Научная статья на тему 'Имитационное моделирование коммутационных систем'

Имитационное моделирование коммутационных систем Текст научной статьи по специальности «Компьютерные и информационные науки»

CC BY
573
79
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
Ключевые слова
КОММУТАЦИОННАЯ СИСТЕМА / ПАРАЛЛЕЛЬНЫЙ ПОИСК / МОДЕЛИРОВАНИЕ / АЛГОРИТМ / КАНАЛЫ СВЯЗИ / THE SWITCHING SYSTEM / PARALLEL SEARCHING / MODELING / THE ALGORITHM / COMMUNICATION CHANNELS

Аннотация научной статьи по компьютерным и информационным наукам, автор научной работы — Барабанова Елизавета Александровна, Мальцева Наталия Сергеевна

Цель работы провести имитационное моделирование коммутационных систем и сравнить их характеристики. Предмет исследования коммутационная система с параллельным поиском каналов связи и коммутационные системы с последовательным принципом установления соединений. Имитационное моделирование проводится на базе разработанной программы. Программа позволяет моделировать структуру и алгоритм работы коммутационных систем. Результаты моделирования и сравнения полученных характеристик позволили сделать вывод о том, что использование коммутационной системы с параллельным поиском каналов связи значительно уменьшает задержки трафика. Библиогр. 3. Ил. 3.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Похожие темы научных работ по компьютерным и информационным наукам , автор научной работы — Барабанова Елизавета Александровна, Мальцева Наталия Сергеевна

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

IMITATING MODELlING OF SWITCHING SYSTEMS

The purpose of the work is to carry out imitating modeling of switching systems and to compare their characteristics. The subject of the research is the switching system with parallel search of communication channels and switching systems with consecutive principle of connection making. Imitating modeling is realized on the basis of the engineered program. The program allows modeling the structure and the algorithm of switching systems functioning. The results of modeling and comparing the received characteristics drew to the conclusion that the use of the switching system with parallel search of communication channels considerably decreases the traffic delays.

Текст научной работы на тему «Имитационное моделирование коммутационных систем»

УДК 621.395.74

Е. А. Барабанова, Н. С. Мальцева ИМИТАЦИОННОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ КОММУТАЦИОННЫХ СИСТЕМ Введение

При исследовании пропускной способности коммутационной системы (КС), в которой установление соединений осуществляется в соответствии с некоторым алгоритмом, а также при сравнении различных алгоритмов между собой использование аналитических методов затруднено. Это обусловлено значительной структурной сложностью КС. Именно поэтому в настоящее время основным методом исследования пропускной способности КС является метод имитационного моделирования [1].

Предлагается сравнить с помощью имитационного моделирования разработанный алгоритм параллельного поиска и существующие методы последовательного поиска соединительных путей в КС. Для этого используется специально разработанная программа, имитирующая работу КС [2].

Структура программы моделирования КС

Имитационная модель представляет собой компьютерную программу на языке Visual Basic for Application, которая шаг за шагом воспроизводит алгоритм работы КС. Программа моделирования структуры и алгоритма работы предлагаемой КС включает в себя ряд модулей, которые по их функциональному назначению можно объединить в три основных блока программы (рис. 1):

— блок структуры КС;

— блок потока вызовов;

— коммутационный блок (КБ).

Рис. 1. Структура программы

Моделирование структуры КС производится в модуле Set_up_model_Graf. Начальными условиями для построения КС служат: число КБ входного каскада х; число КБ выходного каскада г; число входов в один КБ входного каскада п; число входов в один КБ выходного каскада т.

Так как структура разрабатываемой КС является симметричной, то х = г и п = т. Число промежуточных каскадов у рассчитывается из соотношения у = 2т - 1, которое обеспечивает отсутствие блокировки каналов связи в промежуточном каскаде. Во время процесса исполнения программы появляется необходимость в добавлении к структуре КС буферных запоминающих устройств. Для этого в модуле Set_up_model_Graf имеется обращение к функции Byfer.

Процесс генерирования поступающего потока вызовов (команд коммутации) осуществляется в модуле Modeling_Sream. Для получения последовательности случайных чисел используется равномерный закон распределения случайной величины.

Моделирование значений случайной величины X с равномерным распределением на отрезке [0, 1] доступно в Visual Basic for Application с помощью функции Rnd(). В программе предусмотрен датчик случайных чисел, обращение к которому происходит в следующих случаях:

1) при задании числа занятых выходов КС в процентах - от 0 до 100 %;

2) при задании номеров входов и выходов КС (программы коммутации), с которыми необходимо установить соединение.

В программе можно задавать количество фаз (этапов) процесса установления соединений.

Исходная программа коммутации представляет собой множество пар, первым элементом которых является адрес выхода КС, а вторым - адрес входа, с которым данный выход будет соединен. В программе коммутации, генерируемой для определённого этапа процесса установления соединений, отсутствуют повторяющиеся пары, что исключает вероятность обращения к одному и тому же входу КС.

Моделирование процесса коммутации осуществляется с помощью блока коммутации программы. В блок коммутации входят следующие модули: Commutation, Prom_k_Tackt, Byfer, Otrab.

Моделирование процесса функционирования КС разбивается на m экспериментов, в каждом из которых проводится равное количество n испытаний. Количество испытаний в каждом эксперименте необходимо выбрать таким, чтобы измеряемые статистические характеристики исследуемых вероятностных величин были бы достаточно представительными.

Моделирование позволяет получить зависимости в условных единицах времени (тактах) и единицах измерения количества информации (ячейках). При необходимости всегда можно приравнять 1 модельную единицу времени (1 такт) к конкретной единице времени (N наносекунд или М пикосекунд и т. п.), а 1 модельную единицу измерения количества информации (1 ячейку) к конкретной единице измерения количества информации (N бит, M кбит и т. п.)

Эксперименты проводили с КС, имеющей 256 входов и выходов. Это означает, что КС имеет х = 16 КБ входного каскада, n = 16 входов в один КБ входного каскада, у = 31 КБ промежуточного каскада (вычисленное согласно оценке Пола, в соответствии с которой у < 2n - 1 = 31), z = 16 КБ выходного каскада, m = 16 выходов из КБ выходного каскада.

Структура КС, смоделированная в программе Visual Basic for Application, представлена на рис. 2.

Рис. 2. Структурная схема КС на 256 входов в разработанной программе

Сначала вычислялось среднее время процесса установления соединений (настройки), которое для максимальном числе занятых выходов (100 %) оказалось равным ¿настр = 11 тактам.

Среднее время процесса установления соединений - это интервал времени, через который поступают команды коммутации на выходы КС из буферных запоминающих устройств.

Далее проводились эксперименты при различном числе занятых выходов: 10; 20; 30; 40; 50; 60; 70; 50; 90; 100 %. В каждом эксперименте задавалась различная длина пакета полезной информации: 1п = 15 ячеек; 1п = 30 ячеек; 1п = 45 ячеек; 1п = 60 ячеек. Для удобства проведения последующего анализа принимается, что 1 ячейка передаётся за 1 такт.

В каждом эксперименте проводится п = 6 испытаний. Для каждого эксперимента определяются экспериментальные значения: количество обработанных заявок, количество поступивших заявок и максимальный размер буфера.

В каждом испытании отдельного эксперимента вычисляется вероятность ожидания для задержанных вызовов рож по формуле

N - N к

11 пост 1 у обр /п

Рож =-----------------------------------------------------N- 5 (1)

''’пост

где Дюст - число поступивших команд коммутации; ^бр - число обработанных команд коммутации.

В каждом испытании отдельного эксперимента вычисляется среднее время ожидания пакета в очереди Тож по формуле

Тож = ^уф • пиастр + ¿пер), (2)

где Nбуф - максимальный размер буфера (определяется экспериментально); ¿пер - время передачи

информации (далее, т. к. 1 ячейка = 1 такту, принимается ¿пер = 1п ; ¿настр - время настройки).

В каждом эксперименте определяем экспериментальное значение пропускной способности устройства СКС по формуле

N • I

с = обр п (3)

^кс , . , (3)

к • ^

настр

1п - время передачи информации (длина пакета); к - число фаз настройки.

Сравнительный анализ работы КС

При помощи имитационного моделирования на основе вычисленных параметров можно провести сравнение следующих характеристик КС: пропускной способности и задержек во входных буферах устройств.

В программе предусмотрено сравнение характеристик КС с последовательной настройкой; КС, работающих в разовом режиме коммутации (коммутаторы Баньяна, сортирующие схемы); КС, использующей разработанный алгоритм параллельного поиска, согласно которому процесс установления соединений происходит параллельно с передачей пакетов [3].

На рис. 3 представлены графические зависимости вероятности ожидания пакета в очереди от длины пакета при числе занятых выходов 80 % для КС с последовательным принципом установления соединений; КС с разовым режимом коммутации; КС с параллельным принципом установления соединений.

На графиках отображена погрешность моделирования 5 %.

Рис. 3. Зависимость вероятности ожидания пакета в очереди от длины пакета при числе занятых выходов 80 %: 1 - последовательный принцип установления соединений;

2 - разовый режим коммутации; 3 - параллельный принцип установления соединений

Анализируя построенные графики, можно сделать вывод, что при длине пакета 1п = 60 ячеек вероятность ожидания пакета в очереди для разрабатываемой КС на 20 % меньше по сравнению с КС, использующей последовательный алгоритм установления соединений, и на 18 % меньше по сравнению с КС, работающей в разовом режиме коммутации.

Следовательно, КС с параллельным поиском каналов связи позволяет обслуживать поступающие пакеты быстрее, что является положительным свойством системы в том случае, если передается трафик, чувствительный к задержкам.

Заключение

Возможности физического моделирования довольно ограничены. Оно позволяет решать отдельные задачи при задании небольшого количества сочетаний исследуемых параметров системы. Так, чтобы определить параметры КС, при которых её работа будет наиболее эффективна, в случае натурного моделирования необходимо изготовить несколько КС в виде набора интегральных микросхем (или одной схемы), проверить работу каждой из них и сравнить результаты.

Проверка на практике около десятка КС с разными параметрами связана не только с большими усилиями и временными затратами, но и с немалыми материальными затратами. Создание реальной физической модели КС является сложным также в связи с необходимостью разработки для неё программного обеспечения.

По этим причинам экспериментальные исследования проводятся путём имитационного моделирования.

Результаты имитационного моделирования, проведённого нами, позволяют сделать вывод о том, что вероятность ожидания пакета в очереди для КС с параллельным поиском каналов связи на 20 % меньше по сравнению с КС, использующей последовательный принцип установления соединений, и на 18 % меньше по сравнению с КС, работающей в разовом режиме коммутации.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Советов Б. Я., Яковлев С. А. Моделирование систем: учеб. для вузов. - М.: Высш. шк., 2005. - 343 с.

2. Барабанова Е. А., Мальцева Н. С. Многокаскадные коммутационные системы с параллельной настройкой // Науч.-техн. ведомости СПбГПУ. - 2007. - № 4. - 1 (52). - С. 118-121.

3. Свидетельство 2008611841 об официальной регистрации программ для ЭВМ ФИПС РФ. Программа моделирования структуры и алгоритма работы коммутационных систем / Барабанова Е. А. Мальцева Н. С.: правообладатель АГТУ. - № 2008611147; заявл. 20.03.2008; опубл. 14.04.2008.

Статья поступила в редакцию 10.12.2008

IMITATING MODELLING OF SWITCHING SYSTEMS

E. A. Barabanova, N. S. Maltseva

The purpose of the work is to carry out imitating modeling of switching systems and to compare their characteristics. The subject of the research is the switching system with parallel search of communication channels and switching systems with consecutive principle of connection making. Imitating modeling is realized on the basis of the engineered program. The program allows modeling the structure and the algorithm of switching systems functioning. The results of modeling and comparing the received characteristics drew to the conclusion that the use of the switching system with parallel search of communication channels considerably decreases the traffic delays.

Key words: the switching system, parallel searching, modeling, the algorithm, communication channels.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.