2 Имитационное моделирование csma/cd в среде gpss
2.1 Описание программы
Ниже перечислим основные моменты, которые учитывались при разработке программы моделирования метода доступа CSMA/CD для сети Ethernet на GPSS.
При разработке модели предполагается, что кадры от отдельных СУ поступают в случайные моменты времени, интервалы между которыми имеют экспоненциальное распределение, то есть входной поток кадров является простейшим потоком событий, представляющим наиболее тяжелый режим работы сети. Кадры формируются двух типов - длинные (информационные) и короткие (служебные).
Каждый СУ может быть занят одним кадром (сообщением) до тех пор, пока он не будет отправлен или пока его не удаётся отправить из‑за некоторого числа коллизий с кадрами других СУ, после чего СУ освобождается. Если число коллизий превышает определённый предел, то объявляется ошибка и СУ также освобождается.
Подразумевается, что отдельные СУ отстоят друг от друга на небольшое расстояние (при моделировании — 2,5 м). При расчете окна коллизии для определения разделяющего расстояния используется идентификационный номер (ID) СУ. Идентификационный номер (ID) СУ используется для определения расстояния при вычислении «Окна коллизии».
Межкадровый IPG интервал моделируется путем приостановки функционирования сети на некоторое дополнительное время после передачи СУ кадра.
Коллизия возникает из-за одновременных попыток передачи кадров двумя или более СУ. Задержка распространения сигнала препятствует определять данному СУ одновременность начала передачи кадра другим СУ, тем самым приводя к возможности коллизии. Интервал времени, в течение которого сигнал из другого СУ не может быть обнаружен, называется «окном коллизии».
Алгоритм работы программы приведен на рис. 4.
Текст программы на GPSS представлен на рис. 5.
Кадры представлены GPSS транзактами. СУ представлены GPSS устройствами (Facilities).
При моделировании коллизия инициирует лишение передаваемого транзакта права занимать Ethernet путем отправки его в подпрограмму backoff задержки на некоторый интервал времени. При возникновении коллизии генерируется jam-последовательность, которая на небольшой промежуток времени блокирует Ethernet, после чего каждый кадр, попавший в коллизию, ждёт еще некоторый случайный временной интервал Backoff_Delay до попытки повторной передачи. При отправке кадра транзакт занимает устройство Ethernet с приоритетом 0 и может быть вытеснен только транзактом с приоритетом 1. Транзакт с приоритетом, равным 1, никогда не отдаст занятую им среду передачи (устройство Ethernet).
Если бы все СУ попытались повторно передать кадр сразу после коллизии, то это закончилось бы другой коллизией. Поэтому протокол обязан гарантировать низкую вероятность одновременной повторной передачи. Принятая схема Ethernet использует случайный период, где каждый узел выбирает случайное число, умножает его на время передачи минимального кадра (этот период равен 51,2 мкс - время передачи короткого кадра длиной 512 бит) и ждет в течение этого случайного периода перед попыткой повторной передачи. Также добавляется технологическая пауза IPG - межкадровый интервал, равный 9,6 мкс.
В загруженной сети повторная передача одного узла может возникать одновременно с повторной передачей другого узла. Протокол подсчитывает число попыток повторной передачи Retries (переменная N в вышеупомянутой схеме) и пытается повторно передавать тот же самый кадр до 15 раз.
Рис. 4. Алгоритм моделирующей программы
Для уменьшения вероятности возникновения повторных коллизий используется процедура регулирования задержки повторной передачи:
Backoff_Delay = Slot_time х Backrandom = 512 х BT х Backrandom
где Backrandom - целое число, которое выбирается случайным образом из диапазона 1 ÷ 2min(10, N).
* 10 Mbps Модель ЛВС на основе метода доступа CSMA/CD
* Время измеряется в мс.
*********************************************************
* Параметры константы
*********************************************************
Node_Count EQU 100 ;Число СУ в моноканале (МК) Nсу
Node_Period EQU 105.2 ;Средний интервал между кадрами
;одного (каждого) СУ
Min_Frame EQU 512 ;Длина короткого кадра в битах
Max_Frame EQU 12144 ;Длина длинного кадра в битах
Fraction_Short_Frame EQU 600 ;Доля коротких кадров на тысячу
Bit_Time EQU 0.0001 ;Врямя передачи одного бита
Slot_Time EQU Min_Frame#Bit_Time ;Интервал отсрочки - время 512 бит
Jam_Time EQU 32#Bit_Time ;Длительность Jam-последовательности
;- время 32 бит
InterFrame_Time EQU 96#Bit_Time ;Межкадровый интервал - время 96 бит
Backoff_Limit EQU 15 ;Max число повторных попыток
Signal_Speed EQU 250000 ;Скорость сигнала в кабеле V[м/мс]
Net_Length EQU 250 ;Максимальная удалённость СУ - длина МК L[м]
* Задержка распространения сигнала в кабеле между смежными СУ: L/(Nсу*V)
InterNode_Time EQU Net_Length/(Node_Count#Signal_Speed)
*********************************************************
* Переменные параметры
*********************************************************
Net_Period VARIABLE Node_Period/Node_Count ;Средний интервал между кадрами
;в сети
Backoff_Delay VARIABLE Slot_Time#V$Backrandom ;Задержка повторной попытки
;зависит от числа попыток N
Backrandom VARIABLE 1+(RN4@((2^V$Backmin)-1)) ;как RAND(0,2min(10,N)) х 512 х ВТ
Backmin VARIABLE (10#(10'L'P$Retries))+(P$Retries#(10'GE'P$Retries))
Node_Select VARIABLE 1+(RN3@Node_Count) ;Выбор СУ
* Проверка на попадание в окно коллизии (collision window)
Collide VARIABLE ABS((X$Xmit_Node-P$Node_ID)#InterNode_Time)'GE'(AC1-X$Xmit_Begin)
FrameTime VARIABLE Bit_Time#V$FrameRand ;Время на передачу кадра = BT х длину
FrameRand VARIABLE Min_Frame+(RN1'G'Fraction_Short_Frame)#(Max_Frame-Min_Frame)
********************************************************
* Гистограмма числа попытокN
********************************************************
N_retries TABLE P$Retries,0,1,17
********************************************************
* Гистограмма задержки кадров
********************************************************
Frame_Delays QTABLE Global_Delays,1,1,20
********************************************************
* Главная часть модели
********************************************************
********************************************************
* Порождение кадров
********************************************************
GENERATE (Exponential(1,0,V$Net_Period)) ;Генерация кадра
ASSIGN Node_ID,V$Node_Select ;Формирование ID СУ
ASSIGN Frame_Time,V$FrameTime ;Формирование длины кадра
ASSIGN Retries,0 ;Обнул.счётчика повт.передач
********************************************************
* Ждать пока СУ не закончить любую предыдущую работу
********************************************************
QUEUE Global_Delays ;Запуск счётчика гистограммы
SEIZE P$Node_ID ;Занятие СУ с номером ID
Try_ToSend PRIORITY 1 ;Попытка и повторная попытка
TEST E F$Ethernet,1,Start_Xmit ;Если МК свободен, то к передаче кадра
********************************************************
* МК занят.
* Проверка, находится ли СУ при передаче в "Окне коллизий".
* Если да, то этот СУ должен начать передачу, так так он ещё не знает, что другой
* СУ уже начал передачу (ещё нет сигнала от другого СУ и коллизия не началась).
* В этом случае необходимо инициировать коллизию.
********************************************************
TEST E V$Collide,1,Start_Xmit ;Проверка на наличие коллизии, если не
;началась, то занять МК (начать перед.)
************** Коллизия ********************************
Collision PREEMPT Ethernet,PR,Backoff,,RE ;Удалить кадр, который был в МК
SEIZE Jam ;Отправка Jam-последовательности
ADVANCE Jam_Time ;Задержка на время Jam-последоват.
RELEASE Jam ;Конец Jam-последовательности
RELEASE Ethernet ;Освободить МК
PRIORITY 0 ;Восстановить нормальный приоритет
Backoff ASSIGN Retries+,1 ;Увеличить число повторных попыток
TEST LE P$Retries,Backoff_Limit,Xmit_Error ;Предел попыток
ADVANCE V$Backoff_Delay ;Тайм-аут повторной попытки
TRANSFER ,Try_ToSend ;К повторной попытке
*********************************************************
* МК свободен. Начало передачи кадра
*********************************************************
Start_Xmit SEIZE Ethernet ;Получение МК
SAVEVALUE Xmit_Node,P$Node_ID ;Идентификация СУ отправителя
SAVEVALUE Xmit_Begin,AC1 ;Фиксация начала xmit времени
PRIORITY 0 ;Гарантия, что можно прервать
ADVANCE P$Frame_Time ;Ожидание времени передачи кадра
ADVANCE InterFrame_Time ;Межкадровое время
RELEASE Ethernet ;Освобождение МК
Free_Node RELEASE P$Node_ID ;Освобождение СУ с номером ID
DEPART Global_Delays ;Остановка счетчика для гистограммы
TABULATE N_retries ;Счёчик гистограммы повт.попыток
TERMINATE ;Удаление переданного кадра
**********************************************************
Xmit_Error SAVEVALUE Error_Count+,1 ;Подсчёт ошибок
TRANSFER ,Free_Node ;и освобождение СУ
**********************************************************
* Сегмент таймера
**********************************************************
**********************************************************
GENERATE 10000 ;Время моделирования 10000 мс = 10 с
SAVEVALUE USE_ETHERNET,(FR$Ethernet/1000) ;Коэффициент использования
;сети
TERMINATE 1
Рис. 5. Текст моделирующей программы на GPSS
При описании программы под кадрами/сообщениями следует понимать транзакты, поскольку именно ими оперирует GPSS.
Создание кадра и выбор СУ. С помощью блока GENERATE генерируются сообщения (транзакты), интервалы между которыми распределены по экспоненциальному закону. В блоке ASSING переменной Node_ID присваивается номер узла Node_Select, тем самым выбирается СУ, отправляющий кадр. В блоке ASSING переменной Frame_Time присваивается значение FrameTime, тем самым выбирается длина передаваемого кадра.
Занятие СУ и Ethernet. При помощи блока SEIZE занимается выбранный узел, после чего идет проверка занятости среды. Это делается в блоке TEST, где проверяется, свободна среда Ethernet или нет. Если да, то с помощью блока SEIZE она занимается. Если среда занята, то с помощью блока TEST ее проверяют на наличие коллизии. При наличии коллизии сообщение поступает в часть программы, занимающуюся обработкой коллизий. Если коллизии нет, то сообщение продвигается по программе дальше и устройство Ethernet занимается.
Прохождение кадра. После занятия Ethernet сообщением с помощью блока SAVEVALUE происходит выделение отправителя и сохранение начального времени передачи сообщения. В блоке ADVANCE выполняется задержка, продолжительность которой определяется длиной сообщения. По окончании задержки на длину сообщения происходит задержка длиной в межкадровый интервал IFG, которая выполняется в блоке ADVANCE.
Освобождение Ethernet и СУ. После окончания прохождения сообщения через Ethernet с помощью блока RELEASE происходит освобождение сети. При этом происходит освобождение узла с номером Node_ID, что свидетельствует о том, что сообщение полностью передано. Затем оно уничтожается в блоке TERMINATE.
Обработка коллизий. Если в сети возникла коллизия, то сообщение после второго блока TEST, который отвечает за распознавание коллизий, поступает в блок PREEMPT. Если приоритет сообщения кадра «захватчика» выше, чем приоритет обслуживаемого, то с помощью этого блока происходит захват Ethernet. Прерванное сообщение будет направлено на метку Backoff, и оно теряет право на восстановление. Затем с помощью блока SEIZE занимается устройство Jam, и транзакт в этом устройстве удерживается блоком ADVANCE на время передачи jam-последовательности. После прохождения времени задержки устройство Jam освобождается при помощи блока RELEASE, а после этого блоком RELEASE освобождается устройство Ethernet. При каждом попадании кадра/транзакта на метку Backoff в блоке ASSING происходит суммирование попыток повторной передачи сообщения. Дальше происходит сравнение блоком TEST количества попыток повторной передачи сообщения с предельным количеством попыток. Если число попыток не достигло предельного значения, то происходит задержка на время случайной паузы блоком ADVANCE. По истечении случайной паузы сообщение направляется на повторную передачу. Если же число попыток достигло предельного значения, то инициируется ошибка в сети и пакет отбрасывается, при этом узел и Ethernet освобождаются, а сообщение удаляется в блоке TERMINATE.