автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.01, диссертация на тему:Математические модели для исследования информационно-вычислительных сетей коммутации пакетов

Введение.

Глава I. Постановка задачи цроектирования сети передачи данных коммутации пакетов. ТО

1.1. Состояние воцроса и задачи исследования. ГО

1.2. Основные параметры характеризующие сеть и ее характеристики.

1.3. Разработка общей методики исследования сетей на основе метода декомпозиции.

Выводы по главе.

Глава II. Одноканальные двухполюсные однофазовые сети

2.1. Разработка математических моделей для расчета пропускной способности, среднего времени задержки и вероятности потерь /удвоения/ пакета /блока/ сообщений.

2.2. Ручной метод расчета размера кадра /блока/ сообщений.

2.3. Машинный метод расчета размера кадра пакета /блока/ сообщений.

Выводы по главе.

Глава III. Многофазовые двухполюсные сети ПД.

3.1. Разработка математических моделей для расчета пропускной способности, среднего времени задержки и вероятности потерь /удвоения/ пакета датаграммы/ сообщений.

3.2. Анализ сети на основе разработанных моделей.

3.3. Рекомендации по реализации разработанных моделей.

Выводы по главе.

Глава 1У. Программные комплексы для расчета характеристик сетей с помощью ЭВМ.

4.1. Программа расчета пропускной способности в каждой фазе передачи.

4.2. Программа расчета размера блока /кадра пакета/ сообщений.

4.3. Црограмма расчета среднего времени задержки сообщений.

4.4. Программа расчета вероятности потерь пакета /датаграммы/ сообщений.

Выводы по главе.

В "Основных нацравлениях экономического и социального развития СССР на I98I-I985 годы и на период до 1990 года" предусматривается дальнейшее развитие и повышение эффективности сети автоматизированных систем управления /АСУ/ и вычислительных центров /ВЦ/ коллективного пользования, продолжение их объединения в единую общегосударственную систему сбора и обработки информации для учета,, планирования и уцравления*. Из этого общего нацравле-ния непосредственно вытекает задача оптимального проектирования сетей передачи данных /ПД/, цредназначенных душ ВЦ и АСУ и обеспечивающих обмен информацией между любыми пользователями и ВЦ,, между любыми парами ВЦ и между любыми парами пользователей в сетях ВЦ и подобных функций по сбору и обработке информации в других системах.

До середины 60-х годов в области связи господствовал цринцип статического /не зависящего от потока нагрузки/ распределения средств связи. Сейчас црактически все проекты сетей, в том числе и сетей ВЦ и АСУ основываются на динамическом распределении средств, обслуживают определенный круг потребителей с помощью ограниченного числа ресурсов.

Вышеуказанными факторами и объясняется то, что методы проектирования классических сетей непосредственно к современным сетям не цриложимы. Необходимо переосмысление многих традиционных способов. Актуальной задачей в области теории и техники сетей является разработка методов оптимального их цроектирования, обеспечивающих наиболее эффективное использование затрачиваемых средств. Этим и определяется значительное возрастание роли анализа в раз-ботке сетей за последнее десятилетие.

И Материалы ХХХУ1 съезда КПСС. М.:Политиздат,-198Г. 177с.

Целью диссертационной работы является разработка аналитических методов оценки связных характеристик сети как в отдельно взятых элементах сети /транзитных участках/» так и в тракте ЦЦ в целом /участок "источник-потребитель"/, изучение возможности применения полученных математических моделей для создания и проектирования крупномасштабных сетей.

Методика исследования базируется на теории вероятностей, теории массового обслуживания, математическом аппарате декомпозиции /"расщепления"/, теории двухполюсной сети, систем с решающей обратной связью /РОС/ и методах црограммирования. Количественные значения характеристик сети определяется из системы ре-курентных уравнений, решаемых с помощью ЭВМ. Используются также методы решения нелинейных уравнений для определения длины фрагментов /блока, кадра пакета/ сообщений на транзитных участках.

На основе разработанных моделей получены црограммные комплексы. Последние составлены на универсальном языке АЛГОЛ-бО применительно к ЭВМ БЭСМ-6 и сопровождаются их особенностей, инструкцией к пользованию и контрольной тестовой задачей.

Выводы,, полученные с использованием реальных статистических данных /по нашей стране/, позволили разработать црактические рекомендации по выбору фрагментов сообщений, принципов обмена пакетами, надежности передачи по достоверности для заданных информационно-вычислительных режимах работы, характеристиках оборудования сети и ее эксплуатации /временные показатели простоя и восстановления каналов связи, оконечного оборудования данных, автоматических коммутаторов сообщений, комплекса технических средств ВЦ и т.д./.

На защиту выносятся следующие основные положения: из анализа существующего состояния проектирования сетей и используемых цри этом математических аппаратов, следует, что для повышения эффективности использования сети ЦЦ и другого оборудованил, необходимо создание методов оптимального проектирования сетей, цригодных для инженерной практики и научных исследований; для исследования информационно-вычислительных сетей коммутации пакетов возможно црименение математического аппарата, базирующегося на методе декомпозиции; для оцределения цропускной способности, среднего времени задержки и вероятности потерь /удвоения/ пакета /датаграммы/ сообщений в тракте ЦЦ эффективным является црименение разработанных аналитических моделей информационно-вычислительных сетей. Методика решения задачи оптимизации сетей коммутации пакетов на основе этих моделей позволяет решить задачу оптимизации отдельных фаз передачи /транзитных участков/ и тракта ЦЦ в целом по тем же самым критериям; аналитические модели фаз передачи /двухполюсной сети/ позволяют определить цропускнуго способность, среднее время задержки и вероятность потерь /удвоения/ пакета /датаграммы/ сообщений с учетом способа передачи /асинхронный, синхронный, пакетный/, способа обмена пакетами /виртуальный, датаграммный/ и ряда других параметров фазы передачи и сообщений; разработанная методика оцределения длины блока /кадра пакета/ сообщений, исходя из заданного расцределения длин сообщений, вероятностей ошибки при передаче и объема служебной части блока /кадра пакета/ сообщений является эффективной и применима к ручному /простой/ и машинному /ЪШ/ расчетам; аналитические модели тракта ЦЦ сети позволяют определить цропускную способность, среднее время задержки и вероятность потерь /удвоения/ пакета /датаграммы/ сообщений с учетом принципа обмена пакетами /виртуальный, датаграммный/ и типа взаимодействия между устройствами сети /Терминал-ВЦ, ВЦ-ВЦ, Терминал-Терминал/ и ряда других параметров тракта ЦЦ и сообщений; результаты численного анализа /ацробадии/ сетей коммутации пакетов на основе разработанных моделей является близкими к параметрам существующих сетей, что подтверждает пригодность моделей для научных исследований и инженерных расчетов; выработанные типовые данные по параметрам сети позволяют решить задачу ее проектирования в первом цриближении; разработанный программный комплекс позволяет автоматизировать расчеты пропускной способности, размера блока /кадра пакета/ сообщений, среднего времени задержки и вероятности потерь /удвоения/ пакета /датаграммы/ сообщений.

Научная новизна диссертационной работы заключается в развитии методов анализа /связных вопросов/ информационно-вычислительных сетей коммутации пакетов на основе математических моделей, учитывающих во взаимосвязи: основные характеристики сетей /пропускную способность, среднее время задержки и надежность передачи- вероятность потерь пакета сообщений/ интенсивность поступления указанного потока, интенсивность старения и обслуживания сообщений/, надежность элементов сети, а также особенности информационного обмена /Терминал-ВЦ, ВЦ-ВЦ, Терминал-Терминал/ и принципы обмена пакетами /виртуальный, датаграммный, комбинированный/.

Предложенный математический аппарат позволяет произвести инженерный расчет /связных характеристик/ информационно-вычислительных сетей коммутации пакетов заданной конфигурации по цропускной способности, среднему времени задержки, вероятности потерь пакета сообщений, по оптимальным длинам фрагментов сообщений»

Предложенные математические модели для исследования информационно-вычислительных. сетей коммутации пакетов использовании цри технико-экономическом обосновании построения перспективной сети ЦЦ РАСУ на базе коммутации пакетов.

В результате анализа цропускной способности, среднего времени задержки и надежности передачи сообщений на основе разработанной методики при исходных данных характеризующих республиканскую АСУ на перспективу показано, что введение коммутации пакетов /динамического уцравления потоками/ вместо коммутации каналов /статического их расцределения/ позволяет повысить использование каналов связи, а также надежность и живучесть сети. Это в свою очередь имеет большое народнохозяйственное значение- позволяет сократить затраты на сооружение магистральной связи.

Основные результаты этой работы цриняты к использованию в предплановых материалах на создание сети ЦЦ РАСУ на предстоящие годы. Пэсле полного введения в действие сети ожидаемый годовой экономический эффект оценивается в размере 400 тыс. рублей /акт внедрения от 10 ацреля 1984 г. цриложение/.

Разработанные для системы автоматизированного проектирования программные комплексы приняты и зарегистрированы в Ведомственном фонде алгоритмов и программ АН УзССР / две справки о цринятии и регистрации в фонде № 237, 238 от 6 августа 1984 г. цриложение/.

Полученные результаты могут быть использованы также при разработке и создании сети ВЦКП в г. Ташкенте и региональной Академсети,.

Отдельные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на: Всесоюзных научно-технических конференциях /НТК/ /Рига ацрель 1979г.г октябрь 1981 г. и 1983г., Горький октябрь 1972г., Новосибирск октябрь 1978г., Куйбышев июль 1981г./; республиканских НТК /Ташкент, октябрь 1971г., ацрель 1978г., ноябрь 1978г., май 1980г., ацрель 1981г./; НТК Совета молодых ученых и специалистов ИК с ВЦ АН УзССР /Ташкент апрель 1976, 1977гг./.

Основные результаты диссертационной работы опубликованы в научных журналах, а также в материалах Всесоюзных и республиканских конференций.

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения,

Основные результаты этой работы приняты к использованию в предпла-вых материалах на создание сети передачи данных РАСУ УзССР на 1986 -90 гг. После полного введения в действие сети ожидаемый годовой эконо-ческий эффект оценивается в размере 400 тыс. рублей.

Зам. директора ИВЦ Госплана УзССР, к.э.н.

Б. Т. ВАХИДОВ

Зав.лаб, Информационно-вычислительных сетей ИК с ВЦ НПО "Кибернетика" АН УзССР, р.т.н. Ш.А. ЗАРГАРОВ !д

АКШ1ШЛ МУК УЗ ССР УЗ НПО "1&ЕЕРНШМ"

ВЕДОМСТВЕННЫ'! ФОНД АЛГОРИТМОВ к ПРОГРАММ ЛИ УЗ ССР правла В 237 "б 11 августа 198%»,

Программа Алгоритм функционирования сетей с коммутацией пакетов

С название программы) а ЭВМ БЗСМ - d на языке АЛГОЛ - 60 сработанная Уу НПО "Кибернетика" АН Уз ССР организация) аидахмэдов Шавкат Хусанович фамилия* имя, отчество авторов) элучона и зарегистрирована в фонд©

Руководитель фонда ^ /Бузурханов В./

Зав, фондом ^^ /Упаров М.Х./

•• Vf ' vy :

175

АКАДЕМИЯ НАУК УЗ ССР УЗ НПО "КИБЕРНЕТИКА"

ВЕДОМСТВЕННЫЙ ФОНД АЛГОРИТМОВ И ПРОГРАММ АН УЗ ССР Справка Ш 236" б " август я. 1^84 г.

Программа Программа расчета ореянвго времени яя.пвркки плпгЦаиий ^

С название программы) сетях коммутации пакетов тгля ппрн "истпчниц-.ппттуцяФР.тгт," при фтглтарпт^. ной и,вероятноотпой маршрутиаашта на ЭВМ БЭСМ ~ б на языке АЛГОЛ - 60 разработанная У я НПО "Кибернетикаw АН Уд ПОР организация)

Саидахмедов Шавкат Хусанович фамилия, имя, отчество авторов) >лучена и зарегистрирована в фонде

Руководитель фонда Зав. фондом

Бузурханов В./ /Умаров М.Х./ и/ с <;<\

Af/Jj

ЗАКЛЮЕНИЕ

1. Абуталиев Ф.Б», Арипов М.Н., Саидахмедов Ш.Х. К воцросу об определении оптимальной длины кода в системах с переспросом. Тез докл. 4-й межвузовской конф. по теории и методам расчета нелинейных электрических цепей и систем. Ташкент, октябрь, 1971, с. 149.

2. Абуталиев Ф.Б., Арипов М.Н., Саидахмедов Ш.Х. Приближенное вычисление оптимальной длины блока для модели Беннета-Фройли-ха. "Изв. АН УзССР", СТН, 1975, № I, с. 19-23.

3. Абуталиев Ф.Б», Арипов МЛ., Саидахмедов Ш.Х. Статистические измерение информационной скорости систем с пересцросом. "Изв. АН УзССР", СТН, 1973, * 4, с. 14-16.

4. Абуталиев Ф.Б., Саидахмедов Ш.Х. Аналитическая модель тракта передачи данных для сети коммутации пакетов. Тез. докл. Всес. конф. "Вычислительные сети коммутации пакетов". Рига: Зинатне, 1978, с. 162-166.

5. Абуталиев Ф.Б., -Саидахмедов Ш.Х. К вопросу о выборе критерия для оценки качества функционирования сетей с коммутацией пакетов. Тез. докл. респ. НТК "Цроблемы повышения эффективности ч и надежности систем связи". Ташкент, апрель, 1981, с. 49.

6. Абуталиев ФЛ., Саидахмедов Ш.Х. К воцросу оценки качества функционирования сетей коммутации пакетов. Тез. докл. Второй Всес. конф. "Вычислительные сети коммутации пакетов". Рига: м ИЭВТ, 1981, с. 81-85.

7. Абуталиев Ф.Б., Саидахмедов Ш.Х. Об одном аналитическом методе оценки коммутации пакетов в сетях, "Изв. АН УзССР", СТН, 1978, № 5, е. 8-II.

8. Абуталиев Ф.Б., Саидахмедов Ш.Х. Оцределение цропускной способности сетей с пакетной связью. Тез. докл. респ. НТК "Проблемы повышения эффективности и надежности систем связи". Ташкент, апрель, 1981, с. 65.

9. Абуталиев Ф.Б», Саидахмедов Ш.Х. Оценка эффективности функционирования сетей с пакетной коммутацией данных с алгоритмом передачи адресным подтверждением. Тез. докл. респ. НТК посвященной Дню радио. Ташкент, апрель, 1978, с. 6,1.

10. Абуталиев Ф.Б., Саидахмедов Ш.Х. Оценка эффективности функционирования сетей с пакетной коммутацией данных с алгоритмом передачи РОС с перекрестной блокировкой. Тез. докл. рес. НТК, посвященной Дню радио. Ташкент, ацрель, 1978, с. 61.

11. Амосов А.А., Александров Н.А. Метод передачи с адресным подтверждением. "Вопросы радиоэлектроники, сер. ТПС", 1970,Л 6.

12. АН СССР. Институт проблем передачи информации. Информация и информационные сети. М.:Наука, 1977.

13. Институт цроблем передачи информации АН СССР. Информационные сети и их анализ. М.: Наука, 1978.

14. Институт цроблем передачи информации АН СССР. Информационные сети и их структура. М.:Наука, 1976.

15. Вычислительные сети. Терминалогия. М.:"Црепр. Науч. Совета по комплексной проблеме Кибернетика АН СССР", 1979.

16. Арипов М.Н.,, Саидахмедов Ш.1. Анализ потери скорости передачи информации в системах с переспросом с различной длиной блока. Тез.докл. У Всес. конф. по теории кодирования и передачи информации. Секция 4, М.-Горький, 1972, с. 5-9.

17. Арипов М.Н., Саидахмедов Ш.,Х. Расчет оптимальной длины комбинации систем с пересцросом в каналах с группирующимися ошибками. "Вопросы кибернетики". Ташкент:Труды ИК с ВЦ АН УзССР, 1976, вып. 85, с. 81-86.

18. Арипов МЛ., Тукубаев З.Б., Саидахмедов Ш.Х. Влияние потока ошибок переменными параметрами на оптимальную длину блока "Вопросы кибернетики". Ташкент: Труды ИК с ВЦ АН УзССР,1974, с. I3I-I39.

19. Атлас схем железных дорог СССР. М.г ГУГК, 1977.

20. Бартон Г., Салливэн Д. Ошибки и контроль ошибок. В сб. Системы передачи данных и сети ЭВМ. М»: Мир, 1974, е., 34-44.29; Березин И.С., и Жидков Н.П. Методы вычисления. Т. 1,2. М.: Наука, 1966.

21. Бертэн Т. и др. Работа ЭВМ с разделением времени. М.:Наука, 1972.

22. Блох Э.Л., Шпов О.В., Турин В.Я. Модели источника ошибок в каналах передачи цифровой информации. М.: Связь, 1971.

23. Бронштейн О.Н., Духовный И.М. Модели цриоритетного обслуживания в информационно-вычислительных системах. М.:Наука, 1976,,

24. Бутрименко А.В. Разработка и эксплуатация сетей ЭВМ» М. :: Финансы и статистика, 1981, 256с.

25. Валиев, Т.А., Заргаров Ш.А. Передача данных по ЛЭП. Ташкент: Фан, 1974.

26. Виставкин Я. П. Сети обмена информацией между ЭВМ. М. :Наука, 1975.

27. Вычислительные центры коллективного пользования. Под ред. В.И. Максименко и Ю.А. Михеева. М.:Статистика, 1979.

28. Вычислительные центры коллективного пользования» Под ред. В.А. Мясникова и Ф.И. Перегудова. М. «.Финансы и статистика, 1982.

29. Гинзбург Б.М., Шварцман В.О» Система коммутации пакетов. В сб» Вычислительные средства в технике и системах связи.

30. Гладкий B.C. Вероятностные вычислительные модели. М.:Наука, 1973. 299с.

31. Глушков В.М. и др. Сети ЭВМ. М.Связь, 1977.

32. Глушков В.М., Кушнер Э.Ф., Стогний А.А. Функциональные особенности и элементы сетей ЭВМ. В сб. Управляющие системы и машины, 1975, J§ 3.

33. Торбанов А.Г. Оценка скорости передачи информации в широкополосных каналах. "Техника средств связи, сер. ТПС", МПСС СССР, 1978, вып. 2/23/ с. IH-II6.

34. Государственный комитет СССР по ценам. Министерство связи СССР. Прейскурант № 125. Тарифы на услуги связи. М.: Прейс-курантиздат, 1980,. 112с.

35. Гуров B.C. и др. Основы передачи данных по проводным каналам связи. М. :Связь, 1964.

36. Давыдов Г.Б., Рогинский В.Н.,. Толчан А.Я. Сети электросвязи. М.:Связь, 1977.

37. Дивногорцев Г.П., Яшин В.М. Системы и аппаратура обмена информацией в сетях ВЦ. М.:Связь, 1976.

38. Дэвис Д., Барбер Д. Сети связи для вычислительных машин. Пер. о ант. под ред. Б.С. Цыбакова, М.:Мир, 1976.

39. Дэвис Д., Барбер Д., Прайс У., Соломонидес С. Вычислительные сети и сетевые цротоколы. Пер. с анг. под ред. С.И. Самой-ленко,, М.: Мир, 1982.

40. Емельянов Г.А., Шварцман В.О. Передача информации и основы телеграфии, М.: Связь, 1973.

41. Зайдлер Е. Системы передачи дискретной информации. М.: Связь, 1977. 512с.

42. Захаров Г. П. Вероятностно-временные характеристики сети передачи данных с коммутацией пакетов. В сб. "Воцросы кибернетики. Проблемы информационного обмена в вычислительных сетях".

43. M.t Науч. совет по комплексной проблеме "Кибернетика" АН СССР 1979, с. 33-48.

44. Захаров Г.П, Выбор скорости передачи данных. "Техника средств связи, сер. ТПС". М.гМПСС, 1977, вып. 4/44/, с. 3-9.

45. Захаров Г.П. Исследование сетей передачи данных. М. :Радио и связь, 1982. 208с.

46. Захаров Г.П., Лохмотко В.В., Мирошников В.И. Проблемы оптимизации структуры сети ЦЦ. Тез. докл. У Всес. школы-семинара по вычислительным сетям. М.-Владивостокr 1980. Ч. I, с.5-11.

47. Зелигер Н.Б. Критерии оценки качества систем связи. М.: Связь, 1974.

48. Злотников Ю.С., Буянов О.И. Принципы обмена пакетами между оконечными пунктами сети передачи данных с коммутацией пакетов. "Техника средств связи, сер. ТПС". М.:МПСС, 1979, вып. 4/37/, с. 26-33.

49. Злотников Ю.С., Воробьев С.П., Нолаяд ЮЛ. Анализ вероятностно-временных характеристик процедур управления обмена данными. "Техника средств связи, сер. ТШ". М. :МПСС, 1976

50. Иносэ X., Сайто Т. Теоретические аспекты анализа и синтеза сетей пакетной связи."ТИИЭР", 1978, т.66, & II,с. 139-155.

51. Каневский Э.М. и др. Передача информации с обратной связью. М.гСвязь, 1976.

52. Клейнрок Л. Коммуникационные сети. Стохастические потоки и задержки сообщений. Пер. с анг. под ред. А.А. Первозвонского. М.:Наука, 1970. 255с.62