Модель процесса передачи неоднородного трафика в локальной сети связи с протоколом комбинированного доступа Текст научной статьи по специальности «Компьютерные и информационные науки»

УДК 681.324

Э.Б. Гезалов

МОДЕЛЬ ПРОЦЕССА ПЕРЕДАЧИ НЕОДНОРОДНОГО ТРАФИКА В ЛОКАЛЬНОЙ СЕТИ СВЯЗИ С ПРОТОКОЛОМ КОМБИНИРОВАННОГО ДОСТУПА

Рассматривается локальная сеть связи с протоколом комбинированного доступа, обеспечивающим эффективную передачу неоднородного трафика (речь, видео и данные). Абоненты рассматриваемой сети генерируют пакеты речи и видео случайной длины, а пакеты данных - постоянной длины. Предлагается модель процесса передачи неоднородного трафика в локальной сети связи с протоколом комбинированного доступа в дискретном времени и определяются его характеристики.

Локальная сеть, протокол, комбинированный доступ, буфер, неоднородный трафик, пакет, временное окно, интервал обслуживания

E.B. Gezalov A MODEL OF HETEROGENEOUS TRAFFIC TRANSMISSION PROCESS IN THE LOCAL COMMUNICATION NETWORK WITH COMBINED ACCESS PROTOCOL

The article considers describes the local communication network with combined access protocol providing efficient transmission of heterogeneous traffic (speech, video and data). The subscribers of the considered network generate random length speech and video packets, including the fixed length data packets. A model of heterogeneous traffic transmission process in the local communication network with combined access protocol in discrete time is proposed, and its characteristics are determined.

Local network, protocol, combined access, buffer, heterogeneous traffic, packet, time window, service interval

Введение

В настоящее время актуальным является создание глобального информационного общества (ГИО). Идея создания ГИО требует интеграции в едином информационном пространстве по всему миру программно-технических средств, средств телекоммуникаций, информационных ресурсов как единой Глобальной информационной инфраструктуры (ГИИ). ГИИ при этом должна поддерживать передачу различных видов трафика. Обновление всей инфраструктуры связи на базе идеи создания ГИИ приводит к созданию сетей NGN, которые поддерживают все виды трафика и построены на базе универсальной технологии, обеспечивающей оговоренное в рамках конкретной услуги качество обслуживания [1-4].

В последнее время получили широкое распространение так называемые гетерогенные сети, которые объединяют множество персональных компьютеров, имеющих различные интерфейсы и операционные системы, и по сути своей являются мультисервисными. Неоднородность технических и программных средств в локальной сети порождает в ней входящие потоки сообщений различной интенсивности.

Установление и использование кадра постоянной длины в локальной сети связи (ЛСС) является вопросом непростым, даже если абоненты сети используют единый протокол доступа. Это обусловлено следующими факторами: категорией пользователей, типом сообщений, характером технологического процесса, типом управляемых технологических объектов, функциями, реализуемыми сетью для управления технологическим процессом, неоднородностью технических и программных средств [5, 6].

В международных стандартах по локальным сетям не устанавливается граница длины информационного поля кадра, которая в отличие от других его составляющих может меняться [7].

Существующие локальные сети связи построены, как правило, с использованием эвристических методов на основе инженерного опыта разработчиков и далеки от оптимальных. Для разработки более совершенных локальных сетей с лучшими характеристиками возникают задачи, связанные с моделированием и проектированием неоднородных локальных сетей со случайной длиной кадра. Следует отметить, что в настоящее время существуют методы расчета и проектирования в основном однородных локальных сетей с постоянной длиной кадра.

Кроме того, эффективность протоколов доступа зависит от уровня трафика на локальную сеть. Так, при малом уровне трафика эффективны протоколы случайного доступа, при среднем и высоком уровнях трафика - протоколы соответственно маркерного и синхронного временного доступа. В связи с этим представляет интерес разработка протоколов комбинированного доступа, которые обладают адаптивными свойствами и эффективны в широком диапазоне изменения трафика на сеть.

Поэтому актуальной является разработка модели процесса передачи неоднородного трафика в локальной сетей связи со случайной длиной кадра и протоколом комбинированного доступа.

Проблеме передачи информации различных видов в единой локальной сети посвящены работы многих авторов. В них рассматриваются анализ характера неоднородного трафика, дисциплины и модели обслуживания сообщений постоянной длины в локальной сети, однородной по протоколу доступа, комбинированные протоколы доступа, вопросы технической реализации и т.д. При этом недостаточное внимание уделено моделированию неоднородных локальных сетей связи со случайной длиной кадра.

Объект исследования

Объектом исследования в работе является локальная сеть шинной структуры, коммуникационные станции (КС) которой для выхода в канал и обмена сообщениями используют протокол ком-

бинированного доступа [8]. Каждый абонент сети имеет возможность передавать и принимать неоднородный трафик (пакетированная речь, видео и данные).

В локальной сети связи с протоколом комбинированного доступа КС работают следующим образом. На каждой КС буфер разделен на три части: одна часть буфера для хранения речевых пакетов (буфер-1), вторая часть (буфер-2) для хранения пакетов видеоинформации и третья часть (буфер-3) для хранения пакетов данных. Каждая станция получает право доступа к общему каналу спустя одно временное окно для передачи пакета данных после получения маркера. Если в буфере-1 и буфере-2 станции, получившей управление на доступ, имеются соответственно речевой пакет и пакет видео, они передаются в множественно-вещательный канал, после чего станция передает маркер, в котором содержится информация о режиме работы станции по передачи пакета данных в следующем за маркером временным окном. Если в буфере-3 станции имеется пакет данных, то она оповещает об этом другие станции. После передачи маркера станция занимает одно временное окно для передачи пакетов данных.

Таким образом, остальные станции оповещаются о занятости временного окна. В этом случае каждая станция получает право доступа к общему каналу спустя одно временное окно для передачи пакета данных после получения маркера. Если же в буфере-3 станции нет пакетов данных, то после передачи маркера доступ к каналу получает станция, следующая в логическом кольце. Станция, получившая маркер, может выйти в канал спустя одно временное окно. Поскольку текущее временное окно свободно, станции, имеющие пакеты данных, пытаются захватить моноканал в соответствии с протоколом синхронно-случайного доступа, то есть передают пакеты данных с вероятностью qD<1. По окончании длительности текущего временного окна управление переходит к станции, удерживающей маркер, то есть к соседней в логическом расположении станции. При этом протоколе каждая станция, получив маркер, анализирует состояние канала связи в течение интервала безопасности. Интервал безопасности необходим для устранения конфликтных ситуаций, возникающих в сети из-за ошибок в канале связи или ошибок в станциях сети.

Таким образом, в цикле каждая станция, получив права доступа, может занять три временных окна в каждом цикле доступа для передачи речевого пакета, пакета видеоинформации и пакета данных. В течение остальных N-1 (Ы - количество КС) временных окон (чужих окон) станция имеет возможность передавать пакеты данных в режиме синхронно-случайного доступа при условии отсутствия пакета данных у станции, владеющей окном.

В дальнейшем будем полагать, что все КС рассматриваемой локальной сети состоят из трех подстанций, которые назовем подстанцией речи, подстанцией видеоинформации и подстанцией данных. Подстанции речи образуют подсеть речи, подстанции видеоинформации - подсеть видеоинформации, а подстанции данных - подсеть данных. Подстанции в пределах одноименной подсети однородны по своей активности.

Модель процесса

Рассматриваемая локальная сеть является неоднородной по интенсивности входящего потока сообщений и типу сообщений. Неоднородность по интенсивности входящего потока сообщений для такой сети описывает вектор неоднородности А , который определяется в данном случае двумя коэффициентами неоднородности [9-11]:

А = |АП,А,з ] (1)

А12 = Л2/Ль А13 = Л3/Л1, Л1 = N1^1, Л2 = N212^2, Л3 = N3X^3,

Я1 = ЧЯ1 То, Я2 = Чу I То, Я3 = Чв I То, где Л1,Л 2 ,Л3 - интенсивности входящих потоков сообщений соответственно на подсеть речи, под-

сеть видеоинформации и подсеть данных, [бит/с], Я1, Я2, Я3- интенсивности входящих потоков сообщений, поступающих соответственно в буферы-1, буферы-2 и буферы-3 станций сети [пак/с], к 1 , к 2 ~ математические ожидания длины информационных полей кадра соответственно для подстанции речи и подстанции видеоинформации, [бит], к3 - длина информационного поля кадра для подстанции данных, [бит], к 1 = к К, к 2 = ку , к = к в , дК, ду, дв - вероятности поступления сообщений на интервале То = С_1 работы сети соответственно в буферы-1, буферы-2 и буферы-3 станций сети, С - скорость модуляции в канале связи, Ы\, N 2, N 3 - количество подстанций в подсети речи, подсети видеоинформации и подсети данных, N1 = N 2 = N 3 = N.

Необходимо разработать модель процесса передачи неоднородного трафика в рассматриваемой сети.

В [9] разработана модель локальной сети с протоколом комбинированного доступа в дискретном времени и определены ее характеристики.

Протокол комбинированного доступа получил свое дальнейшее развитие в [9-11]. Так, в [10, 11] рассмотрена ЛСС с протоколом комбинированного доступа, обеспечивающего комбинированный доступ к каналу [9] и передачу для каждой станции в цикле доступа пакета речи, пакета видео и многопакетных данных. Модель рассматриваемой сети разработана в [10, 11] и определены ее характеристики в [12]. При этом в [9-12] рассматриваются локальные сети, абоненты которых генерируют пакеты речи, видео и данных постоянной длины.

Обратимся к модели из [9]. В [8] каждая КС локальной сети описана стохастической системой Md/Gd/1 получены выражения для Z-преобразования ряда распределения (Z-пр.р.р.) дискретного времени задержки кадра речи, кадра видео и кадра данных, дискретного интервала обслуживания кадра речи, кадра видео и кадра данных для КС неоднородной по интенсивности входящего потока сообщений и типу сообщений ЛСС. Выражения эти получены в предположении независимого поведения станций неоднородной локальной сети, когда для защиты от ошибок используется алгоритм РОС-ОЖ с передачей квитанции в синхронном режиме сразу после окончания приема кадра станцией-получателем. Интервал обслуживания сообщения для станций ЛСС при этом представлен случайной величиной, состоящей из случайных величин интервала доступа (интервал между двумя последовательными передачами рассматриваемой станции) и интервала передачи [13].

Выражения для Z-пр.р.р. интервала обслуживания речевого кадра, кадра видео и кадра данных для КС локальной сети в соответствии с [9] запишутся так:

gR (Z) = Q kR * g Rs (Z)(1 - PkR gRs (Z)) ’ QkR + PkR = 1

g, (Z) = Qkv g,,< (Z)fl -Pkv-gy, (Z»_1. Qkv + Pkv =1 (2)

gD (z) = QkD gDs (Z) (1 - PD 'gDs (Z))-1 ■ QkD + PkD =1

где g (Z) , g (Z) , g (Z)- Z-пр.р.р. интервала обслуживания соответственно речевого кадра, кадра

Rs Vs

видео и кадра данных для станций ЛСС для режима однократной передачи, QkR , Q , Q - вероятность безошибочной передачи соответственно речевого кадра со средней длиной П kR бит, кадра видео со средней длиной П к, бит, кадра данных длиной П kD бит, Q = (1 _ р)П kR ,

П V!

Q = (1 _ р) kV , q = (1 _ р) kD , р , р , р - вероятность обнаружения ошибки при пере-

^kV ' ^ kD v kR kV kD

даче соответственно речевого кадра со средней длиной П kR бит, кадра видео со средней длиной

П kV бит, кадра данных длиной nkD бит,р - вероятность ошибки в биномиальном дискретном канале. Выражения для g (Z) , g (Z) , g (Z) имеют следующий вид:

g Rs (Z = g Rnep (Z' g Rd (Z ’ gVs(Z) = g Vnep (Z) •gVd (Z) ’

/VI Ip СД g СД (Z) + P КД g D(Z) ’ 0 £ qD £ qD1,

gDs(Z) = \ (3)

[g D (Z) > 4D1 < 4D £ 4D2 ’

N-1 Yft, n (7) + (1- ) Z-n m )N • Z-Nn°d

g Rd (Z) = (6ro + (1- в ro) g Rnep (Z))N -1 • (0V g Vnep (Z) +(1- в,) Z-nm)N • g Vd (Z) = (0ro + (1- 0ro) g Rnep (Z))N • (0yg Vnep (Z) + (1- 0y)Z-n m)

где £Кпер (X) - Т-пр.р.р. интервала передачи подстанции речи, ^Кд (X) - Z-пр.р.р. интервала доступа подстанции речи, §упер(Т,) - Т-пр.р.р. интервала передачи подстанции видеоинформации рассматриваемой станции, £уд(Т) - Т-пр.р.р. интервала доступа подстанции видеоинформации рассматриваемой станции, в ^о - вероятность пустого состояния буфера-1 , в у - вероятность занятого состояния буфера-2, пт - длина в битах интервала занятости для передачи маркера, пт = п^т + Пр1 + п^т, Пт - длина маркера в битах, Пр1 - число бит, которое можно передать за время распространения сигнала от передающей станции к соседней, Пр1 = 2 • Прт / N, п рт -число бит, которое можно передать за максимальное время распространения сигнала в канале, Прт = Вк • С/(2,5 • 105 ) , Вк - длина канала связи в Км, п^т - число бит, которое можно передать

за время декодирования маркера, п0л - длина в битах интервала занятости для передачи кадра данных, пол = пкВ + прт +пку+ пЛк + пс1ку, пЪ - длина квитанции пёк, пёЪ> - число бит , которое можно передать соответственно за время декодирования кадра и квитанции, р - вероятность

СД

передачи пакета данных в режиме синхронно-случайного доступа, р = (N — 1)/ N, р кд -

СД

вероятность передачи пакета данных в режиме контролируемого доступа, р = 1/ N, g (Т)-Т-

КД СД

пр.р.р. интервала обслуживания пакета данных в режиме синхронно-случайного доступа, gв(Z) -Т-

пр.р.р. интервала обслуживания кадра данных в режиме контролируемого доступа.

2-пр.р.р. интервала обслуживания кадра данных в режиме синхронно-случайного доступа

имеет вид [13]:

g СД (Z) = Qc /(Z-”°d - Pc ), Qc = q d • (1- qD 0D1 )N-1, Qc + Pc =1, (4)

где Qc - вероятность того, что остальные N-1 станций не оказывают мешающее успешной передаче

рассматриваемой станции действие.

Z-пр.р.р. интервала обслуживания кадра данных в режиме маркерного доступа определяется в соответствии с [9]

g D (Z) = g Dnep (Z) •g Dd (Z)-

g Dnep (Z) = Z' ”°d- (5)

gDd Z) = (0 R0 +(1-0 R0)gRnep (Z))N •i0 V g Vnep (Z) + (1-0 y) Z'"m)N^

• Z-(N-1) ”°d

где g (Z)- Z-пр.р.р. интервала передачи подстанции данных рассматриваемой станции,

Dnep

g Dd (Z) - Z-пр.р.р. интервала доступа подстанции данных рассматриваемой станции.

Определим Z-пр.р.р. интервала передачи кадра речи подстанцией речи и интервала передачи кадра видео подстанцией видеоинформации станций локальной сети. Для этого воспользуемся подходом из [5, 6].

Аппроксимируем длину информационной части кадра речи геометрическим распределением, а длину информационной части кадра видео неравномерным полиномиальным распределением, которые часто используются при описании трафика сетей связи.

Тогда для закона геометрического распределения длины информационной части кадра речи Z-пр.р.р. интервала передачи кадра речи подстанцией речи имеет вид

/у) т f7 \ 7 (nrc +npm +nkv + ndk + ndkv-)

g Rnep (Z) = jk(Z)-Z ’

q,

mk(Z)=TTpr-qk+ pk =1

k

где ф (2) - 2-пр.р.р. длины информационной части кадра речи , П - длина служебной части кадра

/ ГС

речи, - параметр геометрического распределения длины информационной части кадра речи.

Для закона неравномерного полиномиального распределения длины информационной части кадра видео Ъ - пр.р.р. интервала передачи кадра видео подстанцией видеоинформации имеет вид

Х — к ■ —(П + П + П , + П ,, + П ,, ) -П ,„ч

g (2) = ( £р^2 )■ 2 рт 4 ■ 2 т (7)

УпеР I=1

где Р1 - параметры неравномерного полиномиального распределения длины информационной части

кадра видео, I = 1, Х ку\ - значения, которые может принимать длина информационной части кадра

видео с вероятностью р!, П - длина служебной части кадра видео.

' УС

Соотношения (2)-(7) представляют модель процесса передачи неоднородного трафика в локальной сети связи с протоколом комбинированного доступа в дискретном времени.

Для оценки временных затрат на информационный обмен в локальной сети определим следующие характеристики процесса передачи: среднее время обслуживания речевого кадра, кадра видео и кадра данных, среднюю скорость передачи речевой информации, видеоинформации и данных в канале связи.

Среднее время обслуживания речевого кадра, кадра видео и кадра данных в соответствии с [5] определяются так:

= (1/42 —1 (2) /2 =1,

= ((1/42 —1 )г (2) /2=1, (8)

sR II ni sR T O’ n\ sR

sV nsV T 1o ’ nsV

sD II s b T O’ nsD

= (i/dZ 1 )gD (Z) /z=1 ,

где n n n - среднее время обслуживания речевого кадра, кадра видео и кадра данных в

sR ’ sV ’ sD

ЛСС , T0 - такт работы сети.

Средняя скорость передачи речевой информации, видеоинформации и данных в канале связи локальной сети определяется соответственно выражениями:

Rp = kR/tp, R„ = kV/t ,R = k„/t (9)

sR R sR sV V sv sD D sd

k r , k v - математические ожидания длины информационной части соответственно речевого кадра и кадра видео в битах, k d ~ длина информационной части кадра данных в битах.

Выводы

Таким образом, разработана модель в дискретном времени процесса передачи неоднородного трафика в локальной сети связи с протоколом комбинированного доступа, абоненты которой генерируют пакеты речи и видео случайной длины, а пакеты данных - постоянной длины, и определены его характеристики. Разработанная модель и полученные соотношения позволяют решать различные системные и проектные задачи для локальных сетей связи с протоколом комбинированного доступа, обеспечивающим эффективную передачу неоднородного трафика, и выбрать наилучший вариант сети.

ЛИТЕРАТУРА

1. Гольдштейн Б.С. Сети связи пост - NGN / Б.С. Гольдштейн, А.Е. Кучерявый. СПб.: БХВ-Петербург, 2013. 160 с.

2. Битнер В.И. Сети нового поколения - NGN / В.И. Битнер, Ц.Ц. Михайлова. M.: Горячая Линия - Телеком, 2011. 226 с.

3. Гольдштейн Б.С. Сети связи / Б.С. Гольдштейн, Н.А. Соколов, Г.Г. Яновский. Петербург: БХВ-Петербург, 2010. 400 с.

4. Бакланов И.Г. NGN: принципы построения и организации / И.Г. Бакланов. М.: Эко-Трендз, 2008. 400 с.

5. Гезалов Э.Б. Модели передачи данных в локальной сети распределенной АСУ ТП / Э.Б. Гезалов // Нефть и газ: Вестник высших учебных заведений. Баку, 1995. № 3. С. 60-63.

6. Гезалов Э.Б.Модель неоднородной локальной информационной сети со случайной длиной кадра / Э.Б. Гезалов // Информационные технологии: наука, техшка, технологія, освіїа, здоров’я: материалы XVII Междунар. науч.-практ. конф. Украина, Харьков, 2009. С. 423.

7. Олифер В.Г. Компьютерные сети. Принципы, технологии, протоколы / В.Г. Олифер, Н.А. Олифе. СПб.: Питер, 2010. 944 с.

8. Гезалов Э.Б. Протокол доступа с интервалом безопасности для интегральной локальной сети // Сборник научных трудов Национального Горного Университета Украины. №26. Т. 2. Днепропетровск, 2006. С. 39-43.

9. Гезалов Э.Б. Модель неоднородной локальной сети с протоколом комбинированного доступа / Э.Б. Гезалов // Петербургский журнал электроники. №1. Санкт-Петербург, 2008. С. 91-96.

10. Гезалов Э.Б. Модель локальной сети с неоднородным входящим трафиком и протоколом комбинированного доступа / Э.Б. Гезалов // Телекоммуникации. 2008. № 8. С. 7-12.

11. Gezalov E.B. The model of a local network with a nonhomogeneous input traffic and combined access protocol / E.B. Gezalov // Telecommunications and Radioengineering. Vol. 70. № 5. USA., Begell house inc. pub., 2011. P. 461-470.

12. Гезалов Э.Б. Характеристики неоднородной локальной сети с протоколом комбинированного доступа / Э.Б. Гезалов // Актуальные проблемы электронного приборостроения АПЭП-2010: материалы Десятой Междунар. науч.-техн. конф. Т. 2. Новосибирск, 2010. C. 80-83.

13. Суздалев А.В. Передача данных в локальных сетях связи / А.В. Суздалев, О.С. Чугреев. М.: Радио и связь, 1987. 168 с.

Г езалов Эльчин Бахты оглы -

кандидат технических наук, доцент, заведующий кафедрой «Системы коммутации и почтовая связь» Азербайджанского технического университета

Статья поступила 12.08.13, принята к опубликованию 15.09.13

Elchin B. Gezalov -

Ph.D., Associate Professor,

Head: Department of Switching Systems and Postal Communication Azerbaijan Technical University