Моделирование процессов взаимодействия протокольных объектов в средствах информационного обмена

Актуальность работы. Современный этап развития средств информационного обмена (СИО) характеризуется резким повышением объемов передаваемой информации. Непрерывное совершенствование средств обмена информацией требует оценки их качества, что осуществляется при тестировании на этапе НИОКР. Целью тестирования средств информационного обмена является определение соответствия техническим условиям (стандартам). В соответствии с системным подходом тестированию подлежат все компоненты системы, в том числе программные модули.

В основе настоящего исследования лежат результаты работ ряда ученых, внесших значительный вклад в разработку теории протоколов информационного обмена (К. A. Petri, С. A. R. Hoare, J. Neyman, G.V.Bochmann, В. А. Мизин, В. Г. Лазарев, В. Е. Котов), межуровневого взаимодействия в протоколах средств информационного обмена (сервисов) (Н. А. Анисимов, С. В. Белковский, В1. Н. Турченко, О. Б. Макаревич, А. Д. Иванников, С. С. Зайцев, М. И. Кравцунов, С.В.Роганов), в развитии теории профилирования и тестирования средств информационного обмена (В. К Щербо, В. А. Сухомлин, В. В. Липаев, В. С. Зарубин, Ю. С. Злотников, Т. М. Парамохина, А. Я. Олейников, В. ГГ. Кулагин, Э. А. Якубайтис, И. С. Константинов, В. Т. Еременко).

Полученные ими результаты в формальном описании и анализе протоколов информационного обмена (ПИО) применимы к простым средствам информационного обмена. В более сложных системах, базирующихся на построении и анализе множества достижимых состояний, практическая потребность предполагает дальнейшее развитие методов анализа и синтеза.

В указанных работах имеются достаточные научные предпосылки для решения задачи моделирования процессов тестирования средств информационного обмена. В то же время, существующие подходы к решению проблемы адаптации средств информационного обмена к изменению параметров внешней среды носят, как правило, локальный по областям применений и разрозненный по методам характер. Вопросы тестирования программных модулей и компонентов средств информационного обмена рассмотрены исследователями в большом числе работ. Однако тестирование взаимодействия компонентов затронуто относительно слабо. Тестирование взаимодействия модулей — более сложная задача, чем тестирование самих модулей. Необходимо отметить, что все логические ошибки в средствах информационного обмена полностью выявить и устранить не удается. Поэтому должны быть устранены те ошибки, которые принципиально влияют на их работоспособность.

Между тем, обращают на себя внимание следующие аспекты:

1) Средства информационного обмена используются в корпоративных сетях предприятий, где наблюдается большая сложность взаимодействия их элементов. При этом значительное число отказов сетей передачи данных (СПД) (35−40%) связано с отсутствием должного внимания к вопросам тестирования взаимодействия модулей.

2) При производстве больших цифровых вычислительных машинв состав операционных систем входит семействопротоколов, которые обеспечивают управление ресурсами. Даже одиночные сбои* в. их функционировании могут привести к «катастрофическим» последствиям (тупиковым состояниям, зависаниям, блокировкам, переполнению буферов оперативной памяти, полному отказу). На этапе научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ (НИОКР) не всегда удается устранить логические ошибки взаимодействия процессов и их несанкционированные прерывания. Для этого предусматривается использование всего арсенала испытаний — периодических, типовых, приемо-сдаточных, направленных на устранение логических ошибок взаимодействия протокольных объектов.

3) Тестирование средств информационного обмена широко используется при создании макетных и опытно-промышленных образцов на этапах НИОКР (например, ФГУП НТЦ «Атлас» ФСБ России, ФГУ НИИ «Энергия», ЗАО «Гудвин-Европа» и др.) для предотвращения несанкционированных прерываний взаимодействия протокольных объектов в протоколах безопасности.

4) В современных рыночных условиях жесткая конкуренция вынуждает рассматривать возможности злонамеренных воздействий на функционирование защищенных процессов информационного обмена (ИО). Защита от вредоносного воздействия злоумышленников в процессе эксплуатации требует тестирования правильности передачи информации и управления между взаимодействующими модулями для предотвращения несанкционированного доступа к процессам информационного обмена и обнаружения фактов атак на протоколы и алгоритмы.

Указанные обстоятельства обусловливают актуальность исследования моделирования процессов взаимодействия протокольных объектов в средствах информационного обмена.

Объект исследования — протоколы информационного обмена.

Предмет исследования — модели и алгоритмы взаимодействия протокольных объектов.

Цель диссертационной работы — повышение качества процессов взаимодействия протокольных объектов.

Основные задачи диссертационной работы:

1. Анализ процессов взаимодействия протокольных объектов при информационном обмене.

2. Исследование и моделирование взаимодействия протокольных объектов и межуровневых сервисов.

3. Исследование процессов и построение моделей и алгоритмов исправления ошибок идентификаторов точек доступа и избыточных межуровневых переходов.

4. Исследование эффективности применения разработанных моделей и алгоритмов при реализации их в стеке протоколов TCP/IP.

Для решения указанных задач использовались методы теории вероятностей, системного анализа, имитационного моделирования, математической логики, теории графов, а также теории сетей Петри (СП).

Достоверность научных положений, результатов, выводов и рекомендаций, приведенных в диссертационной работе, достигнута за счет корректного применения методов системного анализа, теории вероятностей, математической статистикинепротиворечивости и воспроизводимости результатов, полученных теоретическим путемсочетания формальных и неформальных методов исследованияиспользования методов, адекватных природе изучаемых процессов и явленийверификации отдельных результатов в рамках известных теоретических конструкций, используемых в теории сложных технических и информационных систем.

Научная новизна и теоретическая значимость полученных результатов заключаются в том, что разработаны:

1. Математическая модель взаимодействия протокольных объектов в средствах информационного обмена, учитывающая их динамику. Модель базируется на аппарате сетей Петри, отличается использованием композиции объектов и позволяет обнаруживать ошибки идентификаторов точек доступа.

2. Математическая модель межуровневого взаимодействия протокольных объектов на основе сети Петри, отличающаяся использованием нормализации сетевых объектов и позволяющая устранить избыточные переходы.

3. Методика тестирования взаимодействия протокольных объектов, включающая разработанные модели и использующая для оценки качества формализованный критерий допустимой гарантированности результата.

Практическая значимость и реализация результатов заключаются в:

1. Применении математической модели взаимодействия протокольных объектов в СИО в виде методики тестирования.

2. Применении математической модели межуровневого взаимодействия протокольных объектов в виде алгоритмов и методики для оценки качества процессов их взаимодействия.

3. Программном средстве анализа достижимых состояний протокола TCP (Свидетельство об официальной регистрации программы для ЭВМ № 2 007 613 332 от 8.08.2007.), внедренном в:

— в ОКР «Оса-DECT», проводимой ФГУП НТЦ «Атлас» ФСБ России (г.Москва, акт от 30.11.2006 г.);

— в НИОКР «Центр», проводимой ФГУ НИИ «Энергия» (г. Ступино Московской обл., акт от 10.10.2006 г.);

— в НИОКР, проводимых ЗАО «Гудвин-Европа» (г. Москва, акт от 18.12.2006 г.).

Применение указанных материалов позволило оптимизировать состав протоколов, сервисов, услуг, функций и сократить сроки интеграции и комплексной отладки специализированных средств ИО (ФГУП НТЦ «Атлас» ФСБ России), провести анализ корректности и верификации перспективных протоколов и сократить на 14−18% сроки их комплексной отладки (ФГУ НПО «Энергия»), определить направление конструктивного решения по построению специализированного аппаратно-программного комплекса (ЗАО «Гудвин-Европа»).

Представленные научные положения позволили оптимизировать состав протоколов, сервисов услуг, функций, сократить сроки интеграции и комплексной отладки специализированных средств ИО.

Апробация, и публикации. Материалы исследований публиковались на П-й Международной научно-практической конференции «Информационные технологии в науке, образовании и производстве» (ИТНОП-2006, г. Орел, 2006 г.) — 1У-й и У-й Международных научно-практических интернет-конференциях «Энергои ресурсосбережение — XXI век» (г. Орел, 2006 и 2007 г.) — Ш-й Всероссийской научной интернет-конференции «Методы прикладной математики и компьютерной обработки данных в технике, экономике и экологии» (г. Орел, 2006 г.) — 1Х-й и Х-й Научно-практических конференциях аспирантов и преподавателей (г. Орел, 2005 и 2006 г.) — ГУ-й и У-й Всероссийских научных конференциях «Проблемы развития системы специальной связи и специального информационного обеспечения государственного управления России» (г. Орел, 2005 и 2007 г.), 32-й Всероссийской научно-практической конференции «Сети, системы связи и телекоммуникации» (г. Рязань, 2007 г.). По материалам диссертации опубликовано 12 статей и 3 доклада.

Положения, выносимые на защиту:

1. Математическая модель взаимодействия протокольных объектов в средствах информационного обмена.

2. Математическая модель межуровневого взаимодействия протокольных объектов.

3. Методика тестирования взаимодействия протокольных объектов при верификации ПИО.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, библиографического списка и приложений. Работа изложена на 184 листах машинописного текста, включающего 37 рисунков, 4 таблицы, библиографический список из 113 наименований.

Выводы.

1. Методика тестирования предусматривает два вида испытания: на соответствие стандартам, ТУ (ТЗ) и на взаимодействие. Испытание соответствия позволяет сделать заключение о выполнении требований, изложенных в стандартах и ТУ по статическому и динамическому соответствию. При испытании взаимодействия выявляются несовместимые факультативные возможности конфигурации.

2. Методика тестирования СИО основывается на выборочном методе и использует для характеристики условий распределение вероятностей безотказного выполнения всех операций за определенное количество прогонов. Выведено уравнение изменения вероятности обнаружения логических ошибок, характеризующее особенности их группирования. Предложены рекомендации по их корректировке. Для оценки стоимостных показателей в методе используется концепция многократного применения ПО.

3. В методику тестирования наряду с указанными в [36, 69] этапами введены этапы анализа и устранения ошибок идентификаторов точек доступа и избыточных переходов па основе математических моделей протокола и сервиса. В дополнение к стандартной методике испытаний и обработки результатов используется математический аппарат СП, поскольку он позволяет корректно описать СИО, а именно — процессы взаимодействия протокольных объектов и сервис транспортного уровня.

4. В методике исправления ошибок при верификации СИО применены разработанные математические модели. Исправление ошибок и доказательство корректности СИО относятся к процессу верификации. В соответствии с рекомендациями международных и российских стандартов основополагающим критерием пригодности изделия является гарантированность его реализации как вероятность безотказного выполнения всех предназначенных операций за определенное количество их повторов. Понятие гарантированности связывается с тем, что достигаются необходимые функциональность (целевая пригодность СИО) и устойчивость (степень надежности и достоверности передаваемых данных). Гарантированность СИО оценивается в результате тестирования. Одновременно в процессе испытаний устраняются логические ошибки СИО.

5. Оценка неопределенности данных испытаний использует интервальные оценки вероятности безотказного выполнения операций тестирования. Для оценки точности измерения используется дисперсия, а ее минимизация позволяет определить стратегию испытаний. Для оценки представительности выборки используется критерий Пирсона. Гарантированность оценок СИО определяется границами значений доверительной вероятности. Термин «доверительность» применительно к гарантированности СИО означает, что речь идет о мере близости к истинному значению величины гарантированности, оцененной по результатам некоторой серии испытаний с помощью определенных способов и приемов расчета. «Гарантированность» используется также для обозначения степени представительности, полноты, стратегии тестирования.

6. Доказана инвариантность модели TCP, представленной в форме СП. Инвариантность является необходимым условием корректности протокола. Верификация конкретных принятых наборов правил ИО и структуры кадра наиболее эффективно проводится с использованием математического аппарата СП при декомпозиции модели на функциональные подсети и последовательной их композиции. Предложенный метод позволяет существенно уменьшить объем вычислений инвариантов, что определяет его практическую ценность для анализа моделей протокола большой размерности.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

Для эффективного управления различным оборудованием, применяемым в СПД предприятий радиопромышленности, необходимы соответствующие СИО. Одной из актуальных проблем функционирования производства является создание комплексных средств, обеспечивающих технологические процессы в условиях единичного и серийного производства с одновременной разработкой управляющих программ при одноразовом вводе исходных данных. Зачастую в качестве СИО в СПД используются протоколы TCPUP, не обладающие стандартным набором конструктивных блоков, позволяющим строить надежные распределенные СПД. В любой реальной системе стандартный протокол имеет конкретную реализацию. Поэтому в работе решена задача моделирования сервиса транспортного уровня в стеке TCP/IP с учетом эталонной модели ВОС. Моделирование проведено методом сокетов в силу его широкой' распространенности и> возможности описания взаимодействия процессов.

В исследовании сформулирована научная задача оценки результатов тестирования СИО на базе критерия допустимого гарантированного результата. Решение задачи позволяет количественно нормировать требования к точности и достоверности испытаний в виде соответствующих рисков уровней доверия относительно ширины доверительного интервала и обеспечить воспроизводимость результатов контроля. В качестве формального аппарата, поддерживающего методы проектирования на уровне системы, выбран аппарат СП как наиболее соответствующий требованиям корректности описания протоколов и сервиса.

В работе с единых методологических позиций получены следующие результаты:

1. Разработана математическая модель взаимодействия протокольных объектов в средствах информационного обмена (ПИО транспортного уровня), учитывающая их динамику. Модель базируется на аппарате сетей Петри, отличается использованием композиции объектов и позволяет обнаруживать ошибки идентификаторов точек доступа. Модель может использоваться для решения конкретных задач спецификации протокольных объектов и анализа логической корректности (проверка СИО на наличие или отсутствие тупиковых состояний, переполнения буферов, невыполнимых команд, неспецифицированного приема, непроизводительных циклов и самосинхронизации).

2. Разработана модель межуровневого взаимодействия протокольных объектов (сервиса транспортного уровня) на основе сети Петри, отличающаяся использованием нормализации сетевых объектов и позволяющая. устранить избыточные переходы. Модель позволяет рассматривать поведение моделируемых объектов с учетом параллелизма сетевых процессов, формализует понятие сервиса и его архитектурные компоненты на основе метода сокетов и позволяет описать взаимодействие процессов, независимо от места их выполнения, и идентификацию приложений. При этом обеспечивается целостность описания процессов установления соединений между протокольными объектами, а также совместимость частных моделей, соответствующих подсистемам с различными уровнями сервисов обслуживания.

3. При спецификации сервиса СИО возможно появление точек доступа с одинаковыми идентификаторами, что усложняет процедуры их описания. Разработаны процедуры нормализации, позволяющие на основе преобразований определить избыточность переходов. Срабатывание избыточного перехода моделируется в нормализованной сети. При этом избыточный переход является линейной суммой других переходов и может быть проанализирован методами линейной алгебры. Сформулированы условия существования точек доступа с одинаковыми идентификаторами, избыточных переходов и правила преобразования таких объектов.

4. Разработана методика тестирования взаимодействия протокольных объектов, включающая разработанные модели и использующая для оценки качества формализованный критерий допустимой гарантированности результата. Методика отличается от стандартных ТУ возможностью спецификации одновременных событий и позволяет на основе композиции событий и объектов строить сложные конфигурации средств ИО. Включение разработанных математических моделей в методику позволяет улучшить спецификацию точек доступа и исключить избыточные межуровневые переходы.

5. Доказана инвариантность модели TCP, представленной в форме СП. Инвариантность является необходимым условием корректности протокола. Верификация конкретных принятых наборов правил ИО и структуры кадра наиболее эффективно проводится с использованием математического аппарата СП при декомпозиции модели на функциональные подсети и последовательной их композиции.

6. Предложенная методика тестирования реализована в программном средстве анализа достижимых состояний протокола TCP. Данное средство прошло апробацию на предприятиях радиоэлектронной промышленности, что зафиксировано соответствующими актами (прил. 3−5).