ПРОГРАММНАЯ МОДЕЛЬ СЕТИ РАСПРЕДЕЛЕННОЙ ОБРАБОТКИ ДАННЫХ ДЛЯ ПРОМЫШЛЕННЫХ ПРЕДПРИЯТИЙ

В последнее время широкое распространение получили телекоммуникационные сети передачи данных, основанные на ячеистой топологии (mesh-сети). В сетях ячеистой топологии устройства объединяются многочисленными (часто избыточными) связями, вводимыми по стратегическим соображениям. Возможность организации на основе этой топологии локальных и городских сетей, интегрируемых в глобальные сети, является значительным фактором, определяющим перспективность этого решения при разворачивании новых и оптимизации существующих сетей [1].

В первую очередь понятие mesh-сети определяет принципы построения сети, отличительной особенностью которой является самоорганизующаяся архитектура, реализующая следующие возможности [2]:

·     создание зон сплошного информационного покрытия большой площади;

·     оперативная масштабируемость сети в режиме самоорганизации;

·     использование беспроводных каналов для связи точек доступа в режиме «каждый с каждым»;

·     устойчивость сети к потере отдельных узлов.

Существующие на рынке решения объединяют специализированный вычислительный процессор и сетевой интерфейс внутри каждого узла – участника сети [3]. Такой подход позволяет после первоначальной настройки сети оперативно подключать новые устройства, которые автоматически распознаются другими узлами сети и включаются в информационный обмен, поэтому необходимость в организации централизованного управления сетью исчезает. Топология ячеистых сетей предусматривает либо прямую связь между образующими их узлами, либо транзитную передачу данных между источником и получателем. После подключения к mesh-сети узлы определяют характеристики коммуникационных каналов (мощность принимаемого сигнала, пропускную способность, задержку и частоту ошибок), обмениваются этими данными, и на их основе каждый узел формируют таблицы оптимальных маршрутов передачи данных другим узлам сети.

Преимущество mesh-сетей состоит в том, что, чем больше узлов в сети, тем выше суммарная пропускная способность сети. Это справедливо при условии, что число скачков коммутации на пути следования пакета (hops), в среднем для всех маршрутов связи, сохраняется небольшим. Большое число скачков коммутации на пути следования пакета способно полностью уничтожить все преимущества распределённой сетевой инфраструктуры со значительным числом приемопередатчиков.

Существующие решения по организации mesh-сетей скрывают от пользователя методы и алгоритмы, используемые для нахождения оптимальных маршрутов, обеспечивая при этом «прозрачный» доступ к ресурсам самой сети, либо ресурсам глобальных сетей через включенные в состав mesh-сети специализированные шлюзовые узлы. При сегодняшнем уровне развития вычислительной техники целесообразно использовать вместо узкоспециализированных устройств передачи данных универсальные вычислительные модули (микро- и миникомпьютеры, телефоны, планшеты). Несмотря на незначительное увеличение стоимости оборудования, появляется возможность использования существующих вычислительных средств различной производительности для обеспечения не только надежной передачи данных, но и утилизации неиспользуемых вычислительных мощностей.

Для исследования эффективности внедрения mesh-сетей на базе универсальных вычислительных устройства в ряде областей повышенной ответственности автором разработана программная модель, реализующая функции mesh-сети. Предлагаемая модель способна не только обеспечивать эффективную маршрутизацию сообщений в сети, но и выполнять частичную обработку передаваемых данных на промежуточных узлах сети. Подход с частичной обработкой на узлах сети позволяет не только снизить общую нагрузку за счет уменьшения объемов, передаваемых данных, но и увеличить скорость обработки без необходимости в построении высокопроизводительных систем на централизованных узлах сбора и анализа информации.

Применение данного подхода в рамках промышленных комплексов позволяет организовать обработку телеметрических данных, получаемых сетями распределенных датчиков, и частичное управление непосредственно на узлах сети, позволив тем самым разгрузить сеть передачи данных, а в случае возникновения аварийных ситуаций, характеризующихся потерей связи со станцией управления обеспечить силами автономных вычислительных узлов безопасное функционирование или остановку оборудования. Здесь в качестве узлов сети должны использоваться контроллеры, которые не только собирают данные, но и выполняют их предварительную обработку. Это позволяет передавать лишь полезную информацию и существенно снизить трафик в сети.

При организации mesh-сети распределённой обработки особенное значение приобретает задача построения маршрутов в сети, обеспечивающих как быструю и надежную передачу данных, так и возможность обработки получаемых данных на промежуточных узлах сети. При этом, важным фактором является также минимизация длины маршрута передачи данных.

Для выбора оптимального маршрута в сети необходимо задать числовую метрику, характеризующую оптимальность передачи данных по выбранному маршруту. В разработанной программной модели высокую эффективность показала метрика, определяемая по формулам:

                                                              (1)

где: V – маршрут передачи данных; – адрес узла в сети; L – число узлов в маршруте.

                                     (2)

где: M – числовая метрика маршрута, α,β, – весовые коэффициенты, рассмотрены далее; N – общее число узлов в видимой узлом сети; – оценка производительности узла ; R – оценка объема ресурсов, требуемых для обеспечения обработки передаваемого пакета данных; – скорость приема данных узлом , – нормирующий коэфициент.

В предложенной метрике присутствуют коэффициенты α,β,, определяющие значимость характеристик маршрута для передачи данных. Значения данных коэффициентов подбираются эмпирически в зависимости от свойств передаваемых данных и оборудования, формирующего структуру сети, предполагается соблюдение условия α+β+. Высокие значения параметра α позволяют минимизировать число скачков (hops) в сети, уменьшая задержки на передачу данных между промежуточными узлами. Увеличение параметра β позволяет обеспечить глубокую степень обработки получаемых данных на промежуточных узлах сети. Коэффициент γ определяет возможность передачи пакетов по узлам с наибольшей скоростью приема данных.

На основе предложенной метрики автором был разработана программная модель для исследования способов организации mesh-сети промышленного уровня.

Модель реализована с применением кросс-платформенных библиотек разработки, что позволило с равной эффективностью запустить её на широком спектре вычислительного оборудования, включая как персональные компьютеры на базе Windows, так и микрокомпьютеры, управляемые операционными системами семейства Linux.

Разработанная модель показала высокую эффективность применения универсальных вычислительных узлов для построения распределенной вычислительной mesh-сети для задачи сбора и обработки данных, получаемых от датчиков телеметрии промышленного оборудования. Внедрение процедуры частичной обработки данных на промежуточных вычислительных узлах позволило существенно снизить нагрузку на сеть передачи данных за счет частичной обработки данных на промежуточных узлах сети, а также разгрузить вычислительные мощности центра сбора и обработки информации автоматизированных систем управления технологических процессом.

Также отмечено, что использование mesh-сети в реализованной модели позволяет обеспечить высокую отказоустойчивость сети при выходе из строя части узлов передающей сети без необходимости в проведении ремонтных работ, что выгодно отличает предложенный подход от существующих сетей кабельной и беспроводной передачи данных на предприятиях.

Поскольку предложенный подход к организации mesh-сетей позволяет организовать надежное и защищенное покрытие в определенной локальной зоне, эта технология становится эффективным решением для обеспечения мобильных высокоскоростных коммуникаций в кризисных ситуациях. Важным аспектом, обусловливающим высокий потенциал этой технологии, является возможность быстро и недорого предоставлять мобильным пользователям широкополосные услуги. Стоимость развертывания mesh-сети может быть значительно меньше стоимости традиционных проводных сетей, поскольку для этого не требуется наличия дорогостоящей инфраструктуры и прокладки кабелей.

Список литературы:

1. Портнов Э.Л. Принципы построения первичных сетей и оптические кабельные линии связи. – М.: Горячая линия – телеком, 2009.
2. Попков Г.В. Mesh–сети: перспективы развития, возможные применения // Проблемы информатики. 2012. № 3. C. 74–79.
3. Прохоров П.В., Еремин В.С. Обзор технологии Wi-Fi mesh и требования к защищенным самоорганизующимся сетям на основе Wi-Fi // Успехи современной радиоэлектроники. 2010. № 12. С. 37–44.