Légi irányítás Esettanulmány

Készítette: Szilágyi Jenő E-mail: [email protected]

Forrás:

Alapprobléma

   Az FAA a 90-es években le akarta cserélni a nemzeti légi irányítási rendszert.

Ennek során minden akkori informatikai problémával szembesültek (több millió soros program, elosztva több száz gépen, beágyazva a legmodernebb hardverekbe) A biztonság nagyon fontos (emberélet) Air Traffic Control 2

Légi irányítás (Air Traffic Control)

   Hard real time (valósidejű eredmények) A biztonság kritikus szempont (emberélet) Elosztott (sok irányító együttműködése)  A rendszert végül nem vezették be, de implementálták és bebizonyosodott, hogy megfelel a minőségi követelményeknek Air Traffic Control 3

Irányítás

   Földi irányítás (ground control): repülőtéren való földi mozgás koordinálása Tornyok (tower): repülőtér légterében való irányítás, henger alakú térrész Útközi irányító központok (en route center): az ország légterét 22 területre osztották Air Traffic Control 4

Példa (Key West → Washington DC)

     Földi irányítás: Key West ground contorl Torony: Key West tower Útközi irányítás: Miami Center, Jacksonville Center, Atlanta Center, Washington Center Torony: Dulles tower Földi irányítás: Dulles ground control Air Traffic Control 5

Project

    Initial Sector Suite System (ISSS): a 22 útközi irányítóközpontra kiterjedő új hardver- és szoftverrendszer.

Az ISSS megszerezte mindhárom terület (útközi irányítóközpontok, irányítótornyok, földi irányítás) fejlesztésének jogát, így sok komponenst megoszthattak (pl.: rádió rendszer interfésze, repülő adatbázis interfész, …) Advanced Automation System (AAS): a rendszer újításainak összessége Végül visszavonták a megbízást, és egy olcsóbb terv vette át a helyét, de tanulságai miatt érdemes elemezni Air Traffic Control 6

Architecture Business Cycle (ABC)

Tervezőt befolyásoló tényezők

Megrendelő

FAA

Végfelhasználó

légiirányítók

Követelmények

(minőség)

Fejlesztők Tervező Architektúra Technikai környezet

Ada prg. Nyelv Elosztott programozás

Rendszer

ISSS

Fejlesztői tapasztalatok

Hibatűrés Üzenetalapú rendszer Air Traffic Control 7

Követelmények és minőség

  Szinte állandó rendelkezésre állás: egy év alatt a rendszer összesen max. 5 percig lehet elérhetetlen.

Magas teljesítmény: sok repülőgépet kell kezelnie (2440), anélkül, hogy bármelyiket elveszítené. A hálózat kommunikációs csatornáinak gyorsnak és kiszámíthatónak kell lenniük.

Air Traffic Control 8

Követelmények és minőség

    Nyitottság: képes befogadni a külső szoftverkomponenseket A részfeladatok különálló kezelhetősége (dekompozíció) A hardver és szoftver könnyű lecserélhetősége, módosíthatósága Külső rendszerekhez való kapcsolódás lehetősége Air Traffic Control 9

Követelmények és minőség

  Minden szektorból 1-4 irányító központ érhető el Minden központban legalább két ember van (radar figyelő, adat figyelő) Air Traffic Control 10

Rendszer kapacitásai

    210 konzol / útközi irányító központ 400-2440 repülőgép párhuzamos kezelése 16-40 radar kezelése 1 millió soros Ada kód Air Traffic Control 11

ISSS feladatai

     Radar célpont jelentés megszerzése a Host Computer System-től (HCS: a repülési adatok feldolgozásáért felelős) Szétszórja a jelentéseket a konzolok között és a konzolok kiválasztják, mely jelentést kell megjeleníteniük Konfliktus helyzetek figyelése Interfész a Host felé Adatok folyamatos figyelése (network management) Air Traffic Control 12

ISSS feladatai

   Adatok mentésének támogatása (később visszajátszás) Ablakozó rendszer a konzolon (figyelni az eltakart adatokra) Csökkentett mód futtatása meghibásodás esetén Air Traffic Control 13

Architektúra

14

Fizikai nézet

    Host Computer System (HCS):    Pozíció információk (konzolon jelenik meg) Repülési adatok (nyomtatószalagra, néhány a konzolra is) Biztonsági okokból kettő van belőle Közös konzol: pozíció, kapcsolódó adatok, repülési terv, … Local Communications Network (LCN): az ISSS elsődleges hálózata (4db bridzsekkel összekötött „token ring”-ből áll) LCN interface units (LIU-H): a HCS-t és az LCN-t összekötő interfész Air Traffic Control 15

Fizikai nézet

   Kiemelt Közvetlen Elérésű Radar Csatorna (Enhanced Direct Access Radar Chanel): ha elvesznek a Host-tól származó adatok, közvetlen nyers adatokat szerez a radartól Backup Communications Network (BCN): TCP/IP protokollt használó Ethernet hálózat Monitor & Control konzol: a hálózatokhoz rendelt ellenőrző konzol, mely speciális szoftvereket tartalmaz Air Traffic Control 16

Fizikai nézet

  Tesztelő és szimulációs alrendszerek: új hardverek tesztelésére, új szoftverek szimulációjára (betanítás) Központi processzorok: adatok mentésére és visszajátszására Air Traffic Control 17

ISSS fizikai nézete

<>

Bridge Bridge HCS A LIU-H Bridge

<>

Common Consoles Central Processor HCS B LIU-H Bridge Test and Training Subsystem

<> <>

EDARC ESI LIU-C

<>

M&C Consoles M&C Consoles

Air Traffic Control 18

Modul dekompozíciós nézet

  Computer Software Configuration Items (CSCI): az ISSS szoftver moduljainak összessége CSCI elemei: 1.

2.

Display Management: konzolokon való megjelenítés Common System Services (CSS): hasznos közös szolgáltatások az ATC szoftverekben 3.

4.

5.

Mentést, Elemzést, Visszajátszást támogató modul National Airspace System Modification: a Host-ban helyezkedik el IBM AIX operációs rendszer Air Traffic Control 19

Modul dekompozíciós nézet

Az egyes modulok sugallnak bizonyos optimalizálási taktikákat:  „Szemantikus koherencia” (jól definiált, nem túlterhelt elemek szétosztása a CSCI-nek)    „Absztrakt közös szolgáltatások”: CSS-nél „Record/Playback”: tesztelhetőséget segíti „előre látható változások”, „modulok generalizálása”, „interfész stabilitásának fenntartása”: minden CSCI-nél alkalmazandó Air Traffic Control 20

Folyamat nézet

    Alkalmazás ~ folyamat Kommunikáció az alkalmazások között: üzenetküldés A biztonság érdekében egy alkalmazás több másolatát ún. processor-group-okban többszörösen tároljuk (operational unit = primari address space (PAS) + standby address space (SAS)).

Ezzel nem rendelkező alkalmazások alkotják a funcional group-okat Air Traffic Control 21

Folyamat nézet

    Kliens-szerver modell: kliens (kérés) → szerver (válasz) Operational unit: a PAS-nak értesítenie kell a SAS-okat az állapotváltozásról Functional group: csak a saját állapotát tartja karban PAS meghibásodása esetén: 1.

2.

Az egyik SAS előlép PAS-sá Az új PAS helyreállítja a kapcsolatot a klienssel (rákérdez, történt-e kérés a meghibásodáskor) 3.

4.

A PAS helyére új SAS töltődik Az új SAS feltöltése friss információkkal Air Traffic Control 22



Folyamat nézet

Új operational unit létrehozása: 1.

2.

3.

4.

5.

Input-források azonosítása Mely operational unit-ok igényelnek output-ot Az erőforrás igénylési gráfban való elhelyezés és körmentesség ellenőrzése (dead lock elkerülése) Üzenetek megtervezése az adatforgalomhoz Állapot adatok azonosítása (PAS → SAS) 6.

7.

8.

9.

10.

11.

Állapot adatok felosztása → háózatra Üzenettípus definiálása Teendők megtervezése hiba esetére Adatok konzisztenciájának fenntartása Elemi lépések gyors végrehajtásának biztosítása Adatmegosztás és –lock-olás megtervezése Air Traffic Control 23

Folyamat nézet

 Sugallt optimalizálási taktikák:     „állapot újraszinkronizálás” „shadowing” „aktív redundancia” „removal from service” Air Traffic Control 24

Kliens-szerver nézet

 Módosíthatósági taktikák: 1.

2.

3.

„interfész stabilitásának fenntartása” „component replacement” „definiált protokollokhoz való ragaszkodás” Air Traffic Control 25

Kód nézet

    Programozási nyelv: Ada Dekompozíció: package, moduláris programozás (több fájlba való csoportosítás) Konkurencia kezelés: task Absztrakció, adatelrejtés, újrahasznosítás: package Air Traffic Control 26

Szoftver-réteg nézet

5.

Osztott memória

4.

3.

ASS alkalmazás

•Címtér modulok •Alkalmazás szubrutinok •Csomagok

Osztott memória

2.

CAS AIX Kernel-kiterjesztés

•AAS szolgáltatások •Automatic Broadcast Manager •Device Driver-ek •TCP/IP 1.

AIX Kernel

Air Traffic Control 27

Szoftver-réteg nézet

 Az alsó rétegek (2.):     Kis méretű (biztonsági szempontok miatt), C-ben íródott szoftverek (a Kernel-lel való kompatibilitás miatt).

A Kernel címterében futnak, az esetleges hibákat a Kernel-en belül kell kezelni.

Air Traffic Control 28

Szoftver-réteg nézet

 Felsőbb rétegek (3.):     Az operációs rendszer kiterjesztései.

Ada-ban íródott, nagyobb méretű programok.

A hibákat a Kernel-en kívül kell lekezelni.

Air Traffic Control 29

Szoftver-réteg nézet

 Legfelső réteg (4.):    Applikációs szint: itt helyezkednek el az alkalmazások Local Availability Manager: irányítja az alkalmazások inicializációját, leállítását, rendelkezésre állását. Kapcsolattartás más processzorok menedzsereivel, valamint a globális menedzserrel.

Internal Time Syncronisation: az ISSS processzorainak óráit szinkronizálja Air Traffic Control 30

Hibakezelés nézet

  Ez a nézet azt mutatja, hogy a hibák hogyan detektálhatók, izolálhatók, és a rendszer miként állítható helyre.

A detektálás és helyreállítás fokozatai a hibakezlési hierarchiában:  Hiba detektálása a keletkezés helyén, vagy alsóbb szinten   Alsóbb szinten keletkezett kivétel kezelése Diagnózis, helyreállítás, jelentés, vagy kivétel dobás Air Traffic Control 31

Hibakezelés nézet

 A hiba kezelésének szintjei:  Fizikai (hálózat, processzor, I/O)        Operációs rendszer Valósidejű környezet Alkalmazások Local Availability Management szintje Group Availability Management szintje Global Availability Management szintje System monitor and control Air Traffic Control 32

Hibakezelés nézet

  Hibadetektálás: a hierarchia minden szintjén Helyreállítás: a szoftverhierarchia minden szintjén.

 Availability Manager-ek: táblázat alapján   PAS: működési státusz alapján 4 helyreállítási típus A helyreállításban segítséget nyújt a redundancia:  Hálózati hardver szinten (LCN, BCN, bridge)   Processzor hardver szinten (processor group) Szoftver szinten (operational unit többszörös tárolása) Air Traffic Control 33

A nézetek egymáshoz való viszonya

  A különböző nézetekben megjelennek más nézetek elemei. Ezek teremtenek összefüggést közöttük. Feltérképezve a kapcsolatokat, lesz teljes rálátásunk az architektúrára.

Példák összefonódásokra:  Modul dekompozíciós nézet elemei: CSCI    A CSCI alkalmazásokból épül fel Az alkalmazások elemei a folyamat és a kliens-szerver nézetnek Az alkalmazásokat Ada-ban implementálták (programok, package-k), ami a kód nézetben jelenik meg Air Traffic Control 34

Adaptációs adatok

     Konfigurációs fájl Ezen keresztül paraméterezhető a program Helyi sajátosságok, változások gyors, egyszerű kezelésére Generikus programozás (paraméterezhetőség, template) Hátrányok:   Új parancs felvétele → interpreter Inkonzisztencia kezelése nem automatizálható  Állapottér növekedése → nehezebb tesztelhetőség Air Traffic Control 35

Absztrakt közös szolgáltatások

    Template-ek alkalmazása (Ada) Példa (PAS, SAS):    Ugyanazzal a template task-kal megvalósítva, ami egy végtelen ciklust tartalmaz, melyben a lehetséges eseményeket kezeli le a lehetséges állapotok függvényében A korábban leírt funkciókat látja el A programozónak nem kell tudnia:  az üzenetkezelésről  hogy az alkalmazás hibatűrő-e Ezek felsőbb tervezési szinteken kerülnek elő Támogatja a módosíthatóságot „megelőzni az előre látható változásokat” taktika Air Traffic Control 36

Absztrakt közös szolgáltatások

   „szemantikus koherencia”: absztrakt szinten mindegyik alkalmazás ugyanazt csinálja „modulok generalizálása” Ha az interfészeket és protokollokat a template részévé tesszük akkor megvalósulnak a következő taktikák is:   „interfész stabilitás” „ragaszkodjunk a definiált protokollokhoz” Air Traffic Control 37

Hogyan feleljünk meg az ATC rendszer minőségi követelményeinek?

Cél Magas rendelkezésre állás Magas teljesítmény Nyitottság Módosíthatóság Megvalósítás Hardver- és szoftver redundancia Elosztott multiprocesszorok Interfészek, rétegek Template Taktika Állapot reszinkronizáció, aktív redundancia, … Introduce concurrency Absztrakt közös szolgáltatások Absztrakt közös szolgáltatások 38 Air Traffic Control

Itt a vége, fuss el véle!

39