Лекции и семинары по ТПИС / Семинары / Исследование процесса передачи данных

ПРАКТИЧЕСКОЕ ЗАНЯТИЕ: ИССЛЕДОВАНИЕ НА ИМИТАЦИОННОЙ МОДЕЛИ ПРОЦЕССА ПЕРЕДАЧИ ДАННЫХ

В ИНФОРМАЦИОННО-ВЫЧИCЛИТЕЛЪНОЙ СЕТИ

Цель работы: изучение особенностей построения моделей ин­формационных процессов и их компьютерной реализации с использо­ванием языка GPSS; исследование вероятностно-временных характеристик процесса функционирования сети передачи дан­ных (СПД) методом имитационного моделирования.

Объектом исследования в данной работе являет­ся СПД, осуществляющая передачу пакетов между узлами комму­тации информационно-вычислительной сети (ИВС).

Данные - это факты и(или) понятия, описанные на 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, представляющий 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 УКl и УК2 (рис.3). Эти узлы соединены между собой дуплексным дискретным каналом связи (ДКС), позволяющим одновременно передавать данные во встречных направлениях, т. е. имеется два автономных однонаправленных ДКС: Кl и К2 (рис.3).

Структурная схема варианта одного УК представлена на рис.1, где ВхБН и ВыхБН - входные и выходные буферные накопители со­ответственно; К - коммутаторы; ЦП - центральный процессор. Данный УК функционирует следующим образом. После поступ­ления пакета из одного из входных КС (каналов связи в приемной части) 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.

Рис. 1. Структурная схема варианта узла коммутации пакетов.

Структурная схема варианта ДКС с решающей обратной свя­зью показана на рис.2, где КУ и ДКУ - соответственно коди­рующее и декодирующее устройства; УУК - устройство управления каналом; КА - каналообразующая аппаратура.

Рис. 2. Структурная схема варианта дискретного канала связи

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. Необходимо передать пакеты либо в выходную линию 3, либо в выходную линию 4. Каждый канал передает информацию только в одном направлении.

Пакеты данных поступают в исследуемый узел коммутации (например, на вход1 в приемный накопитель H₄) по линии свя­зи. Считается, что интервалы между моментами поступления рас­пределены по экспоненциальному закону. После обработки в цен­тральном процессоре первого узла они поступают либо в линию 3 (при этом формируется подтверждение приема), либо в выходной накопитель H₁. Да­лее в порядке очереди копия пакета передается по дискретному ка­нaлy связи K₁ и поступает во входной накопитель второго узла H₂. После обработки в центральном процессоре второго узла пакет данных передается в выходную линию (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. Аналогично передаются пакеты с входа 2.

Задание к работе

Исследуемый фрагмент СПД, представленный в виде компо­зиции, приведенной на рис.3. 1 и 2 – входные потоки информации; 3 и 4 - выходные потоки информации; К₁ и К₂ – образуют совместно дискретный дуплексный канал связи (ДКС); H₂, H₄ – входные накопители информации, H₁, H₃ – выходные накопители информации; УК₁, УК₂ – узлы коммутации – определяют направление передачи информации.

Рис.3. Композиция исследуемого фрагмента СПД.

Исходные данные для моделирования:

средний интервал между пакетами данных – 25 ед. вр.; (GENERATE 25)

емкости накопителей (пакетов) – 20, (40); (STORAGE 20)

время передачи пакета данных по ДКС – 20, (10) ед. вр.; (ASSIGN 1,20)

время передачи подтверждения по ДКС – 1,(0.5) ед. вр.; (ASSIGN 1,1)

время обработки пакета в ЦП – 2, (1) ед. вр.(ADVANCE 2 для CPU1, CPU2);

Промоделировать СПД в течение 10000 временных интервалов, построить гистограммы распределения времени передачи пакета данных с начальными исходными данными (без скобок) и проанализировать результаты моделирования при поочередном изменении исходных данных (в скобках), выявив наиболее эффективный вариант уменьшения времени передачи данных (по наименьшему относительному изменению параметра СПД от начального варианта).

Подготовка к моделированию. Перед началом моделирования можно установить вывод нужных параметров моделирования. Для этого выберем опцию Settings (Установки) из пункта Edit главного меню. На вкладке Reports появится диало­говое окно, в котором можно установить нужные выходные данные: параметры функционирования каналов обслуживания (Facilities), накопителей (Storages) и данные в таблице (Tables)- рис. 4.

Рис. 4. Установка выходных параметров для имитационной модели СПД.

Моделирование системы. После создания имитационной модели не­обходимо ее оттранслировать и запустить на выполнение (текст программы приведен в приложении). Для начала моде­лирования выберем опцию Create Simulation (Произвести моделирование) из пункта Command главного меню. Начнется трансляция исходной модели, а затем и ее выполнение, так как в самой программе имеется управляющая команда START, обеспечивающая автоматическое выполнение оттрансли­рованной программы. После выполнения программы появится журнал трансляции и выполнения Journal и результаты работы программы в окне Report .

Для построения гистограммы нужно выбрать опцию Simulation Window (Окно моделирования) из пункта Window главного меню и выбрать Table Window. Появится всплывающее окно Open Table Window. В раскрывшемся списке Table следует активировать нужную гистограмму. На диаграмме по оси абсцисс отложено время, а по оси ординат количество пакетов, попадающих в выделенный временной интервал. Изменяя входные данные проанализировать как влияют характеристики системы передачи на скорость передачи пакетов информации.

Расшифровка основных результатов:

Общая информация о функционировании системы:

START ТIME (начальное время моделирования.) -

END ТIME (конечное время моделирования) - ;

BLOCKS (число блоков, шт.) - ;

FACILIТIES (число каналов обслуживания, шт.) - ;

STORAGES (число накопителей, шт.) - .

Функционирование каналов обслуживания под именами……:

ENTRIES (число обслуженных требований, шт.) - соответственно, ….;

UТIL. (коэффициент использования канала обслуживания) - ……;

АУЕ. ТIME (среднее время обслуживания, с.) -……;

Функционирование накопителя под именем ….:

САР. (вместимость, шт.) - ….;

REM. (удалено требований, шт.) - ……;

MIN. (минимальное содержимое, шт.) - ….;

МАХ. (максимальное содержимое, шт.) - ……..;

ENTRIES (число входов) - …..;

АVL. (наличие свободных мест на момент окончания моделирования) - да;

АУЕ. С. (средняя вместимость, шт.) - …;

UТIL. (коэффициент использования) - …….;

4