точке наблюдения, получим взвешенное дерево поиска дефектов (рис.8).
РИ, 2000, № 2
Рис. 8. Дерево поиска дефектов
Выводы
Предложены модели локальной вычислительной сети для целей решения задач диагностирования путем модификации существующих методов и алгоритмов тестирования цифровых систем.
Представлены процедуры построения трех типов моделей ВС, которые ориентированы на генерацию проверяющих тестов, моделирование неисправностей компонентов сети, контроль и поиск дефектов в целях минимизации временных затрат при выполнении процедуры диагностирования.
Программная реализация моделей и процедур на языке VHDL и последующее использование системы проектирования Active - HD L подтвердили эф -фективность моделей тестирования корпоративной сети, содержащей более 200 рабочих станций. При этом появилась возможность учитывать влияние физических и логических дефектов на возникновение коллизий и отказов в сети.
Литература: 1. Хаханов В.И. Техническая диагностика элементов и узлов персональных компьютеров: учебное пособие. К.: ИЗМН, 1997. 308 с. 2. Хаханов В.И., Ханько В.В., Абу Занунех И.М. Халиль. Модели неисправностей корпоративных сетей и формулировка задач их диагностирования// Радиоэлектроника и информатика, 1999. №4. С.49-55. 3. Юдицкий С., Подлазов В., Борисенко В. Искусство диагностики локальных сетей: LAN. Журнал сетевых решений. 1998, № 07. Открытые системы. C. 156-159. 4. Юдицкий С., Борисенко В., Овчинников С. Основы диагностики сети: LAN. Журнал сетевых решений. 1998, №12. Открытые системы. С.56-59. 5. Нессер Д. Дж. Оптимизация и поиск неисправностей в сетях. К.: Диалектика, 1996. 646с. 6. Active-VHDL Series. Book #1 - #4. Reference Guide. ALDEC Inc. 1998. 206 р. 7. Бондаренко М.Ф., Кривуля Г.Ф., Рябцев В.Г., Фрадков С.А., Хаханов В.И. Проектирование и диагностика компьютерных систем и сетей. К.: НМЦ ВО. 2000. 306 с.
Поступила в редколлегию 03.04.2000
Рецензент: д-р техн. наук, проф. Кривуля Г.Ф.
Хаханов Вёадимир Иванович, д-р техн. наук, профессор кафедры АПВТ ХТУРЭ. Научные интересы: техническая диагностика систем и сетей. Увлечения: баскетбол, футбол, горные лыжи. Адрес: Украина, 61166, Харьков, пр. Ленина, 14, тел. 40-93-26.
Ханько Вадим Викторович, аспирант кафедры АПВТ ХТУРЭ. Научные интересы: диагностика сетей. Увлечения: иностранные языки. Адрес: Украина, 61166, Харьков, пр. Ленина, 14, тел. 40-93-26.
Бабич Анна Витальевна, стажер-исследователь кафедры-АПВТ ХТУРЭ. Научные интересы: проектирование и диагностика сетей. Увлечения: иностранные языки. Адрес: Украина, 61166, Харьков, пр. Ленина, 14, тел. 40-93-26.
Абу Занунех Халиёь И.М, аспирант кафедры АПВТ ХТУРЭ. Научные интересы: диагностика устройств и сетей. Хобби: шахматы, футбол, теннис. Адрес: Украина, 61166, Харьков, пр. Ленина, 14, тел. 40-93-26.
85
