CC BY
59
TELEOЭMMUNICATЮNS
Исследование случайного доступа к моноканалу и процесса передачи данных в информационно-вычислительной сети
Освоение принципов моделирования информационных процессов реального времени в распределенных системах, исследование характеристик способов случайного доступа к моноканалу на базе машинной модели локальной сети связи ПЭВМ. Для проведения машинных экспериментов с моделями систем статистической категории используются объекты языка моделирования GPSS.
Ключевые слова: моноканал; имитационное моделирование; GPSS; локальная сеть; кадр обмена данными; модель сети.
Головков А.В., Стефанов А.М., Шумилина Д.В.,
Северо-Кавказский филиал Московского технического университета связи и информатики
Research of accidental access to a mono channel and data transfer process on an information network
Golovkov A.V., Stefanov A.M., Shumilina D.V.,
North-Caucasian branch of the Moscow technical university relationship and informatics
Abstract
Mastering the principles of modeling of information processes in real-time distributed systems, methods of study of the characteristics of ways of random access to mono-based computer model of a computer local network. Objects of modeling language GPSS is used to carry on computer experiments with models of statistical categories systems.
Keywords: Monochannel, simulation, GPSS, LAN, a frame of data exchange, the network model.
Потребности автоматизации управления обусловили необходимость создания рассредоточенных вычислительных комплексов. Такие комплексы представляют собой объединение при помощи каналов связи от десятков до нескольких сотен абонентов (ПЭВМ, терминалов, устройств памяти и т.д.), отстоящих друг от друга на сравнительно небольших расстояниях.
Благодаря экономичности и распространенности микропроцессоров каждому УВВ может быть придан отдельный микропроцессор, а вычислительный комплекс может быть построен на базе регулярной многодоступной сети связи — локальной сети связи (ЛСС), обеспечивающей простую структуру связи абонентов вычислительного комплекса при минимальной общей длине соединений [2].
Характер каналов ЛСС может быть различным, но наибольшее развитие получили локальные сети с общим каналом или моноканалом, в которых передача между абонентами сети осуществляется:
— либо через пару дешевых электропроводов;
—либо через высокосортные, но более дорогие коаксиальные кабели;
— либо через еще более высокоскоростные и еще более дорогие волоконно-оптические кабели;
— либо через широковещательный радиоканал.
Упрощенная структура ЛСС с п абонентами представлена на рис. 1.
Каждый абонент имеет свой уникальный адрес (на рис. адрес совпадает с номером абонента). Обмен данными в сети осуществляется блоками определенного формата — кадрами,
Рис. 1. Структурная схема локальной сети
цию абонента (информационный пакет), так и служебной информации (адрес получателя, отправителя, проверочную последовательность и пр.). Структура кадра приведена на рис. 2.
Адрес получателя
(приемник)_
Адрес отправителя (передатчик)
Информационный
_пакет_
Проверочная последовательность Прочая служебная информация
Рис. 2. Структура кадра обмена данными
Кадр может передаваться в моноканале адаптером любого абонента, при этом адаптеры всех остальных абонентов осуществляют его прием. В случае совпадения содержащегося в поле "Адрес получателя" адреса кадра с адресом абонента осуществляется анализ кадра на наличие в нем ошибок и выдача пакета абоненту, в случае несовпадения адресов полученный кадр уничтожается. Особенностью общего канала является то, что в заданный промежуток времени через него может передавать информацию только один абонент ЛСС. Поэтому возникает проблема разделения ресурсов канала передачи данных.
High technologies in Earth space research № 2-2010
Минимум служебной информации и максимальную скорость доступа к моноканалу при малых потоках информации обеспечивают методы случайного доступа к моноканалу. Поэтому методы случайного доступа абонентов в канал находят наиболее широкое применение на практике.
Первой важнейшей характеристикой для ЛСС с точки зрения абонентов является время доставки пакетов от абонента-источника к абоненту-приемнику. В общем случае это время будет:
Т = ^ + ¿2 + ? 3 (1)
где, ^ — время, необходимое для обработки (формирования адреса, проверочной последовательности) пакета адаптером передающего абонента; 2 — время доступа и передачи информации по моноканалу, зависящее от способа доступа, режима работы, числа абонентов и пр.; 3 — время, необходимое для обработки пакета приемным адаптером.
В этой работе основное внимание уделяется исследованию способов доступа к моноканалу и для упрощения имитационной модели функционирование адаптера не рассматривается, время задержки в нем, обусловленное действием различных преобразователей, не учитывается. Поэтому время доставки Т определяется только временем а времена обработки ^ и 3 считаются равными нулю. Это упрощение позволяет пакет отождествить с кадром и рассматривать абоненты как источники и получатели кадров. При подсчете учитывается время доступа и передача только тех кадров, которые были переданы без ошибок и если абонентом — источников получен кадр — подтверждение успешной передачи.
Очевидно, что из-за ограниченности допустимого времени пребывания кадров в ЛСС
возможно только ограниченное число попыток его передачи. Если все попытки исчерпаны, то кадр считается потерянным. Поэтому второй важной характеристикой ЛСС является доля потерь, вычисляемая как отношение числа поступивших в ЛСС пакетов к числу переданных пакетов.
Третьей характеристикой, используемой для оценки эффективности того или иного способа доступа, является коэффициент использования моноканала KOEFF, вычисляемый как отношение числа удачно переданных кадров N к числу кадров, которые могли бы быть переданы за рассматриваемый интервал времени Т:
KOEFF = Н/пТ (2)
где п — пропускная способность канала, кадр/с.
Обобщенная схема имитационной модели (ИМ) ЛСС приведена на рис. 3.
Кадр, поступивший от абонента-источника, передается одновременно в обе стороны от точки подключения абонента к моноканалу. Поэтому для простоты модели каждый отрезок моноканала между двумя соседними абонентами, называемый далее звеном моноканала или просто каналом, моделируется двумя блоками соответственно по двум возможным направлениям передачи по каналу — слева направо и справа налево. Модель абонента также состоит из двух относительно независимых частей: моделей, имитирующих поступление кадров и обработку кадра при его получении.
Моделирование передачи между соседними абонентами осуществляется задержкой транзак-тов (кадров). Она состоит из задержки распространения сигнала по звену моноканала, определяемой длиной этого звена и скоростью распространения сигнала, и задержки выдачи кадра абоненту, определяемой длиной кадра и скоростью передачи информации в моноканале.
ТЕЛЕКОММУНИКАЦИИ
Подробный пример и программный комплекс по исследованию моноканала можно ознакомиться в пособие по выполнению практикума. Результаты исследований используются в учебном процессе СКФ МТУСИ при проведении практикума по дисциплине " Моделирование ".
Исследование процесса передачи данных в информационно-вычислительной сети
Данные — это факты и (или) понятия, описанные в формализованном виде. В ИВС различают пользовательские (информационные) и управляющие (служебные) данные. Пользовательские данные — это данные, вводимые пользователями в ИВС или получаемые ими из сети. Управляющие данные — это данные, используемые для управления работой ИВС.
Сеть представляет собой совокупность средств передачи и распределения данных. Выделяют магистральную (базовую) и терминальную (абонентскую) части ИВС. Магистральная часть ИВС служит для передачи данных между вычислительными комплексами, ресурсы которых доступны для пользователей сети, и включает узлы коммутации (УК) и соединяющие их каналы связи (КС). Узел коммутации выполняет функции маршрутизации, передачи и коммутации данных и имеет для этого соответствующие аппаратно-программные средства. Канал связи представляет собой совокупность технических средств и среды распространения, которая обеспечивает доставку данных в требуемую точку сети.
Терминальная часть ИВС используется для подключения непосредственно либо через концентраторы нагрузки абонентских пунктов и терминалов пользователей. Концентратор — устройство, обеспечивающее сопряжение входных низкоскоростных каналов связи с выходным высокоскоростным каналом связи. Абонентские пункты оборудуются аппаратурой передачи данных и устройствами ввода-вывода, т. е. терминалами, с помощью которых пользователи могут осуществлять доступ к вычислительным ресурсам и базам данных сети. Обычно терминалы группируются и подсоединяются к терминальной сети. В качестве терминалов могут быть использованы как простейшие устройства ввода-вывода (телетайпы, дисплеи и т. п.), так и персональные (интеллектуальные) терминалы.
В рассматриваемой ИВС реализован режим коммутации пакетов, подставляющий
Наукоёмкие технологии в космических исследованиях Земли № 2-2010
Рис. 3. Схема имитационной модели локальной сети
TELECOMMUNICATIONS
HiS
RESEARCH
такой способ передачи, при котором данные из сообщений пользователей разбиваются на отдельные пакеты. Маршруты передачи пакетов в сети от источника к получателю определяются в каждом УК, куда они поступают. Под сообщениями понимается конечная последовательность символов, имеющая смысловое содержание. Пакет — это блок данных с заголовком, представленный в установленном формате и имеющий ограниченную максимальную длину. Обычно в ИВС используются пакеты постоянной длины; содержащие от 500 до 2000 двоичных знаков (бит). Отметим, что ИВС с коммутацией пакетов обладают высокой эффективностью благодаря возможности быстрой перестройки путей передачи данных (маршрутизации) при возникновении перегрузок и повреждении элементов ИВС. Эффективность различных вариантов построения ИВС и ее фрагментов оценивается средними временами доставки данных пользователям и вероятностями отказа в установлении в данный момент времени требуемого пользователю соединения. Совокупность таких показателей для оценки эффективности процесса функционирования ИВС принято называть ее вероятностно-временными характеристиками.
Для упрощения объекта моделирования (в данном случае из-за необходимости упрощения учебного примера с точки зрения его обозримости и, что особенно важно, уменьшения машинных затрат на его реализацию) рассмотрим фрагмент ИВС, представляющий процесс взаимодействия двух соседних УК сети, которые обозначим УК1 и УК2. Эти узлы соединены между собой дуплексным дискретным каналом связи (ДКС), позволяющим одновременно передавать данные во встречных направлениях, т. е. имеется два автономных однонаправленных ДКС: К1 и К2.
Структурная схема варианта УК представлена на рис. 4, где ВхБН и ВыхБН — входные и выходные буферные накопители соответствен-
но; К — коммутаторы; ЦП — центральный процессор. Данный УК функционирует следующим образом. После поступления пакета из одного из входных КС узла он помещается в ВхБН. Затем ЦП на основании заголовка пакета и хранимой в УК маршрутной таблицы определяет требуемое направление дальнейшей передачи пакета и помещает его в соответствующий ВыхБН для последующей передачи по выходному КС.
Структурная схема варианта ДКС с решающей обратной связью показана на рис. 5, где КУ и ДКУ — соответственно кодирующее и декодирующее устройства; УУК—устройство управления каналом; КА — каналообразующая аппаратура. На передающей стороне пакет из ВыхБН узла коммутации попадает в КУ, где производится кодирование, т. е. внесение избыточности, необходимой для обеспечения помехоустойчивой передачи по КС. Согласование с конкретной средой распространения реализуется КА (например, организация коротковолнового радиоканала через спутник — ретранслятор для СПД или оптического канала с использованием световода для локальной СПД). На приемной стороне из КА пакет попадает в ДКУ, которое настроено на обнаружение или исправление ошибок. Все функции управления КУ ДКУ (в том числе и принятие решений о необходимости повторного переспроса копии пакета с передающего УК) и взаимодействия с центральной частью узла реализуется УКК, которое является либо автономным, либо представляет собой часть процессов, выполняемых ЦП узла.
Процесс функционирования СПД заключается в следующем. Пакеты данных поступают в исследуемый фрагмент по линии связи. Считается, что интервалы между моментами поступления распределены по экспоненциальному закону. После обработки в центральном процессоре они поступают в выходной накопитель. Далее в порядке очереди копия пакета переда-
ется по дискретному каналу связи и поступает во входной накопитель второго узла. После обработки в центральном процессоре второго узла пакет данных передается в выходную линию (3 или 4) и формируется подтверждение приема, которое в виде короткого пакета поступает в выходной накопитель для передачи в исходный узел. После приема подтверждения в исходном узле осуществляется уничтожение пакета и подтверждения.
Исследуемый фрагмент СПД, представленный в виде композиции Q-схем, приведен на рис. 6, обозначения которого соответствуют введенным ранее.
Исходные данные для моделирования:
— средний интервал между пакетами данных — 25 ед. вр.;
— емкости накопителей — 20;
— время передачи пакета данных по ДКС
— 20 ед. вр.;
— время передачи подтверждения по ДКС
— I ед. вр.;
— время обработки пакета в ЦП — 2 ед. вр. Текст исходной программы приведен ниже,
где СРШ — обозначение 1-го центрального процессора, DCHL — обозначение L-го дискретного канала связи.
При выполнении задания необходимо добавить к тексту исходной GРSS-программы операторы, обеспечивающие при моделировании процесса передачи информации в СПД следующее:
1) определение функции распределения времени передачи пакетов сообщений между УК;
2) получение графиков загрузки выходных накопителей;
High technologies in Earth space research № 2-2010
Ш
ТЕЛЕКОММУНИКАЦИИ
3) определение вероятностей переполнения накопителей;
4) получение соотношений пакетов и подтверждений во входных и выходных накопителях;
5) получение графика изменения длины очереди пакетов в выходном накопителе;
6) определение функций распределения времени передачи подтверждений между УК;
7) определение вероятности передачи па
кетов из выходной очереди во входную при пе реполнении выходной очереди;
8) получение функции распределения времени ожидания подтверждения пакетом в выходной очереди.
С программой, реализующую представленное исследование, можно ознакомиться в пособии по моделированию [1]. Так же программа применяется в качестве лабораторной работы по дисциплине "моделирование".
Литература
1. Стефанов А..М. Моделирование. Пособие по выполнению практикума. — Ростов-на-Дону: Северо-Кавказский филиал МТУСИ, 2010г.
2. Советов Б.Я., Яковлев С.А. Моделирование систем. — М.: Высшая школа, 2001.
3. Ларионов А..М., Майоров С.А., Новиков Г И. Вычислительные комплексы, системы и сети. — Ленинград.: Энергоатомиздат, 2000.
4. Олифер В.Г, Олифер Н.А Компьютерные сети. Принципы, технологии, протоколы. — СПб.: Издательский дом "Питер", 2006.
Наукоёмкие технологии в космических исследованиях Земли № 2-2010
