автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.11, диссертация на тему:Математическое и программное обеспечение моделей ЛВС составных топологий

ВВЕДЕНИЕ.

1. ОСОБЕННОСТИ ЛВС СОСТАВНЫХ ТОПОЛОГИЙ КАК ОБЪЕКТА ИССЛЕДОВАНИЯ.

1.1 Топологии ЛВС.

1.2 ЛВС составных топологий.

1.2.1 Эталонная семиуровневая модель 081.

1.2.2 Принципы объединения ЛВС.

1.2.3 ЛВС ячеистой топологии «Решетка».

1.3 Оценка эффективности функционирования ЛВС.

1.3.1 Показатели эффективности функционирования ЛВС.

1.3.2 Методы анализа ВВХ ЛВС.

1.4 Постановка задачи диссертации.

Выводы по главе.

2. МЕТОДИКА РАЗРАБОТКИ МОДЕЛЕЙ ЛВС СОСТАВНЫХ ТОПОЛОГИЙ.

2.1 Анализ методов расчета СеМО.

2.2 Основные этапы методики разработки аналитических моделей ЛВС топологии «Решетка».

2.3 Составление уравнений баланса интенсивностей на входе / выходе любых фрагментов (узлов) сети.

2.4 Вычисление основных ВВХ для отдельных элементов СеМО.

2.5 Вычисление интегральных ВВХ для заданных маршрутов связи между любыми двумя абонентами.

2.5.1 Последовательная обработка сообщений на конечном числе элементов сети.

2.5.2 Параллельные альтернативы обработки.

2.5.3 Смешанный тип обработки.

Выводы по главе.

3. АНАЛИТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ СЕТИ ЛОКАЛЬНОГО ОБМЕНА ДАННЫМИ «ТОР» НА БАЗЕ МОНОКАНАЛОВ КОЛЬЦЕВОЙ ТОПОЛОГИИ.

3.1 Объект моделирования.

3.2 Структура аналитической модели СЛОД «ТОР».

3.3 Модель функционирования модулей сопряжения.

3.4 Модель взаимодействия модулей сопряжения с моноканалом

3.5 Модель потокораспределения СЛОД «ТОР».

3.6 Модель для определения временных характеристик.

Выводы по главе.

4. АНАЛИТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ СЕТИ ЛОКАЛЬНОГО ОБМЕНА ДАННЫМИ «КУБ» НА БАЗЕ МОНОКАНАЛОВ ШИННОЙ ТОПОЛОГИИ.

4.1 Объект моделирования.

4.2 Модель потокораспределения и загрузка моноканалов СЛОД.

4.3 Модель функционирования модулей сопряжения.

4.4 Модель взаимодействия модулей сопряжения с моноканалом.

4.5 Модель для определения ВВХ СЛОД.

Выводы по главе.

5. РЕШЕНИЕ ПОЛУЧЕННЫХ СИСТЕМ УРАВНЕНИЙ МЕТОДОМ ИТЕРАЦИЙ.

5.1 Краткая характеристика итерационных методов.

5.2 Особенности решения полученных систем.

Выводы по главе.

6. РЕЗУЛЬТАТЫ МОДЕЛИРОВАНИЯ.

6.1 Анализ результатов моделирования СЛОД «ТОР».

6.1.1 Функционирование модулей сопряжения.

6. 1.2 Функционирование моноканалов.

6.1.3 Временные характеристики и потокораспределение в СЛОД.

6.2 Анализ результатов моделирование СЛОД «КУБ».

Выводы по главе.

Актуальность проблемы

В настоящее время в мире существует огромное количество разнотипных автоматизированных объектов, используемых в самых разных областях деятельности человека. Это приводит к все большей необходимости обеспечения их локальными каналами связи для обмена данными. При этом возрастает важность развития локальных вычислительных сетей (ЛВС), объединяющих в единую систему абонентов, рассредоточенных на сравнительно небольших территориях (до нескольких десятков километров). Кроме обеспечения непосредственно обмена данными между объектами, они обеспечивают совместное использование устройств для хранения больших объемов информации, высокопроизводительных средств обработки данных.

Вместе с тем наметилась явная тенденция к использованию ЛВС для установки непосредственной связи между прикладными задачами, решаемыми различными ЭВМ, что дает возможность организации распределенной обработки информации (РОИ) [1,50]. Система РОИ позволяет реализовать единый комплекс взаимосвязанных процессов на отдельном оборудовании. Подобные задачи предъявляют повышенные требования к надежности ЛВС и высокой скорости обмена данными. Особенно критичны к выбору сетей локального обмена данными системы (СЛОД) системы, функционирующие в реальном масштабе времени: бортовые системы контроля и управления космических аппаратов, самолетов, подводных кораблей, системы управления и контроля над технологическими процессами [2,3].

Не менее остро стоит проблема применения высокоэффективных ЛВС и в других областях. Кластерная организация вычислительных систем, активно развивающаяся в последнее время, выдвигает повышенные требования к используемым системам связи. Проведенные в этой области исследования [4,5] показывают высокую эффективности применения в кластерных структурах систем связи, построенных на базе сетевых протоколов.

Наиболее широко распространенные ЛВС высокой производительности (Fast Ethernet, FDDI и др.) в силу ряда ограничений (по надежности, количеству абонентов, временным характеристикам и т.д.) не могут в полной мере обеспечить решение вышеуказанных задач. В последнее время для решения подобных задач используют ЛВС реализующие идею объединения в одну сеть нескольких однотипных ЛВС, связанных между собой с помощью специальных средств взаимодействия [3-5].

Однако проектирование подобных ЛВС сопряжено со значительными трудностями, а достаточно высокие затраты на их реализацию делают недопустимым создание физического прототипа для исследования особенностей функционирования. Выходом из подобной ситуации становится создание математических моделей ЛВС. Результаты моделирования дают возможности на этапе проектирования принимать решения по выбору архитектуры связи, определять требуемые характеристики отдельных компонентов, т.е. позволяют без существенных затрат проводить оптимизацию системы.

Цель и задачи исследования Целью предлагаемой работы является разработка математического и программное обеспечение аналитических моделей для класса ЛВС составных топологий типа «Решетка». Для достижения указанной цели необходимо решить следующие задачи:

1. Разработать аналитические модели с адаптивным потокораспределения для двух классов ЛВС типа «Решетка».

2. Реализовать программную среду моделирования двух рассматриваемых классов ЛВС.

3. Произвести анализ эффективности реализации модельного эксперимента.

4. Провести серию модельных экспериментов, подтверждающих эффективность ЛВС типа «Решетка».

5. Выработать рекомендации по рациональной организации процесса функционирования рассматриваемых классов ЛВС составных топологий.

Методы исследования

Проведенные в работе исследования основаны на рассмотрении моделируемых ЛВС как открытых мультипликативных сетей массового обслуживания (СеМО). При создании моделей была использована методология анализа вероятностно - временных характеристик ЛВС составных топологий на основе аналитического моделирования, предложенная проф. Климановым В.П. Для расчета СеМО использован метод полной декомпозиции, относящийся к приближенным аналитическим методам расчетов. При этом методе производят декомпозицию рассматриваемой сети на отдельные элементы, которые могут быть представлены как изолированные однофазные системы массового обслуживания (СМО).

Решение систем уравнений, полученных в результате применения метода декомпозиции, производится численными (итерационными) методами.

Научная новизна диссертации заключается в разработке аналитических моделей ЛВС составных топологий «Решетка» с использованием адаптивного алгоритма потокораспределения.

Разработаны ЛВС «ТОР» топологии «Квадратная решетка» (на базе кольцевых каналов связи с маркерным методом доступа) и «КУБ» топологии «Кубическая решетка» (на базе моноканалов топологии «шина» со случайным методом доступа).

Практическая ценность. Результаты диссертационной работы использовались при выборе варианта и оптимизации участка ЛВС в Центральном физико-техническом институте Министерства Обороны. Аналитическая модель сети локального обмена данными «Кубическая решетка» и ее программная реализация была использована при создании распределенной АСУ технологическими процессами фирмой «Элна».

Разработанные модели и их программная реализация используются в учебном процессе МГТУ «Станкин».

Апробация работы и публикации.

Результаты работы докладывались на международной конференции «Информационные средства и технологии» в 1997,1998 и 1999 годах. По теме диссертации опубликовано семь материалов [6-8,66-68,71].

На защиту выносятся следующие результаты:

1. Разработанные ЛВС составных топологий:

- квадратная решетка (на базе кольцевых моноканалов с маркерным методом доступа);

- кубическая решетка (на базе шинных моноканалов со случайным методом доступа);

3. Аналитические модели разработанных ЛВС;

4. Программная реализация моделей;

5. Анализ применения численных (итерационных) методов для решения полученных в моделях систем уравнений.

6. Результаты произведенного моделирования и сравнительный анализ предложенных ЛВС составных топологий.

Объем работы и изложение материала.

Диссертация состоит из введения, шести глав, выводов, списка литературы и четырех приложений. Общий объем основного текста включает 112 стр., в том числе 43 рисунка и три таблицы. Приложения выполнены на 41 страницах. Список литературы состоит из 71 наименования.

Основные результаты диссертационной работы заключаются в следующем:

1. Проведен сравнительный анализ топологий ЛВС. Приведено описание ЛВС топологий «Квадратная решетка» и «Кубическая решетка», относящихся к ячеистой топологии «Решетка». Показано, что данные ЛВС удовлетворяют следующим требованиям: !

- Высокая надежность - как результат наличия нескольких независимых маршрутов связи и применения децентрализованного управления;

- Высокая пропускная способность - основана не только на использование высокоскоростных базовых сетей, но и на равномерном распределении нагрузки по всем элементам ЛВС;

- Возможность подключения большого числа разнотипных абонентов

- ЛВС может работать с самыми разнообразными абонентами, различающимися по интенсивности обмена информацией, т.е. обеспечивает эффективную работу в режиме асимметричной загрузки;

- Малое время связи между абонентами - достигается благодаря высокой пропускной способности и эффективного алгоритма потокораспределения

2. На основе анализа существующих ЛВС простых топологий осуществлен выбор базовых ЛВС (FDDI и Ethernet) как элементов реализации сетей «Квадратная решетка» и «Кубическая решетка».

3. Обосновано применение аналитических моделей ЛВС составных топологий «Решетка», сетей построенных на базе открытых мультипликативных СеМО с использованием метода структурной декомпозиции. Приведена методика построения подобных моделей.

-1044. Разработаны аналитические модели ЛВС составных топологий «КУБ» (на базе шинных моноканалов со случайным методом доступа) и «ТОР» (на базе кольцевых моноканалов с маркерным методом доступа)

5. Реализована программная среда моделирования ЛВС составных топологий класса «Решетка».

6. Проведены модельные эксперименты с целью сравнения эффективности функционирования ЛВС «КУБ» и «ТОР».

7. Результаты анализа модельных экспериментов, на основе которых подтверждено предположение о высокой эффективности сетей топологии «Решетка», позволили выработать рекомендации по выбору параметров основных элементов сети (моноканалы, модули сопряжения).

8. Применение аналитического моделирования и эффективная программная реализация, позволили получить малое время проведения модельных экспериментов (0.12-1.8 секунд, для процессора AMD К6-233МГц и числа абонентов СЛОД 1000), что обеспечивает возможность применения полученных моделей для решения задач оптимизации параметров в сети.

Результаты диссертации нашли применение в Центральном физико-техническом институте Министерства Обороны, внедрены в промышленность фирмой «Элна», использованы в учебном процессе МВТУ «Станкин» (приложение 4).

Заключение

Главным итогом диссертационной работы является разработка и программная реализация моделей ЛВС топологии «Решетка».

1. Шварц M. Сети ЭВМ: Анализ и проектирование: Пер. с англ./ Под ред. В.А. Жожикашвили. - М.: Радио и связь, 1981.-336с.

2. Прангишвили И.В. Микропроцессоры и локальные сети микро ЭВМ в распределенных системах управления. - М.: Энергоатомиздат, 1985.-272 е., ил.

3. Климанов В.П. Методология анализа вероятностно временных характеристик ЛВС составных топологий на основе аналитического моделирования. Диссертация на соискание ученой степени доктора технических наук. МЭИ.-М.: 1992.-388с., ил.

4. Klein M., Hipper G., Tavangarian D. Parallel Computing in Workstation Clusters using Concurrent Network Architecture. Proc. Int. Conf. intelligent Information Management Systems, Washington. D.C., 1994.

5. H. Alexeeva, G. Hipper, H. Unger, D. Tavangarian : (University Of Rostock, Fachbereich Informatik), W.P. Klimanow (Moscow Power Ingineering Institute). "Stochastic Perfomance Evaluation of Concurrent Network Workstation Cluster Architectures".

6. Климанов В.П., Демин K.B. Многоканальная локальная сеть обмена данными «Трехмерная квадратная решетка» и ее аналитическая модель. Доклады международной конференции «Информационные средства и технологии». Том 1. -М.,1997.с. 84-91.

7. Klimanov Y., Diomin К. Multichannel Local Network «Three -Demensional Lattice» And Its Analytical Model. В кн. 4*.p.84-91.

8. Богуславский Jl.Б., Дрожжинов В.И. Основы построения вычислительных сетей для автоматизированных систем. -М.: Энергоатомиздат, 1990. -256 е., ил.

9. Нанс Б. Программирование в локальных сетях: Пер. с англ. Под ред. В.М. Беленковича. -Пермь: Изд-во Перм. Ун-та, 1992. 756 с.

10. Захаров Г.П. Методы исследования сетей передачи данных. М.: Радио и связь, 1982. -208с.

11. Альянах И.Н. моделирование вычислительных систем. Л.: Машиностроение, 1988. -224 с.

12. Феррари А. Оценка производительности вычислительных систем. -М.: Мир, 1981.-576 с.

13. Бусуленко Н.П. Моделирование сложных систем. -М.: Наука, 1978. -400 с.

14. Рыбинцев В.О. Разработка декомпозиционного метода расчета характеристик эффективности функционирования диалоговых ЛВС. Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук. МЭИ. -М.:1985.

15. Чжан С. Анализ, разработка и реализация в виде экспертной системы средств выбора структуры локальных вычислительных сетей. Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук. МЭИ. -М.:1993.

16. Шеннон Р. Имитационное моделирование систем: исскуство и наука. -М.: Наука, 1978. -400 с.

17. Coyle Е., Liu D. A mstrix representation of CSMA/CD networks// IEEE Transact, on Commun. -1985. -Vol. COM-33, N1, -p. 63-64.

18. Колосков M.С. Время доставки пакета и пропускная способность локальной вычислительной сети. -1990. с. 53-59.

19. Buerman S.L., Coyle Е. The delay characteristics of CSMA/CD networcs // IEEE Transact, on Commun. -1988. -Vol. COM-36, N5, -p. 553-563.

20. Гершуни Д.С. Касрашвили И.С. Исследование характеристик одного алгоритма конфигурирования локальной вычислительной сетижесткого реального времени. -Вычислительная техника в управлении. М.:1992.

21. Башарин Г.П., Богуславский Л.Б., Самуйлов К.Е. О методах расчета пропускной способности сетей связи ЭВМ. в кн.: Итоги науки и техники. Электросвязь. ВИНИТИ, -1983, - т.13, с. 36-102.

22. Митрофанов Ю.И., Беляков В.Г., Курбангулов В.Х. Методы и программные средства аналитического моделирования сетевых систем. М.: АН СССР, 1983. -68 с.

23. Орлов В.А., Бондарев В.Н., Соловьев В.П. и др. Система моделирования GPSS/PC на ПЭВМ.-И.: 1990.

24. Хомичков И.И. Расчет характеристик модели ЛВС с 1-настойчивостью протоколом CSMA/CD. В кн. 2*, ч.1, с 260-265.

25. Климанов В.П. Анализ вероятностно временных характеристик многоканальной локальной вычислительной сети матричного типа. В кн. 2*, ч.1, с. 208-204.

26. Климанов В.П. Математическая модель распределения нагрузки в многоканальной локальной вычислительной сети матричного типа. В кн. 1*, 4.1, с. 216-220.

27. Рыбинцев В.О. Оценка среднего времени доставки файла в ЛВС со случайным доступом. В кн. 2*, ч.1, с. 234-242.

28. Рыбинцев В.О. Аналитическая модель ЛВС со случайным доступом на подуровне управления средой передачи данньгх. В кн. 1*, ч.1, с. 257-262.

29. Жожикашвил В.А., Вишневский В.М. Сети массового обслуживания. Теория и применение к сетям ЭВМ. -М.: Радио и связь, 1988. 192 е.: ил.

30. Абросимов Л .И. Расчет характеристик вычислительных систем сложной конфигурации с помощью контуров. Известия АН СССР, Техническая кибернетика, 1983, №2, с. 56-61.

31. Абросимов Л.И., Краюшкин В.А. Определение функциональных характеристик локальных вычислительных сетей с методом доступа CSMA/CD. Сб. Научн. Трудов №195. -М.: МЭИ, 1989, с.88-92.

32. Бутрименко A.B. Разработка и эксплуатация сетей ЭВМ. М.: Финансы и статистика, 1981, -256 с.

33. Абросимов Jl.И., Краюшкин В.А. Метод анализа ЛВС сложной структуры, в кн. 3*, ч 1, с 93-96.

34. Бусленко В.Н. Автоматизация имитационного моделирования сложных систем. М- Наука, 1977. -240 с.

35. Клейнрок Л. Вычислительные системы с очередями. -М.: Мир, 1979. -600с., ил.

36. Рыбенцев В.О., Дмитриев В.И. Оценка эффективности функционирования диалоговых вычислительных систем методом полной декомпозиции. Межвед. сб. №42, МЭИ, 1984.

37. Bruell S. Computational Algoritms for Closed Queuing Networks. 1987.

38. Disney R., Kiessler P.C. Traffic Process in Queuing Networks. 1987.

39. Демидович Б.П., Марон И.А. Основы вычислительной математики. М.: Наука, 1970, -664 с.

40. Якубайтис Э.А. Открытые информационные сети. М.: Радио и связь, 1991,-207 с.

41. Йованович Б. Разработка иерархической системы вложенных моделей для анализа ВВХ ЛВС. Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук. МЭИ. -М.:1995.

42. Щербо В.К., Кириечев В.М., Самойленко С.И. Справочник: стандарты по локальным вычислительным сетям . М.: Радио и связь, 1990. -304 с.

43. The Cabeltron Systems Guide to Local Area Networking. Cabeltron Systems Limited, 1992.

44. Шварц M. Сети связи: протоколы, моделирование и анализ. Ч. 2. М.: Наука, 1992, -272 с.

45. Hoang H.D., Reschke D. Integrated concept and simulation model for the adaptive bandwidth scheduling schene in ATM-Networks. В кн. 4*.p.208-213.-10948. Hoang H.D., Reschke D. Adaptive Bandwidth Scheduling for B-ISDN. В кн. 4*.p.202-207.

46. Abrosimov L.I., Reschke D., Emekeew A.W. Metodik und Ergebnisse der Zeitparameter messung in lokalen ATM - und Ethernet - Netzen. В кн. 4* .p.226-237.

47. Сухова C.B. Сетевая операционная система NetWare. М:.Микроинформ, 1993.-240с.

48. Матвеев В.Ф., Ушаков В.Г. Системы массового обслуживания. Изд-во МГУ, 1984, -240 с.

49. Богуславский Л.Б. Управление потоками данных в сетях ЭВМ. М.: Энегроатомиздат, 1984. -168 с.

50. Мизин И.А., Богатырев В.А., Кудлешов А.П. Сети коммутации пакетов. М.: Радио и связь, 1986. -408 с.

51. Ивченко Г.И., Каштанов В.А., Коваленко И.Н. Теория массового обслуживания. М.: высшая школа, 1982. -256 с.

52. Янбых Г.Ф., Эттингер Б .Я. Методы анализа и синтеза сетей ЭВМ. Л.: Энергия, 1980. -96 с.

53. Челлис Д., Перкинс Ч., Стриб М. Основы построения сетей. М.: «Лори», 1997. -323 с.

54. Елисеев В. Современная технология компьютерных сетей. JET Info, т. 1, вып. 3, 1993.

55. Щербо В.К., Мячев А.А. Интерфейсы систем обработки данных: справочник. -М.: Радио и связь, 1989.

56. Хомичков И.И. Анализ характеристик CSMA/CD сети с конечным числом станций. -Автоматика и вычислительная техника. -1990. №1. -с. 39-48.

57. Александер С., Биглер К., Характеристика производительности адаптера кольцевой локальной сети с маркерным доступом TMS 380. Минеаполис, США, 1988.

58. Борисов М. Новые стандарты высокоскоростных сетей. Открытые системы, выпуск 3 (7), 1994, с. 20-31.

59. Захаров Г.П., Ревельс В.П., Спокойнова С.Ф. Расчет вероятностно -временных характеристик локальных сетей Связи. Вопросы кибернетики вып. 138., М.: АН СССР, 1988, с. 70-86. |

60. Дарахвелидзе П., Марков Е. Delphi среда визуального программирования. С-П.:ВНУ, 1996. - 352 с.

61. Орлик С. Секреты Delphi на примерах. М.: Binom, 1996. 352 с.

62. Федоров А.Г. Delphi 3.0 для всех. М.: Компьютер пресс, 1998. -544 с.

63. Демин К.В. Аналитическая модель локальной сети обмена данными «Двумерная решетка» для анализа потокораспределения. Деп. В ВИНИТИ. -М., -Юс. ил. №1519-В99, БУ №7, 1999.

64. Демин К.В. Особенности построения и применение локальных вычислительных сетей топологии «Решетка». Деп. В ВИНИТИ. -М., -6с. ил. №1520-В99, БУ №7, 1999.

65. Демин К.В. Аналитическая модель для анализа времени доставки сообщения между абонентами локальной вычислительной сети. Деп. В ВИНИТИ. -М., -11с. ил. №1521-В99, БУ №7,1 1999.

66. Жожикашвили В.А., Вишневский В.М. Сети массового обслуживания. Теория и применение к сетям ЭВМ. М.: Радио и связь, 1988. - 192 е.: ил.

67. Ивницкий В.А. Сети массового обслуживания и их применение в ЭВМ. Зарубежная радиоэлектроника, 1977, №7, с 33-70.