05.13.05 "Комп'ютерні системи та компоненти"

Постійне посилання колекціїhttps://repository.kpi.kharkov.ua/handle/KhPI-Press/19577

Переглянути

Результати пошуку

Зараз показуємо 1 - 7 з 7

Методи та засоби апаратної реалізації та вибору алгоритмів заміщення даних у кеш-пам'яті мікропроцесорів
(Національний технічний університет "Харківський політехнічний інститут", 2021) Пуйденко, Вадим Олексійович
Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук (доктора філософії) за спеціальністю 05.13.05 – Комп'ютерні системи та компоненти (12 – Інформаційні технології). – Національний аерокосмічний університет ім. М. Є. Жуковського "Харківський авіаційний інститут", Національний технічний університет "Харківський політехнічний інститут", Міністерство освіти і науки України, Харків, 2021. Дисертаційна робота присвячена розв'язанню важливої науково-технічної задачі, яка полягає в розробленні методів та засобів апаратних реалізацій та вибору алгоритмів заміщення даних у кеш-пам'яті процесорів. Метою роботи є підвищення швидкодії та надійності засобів апаратної реалізації алгоритмів заміщення процесорів шляхом розроблення і впровадження раціональних логічних структур для керування заміщенням даних з адаптацією і самоконтролем. Об'єктом дослідження є процеси створення і оцінювання апаратної реалізації та вибору алгоритмів заміщення даних у кеш-пам'яті процесорів. Предметом дослідження є моделі, методи і засоби апаратної реалізації та вибору алгоритмів заміщення даних у кеш-пам'яті процесорів. У першому розділі дисертаційної роботи проведений аналіз відомих алгоритмів заміщення та аналіз літературних джерел. Детальний аналіз показує, що дослідження алгоритмів заміщення проводяться переважно на таких двох показниках кешу, як затримка та частота влучань. Кожна стратегія заміни являє собою компроміс між частотою влучань і затримкою. Вимірювання частоти влучань зазвичай виконуються в тестових програмах. Фактичний коефіцієнт влучання сильно варіюється від одного додатка до іншого. До того ж, у роботах провідних авторів не приділена увага дослідженню таких важливих показників, як складність та надійність апаратних рішень алгоритмів заміщення. У першому розділі також проведений аналіз відомих комп’ютерних середовищ моделювання, що дало змогу обґрунтувати вибір комп'ютерного середовища моделювання засобів апаратної реалізації заміщення даних. Обґрунтування вибору комп'ютерного середовища моделювання здійснювалося з урахуванням наступних важливих критеріїв: - можливість моделювання цифрових логічних схем апаратних рішень алгоритмів заміщення з використанням сучасної електронної елементної бази; - можливість створення гнучких тестових програм керування синтезованими апаратними рішеннями алгоритмів заміщення з боку мікроконтролерів; - можливість створення програмно-керованих затримок при управлінні апаратними рішеннями алгоритмів заміщення з боку мікроконтролерів; - можливість створення програмних нештатних ситуацій при управлінні апаратними рішеннями засобів контролю апаратури алгоритмів заміщення з метою визначення їх працездатності. Також перший розділ містить формулювання загальної і часткових задач досліджень з подальшим обґрунтування методики, математичного апарату та етапів досліджень. У другому розділі розв’язано задачу підвищення швидкодії та зменшення складності реалізації алгоритмів заміщення PLRU та MFU кеш-пам’яті процесорів. Відомо, що для роботи алгоритму PLRU потрібно всього декілька бітів на множину елементів даних кешу. Це має надати певні переваги перед певними апаратними рішеннями таких алгоритмів заміщення, як LFU(LRU) та MFU. У дисертаційній роботі для асоціативного кеш-буфера сторінкового перетворення з напрямками q=4 та асоціативної кеш-пам'яті з напрямками q=8 вперше запропонована модель синхронного цифрового автомату політики заміщення даних за алгоритмом PLRU, яка описана відповідною складною перемикальною функцією. Синтез автоматної моделі дозволив отримати мінімальні логічні рівняння апаратного рішення алгоритму заміщення PLRU. Отримане апаратне рішення алгоритму заміщення PLRU дало змогу провести дослідження таких характеристик, як швидкодія, складність та надійність. У дисертаційній роботі вдосконалено апаратне рішення алгоритму заміщення PLRU за рахунок мінімізації логічної схеми PLRU шляхом міжтипового переходу у тригерних структурах. Мінімізація логічної схеми PLRU представлена двома варіантами: варіантом мінімізації на базі оновлення бітів стану за алгоритмом PLRU та варіантом на базі послідовності зміни q – індексу напрямку. Вдосконалення апаратного рішення алгоритму заміщення PLRU за обома варіантами дозволили покращити і відповідні характеристики: швидкодію, складність та надійність апаратури. У дисертаційній роботі синтезована автоматна модель алгоритму заміщення MFU. Синтез автоматної моделі алгоритму дозволив отримати мінімальні логічні рівняння апаратного рішення алгоритму, що дало змогу побудувати відповідне апаратне рішення, дослідити характеристики апаратури та порівняти з дослідженими характеристиками апаратури алгоритму PLRU. У третьому розділі приводиться розроблення та дослідження методу та апаратної реалізації адаптивного алгоритму заміщення. Попередньо був проведений аналіз сумісності алгоритмів заміщення з використанням матриць сумісності. Проведений аналіз дозволив висвітлити визначення сумісних алгоритмів заміщення. Включена до матриці множина алгоритмів дозволила виділити не тільки пари сумісних, але й їх тріади. У розділі також розв’язана задача апаратної реалізації заміщення даних для адаптивного алгоритму LFU–MFU, внаслідок чого вперше запропоновано метод і засоби реалізації адаптивних алгоритмів заміщення даних у кеш-пам'яті процесора, які на відміну від відомих базуються на побудові та аналізі матриць сумісності алгоритмів і надають змогу обирати алгоритм заміщення залежно від результатів динамічного прогнозу галужень програми, що забезпечує підвищення швидкодії процесору. У четвертому розділі удосконалено засоби контролю реалізації алгоритмів заміщення даних у кеш-пам'яті процесора за рахунок використання уніфікованої автоматної моделі, яка враховує кількість напрямків вибору даних при заміщенні, а також оцінок складності базових компонентів засобів контролю, що дозволяє оцінювати приріст достовірності функціонування на одиницю апаратних витрат. Удосконалено метод вибору алгоритмів і засобів реалізації для заміщення даних у кеш-пам’яті процесора шляхом включення до множини алгоритмів алгоритми з контролем і адаптацією, їх упорядкування за показниками складності, швидкодії і достовірності, що дозволяє покращити відповідні показники процесора. Систематизовано і проаналізовано результати впровадження наукових результатів. Ключові слова: асоціативна кеш-пам'ять, асоціативний кеш-буфер TLB, алгоритм заміщення даних PLRU, LRU, LFU, MFU, матриця сумісності, сумісні алгоритм заміщення даних, позитивно сумісні алгоритми заміщення даних, адаптивний алгоритм заміщення даних, синхронний цифровий автомат, швидкодія, складність, надійність, приріст достовірності, коефіцієнт ефективності функціонування, критерій вибору.
Апаратні і програмні засоби адаптивної нелінійної цифрової фільтрації на основі детекторів шуму
(Національний технічний університет "Харківський політехнічний інститут", 2021) Сальніков, Дмитро Валентинович
Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук (доктора філософії) за спеціальністю 05.13.05 – Комп'ютерні системи та компоненти (12 – Інформаційні технології). – Національний технічний університет «Харківський політехнічний інститут», Міністерство освіти і науки України, Харків, 2021. Дисертаційна робота присвячена вирішенню важливої науково-технічної задачі, яка полягає в розробці методів та засобів адаптивної нелінійної цифрової фільтрації зображень. Об'єкт дослідження – процеси та принципи цифрової фільтрації зображень. Предмет дослідження – цифрові фільтри, що поліпшують якість= зображень, уражених імпульсним шумом, апаратна та програмна реалізація адаптивних нелінійних цифрових фільтрів на основі детекторів шуму. У першому розділі "Системи комп'ютерного зору" проаналізовано загальну структуру сучасних систем комп’ютерного зору. Показано основні етапи обробки даних в системі. Визначено основні тенденції розвитку та існуючі потреби забезпечення якості та швидкості систем такого роду. Розглянуто сучасні світлочутливі датчики та основні види впливів на данні зображень в типовій системі, а також розповсюджені математичні моделі шумів, що погіршують якість вихідних показників систем управління та обробки даних. Проаналізовано наявні методи придушення шумів, зокрема лінійні та нелінійні просторові фільтри, адаптивні фільтри, фільтри з детекторами шуму. Проведено аналіз та класифікація популярних методів детектування шуму, зокрема алгоритму адаптивного нелінійного зваженого медіанного фільтру, та виявлено недоліки, що заважають реалізації фільтра на більшості апаратних платформ. У другому розділі "Оптимізація і моделювання роботи ASWM фільтра" розглянуто методи апаратної реалізації адаптивного нелінійного зваженого фільтру. Проведено аналіз алгоритму та виділені складові під-модулі фільтру. Реалізовані під-модулі фільтру із розрахунками з фіксованою точкою, зокрема: модуль поділу чисел з фіксованої точкою, модуль знаходження квадратного кореня, модуль знаходження медіани за допомогою сортуючої мережі, модуль знаходження зваженого середнього, модуль розрахунку вагів, модуль знаходження середньоквадратичного відхилення. Отримано кількісні характеристики апаратних витрат на реалізацію. Виконано дослідження програмної моделі фільтру на мові Python задля усунення одного з найбільших недоліків – циклу оцінки вагів недетермінованої довжини. Запропоновано поліпшений з точки зору співвідношення "продуктивність фільтру/апаратні витрати на реалізацію" алгоритм адаптивного нелінійного зваженого фільтра з урахуванням апаратних особливостей ПЛІС та вузьких місць фільтра що були виявлені раніше. Виконано оцінку апаратних ресурсів ПЛІС та продуктивності фільтра у різних конфігураціях, що впливають на необхідну кількість логічних вентилів ПЛІС та якість роботи системи. Наведено розрахунок кількості фреймів на секунду при обробці монохромного зображення FullHD для тактових частот системи 50, 100 та 200 МГц. У третьому розділі "Модифікований медіанний фільтр з пост фільтраційним прийняттям рішення" проведено дослідження статистичних характеристик детектору шуму ASWM фільтра. За допомогою програмної моделі ASWM фільтра виконано аналіз роботи фільтру на предмет значень порогів і зашумлених пікселів, а також дослідження залежності медіанного значення, значень вхідного пікселя та шуму одне від одного. Таким чином, були промодельовані ситуації вірного детектування пікселя як шуму, а також помилкового детектування, в разі якого, згідно з алгоритмом ASWM фільтрації виконується зайва операція знаходження медіани і як наслідок розмиття/згладжування деталей вихідного зображення. Отримано розподіл абсолютного відхилення шуму від медіанного значення вікна фільтра для різної щільності зашумлюючого впливу. Запропоновано алгоритм адаптивного нелінійного фільтра цифрових зображень з пост-фільтраційним прийняттям рішення про зашумлення, який дозволяє зменшити ефекти пов’язані з втратою частини даних внаслідок фільтрації пікселів, що не були піддані впливу шуму та має структуру придатну до паралельної реалізації на більшості сучасних архітектур процесорів з векторним розширенням та ПЛІС. У четвертому розділі «Моделювання фільтра з пост-фільтраційним прийняттям рішення» розглянуто переваги і недоліки використання мов проектування цифрових схем VHDL та Verilog у порівнянні з сучасними мовами проектування високого рівня. Сформульовано перелік переваг програмного пакету MyHDL, який використовувався у даній роботі та дозволив суттєво знизити складність тестування запропонованої архітектури системи. За допомогою пакету MyHDL реалізовано програмний продукт мовою Python, що дозволяє згенерувати VHDL чи Verilog опис фільтру з пост- фільтраційним прийняттям рішення для подальшого синтезу на ПЛІС. Виконано верифікацію та синтез фільтру на ПЛІС Intel MAX 10, Cyclone V, Cyclone IV E, Cyclone IV GX та Cyclone 10. Отримано часові діаграми роботи кожного з блоків ASWM фільтра та фільтра з пост-фільтраційним прийняттям рішення. Представлено синтезовані логічні схеми блоків та фільтрів загалом, що доводять повністю конвеєрну реалізацію фільтру, не високу довжину фільтруючої системи фільтра з пост-фільтраційним прийняттям рішення в тактах, а також суттєво нижчі апаратні витрати на реалізацію фільтра з пост-фільтраційним прийняттям рішення у порівнянні із ASWM фільтром. Проведено аналіз продуктивності у порівнянні з ASWM фільтра, що вважаться одним з лідерів з точки зору якості роботи. Представлено метод реалізації запропонованого фільтру на процесорній архітектурі з векторним розширенням ARM NEON. Зокрема розглянуто метод реалізації загрузки та збереження даних в пам’ять та реалізацію сортуючої мережі за допомогою векторних інструкцій. Проведено дослідження шумопригнічуючих можливостей запропонованого фільтра за допомогою метрик PSRN та SSIM для щільності імпульсного шуму від 5 до 90%, що доводять високу якість роботи запропонованого алгоритму. Отримані результати дають змогу побудови ефективної з точки зору співвідношення продуктивність фільтру/апаратні витрати на реалізацію системи видалення імпульсного шуму з зображення, що може працювати в реальному часі, на сучасних процесорних архітектурах з векторними інструкціями та ПЛІС. У якості напрямів подальшого розвитку потрібно зазначити дослідження методів розпаралелювання запропонованого алгоритму адаптивної нелінійної фільтрації шляхом побудови декількох обчислювальних конвеєрів, а також пошук методів розрахунку порогового значення абсолютного відхилення яркості пікселя від медіанного значення вікна, що можуть бути ефективно реалізовані на сучасних апаратних платформах.
Моделi, методи тa теxнологiя бaгaтокaнaльного доcтупу тa зaxиcту iнформaцiї в руxомиx комп'ютерниx cиcтемaх
(Національний технічний університет "Харківський політехнічний інститут", 2020) Трубчанінова, Карина Артурівна
Диcертaцiя нa здобуття нaукового cтупеня докторa теxнiчниx нaук зa cпецiaльнicтю 05.13.05 – комп'ютернi cиcтеми тa компоненти (123 – комп’ютернa iнженерiя). – Нaцiонaльний теxнiчний унiверcитет "Xaркiвcький полiтеxнiчний iнcтитут", Мiнicтерcтво оcвiти i нaуки Укрaїни, Xaркiв, 2020. Диcертaцiйнa роботa приcвяченa вирiшенню aктуaльної нaуковотеxнiчної проблеми – зaбезпечення бaгaтокaнaльного доcтупу тa зaxиcту iнформaцiї в руxомиx комп’ютерниx cиcтемax (КC) нa оcновi розробки теxнологiї тa вiдповiдного мaтемaтичного aпaрaтa - мaтемaтичниx моделей i методiв. Проведено aнaлiз cтaну проблеми, покaзaно, що з одночacним пiдвищенням вимог до швидкоcтi передaчi iнформaцiї, збiльшенням щiльноcтi розтaшувaння мобiльниx приcтроїв КC у проcторi тa обcягiв iнформaцiї, що передaєтьcя, icнує фiзичнa обмеженicть рaдiочacтотного cпектру, якa не дозволяє зaбезпечити якicть обмiну iнформaцiєю в безпровiднiй мережi, оcобливо в умовax cклaдної електромaгнiтної обcтaновки, яку cтворено щiльно розтaшовaними мобiльними безпровiдними приcтроями КC. Нa оcновi aнaлiзу cформульовaно зaгaльнi вимоги до вирiшення проблеми зaбезпечення бaгaтокaнaльного доcтупу (БД) тa зaxиcту iнформaцiї (ЗI) в руxомиx комп’ютерниx cиcтемax (КC). Визнaченi тенденцiї розвитку тa icнуючi потреби. Зроблено виcновок, що cучacною тенденцiєю є зниження рiвня зaвaдової електромaгнiтної обcтaновки руxомиx мобiльниx приcтроїв тa компенcaцiя cпотворень цифрового iнформaцiйного cигнaлу, що викликaнi мiжcимвольною iнтерференцiєю тa бaгaтопроменевим розповcюдженням рaдiоxвиль. Тaкож cформульовaно вимоги до теxнiчниx i теxнологiчниx рiшень щодо зaбезпечення бaгaтокaнaльного доcтупу тa зaxиcту iнформaцiї в руxомиx комп’ютерниx cиcтемax, їx зaвaдоcтiйкоcтi по вiдношенню до зовнiшнix зaвaд i iнтерференцiї, a тaкож протидiї бaгaтопроменевому розповcюдженню рaдiоcигнaлiв. Покaзaно, що критерiєм, зaвaдоcтiйкоcтi є вiдношення cередньої потужноcтi iнформaцiйного cигнaлу до потужноcтi шуму нa вxодi приймaчa. Для виконaння циx вимог нaйбiльш доцiльним є зacтоcувaння теxнологiї нaдширокоcмуговиx (НШC) cигнaлiв. Розроблено комплекc методiв зaбезпечення БД тa ЗI руxомиx КC, який бaзуєтьcя нa викориcтaннi нaдширокоcмуговиx iнформaцiйниx cигнaлiв, що дaє можливicть здiйcнювaти бaгaтокaнaльний безпровiдний доcтуп в широкiй cмузi чacтот, коли рiвень iнформaцiйного cигнaлу дорiвнює чи нижче рiвня шуму. Розроблено комплекc моделей aрxiтектур фiзичниx приcтроїв, який врaxовує оcобливоcтi cтворення, розповcюдження у проcторi тa прийому нaдширокоcмуговиx iнформaцiйниx cигнaлiв, що дозволяє виконaти вимоги щодо збiльшення обcягу тa зaxиcту передaчi iнформaцiї при БД в руxомиx КC. Розроблено теxнологiю зaбезпечення БД тa ЗI руxомиx КC, якa врaxовує iмовiрнicть поxибки iнформaцiйного cигнaлу в зaлежноcтi вiд рiвня шуму в кaнaлi доcтупу тa додaтково виникaючиx внутрiшньоcиcтемниx зaвaд пiд чac обробки cигнaлу, що дозволяє виконaти БД тa ЗI руxомиx КC. Удоcконaлений метод кодувaння iнформaцiї iз зacтоcувaнням чacової позицiйно-iмпульcної модуляцiї, який бaзуєтьcя нa зcувi у чaci кодуючого iмпульcу щодо його оcновного положення у поcлiдовноcтi iмпульciв тa вiдрiзняєтьcя вiд вiдомиx тим, що величинa чacового зcуву cклaдaє чверть тривaлоcтi моноiмпульcного cигнaлу, який дозволяє cформувaти нaдширокоcмуговий cигнaл у виглядi моноциклу Гaуca. Удоcконaлений метод формувaння незaлежниx зaвaдоcтiйкиx кaнaлiв доcтупу iз зacтоcувaнням ортогонaльного кодувaння, який бaзуєтьcя нa додaтковому зcувi у чaci кодуючого iмпульcу вiдноcно опорної поcлiдовноcтi iмпульciв тa вiдрiзняєтьcя тим, що величинa чacового зcуву вiдноcно опорної поcлiдовноcтi cклaдaє 2-3 порядки тривaлоcтi моноiмпульcу, який дозволяє ущiльнити кaнaли доcтупу без порушення якоcтi їx роботи. Отримaв подaльший розвиток метод кореляцiйного прийому нaдширокоcмуговиx cигнaлiв шляxом цифрової обробки прийнятого cигнaлу тa вiдрiзняєтьcя тим, що здiйcнюють подвiйну cпектрaльну обробку зa чac появи кожного бiту iнформaцiї тa обчиcлюють модуль комплекcної aвтокореляцiйної функцiї, що дозволяє збiльшити cпiввiдношення cигнaл/зaвaдa нa вxодi приймaчa. Отримaв подaльший розвиток метод розпiзнaвaння i вилучення iнформaцiйного cигнaлу iз cумiшi гaуcового бiлого шуму тa кориcного cигнaлу шляxом кореляцiї прийнятого i опорного cигнaлу тa вiдрiзняєтьcя тим, що для прийняття рiшення про доcтовiрнicть прийнятого cигнaлу обчиcлюють вiдношення функцiї прaвдоподiбноcтi тa порiвнюють його знaчення з деяким порогом, що дозволяє пiдвищити доcтовiрнicть прийому. Розробленi нa оcновi зaпропоновaниx моделей тa методiв iнженернi методи тa aлгоритми дaють змогу: – здiйcнювaти бaгaтокaнaльний доcтуп в широкiй cмузi чacтот, коли рiвень iнформaцiйного cигнaлу дорiвнює чи нижче рiвня шуму, що зaбезпечує зaxиcт тa приxовaнicть iнформaцiї в безпровiдниx мережax руxомиx КC – зaбезпечити виcоку швидкicть передaчi дaниx (вiд деcяткiв до cотень Мбiт/c); – пiдвищити зaxиcт вiд зовнiшнього електромaгнiтного випромiнювaння тa пacивниx зaвaд; – зaxиcтити вiд бaгaтопроменевого розповcюдження рaдiоxвиль. Зa темою доcлiджень отримaно 4 пaтенти Укрaїни нa винaxiд, якi пiдтверджують новизну i прaктичну знaчимicть результaтiв диcертaцiї.
Моделі та методи синтезу інформаційних структур для комп’ютерних систем на інтегрованих програмних платформах
(Національний технічний університет "Харківський політехнічний інститут", 2020) Кучук, Ніна Георгіївна
Дисертація на здобуття наукового ступеня доктора технічних наук за спеціальністю 05.13.05 – комп'ютерні системи та компоненти (123 – комп’ютерна інженерія). – Національний технічний університет "Харківський політехнічний інститут", Міністерство освіти і науки України, Харків, 2020. Дисертаційна робота присвячена вирішенню актуальної науково-прикладної проблеми підвищення оперативності процесу передачі інформації в комп'ютерних системах (КС) на інтегрованих програмних платформах (ІПП) на основі розробки математичного апарату синтезу інформаційних структур. Проведено аналіз стану проблеми, показано, що одночасно із збільшенням обсягів інформації, яка передається в КС, та підвищенням вимог до оперативності передачі інформації все більше застосовуються інтегровані програмні платформи, внаслідок чого якісно і кількісно змінюються структура і характер інформаційних потоків, що суттєво впливає на інформаційні структури комп’ютерних систем та призводить до зниження показників оперативності. Проведено аналіз існуючих вимог до сучасних програмних платформ комп'ютерних систем та переваг та недоліків централізованих, розподілених та комбінованих програмних платформ. На основі аналізу сформульовані загальні вимоги до необхідного складу програмних продуктів платформи та підтримуючих їх апаратних засобів базової мережі комп'ютерної системи;проведений аналіз показав доцільність використання інтегрованих програмних платформ для відомчих комп’ютерних систем; доведена необхідність збільшення оперативності обробки транзакцій у базових мережах комп’ютерних систем, котрі використовують інтегровані програмні платформи, що можна зробити за рахунок використання специфічних властивостей таких платформ, синтезуючи інформаційну структуру комп'ютерної системи. Розроблено комплекс взаємопов’язаних моделей інформаційної структури комп’ютерної системи та технічної структури базової мережі, який враховує особливості інтегрованої програмної платформи і базується на стратифікованому представленні основних складових моделей, що дозволяє враховувати інформаційні взаємозв’язки між складовими комп'ютерної системи та підвищити ступінь адекватності моделей. Розроблено комплекс методів оперативного перерозподілу інформаційних потоків в базовій мережі комп'ютерної системи на інтегрованій програмній платформі, який враховує динаміку розвитку комп'ютерної системи і характерні особливості базової мережі, та базується на оперативній реконфігурації системи віртуальних каналів зв'язку, що дозволяє зменшити середню затримку пакетів. Розроблено комплекс методів синхронізації інформаційної структури комп'ютерної системи з обчислювальними ресурсами вузлів базової мережі, який враховує як інформаційні зв'язки між завданнями комп'ютерної системи, так і використання композитних застосунків, та базується на адаптивному підході до знаходження раціонального розподілу завдань між вузлами мережі, що дозволяє оперативно провести синхронізацію, орієнтовану на зменшення витрат обчислювального ресурсу та підвищення оперативності передачі інформації. Удосконалено метод статичного розподілу інформаційних потоків за маршрутами у базовій мережі комп'ютерної системи на інтегрованій програмній платформі, який відрізняється від відомих використанням процедури ітеративного балансування навантаження вузлів мережі, що дозволяє зменшити витрати обчислювального ресурсу. Удосконалено метод формування інформаційної структури підвищеної надійності у комп'ютерній системі на інтегрованій програмній платформі, який відрізняється від відомих одночасним розподілом інформаційних потоків по всіх основних і альтернативних маршрутах базової мережі, що дає змогу у разі виникнення відмови будь-якого вузла мережі продовжити обробку транзакцій комп'ютерної системи без суттєвого зменшення показників якості обслуговування (QoS) та без зміни інформаційної структури. Дістав подальшого розвитку метод оптимізації інформаційної структури комп'ютерної системи на інтегрованій програмній платформі за рахунок використання на етапі розподілу навантаження інформаційних вузлів математичного апарату генетичних алгоритмів, що дозволяє зменшити часові витрати на синтез інформаційної структури та сформувати збалансоване навантаження на вузли базової мережі. Дістав подальшого розвитку метод вибору оптимального плану виконання транзакцій комп'ютерної системи на інтегрованій програмній платформі за рахунок введення динамічної функції штрафу за перевищення часових показників, орієнтованої на специфіку інтегрованої програмної платформи, та шкалування часового періоду, що дозволяє зменшити часові витрати при проведенні оперативних змін плану виконання транзакцій. Дістав подальшого розвитку комплекс методів обробки запитів до сховища даних комп'ютерної системи на інтегрованій програмній платформі за рахунок створення єдиного дискового пулу та врахування особливостей доступу до хмарних компонент сховища даних, що дозволяє включати до сховища розподілені гетерогенні компоненти та зменшити час виконання застосунків, які виконують запити транзакцій комп’ютерної системи на обмін інформацією із сховищем даних. Розроблені на основі запропоованих моделей та методів інженерні методи та алгоритми дають змогу: – виконати моделювання інформаційної структури комп'ютерної системи на інтегрованій програмній платформі та її базової комп'ютерної мережі; – оптимізувати інформаційну структуру комп'ютерної системи на інтегрованій програмній платформі та розподіл інформаційних потоків за маршрутами у базовій мережі; – підвищити показники оперативності завдань комп'ютерної системи на інтегрованій програмній платформі до 10%; – зменшити витрати обчислювального ресурсу базової мережі комп'ютерної системи на інтегрованій програмній платформі до 5%; – зменшити витрати на експлуатацію комп’ютерної системи на інтегрованій програмній платформі на до 10%; – розширити корисну ємність сховища даних за рахунок включення гетерогенних складових та хмарних компонент. Проведена порівняльна оцінки розроблених та існуючих моделей та методів синтезу інформаційних структур комп'ютерних систем на інтегрованих програмних платформах, за результатами якої доведено ефективність запропонованих методів. Зокрема, проведена оцінка ефективності підсистеми забезпечення дистанційного навчання комп'ютерної системи технічного вишу. Також наведені результати комплексного застосування запропонованих методів при формуванні проекту комп'ютерної системи управління виробничими структурами аеропорту, де за рахунок підвищення оперативності передачі інформації були досягнуті вимоги замовника щодо граничного рівня значення ймовірності виконання часових меж для оперативних транзакцій КС при зростанні завантаження базової мережі.
Моделі та структури даних на основі асоціативної пам’яті для комп'ютерних систем проектування структур технологічних процесів
(Національний технічний університет "Харківський політехнічний інститут", 2019) Бречко, Вероніка Олександрівна
Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.13.05 – комп’ютерні системи та компоненти. – Національний технічний університет "Харківський політехнічний інститут", Харків, 2019. Дисертаційна робота присвячена вирішенню науково-практичної задачі, яка полягає в розробленні та дослідженні моделей та структур даних на основі асоціативної пам’яті для комп’ютерних систем проектування структур технологічних процесів. Метою дисертаційної роботи є розроблення структури даних на основі асоціативної пам’яті для комп’ютерних систем проектування структур технологічних процесів. Об’єкт дослідження – процеси обробки інформації з використанням асоціативної пам’яті. Предмет дослідження – моделі структур даних на основі асоціативної пам’яті для комп’ютерних систем проектування структур технологічних процесів. У вступі обґрунтовано актуальність теми дисертаційної роботи; сформульовано мету та задачі дослідження; наведено зв’язок дисертації з науковими темами та програмами; визначено об’єкт та предмет дослідження; висвітлені положення, які визначають практичне значення отриманих результатів та їх наукову новизну; висвітлено особистий внесок здобувача в одержаних результатах, їх апробацію та публікації. У першому розділі проведено аналіз переваг та недоліків сучасних методів зберігання та обробки інформації при проектуванні структур технологічних процесів, який показав, що існуючі методи на основі стандартного зберігання не забезпечують необхідної швидкодії для реалізації інтелектуальних інтерфейсів. При створенні одиничних технологічних процесів з використанням баз даних, час економиться на те, що текст переходів в тій чи іншій мірі вже присутній в базі даних, але вибір стратегії обробки, обладнання та інструменту, залишається в руках технологів. Всі необхідні дані повинні зберігатися в базі і бути доступними при необхідності отримання інформації. Створити таку базу даних дозволяють структури даних на основі асоціативної пам’яті, які можуть зберігати великий обсяг інформації та дають можливість коригувати її в процесі експлуатації. Тому виникає необхідність розробки такої асоціативної пам’яті, що дозволить зберігати та обробляти велику кількість формалізованої інформації, яка на даний час зберігається у вигляді базових структур (списки, черги, дерева та ін.). Що, в свою чергу, дозволить будувати ТП для складних, високоточних виробів, з можливістю коригування даних в процесі побудови ТП та асоціювати з однією деталлю декілька технологічних процесів. В роботі пропонується для вирішення цієї задачі виконати розроблення та дослідження нейронних мереж асоціативної пам’яті, моделей та структур даних для комп’ютерної системи проектування технологічних процесів. Другий розділ присвячено розробці нових нейронних мереж на основі двонаправленої асоціативної пам’яті. Запропоновано нейронну мережу N-направленої асоціативної пам'яті, що складається з N шарів нейронів та дозволяє зберігати множинні асоціації. Запропоновано нейронні мережі асоціативної пам’яті, що здатні відновлювати по вхідній інформації безліч асоціативних вхідних зображень, по множині вхідних даних один вихідний елемент та по комбінації вхідних елементів множину вихідних. Тобто розроблена асоціативна пам’ять 1→ N , N →1 та 1 2 N → N . Запропоновано багатошарову асоціативну пам'ять з керуючими нейронами, що дозволяє будувати ланцюги асоціативних даних з можливістю коригування в процесі функціонування мережі. Розроблені нейронні мережі на основі асоціативної пам’яті, які можуть бути використані при проектуванні складних нейронних мереж деревовидної структури, що можуть використовуватися при побудові системи зберігання та обробки даних в інформаційних системах. У третьому розділі розглядається розроблення нових видів асоціативної пам’яті, які дозволяють зберігати інформацію на основі базових структур та комбінувати їх для ефективної обробки інформації. При побудові складної системи зберігання інформації в якості елементів пам'яті використовуються не окремі осередки, а їх об'єднання, що зберігають такі структури як списки, масиви, черги і т.п. Кожна з них являє собою структурований елемент, завдяки якому забезпечується пошук і обробка даних, що зберігаються в ньому. Багаторівневе комбінування цих елементів, кожен з яких можна представити як деяку множину елементів асоціативної пам'яті, є перспективним для реалізації інтелектуальних інтерфейсів, логічного висновку, обробки зображень, розпізнавання образів. У четвертому розділі розглядаються моделі структур даних на основі нейронних мереж асоціативної пам’яті для проектування структур технологічних процесів. Запропоновано структури даних на основі асоціативної пам’яті для зберігання інформації, що необхідна для проектування структури технологічного процесу. Запропоновано ієрархічну нейронну мережу на основі асоціативної пам’яті для вибору обладнання для однієї операції технологічного процесу. Результати роботи впроваджені: – в державному підприємстві "Південний державний проектно- конструкторський та науково-дослідний інститут авіаційної промисловості" (м. Харків) при виготовленні високоточних виробів; – в навчальному процесі НТУ "ХПІ" на кафедрі обчислювальної техніки та програмування при викладанні учбових дисциплін: "Основи нейрокомп’ютингу", "Системи штучного інтелекту", а також в курсових, дипломних та наукових роботах студентів спеціальності 123 "Комп’ютерна інженерія".
Методи та засоби ідентифікації стану комп'ютерних систем критичного застосування для захисту інформації
(Національний технічний університет "Харківський політехнічний інститут", 2019) Гавриленко, Світлана Юріївна
Дисертація на здобуття наукового ступеня доктора технічних наук за спеціальністю 05.13.05 – Комп'ютерні системи та компоненти (123 – Комп'ютерна інженерія). – Національний технічний університет "Харківський політехнічний інститут", Міністерство освіти і науки України, Харків, 2019. Дисертацію присвячено підвищенню оперативності та достовірності ідентифікації стану комп'ютерних систем критичного застосування шляхом розробки та удосконалення методів та засобів розпізнавання аномалій та зловживань. Проведено аналіз науково-технічної проблеми ідентифікації стану КСКЗ для захисту даних. Виконано аналіз основних загроз і факторів, що впливають на стан захисту інформації в комп'ютерних системах критичного застосування. Розглянуто вимоги щодо оперативності та достовірності ідентифікації стану КСКЗ, безпеки даних в умовах зовнішніх впливів, функціональні критерії захисту інформації. Визначено, що система ідентифікації стану КСКЗ є одним з багаторівневих інструментів захисту інформації і включає два класи методів: методи ідентифікації аномалій і методи ідентифікації зловживань. Отримано, що основними недоліками методів ідентифікації аномалій і зловживань є нехтування факторами нечітких даних і низька адаптація до динамічних змін структур вихідних даних та зовнішніх впливів, що в свою чергу призводить до зниження достовірності і оперативності ідентифікації КСКЗ. Зроблено висновок про перспективність напрямку розробки та дослідження комплексних методів ідентифікації стану КСКЗ. Розроблено схему ідентифікації стану КСКЗ, яка включає підсистему ідентифікації аномалій та зловживань. Основою функціонування підсистеми ідентифікації зловживань є комплексне використання інтелектуальних методів класифікації, що включає нейронну мережу АРТ-1, вдосконалені моделі нечіткого виведення та ймовірнісного автомату. В основі функціонування підсистеми ідентифікації аномалій лежить комплексне використання статистичних методів класифікації та систем прийняття рішень на основі дискримінантного, кластерного класифікаторів та класифікатора Байєса, які адаптовані до оцінки показників функціонування КСКЗ з ознаками нечіткості. Для двухальтернативної класифікації в роботі виконано модернізацію методу дискримінантного аналізу за умови нечітких вихідних даних, яка базується на отримані аналогів теоретико-ймовірнісних характеристик нечітких величин, а саме математичного сподівання, дисперсії та коефіцієнтів кореляції, які в подальшому використані для стандартної схеми розрахунку шляхом вирішення системи лінійних рівнянь і класифікації стану об'єкта. Для багатоальтернативного діагностування в роботі виконано модернізацію методу кластерного аналізу за умови, коли координати точок (результати вимірювання показників, які контролюються), а також центри групування кластерів задані нечітко своїми функціями приналежності. Запропоновано процедуру порівняння нечітких відстаней між об'єктами кластеризації і центрами групування, що базується на порівнянні нечіткої функції різниці відстаней з нулем. Розроблено правила трактування результату порівняння нечіткого числа з нулем. Знайдено критерій оцінки інформативності показників функціонування КСКЗ в умовах нечітких вихідних даних, значення якого належить кінцевому інтервалу, не залежить від типу функції приналежності показників і від правила входження функцій в формулу для розрахунку. Отримано міру інформативності для нечітких показників, які контролюються та задані гаусовою та експоненціальною функціями приналежності. Розроблено критерій інформативності нечітких параметрів, який базується на оцінці площі ділянок, які виникають при перетині функцій приналежності станів. Для ідентифікації стану КСКЗ з необмеженим числом контрольованих показників розроблено експертну систему з непродукційним механізмом логічного висновку, яка базується на модифікованому класифікаторі Байєса. Розроблено експрес-метод ідентифікації стану КСКЗ на основі комплексного використання статистичних методів класифікації, що включає BDS-тестування, оцінку показників Херста та контрольних карт Шухарта, CUSUM та EWMA. Синтезовано новий показник нормального функціонування КСКЗ, який базується на значенні джитера системи та розроблено шаблон нормальної поведінки КСКЗ на основі BDS-тестування та показника Херста. Побудовано шаблони нормального стану КСКЗ на основі контрольних карт Шухарта, CUSUM, EWMA. Розроблено метод класифікації стану КСКЗ на основі нейронної мережі АРТ-1, що включає комплексне використання блоків АРТ-1. Для імітації вторгнень в КСКЗ розроблено програмну модель, що дозволило проаналізувати прототипи шкідливого програмного забезпечення, виділити найбільш інформативні ознаки та використати їх в якості масок для отримання двійкових сигнатур шкідливого програмного забезпечення. На прикладі отриманих двійкових векторів виконано навчання системи та знайдено коефіцієнти подібності. Отримано, що використання розробленого методу дозволило підвищити оперативність ідентифікації стану КСКЗ. Розроблено метод ідентифікації стану КСКЗ на основі системи нечіткого виведення, який відрізняється від відомих використанням процедури мінімізації кількості правил, що зв'язують вхідні і вихідні нечіткі змінні, що дозволило підвищити оперативність ідентифікації стану КСКЗ. Розроблено метод ідентифікації стану КСКЗ на основі ймовірнісного автомата. Основними складовими методу є модель генерації структури автомата і процедура його модифікації. Відмінною особливістю методу є адаптація процедури генерації структури автомата до ситуацій виявлення однотипних сценаріїв шляхом перебудови структури автомата при виявленні збігів і перерахунку ймовірності переходів зі стану в стан. Удосконалений метод дозволяє прискорити процес виявлення аномальної поведінки КСКЗ, а також виявляти зловживання комп'ютерної системи, сигнатури сценаріїв яких лише частково збігаються з екземплярами, які були використані при генерації структури автомата. На основі ROC-аналізу виконано порівняльне дослідження та оцінка достовірності та оперативності розроблених методів та засобів ідентифікації аномалій та зловживань в КСКЗ. Розроблено практичні рекомендації щодо застосування методів та засобів ідентифікації аномалій та зловживань КСКЗ, вироблено відповідні рекомендації щодо управління рівнем чутливості та специфічності класифікатора з метою регулювання рівня хибно-позитивної та хибно-негативної ідентифікації.
Моделі та метод виявлення аномалій функціонування комп'ютерних систем на основі технології машинного навчання
(Національний технічний університет "Харківський політехнічний інститут", 2019) Мартовицький, Віталій Олександрович
Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.13.05 «Комп’ютерні системи та компоненти». – Харківський національний університет радіоелектроніки, Міністерство освіти і науки України, Харків, 2019. У дисертаційній роботі вирішена актуальна наукова задача покращення показників виявлення аномалій функціонування РКС в умовах кібернетичних впливів зовнішнього та внутрішнього середовища шляхом побудови моделей і методів на основі технологій інтелектуального аналізу даних. Об'єктом дослідження є процес моніторингу стану інформаційного та комунікаційного середовища розподілених комп’ютерних систем, предметом дослідження є методи і алгоритми моніторингу в розподілених комп’ютерних системах із застосуванням технологій інтелектуального аналізу даних. Методи дослідження основані на використанні теорії множин – для розробки моделі функціонування розподілених комп’ютерних систем на основі клієнт-серверної архітектури, моделі мультиагентної підсистеми збору та зберігання даних, моделі моніторингу аномалій функціонування розподілених комп’ютерних систем; загальна теорія систем – для дослідження та розробки протоколу взаємодії агентів моніторингу в розподілених комп’ютерних системах. Практична значимість отриманих теоретичних результатів дисертаційної роботи підтверджено ефективністю запропонованої моделі тільки для виявлення аномального поведінки мережного трафіку на основі множини параметрів мережних з'єднань , що реалізується шляхом аналізу вхідного трафіку за допомогою ансамблю класифікаторів. Зокрема, практичне вирішення теоретичних досліджень полягає у наступному. Запропонована методика моніторингу, яка визначає умови і порядок оцінки стану РКС за допомогою розробленої мультиагентної системи моніторингу. Запропоновано архітектура системи моніторингу з використанням автономних програмних агентів. Архітектура передбачає динамічне формування ієрархічної структури, вузлом якої може виступати будь-яка сутність, що визначається джерелом даних або сенсором. Таким чином, стосовно моніторингу РКС можуть існувати метрики грід, кластерів, обчислювальних вузлів і завдань та інші. Для взаємодії між усіма агентами пропонується використовувати групу інтелектуальних агентів запиту метою яких є координація агентів збору інформації, реструктуризація отриманої інформації і реалізація протоколів і механізмів передачі повідомлень між усіма агентами моделі. Агенти моніторингу можна розділити на такі групи: – агент комутатора і мережевий агент, які забезпечують збір даних з перших двох рівнів моделі OSI. – агент сеансу, який забезпечує збір інформації про ім'я користувача, ім'я термінальної лінії, астрономічний час початку сеансу та інше. – агент додатка, який відповідає за збір даних від різних додатків специфічних для тієї чи іншої інформаційно-обчислювальної системи. – агенти запиту мета яких є обробка запитів на вибірку даних від користувачів системи збору, координація інших агентів для збору необхідної інформації, а також реструктуризація отриманої інформації для зберігання статистичний даних про систему в цілому. Застосування таких агентів і програмна реалізація стандартизованих інтерфейсів взаємодії між ними дозволяють використовувати спільно на різних рівнях програмне забезпечення незалежних розробників. Наприклад, сенсорами можуть виступати файли даних. Але, всі сенсори формують єдину структуру метрик, однаково доступну різним компонентам системи моніторингу. Таким чином, побудована за даною архітектурою система моніторингу може працювати паралельно з уже розгорнутими засобами моніторингу, заміщаючи їх на деяких рівнях, що дозволяє змінювати і розширювати набір доступних функцій цих систем. Результати дисертаційної роботи впроваджено у державному підприємстві «Центральне конструкторське бюро «ПРОТОН»», м. Харків (акт від 30.05.18) та Харківському національному університеті радіоелектроніки, кафедра електронних обчислювальних машин, м. Харків в процесі проведення лекційних занять і лабораторних робіт з курсу «Технології виявлення загроз в комп’ютерних мережах». Матеріали дисертації достатньо повно викладені у 13 роботах: з них 6 статей у виданнях, які зазначені в переліку фахових видань України з технічних наук [ 1-6 ] (всі праці входять до науково-метричних баз, 2 – до бази Scopus ) та 7 тез доповідей міжнародних конференцій [7-13] (1 – до бази Scopus ).