Управление потоками данных в зашумлённых каналах Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

Intellectual Technologies on Transport. 2015. №1

Управление потоками данных в зашумлённых

каналах

Кушназаров Ф.И.

Петербургский государственный университет путей сообщения Императора Александра I

Санкт-Петербург, Россия k.farruh@bk.ru

Аннотация. В вычислительных сетях управление ошибками (EC - error control) и управление потоками данных (FC - flow control) являются важнейшими функциями протоколов канального уровня, исполнение которых существенно влияет на их производительность. Существующие методики оценки производительности протоколов канального уровня разработаны в предположении отсутствия воздействия на каналы передачи данных помех различной природы. Учтено влияние помех повторной передачи кадра в канале, длина канала и зависимость размера кадра на вероятность появления ошибки в кадрах, число попыток до успешной передачи кадра.

Ключевые слова: канал передачи данных, управление ошибками, производительность, реальная скорость канала, помехи, компьютерные сети.

Введение

Быстрое развитие коммуникационных сетей в современном мире не только идёт по проводным каналам, но также по беспроводным каналам. В настоящее время имеется целый ряд беспроводных решений, таких как: оборудование радиодоступа, радиорелейные станции и атмосферные оптические линии связи.

Рис.1. Базовая схема двухточечного соединения

Производительность протокола канального уровня, прежде всего, определяется технологией обмена данными между конечными точками соединения (рис. 1).

При оценке производительности, помимо задержки, связанной с временем на передачу информационных и служебных кадров, необходимо также учитывать реальную задержку на распространение сигналов в передающей среде (проводной, оптической и др.).

В данной статье рассматривается производительность сетей в канальном уровне модели ISO/OSI. Несмотря на все более широкое применение сетей, к настоящему моменту отсутствует методика тестирования каналов связи данного типа. Такое положение зачастую приводит к сложностям при их сдаче в эксплуатацию. Причина - отсутствие критериев оценки качества канала даже в простейшей конфигурации точка-точка.

В основном для управления потоком и контроля ошибок на канальном уровне, используются три метода: остановка с ожиданием, возврат на N шагов и селективный выбор. Последние два метода представляют собой специальные случаи техники скользящего окна. Мы рассмотрим протокол с ожиданием.

Управление потоками данных в сетях передачи данных рассмотрены в ряде работ [6 -12].

Протокол с ожиданием, после получения каждого посланного кадра должно быть подтверждение. Если подтверждения не пришло в течение определённого промежутка времени, то считают, что кадр не принят и должен быть отправлен опять. Этот вид сервиса используется в ненадёжной физической среде передачи, например, беспроводной.

ACK (Acknowledgment) - положительная квитанция о получении кадра.

NAK (Not Acknowledgment) - отрицательная квитанция (о получении искажённого кадра).

старт стоп старт

стоп старт

t

t

Интеллектуальные технологии на транспорте. 2015. №1

42

Intellectual Technologies on Transport. 2015. №1

• Передатчик отправитель отправляет I (информацион- • Передатчик отправитель, получая положительную кви-

ный кадр) - кадр и запускает таймер (рис.2.). танцию, понимает, что кадр дошел правильно, оста-

• Приемник получатель при получении I-кадра проверя- навливает таймер и отправляет следующий I-кадр.

ет, не искажен ли кадр. Если кадр не искажен, получатель отправляет положительную квитанцию ACK.

старт сброс рестарт сброс рестарт стоп

Рис.3. Схема ждущего режима искажение кадра

• Передатчик отправитель отправляет I-кадр и запускает таймер. (рис.3.)

• Приемник получатель при получении I-кадра проверяет, не искажен ли кадр. Если кадр искажен, то приемник его удаляет и не отправляет квитанцию.

• Передатчик ждет определенное время time-out. Если за это время положительная квитанция не приходит, то отправитель сбрасывает таймер и отправляет этот же I-кадр снова. Если эта ситуация повторяется несколько раз подряд, то передатчик приостанавливает передачу, считая, что произошел сбой в канале.

В ждущем режиме, отправитель кадров генерирует в канал очередной информационный кадр только по получении положительного или отрицательного подтверждения от получателя, соответственно ACK или NAK, где Очевидно, что канальная задержка D, при передаче этих служебных кадров, определяется в общем случае выражением:

п ‘

Лрасп.сигн

где:

S - длина канала передачи данных (в метрах),

Nack (бит) - длина квитанции (ACK или NAK)

R(6um/c) - номинальная скорость канала,

Rpacn.cu2H(Memp /с) - скорость распространения сигнала в среде передачи.

^расп.сигн ^ * Р,

где, c - скорость распространения сигнала в вакууме, р - соотношение реальной скорости распространения сигналов в вакууме.

Для наиболее распространенных кабельных систем р справедливо [1-3]:

Коаксиальный кабель - р = 0,66.

Витая пара cat3- кабель - р = 0,65-0,71. Оптоволоконный кабель - р = 0,66-0,78.

В условиях зашумленности канала, для оценки времени передачи N бит информационного кадра, введем реальную скорость передачи данных:

Т7 N-C ,1Ч

у = — *Р, (1)

где N (бит) - длина кадра, С (бит) - число проверочных битов в кадре, T - время передачи кадра (включая АСК):

Т = D + - + —---------. (2)

Я Ярасп.сигн

Результаты расчетов реальной скорости канала с учетом длины s канала передачи (кабеля) в зависимости от размера кадра, выполненные по формуле (1) для технологии Ethernet, приведены на рис.4. При этом параметры определены так:

С = 32 бита, NACK = 72 байта [4], R = 107 б/с, e

10-5,

Rp

1,98*10 (бит в метр)/с.

10 А < 9 vo Ж 8 > X 7 Z х 6 (О г 5 1 4 Ф 1 3 о 2 а 1

0 м 00 м

* ^ "" s = 20

» ..."

У S

/ / /

/ /

*

0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 длина кадра N (байт)

Рис.4. Реальная скорость канала

Оценим влияние помех на производительность в рассматриваемом протоколе. В отсутствии помех, для технологии Ethernet, с номинальной скоростью передачи данных 10Мб/с при передаче кадра размером 103 бит информация передается от отправителя к получателю за 10~4 с. В случае ошибки в кадре, регистрируемой получателем, отправителю направляется запрос на повторную передачу кадра и если кадр успешно будет передан при этой попытке, то время отправки составит уже не 10-4 секунд, а вдвое

Интеллектуальные технологии на транспорте. 2015. №1

43

Intellectual Technologies on Transport. 2015. №1

больше. Если таких попыток совершается m раз, то, соответственно, время доставки составит т*104с.

Вероятность успешной передачи кадра в г-й попытке Pi = (1 — р)(1 + р + р2 + р3 + —+ р1),

Pi = 1 — Р1,

p - вероятность искажения кадра,

Р = 1 — (1 — e)N,

N - длина кадра в битах, e - вероятность битовых ошибок в канале.

Определим число попыток повторной передачи кадра, на котором достигается заданная вероятность его успешной передачи:

Рзад = 1 — Р1 -

откуда т = 1%(1-Рзад\ (3)

lgp

На рис. 5 представлена вероятность успешной передачи кадра при разных значениях e относительно размера кадра для Рзад = 0,97 по расчетам формулы (3). При e = 10-3 с увеличении размера кадра можем, заметить резкое увеличение количество повторов. При e < 10-3 количество повторов кадра не превышает двух. Если в расчетах принять канал как e = 10-2, то количество повторов резко увеличивается, начиная с размера 500 байт (значение превышает сотню).

Рис.5. Вероятность успешной передачи кадра

3.

тированной доставки кадра составит соответственно m*T (рис.6)

При возникновении ошибки (искажение или пропадание) при передаче получателем кадров NAK или ACK на стороне отправителя сбрасывается таймер, осуществляется повторная передача информационного кадра и повторный запуск таймера. В этом случае время таймера берется с запасом, (на время доставки кадра максимальной длины) (рис.7). Если аналогичная ситуация повторяется m раз, общее время доставки кадра Тобщ составит

Тобщ = * (Ткадр мах +

где Ткадр мах - время отправки кадра максимальной длины. Откуда

кадр мах

(4)

Тобщ = т*\

W + nack + 2 *.

(5)

4. Эта ситуация похожа на третью, за исключением того, что при расчетах учитывается размер реально отправляемого кадра (рис.7). Общее время доставки кадра Тобщ составит

Тобщ = т* (Т + D),

Отсюда,

Тобщ = т*

+ ЕЛ£К + 2 *.

(6)

5. Рассмотрим ситуацию, когда, квитанция дублируется, т.е. отсылает отправителю последовательно две квитанции. Основываясь на расчетах по формуле (3), находим (рис.3), что при размерах информационного кадра меньше 100 байт количество повторов не превышает двух. В связи с этим полагаем, что как минимум одну из 2-х квитанции отправитель сообщения получает достоверно.

* общ

= т*Т + 2 * D,

1 общ

Отсюда

= т*(1 + ^^) + 2 *(■

\R Красп.сигн/ \

Nack

+

(7)

Механизм таймаута

Рассмотренный процесс доставки информационных кадров соответствует случаю неискаженной передачи служебных кадров ACK (NAK). В противоположном случае для обеспечения гарантированной доставки кадров на стороне отправителя реализуется механизм таймаута [5]. Рассмотрим возможные ситуации, связанные с введением этого механизма:

1. В случае безошибочной передачи кадра, получатель передает отправителю служебный кадр АСК (подтверждение). По его получению отправитель сбрасывает таймер. Время доставки кадра (рис.6) рассчитывается по формуле (2).

2. В случае если кадр при передаче подвергается воздействию помех, получатель передает отправителю кадр NAK, что требует повторной передачи кадра и, соответственно, повторного запуска таймера. Если подобная ситуация повторяется m раз, время гаран-

Параметры, входящие в выражение (4) и (5), определены так:

С = 32 бита, NACK = 72 байта [4], R = 107 б/с, e = 10-3, . RPacn.CUzii = 1,98*10 (бит в метр)/с, Рзад = 0,98, S = 500м.

0,25i ~ 0,2 ? vo О я 0,15 а сс (О S 0,1 У (О сс ф 0,05 а> с к 0 0

к 00

/ \ Ч

4 Ч \ \

20 0 4 50 6 дл 50 8 ина кад \ия 1 0 10 эа N (бай 00 12 т) »Ситуаци 00 14 я 2 о о S'

Рис.6. Время передачи кадра в ситуациях 1 и 2.

Интеллектуальные технологии на транспорте. 2015. №1

44

Intellectual Technologies on Transport. 2015. №1

С увеличением размера кадра время передачи информационного кадра увеличивается (ситуация 2), это связано с ожидаемым количеством повторов для достоверной передачи кадра к получателю. Количество ожидаемых повторов рассчитывается по формуле (3). В ситуации 1 предполагается, что при каждой отправке получатель сообщения достоверно получает кадр.

Рис.7. Время передачи кадра в ситуации 3-4

В формуле (5) в ситуации 3 рассматриваем технологию Ethernet. При этом устанавливаем таймер времени отправки максимального размера кадра и время приема подтверждения по каналу связи к приемнику (рис.7). В ситуации 4, формула (6) устанавливаем таймер времени отправки текущего кадра и время приема подтверждения по каналу связи к приемнику (рис.7).

Заключение

Рассмотренные отношения показывают влияние длины канала связи на реальную скорость передачи данных и на время передачи кадра. С увеличением длины канала уменьшается реальная скорость передачи данных (рис.4). На производительность сети так же влияет скорость распространения сигнала в каналах связи, чем ближе скорость распространения сигнала в среде к скорости распространения сигнала в вакууме, тем ближе реальная скорость канала к номинальной скорости канала. Расчеты (1-

7) дают возможность оценки реальной скорости канала, учитывая такие параметры как: уровень помех в канале, длина канала, размер кадра и тип кабеля.

ЛИТЕРАТУРА

1. RG 8/U коаксиальный кабель http://www.tk-neva.ru/catalog/_item295.html.

2. Спецификация кабеля UTP Cat 6 http://www.extron.com/download/files/specs/UTP_CAT_6_ca ble_020402.pdf.

3. Стандарт ISO/IEC 11801 Edition 2.0, IEC 61156-5, IEC 60794-2, IEC 60794-2-20, EN 50173-1, TIA 568C.3.

4. Форматы кадров технологии Ethernet http://www.vmux. ru/ip_tech_ 10/.

5. Halsall F. Addison-Wesley Data Communications, Computer Networks and Open Systems., 1996. - 907 p.

6. Еременко, В.Т. Синтез сетей передачи данных автоматизированных систем управления на основе критерия неблокируемой маршрутизации / С. И. Афонин, В. Т. Еременко, А. И. Офицеров, О. О. Басов // НАУЧНЫЕ ВЕДОМОСТИ Белгородского государственного университета. Серия «История. Политология. Экономика. Информатика». - 2011. - № 7 (102). Выпуск 18/1. - С. 168 -176.

7. Еременко, В.Т. Оптимизация ресурсов и управление процессами информационного обмена в сетях Асутп на основе полевых шин / С. И. Афонин, В. Т. Еременко, С. А. Максаков, А. И. Куленич // Вестник компьютерных и информационных технологий. - 2011. - № 9. - С. 46-49.

8. Джон Д. Рули Сети Windows NT 4.0: Пер. с англ. К., Издательская группа BHV, 1998.

9. Казаков С.И. Основы сетевых технологий. М., Микроинформ, 1995.

10. Сетевые средства Microsoft Windows NT Server 4.0: пер. с англ.-СПб., BHV-Санкт-Петербург, 1997.

11. Компьютерные сети. Учебный курс/ Пер. с англ. М.: Издательский отдел “Русская редакция”, 1997.

12. Русак И.М., Луговский В.П. Технические средства ПЭВМ. Справочник./ Под ред. Русака И.М., Мн., Высш. Шк., 1996.

Интеллектуальные технологии на транспорте. 2015. №1

45