книги / Управление большими системами. УБС-2017

Информационные технологии в управлении техническими системами и технологическими процессами

Рис. 3. Результаты моделирования P2P-сети

с DHT-протоколом

Преимуществом пошагового управления моделью является возможность анализа и интерпретации полученных результатов. Необходимость автоматизированного моделирования обусловлена важностью получения статистических результатов о результативности поиска информации в зависимости от параметров сети и протокола. Программа автоматизированного моделирования воспроизводит 1000-кратный цикл воспроизведения процедуры поиска различных данных в сети и, на-

513

551

Управление большими системами. Выпуск XX

капливая статистику, выводит данные о результативности. Ограничение числа циклов поиска данных за один запуск модели связано с изменением (расширением) DHT-таблиц узлов, что приводит к изменению исходных параметров модели сети и оказывает влияние на результаты моделирования.

4. Результаты

Для исследования протокола DHT в работе построена онтология P2P-сети, которая использована при построении имитационной модели сети с анализируемым протоколом поискового сервиса. Представленная модель в настоящее время используется для исследования результативности поиска данных в сети с различными сетевыми и протокольными параметрами: число узлов в сети, число записей в DHT-таблице, ёмкость корзины, глубина поиска. Конечной целью проводимого анализа является оптимизация характеристик протокола поискового сервиса для заданных исходных данных.

Литература

1.СИВАЩЕНКО Д. Распределённые хэш-таблицы на примере

NoSQL СУБД Cassandra. – URL: http: //seminar.at.ispras.ru/wp- content/uploads/2010/11/Cassandra-and-DHT.pdf (accessed at 25 July 2017).

2.LOEWENSTERN A. DHT Protocol. URL: http: //www.bittorrent.org/beps/bep_0005.html (assecced at 25 July 2017).

3.MONI NAOR, UDI WIEDER. Novel Architectures for P2P Applications: the ContinuousDiscrete Approach. Proc. SPAA, 2003. – URL: http: //research.microsoft.com/pubs/73859/dhpaper_final_hp.pdf (assecced at 25 July 2017).

514

552

Информационные технологии в управлении техническими системами и технологическими процессами

MODEL PROTOCOL SEARCH SERVICE DHT

Sergey Dadenkov, Perm National Research Polytechnic University, Perm, Cand.Sc. (dadenkov@rambler.ru).

Rinat Ibragimov, Perm National Research Polytechnic University, Perm, student (rinat_ibragimov95@mail.ru).

Abstract: The paper describes a simulation model of a decentralized P2P network Protocol search service DHT. Is a natural and ontological description of the work of the DHT Protocol. The simulation model of a P2P network with a DHT Protocol in the simulation environment AnyLogic, which allows to evaluate the performance of data retrieval.

Keywords: protocols, data retrieval, centralized and decentralized protocols, BitTorrent, DHT, P2P.

515

553

Управление большими системами. Выпуск XX

УДК 681.518 + 004.05

ББК 30в6

ПОСТРОЕНИЕ МОДЕЛИ ПРОТОКОЛА СЛУЧАЙНОГО МНОЖЕСТВЕННОГО ДОСТУПА

P-PERSISTENT CSMA

Даденков С.А.1, Кон Е.Л.2, Харюшина К.И.3

(Пермский национальный исследовательский политехнический университет, Пермь)

Выполняется построение имитационной модели вероятностного p-настойчивого протокола CSMA множественного доступа узлов сети к разделяемой среде передачи информации. Анализируются разновидности протокола p-Persistent CSMA со статическим и динамическим уровнем настойчивости на основе прогнозирования нагрузки на канал передачи.

Ключевые слова: протоколы случайного множественного доступа p-CSMA, коллизии, загруженность канала связи.

1. Введение

Решение задачи организации множественного доступа узлов к каналу в сетях с разделяемой средой передачи выполняется с помощью вероятностных и детерминированных методов доступа. Вероятностные методы позволяют более эффективно использовать сетевой канал при передаче спорадического трафика, а детерминированные методы – при передаче регулярного трафика. Использование детерминированных методов является целесообразным для обеспечения вероятностно-временных характеристик систем жесткого реального времени, в то время как

1 Сергей Александрович Даденков, кандидат технических наук

(dadenkov@rambler.ru).

2Ефим Львович Кон, кандидат технических наук (kel-40@yandex.ru).

3Кристина Ивановна Харюшина, студентка (kharushina.christina@

gmail.com).

516

554

Информационные технологии в управлении техническими системами и технологическими процессами

вероятностные методы могут обеспечить меньшее время передачи (при условии небольшой полезной загруженности канала с множественным соперничеством или высокой загруженностью без соперничества), служить основой организации систем мягкого реального времени. Поэтому применение вероятностных методов множественного доступа CSMA (Carrier Sense Multiple Access) получило широкое распространение в локаль- но-вычислительных сетях, сетях доступа Ethernet (FE, GE, xGE, TE), транспортных сетях Metro Ethernet (ME), беспроводных сетях связи. В настоящее время методы множественного доступа активно применяются для построения промышленных сетей реального времени: Industrial Ethernet (IE), CAN, LonWorks, ModbusTCP и др. В указанных сетях связи используются различные разновидности протоколов семейства CSMA, которые эффективны в различных условиях эксплуатации: при определённом количестве узлов в сети, загруженности канала связи, характере информационной нагрузки и проч. Широкая распространённость протоколов множественного доступа, а также рост требований к быстродействию сетевых систем актуализирует решение задачи построения моделей протоколов множественного доступа CSMA и оценки их вероятностных и временных характеристик передачи информации.

Одним из основных критериев классификации протоколов множественного доступа с контролем несущей является признак настойчивости передающих устройств (при наличии у них информации для передачи). Все разновидности являются частным случаем общего алгоритма с p-уровнем настойчивости (p-Persis- tent, p-CSMA), где p – вероятность начала передачи сетевым устройством, имеющим информацию, сразу по освобождении канала. Настойчивые протоколы доступа 1-CSMA характеризуются передачей информации сразу же после освобождения канала. Протокол с ненастойчивым поведением характеризуется проверкой занятости канала и в случае занятости откладыванием попытки проверки канала и передачи на случайный интервал времени. Отдельно от указанных, абсолютно настойчивых и ненастойчивых, протоколов выделяют алгоритмы с вероятностным уровнем настойчивости, обеспечиваемым случайной за-

517

555

Управление большими системами. Выпуск XX

держкой передачи с момента освобождения канала. Результаты известных исследований показывают преимущества протокола при спорадическом характере трафика [3, 6]. В настоящей работе анализируется и производится построение модели двух разновидностей вероятностного p-CSMA протокола со статическим и динамическим уровнем настойчивости на основе прогнозирования нагрузки на канал передачи (predictive p-persistent CSMA).

2. Алгоритм доступа p-Persistent CSMA

Доступ узлов к сетевому каналу по протоколу p-Persistent производится в синхронных пакетных циклах [3–5]. Циклы подразделяются на свободные, когда канал свободен, и занятые, когда выполняется передача. Каждый занятый пакетный цикл представляет собойвремядоступакканалу ивремяпередачипакетаданных.

Рис. 1. Алгоритм доступа и передачи p-Persistent CSMA

Алгоритм доступа к среде включает следующие основные этапы (рис. 1) [5, 2, 4]:

1)Проверка активности в сетевом канале.

2)Фиксированный межпакетный интервал β1.

3)Фиксированный для узла приоритетный интервал, равный числу слотов доступа l, каждый продолжительностью β2.

4)Случайный интервал доступа для каждого узла, равный

случайному числу слотов доступа продолжительностью β2, выбранных по равномерному распределению из окна доступа, ши-

риной W = [0..Wb·BL – 1]. Wb – базовая ширина соревновательного окна (базовое количество слотов доступа), равного по стандарту 16 временным слотам. Backlog (BL) – прогнозируемая на канал нагрузка, изменяемая по результатам успешных (–1)

инеудачных (+1) передач, регулирующая ширину W окна дос-

518

556

Информационные технологии в управлении техническими системами и технологическими процессами

тупа, уменьшающая вероятность коллизии с ростом нагрузки на канал. Отличительной чертой алгоритма без прогнозирования (no predictive) является постоянный уровень настойчивости, обеспечиваемый отсутствием механизма прогнозирования с сохранением постоянного значения нагрузки backlog, равного 1.

Узел с минимальным суммарным временем доступа считается выигравшим в соперничестве за канал и осуществляет передачу пакета с задержкой, равной частному от деления размера пакета на скорость передачи в сети. При одновременной передаче несколькими узлами происходит коллизия. Возможность повторной передачи после коллизии определяется сервисом доставки сообщений вышележащего транспортного уровня стека протоколов. В настоящей работе анализируется сервис ненадёжной доставки, поэтому все сообщения, участвующие в коллизии, повторно не передаются, т.е. теряются. В таком случае вероятность потери передаваемого сообщения равна вероятности коллизии [2].

3. Разработка модели

Разработка имитационной модели протокола множественного доступа p-CSMA в сети связи выполняется в системе имитационного моделирования AnyLogic. Выбор системы обусловлен простотой, наглядностью и гибкостью разработки модели с использованием языка объектно-ориентированного программирования Java и развитой совокупностью элементов дискрет- но-событийного моделирования процессов и событий [1].

Разработка модели сети связи с протоколом множественного доступа традиционно осуществляется, начиная с иерархически верхнего элемента сети – канала связи и далее продолжается для вложенных объектов узлов, входящих в состав канала, и сообщений, принадлежащих определённым узлам. Построение объектноориентированной модели производится путем разработки классов указанных элементов (объектов-агентов), представляемых набором параметров, методов, диаграмм передачи и обработки информации и событий. При этом создание конкретных экземпляров указанных классов (определенных узлов, сообщений) производится в рамках запуска и функционирования модели.

519

557

Управление большими системами. Выпуск XX

Элемент модели «Канал» в AnyLogic создан структурой одиночного корневого агента, который представляется набором параметров: количество и коллекция узлов-агентов, интенсивность генерации сообщений узлом сети, скорость передачи по каналу и параметры доступа протоколов (β1, β2), служебные параметры (состояние канала, обнаружение коллизии и др.).

Узлы сети моделируются агентами пользовательского класса «Узел», структура которых включает ряд свойственных им параметров и диаграмм доступа к разделяемой среде передачи информации. Параметры узлов: коллекция сообщений для передачи по сети, выбранное количество случайных слотов доступа, величина прогнозируемой нагрузки backlog.

Класс сообщений, передаваемых по сети между узлами, представлен простой структурой, включающей на данном этапе разработки модели, отметку времени появления сообщения и значение егоразмера.

Основное внимание при разработке модели уделено разработкедиаграммыдоступаузловсетикразделяемойсредепередачи.

С помощью события «ГенерацияСообщения» в модели производится формирование в случайные моменты времени новых сообщений для передачи другим узлам сети. При этом выполняется определение параметров сообщений, таких как адреса отправителя и получателя, время формирования сообщения и др.

Диаграмма доступа реализует алгоритм, представленный

вп. 2, и описывается следующим набором состояний и переходов между ними (рис. 2):

1.Исходным состоянием «НачалоПЦикла» диаграммы является начало пакетного цикла. Узел осуществляет коррекцию значения счётчика прогнозируемой нагрузки backlog на канал связи на новый пакетный цикл в зависимости от результата предыдущей передачи и разновидности протокола CSMA. Переход

вследующее состояние прозводится по истечении интервала времени межпакетной передачи β1 (PackageInterval).

2.Продолжение доступа к каналу для передачи выполняется при условии наличия у узла объекта-сообщения (Message) для передачи, генерируемого с использованием события «ГенерацияСообщения». В ином случае узел переходит в состояние ожидания принятия («Приём») сообщения из канала связи.

520

558

Информационные технологии в управлении техническими системами и технологическими процессами

Рис. 2. Диаграмма доступа p-Persistent CSMA

3.Состояние ожидания приёма необходимо для перевода узла в состояние неактивной передачи с ожиданием завершения пакетного цикла либо по истечении времени свободного пакетного цикла («idlePacketCycle») с отсутствием активности в канале связи, равного времени ожидания всех слотов доступа W·BL, либо по завершении занятого пакетного цикла.

4.Узел, имеющий сообщение для передачи, начинает соперничество за канал связи и выбирает случайное количество слотов доступа из ширины окна, после чего выжидает соответствующую задержку доступа («randomAccess»).

521

559

Управление большими системами. Выпуск XX

5. В состоянии «Контроль» узел прослушивает среду и определяет возможность начала передачи. В случае обнаружения несущей в канале связи (по параметру состояния канала) узел переходит по связи «channelBusy» в состояние приёма сообщения, откладывая передачу до следующего пакетного цикла, в ином случае продолжает пакетный цикл и переходит по связи «channelIdle», где в зависимости от числа узлов, выбравших равное число слотов доступа, выявляется факт коллизии передачи в канале.

6.Состояние «Передача» и переход «Transfer» моделируют процесс и временную задержку передачи объекта сообщения узлу-получателю.

7.В состоянии завершения пакетного цикла собирается статистика по результативности и задержке передачи сообщения, а также отправляется модельное сообщение узлам сети для входа узлов в новый синхронный пакетный цикл. В рамках данного состояния в зависимости от сервиса передачи данных выполняется различная обработка сообщений. В случае передачи без подтверждения исходное сообщение удаляется независимо от результата передачи, а при сервисе с подтверждением сохраняется с пометкой передачи до момента получения подтверждения. В случае использования сервиса с подтверждением и коллизии передачи в следующий пакетный цикл осуществляется повторная попытка передачи сообщения определённое число раз.

Представленное описание реализовано в модели программно, с использованием простых приёмов объектно-ориентирован- ного программирования Java работы с объектами модели, массивами, параметрами, переменными.

4.Результаты

В работе предложена модель сети с протоколом случайного множественного доступа p-Persistent CSMA, позволяющая выполнять оценку вероятности и задержки успешной передачи данных в сети. C использованием предложенной модели запланировано проведение исследований протоколов

522

560