CC BY
30
УДК 681.3
ОРГАНИЗАЦИЯ ОБМЕНА ЧЕРЕЗ РЕЗЕРВИРОВАННЫЕ МАГИСТРАЛИ ЛОКАЛЬНЫХ СЕТЕЙ УПРАВЛЕНИЯ МАШИНАМИ И АГРЕГАТАМИ
А.В. Осипов1, В.А. Богатырев2
1 Санкт-Петербургский национальный исследователъскийуниверситет информационных технологий, механики и оптики. 197101, Санкт-Петербург, пр. Кронверкский, 49 2Санкт-Петербургский государственныйуниверситет сервиса и экономики (СПбГУСЭ),
191015, Санкт-Петербург, ул. Кавалергардская, 7, лит. А.
Проанализированы варианты агрегирования резервированных каналов. Рассмотрена проблема нарушения порядка следования кадров и приведен вариант ее решения с учетом ограничений стандарта IEEE 802.3ad. Эффективность организации обмена проанализирована с помощью имитационной модели.
Ключевые слова: резервированные магистрали, фрагментация пакетов, среднее время пребывания, имитационная модель, надежность, система массового обслуживания.
ORGANIZATION OF EXCHANGE OVER REDUNDANT CHANNELS IN COMPUTER
AND EQUIPMENT CONTROL NETWORKS
A.V. Osipov, VA. Bogatyrev
St.-Petersburg National Research University of Information Technologies, Mechanics and Optics. 197101, St.-
Petersburg, avenue Kronverksky 49 St.-Petersburg state university of service and economy (SPbSUSE), 191015, St.-Petersburg, street Kavaler-
gardskaya,7
In this article authors analyze options of redundant links aggregation. The problem of frames disorders and a variant of the solution according to the standard IEEE 802.3ad ant its constraints is described. The exchange efficiency is analyzed using a simulation model.
Keywords: redundant channels, packet fragmentation, average time of stay, simulation model, reliability, queuing system.
Введение. К системам компьютерного управления комплексами машин и агрегатов, в том числе в сфере сервиса, предъявляются жесткие требования по надежности, отказоустойчивости и производительности [1], обеспечение которых, как правило, достигается при резервировании вычислительных и коммуникационных средств, и, в частности, при резервировании магистралей [2-4]. Эффективность компьютерной системы управления во многом зависит от организации взаимосвязи компьютерных узлов через канал с резервированием магистралей, что и обусловливает актуальность исследований алгоритмов такой взаимосвязи и оценки их эффективности.
Использование нескольких магистралей (физических каналов) в одном сеансе передачи данных ведет к появлению вариантности организации обмена [4]. Время передачи кадра по разным магистралям может не совпадать из-за разной пропускной способности и других характеристик магистралей [5]. Если каналы полностью идентичны, время передачи может варьироваться из-за повторных пересылок в случае нарушения целостности кадра или коллизий доступа в канале. Если вариацию времени передачи кадра не учесть при организации обмена
через резервированные каналы, в процессе передачи могут возникнуть нарушения в порядке доставки кадров (инверсии), что может привести к невозможности восстановления на приемной стороне исходного сообщения.
Если не предпринимать специальных действий при передаче кадров по физическим линиям для уменьшения числа неудачных передач (таким действием может быть именно повторная отправка отдельного кадра по физической линии), доля повторных пересылок целых пакетов может быть весьма велика.
Модель канала передачи данных с фрагментацией пакетов. Рассмотрим модель массового обслуживания канала передачи данных с фрагментацией пакетов, чтобы продемонстрировать зависимость среднего времени пребывания требования в системе от параметра фрагментации (числа кадров, на которые разбивается пакет перед отправкой).
В канале с высоким уровнем помех рациональным является фрагментация пакета на г кадров, к каждому из которых присоединяется некоторый объем служебной информации. Фрагментация позволяет снизить объем повторно передаваемой информации в случае возникновения ошибок при передаче. Оптималь-
Организация обмена черезрезервированные магистрали локальных сетей управления
машинами и агрегатами
ное число кадров, на которые требуется разбить передаваемые пакеты при фрагментации, зависит от вероятности битовой ошибки.
Рассмотрим модель передачи данных через один канал, предусматривающую разбивку пакетов на г кадров.
Исследуемые системы характеризуются неординарностью входящего потока и соответствуют системе массового обслуживания типа M/Eг/1 [6].
Производящая функция вероятности того, что вновь поступившее требование застанет систему в состоянии к, когда не выполнены к этапов, определяется формулой [6]:
) = г<4 -рХ1 - *) .
гц+ А^г+1 -(Х + гц)г
Заметим, что первая производная от производящей функции, вычисленная в точке * = 1, где * - комплексная переменная производящей функции, дает первый момент исследуемой случайной величины [6]. Первый момент производящей функции после раскрытия неопределенности по правилу Лопиталя определяется как:
р,^ ц^1 -РХ1 + г ) .
2(Х - ц)2
По формуле Литтла среднее время пребывания требования в системе (при фрагментации пакетов на г кадров ) вычисляется как:
ТЕг = Р'(1)/ гХ.
На рис. 1 приведены графики среднего времени ожидания обслуживания: для системы с отправкой пакетов без разбивки, с разбивкой на два кадра, с разбивкой на десять кадров.
О 20 40 60 80
Рисунок 1. Зависимость среднего времени пребывания требования в системе при г = 1, 2, 10
Из представленных зависимостей видно, что среднее время пребывания требования в системе уменьшается вместе с ростом числа фрагментов, на которые разбивается пакет. Это связано с уменьшением коэффициента вариации плотности распределения времени обслуживания, так как пересылка большого числа
коротких кадров более предсказуема по времени, чем пересылка одного большого пакета (из-за возможных повторных пересылок при возникновении ошибок).
Реализация механизмов организации обмена по резервированным каналам на нижних уровнях сетевой модели. Распределение блоков данных по физическим каналам может быть реализовано на канальном уровне -при этом протоколы канального уровня могут взаимодействовать с одним или несколькими физическими уровнями, контролируя и управляя этим взаимодействием.
Так как протоколы канального уровня взаимодействуют с протоколами физического уровня непосредственно, в алгоритмах работы протоколов канального уровня можно учесть характеристики физических каналов, предоставляющие интерес при распределении кадров по каналам, например:
• величина задержки отправки;
• вероятность возникновения битовой ошибки;
• скорость передачи данных и т.д..
Организацию обмена по резервированным каналам предпочтительнее реализовывать на нижних уровнях, так как на эти уровни можно возложить функции контроля надежности доставки блоков данных. Обеспечение надежной доставки короткого кадра потребует меньших затрат (повторных пересылок, битов контрольных сумм, корректирующих групп и т. д.) по сравнению с отправкой целого пакета без промежуточного контроля достоверности составляющих его кадров.
Использование канального уровня для организации обмена по многомагистральному каналу позволяет достичь существенно большей эффективности использования пропускных способностей физических каналов. Но для достижения высокой эффективности при распределении кадров по физическим каналам требуется учитывать характеристики этих каналов. Однако динамическое распределение кадров по каналам с различными характеристикам (например, пропускными способностями) приводит к возможному нарушению порядка доставки кадров.
Существуют компромиссные решения по организации обмена, позволяющие полностью исключить возникновение инверсий, но вносящие ограничения в эффективность использования пропускных способностей физических каналов. Примером такого решения является организация резервированного обмена по стандарту IEEE 802.3ad.
Согласно этому стандарту, в единый логический канал можно объединить до восьми
А.В. Осипов, В.А. Богатырев
физических полнодуплексных каналов Ethernet с пропускной способностью 1 Гбит (рис. 2).
Клиент MAC-уровня Клиент MAC-уровня
; + 1 +
отправитель || приемник отправитель || приемник
/З^л
MAC MAC MAC MAC MAC MAC
P HY P HY PHY P HY P HY PHY
1 1
Рисунок 2. Сеть с организацией агрегированных каналов по стандарту IEEE 802.3ad, MAC (Medium Access Control) - уровень доступа к среде, PHY (Physical Layer) - физический уровень
Агрегирование каналов по стандарту IEEE 802.3ad предполагает, что физические каналы, входящие в состав логического:
• являются полнодуплексными;
• соединяют два узла сети;
• имеют одну и ту же пропускную способность.
С точки зрения сетевой модели OSI (Open Systems Interconnection basic reference model — базовая эталонная модель взаимодей-
ствия открытых систем) агрегирование каналов происходит под сетевым уровнем и над канальными уровнями каждого физического канала. Таким образом, подуровень агрегирования каналов использует сервисы нескольких канальных уровней физических линий, но и сам предоставляет сервисы канального уровня. Поэтому с точки зрения сетевых протоколов объединение происходит на канальном уровне (рис. 3).
Сетевая модель OSI
Прикладной уровень
Уровень представлений
Сеансовый уровень
Транспортный уровень
Сетевой уровень
Канальный уровень
Физический уровень
Сервисы канального уровня
Подуровень агрегирования каналов
Канальный уровень
Физический уровень
Канальный уровень
Физический уровень
Канальный уровень
Физический уровень
Рисунок 3. Архитектурное расположение подуровня агрегирования каналов
Стандарт IEEE 802.3ad не требует использования какого-либо определенного алгоритма распределения кадров по физическим каналам, однако регламентирует, что используемый алгоритм должен обеспечивать:
• отсутствие дубликатов кадров;
• отсутствие инверсий в порядке следования кадров.
Стандарт IEEE 802.3ad не позволяет обеспечить устойчивость одной сессии передачи данных к отказам физических каналов. Действительно, стандарт не предусматривает возможности одновременной передачи одного и того же кадра по нескольким физическим линиям, поэтому возникновение отказа на используемом канале неизбежно приведет к потере кад-ра. Успешной доставки можно добиться с помощью повторных пересылок, однако это может приводить к существенным временным задержкам, что для определенного класса систем
(системы жесткого реального времени, системы автоматики и телемеханики) недопустимо. Такие системы нуждаются в иных решениях проблемы передачи данных через резервированные каналы.
Анализ вариантов организации обмена по резервированным каналам. В технологиях агрегации используются различные варианты распределения блоков данных по агрегированным каналам, проанализируем некоторые из них.
Первый вариант. Самым простым вариантом организации передачи через агрегированные каналы является передача данных по одному из исправных каналов. В случае отказа используемого канала передача продолжается по следующему исправному каналу.
Для передачи данных от каждого узла используется только одна, заранее определенная магистраль. Прием блоков данных каждое
Организация обмена черезрезервированные магистрали локальных сетейупраеления
машинами и агрегатами
устройство может осуществлять с любой из магистралей. Исходный суммарный поток пакетов распределяется между m магистралями фиксированным, заранее определенным способом. Такая организация доступа к магистралям может быть интерпретирована как совокупность систем массового обслуживания (СМО) типа M/M/1.
Среднее время пребывания требования в системе определяется как [4]: 7 = t /(l - tX / m) , где t = 1 / p, - среднее время обслуживания одного запроса; Д - интенсивность обслуживания; Л - интенсивность входного потока запросов.
При возникновении отказа в системе с такой организацией агрегированных каналов, пакет, который находился в процессе передачи в момент возникновения отказа, может быть потерян (если контроль доставки не осуществляется на верхних уровнях сетевой модели).
Второй вариант. Более эффективным с точки зрения использования пропускной способности каналов является применение алгоритма распределения RoundRobin, при котором блоки данных, ожидающие отправки, передаются поочередно по каждому из каналов. Этот алгоритм, также называемый алгоритмом циклической диспетчеризации, используется в сетях стандарта IEEE 802.3ad, IMA (Inverse multiplexing over ATM (Asynchronous Transfer Mode)), MLPPP (Multilink Point-to-Point Protocol) и многих других сетях с агрегирова-нием на физическом и канальном уровнях.
Каждый блок данных может быть отправлен по любой магистрали. Такая организация доступа к ресурсам интерпретируется как СМО типа M/M/m. Среднее время пребывания требования в системе определяется как:
X
T2 = m / + Pm / р,(1 -р), где р =-
тц
(
Ро =
mg (mpf
k=о
(mp)m
1
Л
-1
k!
m!
1 -P
канальном уровне, а также буферизации или обработки пакетов после приема. Однако это условие, обеспечивающее отсутствие инверсий, является причиной и главного недостатка сетей, организованных по данному принципу: высокая эффективность использования пропускных способностей физических каналов достижима при одновременном ведении нескольких сессий передачи данных, при этом число сессий должно быть не меньше числа физических каналов.
Для количественной оценки эффективности использования пропускных способностей каналов в сети, организованной по стандарту IEEE 802.3ad, построена имитационная модель вычислительной сети. Зависимость коэффициента использования сети р от времени t, измеренная для различного числа одновременных сессий, приведена на рис. 4.
1
0.9 0.8 0.7 0.6 0.5 0.4 0.3
р
JJC
г-М- J J
1 . —
7 —1
i!
il
2
1 сессия 3 сессии
8 10
2 сессии 12 сессий
р = Ро (mpf m (1 - p)m!
В сетях стандарта IEEE 802.3ad пакеты, относящиеся к одной сессии передачи данных, передаются только по одному и тому же физическому каналу. Соблюдение этого условия, а также условий, накладываемых на алгоритм передачи пакетов, позволяет гарантировать от -сутствие инверсий в последовательности полученных пакетов. Благодаря такой организации обмена отпадает необходимость в добавлении или изменении каких-либо данных пакета на
Рисунок 4. Сравнение коэффициента использования системы для различного числа сессий передачи данных
Третий вариант. Циклический алгоритм диспетчеризации также может быть использован при объединении каналов на самом нижнем - физическом уровне. Примерами технологий с механизмом объединения на физическом уровне являются 0.8НБ8Ь [7], ЕоРБН [8] и др..
Каждый пакет разбивается на части определенного размера (кадры), и 1/т-я часть пакета отправляется по своей магистрали. Среднее время обслуживания этой части меньше в т раз (интенсивность обслуживания больше в т раз) по сравнению со средним временем обслуживания целого пакета.
Среднее время пребывания требования в системе определяется максимальным временем пребывания кадра в одном из каналов, но так как пакет разбивается на кадры равной длины, а каналы имеют идентичные характеристики (в рамках рассматриваемой модели), то время
0
4
6
A.B. Осипов, B.A. Богатырев
пребывания всех кадров одинаково между собой и равно: Т3 = ^ / m) / (1 - Ш m).
Достоинством данного варианта является уменьшение среднего времени пребывания требования в системе. В сравнении с первым вариантом имеется выигрыш во времени в m раз. Данная зависимость не учитывает повторные пересылки даже в случае потери кадра.
Эффективность вариантов организации каналов сравнивается по среднему времени пребывания требования в системе. При построении моделей многомагистральных систем предположено показательное распределение интервалов между требованиями и времени их обслуживания. На рис. 5 представлена зависимость среднего времени ожидания обслуживания для числа магистралей m = 5.
О 75 150 225 МО 375 450
Рисунок 5. Зависимость среднего времени пребывания требования в системе от интенсивности входного потока запросов
Из приведенных зависимостей видно, что первый вариант, предусматривающий фиксацию магистралей за узлами, уступает остальным по среднему времени ожидания обслуживания. Фиксация ресурсов за потребителями -низкоэффективный вариант с точки зрения пропускной способности сети. Этот вариант может быть применен в существующих сетях, где замена устройств или протоколов нецелесообразна, так как он не требует изменения общепринятых стандартов и протоколов.
Наивысшую производительность демонстрирует третий вариант организации, при котором каждый пакет разбивается на кадры, передаваемые по всем каналам.
Заключение. В статье проанализированы различные варианты агрегирования каналов в вычислительных сетях. Показано, что органи-
зация обмена через агрегированные каналы на канальном уровне сетевой модели наиболее эффективна, особенно при фрагментации пакетов на канальном уровне. Рассмотрена проблема нарушения порядка следования кадров при агрегации каналов и приведен вариант ее решения с учетом ограничений стандарта IEEE 802.3ad. С помощью имитационного моделирования показана целесообразность агрегирования каналов по стандарту IEEE 802.3ad только для одновременного ведения числа сессий равного или превосходящего число физических каналов.
Литература
1. Богатырев В.А., Богатырев C.B., Лепеш Г.В. Критерии оптимальности объединения машин и агрегатов в системы // Технико-технологические проблемы сервиса. - 2009. - № 2. - С. 30-35.
2. Богатырев В.А. Отказоустойчивость и сохранение эффективности функционирования многомагистральных распределенных вычислительных систем. //Информационные технологии. 1999. № 9. С. 44-48.
3. Богатырев В.А. Комбинаторный метод оценки отказоустойчивости многомагистрального канала. // Методы менеджмента качества. 2000. № 4. С. 30-35.
4. Богатырев В.А., Евлахова A.B., Котельникова Е.Ю., Богатырев С. В., Осипов A.B. Организация межмашинного обмена при резервировании магистралей // Научно-технический вестник Санкт-Петербургского государственного университета информационных технологий, механики и оптики. — 2011. — № 2(72). — С. 171.
5. Осипов A.B., Богатырев В.А. Варианты объединения разнотипных каналов вычислительной сети // Научно-технический вестник информационных технологий, механики и оптики. - 2012. - № 2 (78). - С. 145.
6. Клейнрок Л., Теория массового обслуживания. Пер. с англ. / Пер. И. И. Грушко; ред. В. И. Нейман. - М.: Машиностроение, 1979. - 432 с.
7. Series G: transmission systems and media, digital systems and networks. ITU-T Recommendation G.991.2, Geneva, 2004.
8. Arthur Harvey, Business Manager, Ethernet Products. Ethernet-over-PDH Technology Overview. Application Note 3849. Maxim Integrated Products. - 2006.
1 Осипов Андрей Владимирович - аспирант кафедры «Вычислительная техника» СПб НИУ ИТМО, тел.: +79119110214, e-mail: osipov-andrey@mail.ru;
2 Богатырев Владимир Анатольевич - доктор технических наук, профессор кафедры «Прикладные и информационные технологии», СПбГУСЭ, тел.: +7-911 726 02 26, email: Vladimir.bogatyrev@gmail.com.
