автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.01, диссертация на тему:Методы и модели расчета вероятностно - временных характеристик коммутирующих сетей в автоматизированных системах

□ОЗ177660

На правах рукописи

Ферас Матарнех

МЕТОДЫ И МОДЕЛИ РАСЧЕТА ВЕРОЯТНОСТНО - ВРЕМЕННЫХ ХАРАКТЕРИСТИК КОММУТИРУЮЩИХ СЕТЕЙ В АВТОМАТИЗИРОВАННЫХ

СИСТЕМАХ

(на примере системы экологического мониторинга)

Специальности 05.13 01 - Системный анализ, управление и обработка

информации (технические системы) 05 13 13-Телекоммуникационныесистемы и компьютерные сети

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

2 7 ДЕК 2007

Санкт-Петербург - 2007

003177660

Работа выполнена в Санкт-Петербургском государственном электротехническом университете «ЛЭТИ» им В И Ульянова (Ленина)

Научный руководитель -

доктор технических наук, профессор Кутузов О И Официальные оппоненты

доктор технических наук, профессор Лукомский Ю А кандидат технических наук, доцент Татарникова Т М

Ведущая организация - Санкт-Петербургский государственный Университет водных коммуникаций

Защита состоится " ^ " / 2007 г в / часов

на заседании диссертационного совета Д 212 238 07 Санкт-Петербургского государственного электротехнического университета "ЛЭТИ" им В И Ульянова (Ленина) по адресу 197376 , Санкт-Петербург, ул Проф Попова, 5

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке университета

Автореферат разослан "21" _ 2007 г

Ученый секретарь диссертационного совета

Цехановский В В

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы Основой современного информационного обеспечения крупных объединений, корпораций являются сетевые технологии Сеть становится важнейшим информационным ресурсом любого предприятия, в том числе и системы экологического мониторинга

Система экологического мониторинга является сложной, многопрофильной структурой и вследствие этого имеет распределенную иерархическую информационную систему управления Многочисленные подсистемы, располагающие оперативной информацией экологического профиля и входящие в систему экологического мониторинга, как правило, расположены на значительных расстояниях друг от друга

При создании такой информационной системы важнейшее значение имеют вопросы построения баз данных и организация телекоммуникационной среды В этом направлении предложено решение в виде высокоскоростной сети передачи данных SAN (Storage Area Network), предназначенной для подключения серверов к устройствам храпения информации

Доминирующим аспектом при создании сети становится комплексиро-вание информационной системы готовыми аппаратно-программными решениями На рынке сетевых технологий предлагается широкий спектр стандартных аппаратных и программных средств Естественно, однако, приобретать аппаратно — программное обеспечение для информационной сети следует не «на глазок», а опираясь на расчеты требуемых сетевых характеристик Разработка моделей и методов расчета характеристик корпоративной сети, обеспечивающей распределенное хранение и передачу данных, является актуальной задачей

Развитие распределенных автоматизированных систем актуализировало направление на построение крупномасштабных сетей, исследование которых на э гапе системного проектирования методом имитационного моделирования на ЭВМ связано со значительными затратами машинных ресурсов Большая размерность сети и необходимость оценки влияния редких событий требуют поиска и разработки методов повышения эффективности проведения имитационных экспериментов, методов ускорения процесса имитации

Цель диссертационной работы состоит в исследовании и разработке моделей и алгоритмов ускорения статистического моделирования коммутирующих сетей распределенных автоматизированных систем и создании на этой основе аналитико-статистических методов расчета оценок функциональных характеристик корпоративных сетей

В соответствии с указанной целью в работе поставлены, обоснованы и решены следующие задачи

1 Анализ сложившихся методов и средств построения корпоративных сетей автоматизированных систем и разработка концепции математического обеспечения для ускоренного статистического моделирования сетей и их элементов (коммутаторов),

2 Разработка комплекса моделей, обеспечивающих расчет функциональных характеристик коммутирующих сетей распределенных систем методом ускоренного статистического моделирования,

3 Разработка вероятностного эквивалента части сети в виде генератора фоновых потоков, посредством которого осуществляется взаимосвязь с функционированием не рассматриваемой части сети при имитационном моделировании выделенного маршрута,

4 Создание аналигико-статистических методов расчета оценок вероятностно-временных характеристик автоматизированных систем управления

Объеюом исследования являются телекоммуникационные сети автоматизированных систем типа Fibre Channel, элементы которых соединены двухточечными линиями между портами индивидуальных устройств и коммутаторов, которые допускают альтернативные (обходные) пути

Предметом исследования является применение аналитико-статистических методов и имитационных моделей для структурно-функционального анализа проектных вариантов названных сетей

Методы исследования. Теоретические исследования при решении поставленных задач проведены с использованием методов теории вероятностей и математической статистики, теории массового обслуживания, теории математического моделирования Экспериментальные исследования проводились на ЭВМ типа PC Pentium 4, 1 7GHz с применением методов программирования и статистического моделирования

Научные результаты, выносимые на защиту:

1 Аналитико-статистический метод расчета вероятности связности (структурной надежности) сети, как распределенной системы Метод основан на совместном применении многоступенчатой расслоенной выборки и равномерного взвешенного моделирования,

2 Аналитико-статистический метод расчета вероятности установления соединения на сети между пользователями распределенной системы за время, не превышающее допустимого (оценка функциональной надежности системы) Метод основан на совместном применении расслоенной выборки, равномерного взвешенного моделирования и имитационной модели доставки вызова

3 Аналитико-статистический метод расчета времени доставки пакетов по виртуальному каналу

4 Комплекс моделей, обеспечивающих расчет оценок вероятностно-временных характеристик коммутирующей сети и включающий имитационную модель виртуального канала, имитационную модель доставки вызова по сети с альтернативными маршрутами (имитационная модель направления обмена), модель коммутатора в виде трехфазной СМО

Научная новизна. На основе разработанных в диссертации моделей и алгоритмов построены аналитико-статистические методы расчета вероятностно-временных характеристик коммутирующих сетей распределенных автоматизированных систем, позволяющие эффективно (с меньшими затратами ресурсов ЭВМ) решать задачи структурно-функционального анализа проект-

ных вариантов информационных систем посредством ускоренной машинной имитации

Практическая ценность результатов полученных результатов заключается в расчетных выражениях, алгоритмах и моделях, обеспечивающих и реализующих расчет и анализ характеристик коммутирующих сетей и их элементов ускоренным методом имитации, что позволяет сократить машинное время и дает возможность исследования систем большой размерности

Основные научные результаты диссертации используются в учебном процессе на кафедре Автоматизированных систем обработки информации и управления СПб ГЭТУ при изучении дисциплин ("Моделирование систем", "Сети ЭВМ и телекоммуникации" (для студентов специальности 22 02))

Апробация работы Предлагаемые решения и результаты диссертационной рабогы докладывались и обсуждались на 2-х международных, одной Всероссийской НТК и на НТК профессорско-преподавательского состава СПб ГЭТУ (ЛЭТИ) в 2006 - 2007 г г

Публикации По теме диссертационной работы опубликовано 6 научных работ, из них - 3 статьи (2 статьи опубликованы в ведущих журналах и изданиях, определенных ВАК), 3 работы - в материалах научных конференций

Структура и объем работы Диссертация состоит из введения, пяти глав с выводами, заключения, списка литературы, включающего 99 наименований, и двух приложений Основная часть работы изложена на 123 машинописных страницах Диссертация содержит 29 рисунков и 6 таблиц

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ Во введении обоснована актуальность темы, определены цель и задачи диссертационного исследования, сформулированы новые основные результаты и положения, выносимые на защиту

В первой главе «Анализ принципов построения и методов моделирования корпоративных сетей распределенных систем» показано, что экологический мониторинг, как объект автоматизации управления, характеризуется многообразием, широким динамическим спектром и большими объемами контрольной информации прос гранственного характера

Предложена концепция трехуровневой сети в системе экологического мониторинга, обеспечивающей единое информационное поле сведений о субъектах контролируемого региона

Первым уровнем обработки информации являются станции, связанные с первичными пунктами наблюдений и обеспечивающие компьютерную обработку первичной информации Вторым уровнем являются локальные центры обработки информации, связанные со станциями первичной обработки Третий уровень - это головной центр обработки информации, который связан со всеми локальными центрами и имеет выход на межрегиональный уровень

Перспективным решением представляется использование высокоскоростной сети хранения данных SAN (Storage Area Network) SAN группирует

взаимосвязанные устройства и сервера, используя общую коммуникационную структуру и извлекает выгоды из обеих областей хранения и сети Транспортную основу SAN составляет протокол Fibre Channel

Выбор Fibre Channel в качестве транспортной основы для построения сети в системе экологического мониторинга может быть обусловлен следующими соображениями

Во-первых, небольшие расстояния и ограниченный пакетный трафик являются типичными для рабочих групп первичных пунктов и локальных центров сбора и анализа информации Технология Fibre Channel может резко повысить эффективность таких сетей хранения данных

Во-вторых, Fibre Channel все чаще применяется в качестве опорной телекоммуникационной сети Пятый уровень протоколов Fibre Channel определяет отображение различных канальных и сетевых протоколов на протоколы Fibre Channel, включая IEEE802, ATM, IP и интерфейс SCSI

В третьих, сеть Fibre Channel основана на коммутирующей сети (не возникает вопроса доступа к несущей) Сеть легко масштабируется

По целевому назначению к сетям предъявляются три основных требования к доставке сообщений по надежности, времени и верности Различают структурную и функциональную надежность Вместе с показателем верности и стоимости структурная и функциональная надежность выступают как ограничения, и главным параметром оптимизации выступает время задержки сообщений в сети Оценивание названных показателей требует соответствующего модельного обеспечения

Одним из наиболее эффективных методов реализации моделей технических систем, подверженных случайным воздействиям, является статистическое моделирование В основе его лежит метод Монте-Карло Известный недостаток метода Монте-Карло - медленная сходимость, который особенно проявляется при моделировании редких событий и в задачах большой размерности, что характерно при моделировании корпоративных сетей Для ускорения, сокращения количества численных экспериментов, представляется возможным использовать идею метода расслоенной выборки и взвешенного моделирования, относящихся к классу методов понижения дисперсии

Таким образом, для расчета вероятностно-временных характеристик (ВВХ) проектных вариантов корпоративных сетей необходимы модели, обеспечивающие оценку связности и установления соединения в распределенной системе Для оценивания времен доставки протокольных единиц от узла-источника до узла- получателя требуется модель виртуального канала (ВК)

Построение такого модельного обеспечения должно включать следующие основные этапы

- адаптацию равномерного взвешенного и расслоенного моделирования к решению задач по оцениванию структурной и функциональной на-дежностей сетевых структур,

— разработку концептуальной модели и метода расчета структурной надежности системы,

— разработку модели процесса установления соединения и аналитико-статистический метода расчета оценки вероятности установления (неустановления) соединения на сети, обеспечивающей оценивание функциональной надежности системы

- построение модели виртуального канала и исследование временных характеристик транспортировки пакетов по виртуальному соединению

Во второй главе "Аналитико-статистический метод оценивания связности распределенной системы" задача расчета структурной надежности системы сведена к задаче оценки математического ожидания двоичной случайной величины ¡;=i"(a)

Структурная надежность часто оценивается вершинной у - связностью соответствующего сетевого графа Применение у - связности в качестве ограничения по надежности связано с простотой использования показателя структурной надежности в алгоритмах оптимизации, что, однако, не снимает необходимости оценки вероятностных характеристик синтезируемой сети, которые отражают возможность сети предоставить связь абонентам в произвольный момент времени

В условиях классической задачи теории надежности множество X значений СВ а имеет вид Х={СО (О = ¿y, е{0,1}, 1= 1, ,r}, и рас-

пределение р(ш) вероятностей для СВ а задается формулой

р{(0)= П p^Jqy,

1 <j<r J J

где а = р{ п - 1 i D = 1 -п Будем полагать, что система содержит Ч j ( a j )> у j ч j

большое число г элементов, вероятности отказа q ^ малы, и система по

меньшей мере у-связанная, у>1, те из [а|<у вытекает f(a)=0, где ¡а \=\(СС\ v , а г)\~ а \ + • + а г ~ число отказавших элементов

Рассмотрим расслоение г=0' 'Г' в котором

Х,={со |«в|—/ }. те Xt состоит из исходов с i отказавшими элементами Число элементов в x¡ составляет с 'г Д™ такого расслоения

Щ= XмpU,) (1)

0<1 <Г

В формуле (1) при i < у заведомо =0 С учетом этого

y<i<r T-'-im

где

0<£= £ P(X,)¿ Z Р(Х,) = 1- T.P{X¿ = £mах

im<i<r ¡m<i<r 0<i<im

При некотором ¡т значение мажоранты £та11 таково, что величиной в можно пренебречь и положить

М4= р(х,) (2)

В силу малости ^ ^ обычно в (2) достаточно иметь 2 4 слагаемых

Метод расчета включает следующие шаги

1 Вначале для каждого значения ,хт производится разбиение

множества А'г на слои Для это1 о элементы системы делятся на С(г) групп, в каждую из которых включаются элементы с равными или близкими вероятностями отказа

2 Слой задается фиксированным распределением г)и.. ?7с(() числа г отказов элементов по выделенным С(г) группам

»71=|011> '7'с(,) =1 0с{,)\ 9]. , 0 с (,) - векторы состояния элементов

г|-ой, , С(|) -ой групп, соответственно

3 Поскольку при каждом г=у, ,1т разбиение множества элементов системы на группы проводится так, что внутри групп объединяются близкие по надежности элементы, то вероятности исходов соеХ в любом слое 2 также будут близки Число С(г) групп элементов при 1=у, ,выбирается так,

чтобы общее число слоев в наборе К={Ъ гс^^и и х 1т} не превосходило числа N опытов

4 В каждом слое Z еА проводится равномерное взвешенное моделирование (РВМ) и рассчитывается оценка т2 условного математического

ожидания 1 =

В процессе равномерного моделирования вычисляется также статистическая оценка СГ(/^г) среднеквадратического отклонения сг(/й2) оценки

УУ12 Рассчитывается общая оценка Т^ГП2 для М2, оценка

'¿еА

2 2 2

дисперсии Т)т0 Со=^р и оценка коэффициента вариации

гб А

Р = {Пт0)'2/то

Применение описанного метода к решению тестовой задачи подтверждает полученные теоретические результаты Разработанный на их основе метод имеет хорошую точность в смысле малости коэффициента вариации оценки

Тест состоял в расчете надежности системы, представленной в виде случайного графа Вершины (элементы системы) 1, ,15 в графе заданы с вероятностями отказов Ю-5, 2 1СГ5, 3 Ю-5, 5 Ю-5, в соответствии с

которыми расслоены на четыре группы Дуги абсолютно надежны Система работоспособна, если из глобального центра есть пути во все локальные центры ц1, ц2, цЗ, связность каждого из которых с глобальным одинакова Оценивались вероятности отказа системы при равенстве дисперсий оценок, полученных при непосредственном моделировании и при совместном применении расслоения и РВМ Сокращение в числе испытаний при расслоении и РВМ по сравнению с непосредственным моделированием по методу Монте-Карло составило 2 84 10 раз

В третьей главе « Статистическое моделирование функциональной надежности распределенной системы» выполняется моделирование доставки вызова и установление соединения на сети Установление требуемого соединения, несмотря на повреждения или отказы отдельных элементов, позволяет сохранять работоспособность, т е обеспечивает функциональную надежность (живучесть) системы Для оценки функциональной надежности системы количественным показателем может служить вероятность установления (неустановления) соединения на сети по поступлению соответствующего требования В свою очередь процесс установления соединения на сети во многом определяется принятой стратегией маршрутизации Практически любая стратегия маршрутизации обеспечивает дерево альтернативных путей ("гамак") для каждой пары корреспондирующих абонентов (Рис 1)

Рис 1 Дерево (а) и гамак кратчайших путей (б) между истоком 1 и стоком J

С точки зрения установления соединения направление обмена (дерево путей) пары станций (;,у) можно представить в виде графа (Рис 1 а) С=(А,Ь),где А=(Р,8) - множество узлов (станций), входящих в направление обмена, р к }, к=Г7кТ - множество узлов, отображающих станции, допускающие альтернативные исходящие пути, Б={ }, ей-1,0) - множество узлов, отображающих станции, допускающие единственный исходящий путь в соответствии с адресом вызова, Ь - множество ветвей, отображающих линии связи (транзиты), соединяющие узлы направления обмена

Факт установления-неустановления соединения реализуется имитационным моделированием В качестве критерия функциональной надежности

з

а

б

принята вероятность неустановления соединения при возможных отказах элементов сети

Как и при оценке вероятности связности сети, задача расчета характеристик установления-неустановления соединения сведена к задаче оценивания математического ожидания двоичной с в Е,=Г (а), причем с в а = (<2] > ССсI) имеет закон распределения вероятностей р (т е а~р), который известен В данной задаче ^е{0,1}, £=0 соответствует установлению соединения, £=1 - неустановлению соединения М£=Р{£=1} имеет смысл вероятности неустановления соединения С в Е, невырождена, т е 0<М^<1

С в а интерпретируем как вектор (Х^ )> отображающий со-

стояние ветвей (транзитов), входящих в моделируемый гамак, с точки зрения наличия или отсутствия отказов в каналах С в е{0,1}, г=1,й, (1 - число ветвей (транзитов) в моделируемом гамаке Значение = 1 имеет смысл

отсутствия свободных каналов с требуемой скоростью в г-ой ветви (соответствует отказу 1-го канала связи) С в считаются невырожденными и

независимыми В этом случае с в а имеет конечное множество значений а 6 X, Х={ —\,---П',П = 2с1\ Для нее распределение р(х), х<еХ задастся набором вероятностей р(х^) — Р(сс = х^ =(Р - 0. ] = 1» п В общем случае, в

силу большой размерности сети для решения задачи оценки вероятности установления (неустановления) соединения на сети используем двухступенчатую выборку На первой ступени из генеральной совокупности станций сети {а^, 1= 1,к + ш выбирается пара станций (г,]), у=йк + , г^], для которой должна быть оценена возможность установления соединения На второй ступени производится расслоение по числу г|, Л=?7тт > ?7тах полностью занятых

нагрузкой на необходимой скорости (либо находящихся в отказовом состоянии) транзитов в гамаке Г(г,у) Имитируется на получаемых реализациях Г(г1/) процесс доставки вызова адресату По факту доставки вызова фиксируются число транзитов, пройденных вызовом при его доставке к адресату, число транзитов в установленном соединении и число рестартов, являющиеся случайными величинами По результатам экспериментов вычисляются необходимые статистики

С учетом расслоения по г| оценку Мс, находим в виде

_ '/шах

мг= ^мт р(хг) >

^тт

где М £ (77) - оценка вероятности неустановления соединения при условии, что г) ветвей (транзитов) являются непроводящими (не содержат свободных каналов требуемой скорости либо находятся в отказе), Р(Хг/) - вероятность слоя, в котором т] ветвей (транзитов) непроводящие

Оценка М £ ( tj ) находится методом РВМ Новая усредняемая функция при этом имеет вид

Р{Х) J С1} р(х),соЬ0 = т1

q(x) [о, а>(х) ф rj

Для задания состояния гамака гц(л) на k-м розыгрыше применяем

случайный выбор г| номеров непроводящих ветвей (транзитов) В результате вектор а получает конкретную реализацию х, содержащую т| единиц и d-r| нулей, оценка вероятности неустановления соединения между парой станций (г,у) при г| непроводящих ветвей (транзитов) в гамаке г у определяется в виде

Л л Nr, , N4

NVk=1 NV k=1

где Njj - число разыгранных состояний (реализаций) гамака гв котором г) ветвей оказались непроводящими для установления соединения,

- исход доставки-недоставки вызова при k-м испытании (к-

*(х\т))к = \г[

й реализации гц), ^(x/rj)k е(0,1), р(х) = - вероятность полу-

ченной реализации, которая вычисляется по формуле

Pirtfh = Пq (ai=\)dY\h\-q(aj = \)} J i = 1 j=1

V *<

Значение ¿¿(х / T])k=l имеет место, если вызов не дошел до адресата (все

пути гамака оказались непроводящими) либо вызов дошел до адресата и установлено соединение, но за время, превышающее допустимое Вероятности р(<2,"')> i=l,d заданы при решении задачи распределения потоков Окончательная оценка вероятности неустановления соединения между парой станций (у) имеет вид

^ max

М5у= Z Р( Ц )ц М^ц(17)

^ mm

Если в модели исключить ограничение числа рестартов, то показатель

^ max N(3K

Z Р( 1) ц - есть оценка вероятности потери связности в направ-

Я " МП

I гшп '

лении обмена в у ( дг -число испытаний из общего числа N т/ 'в которых

вызов не достиг адресата из-за отсутствия в гамаке хотя бы одного безотказного сквозного соединения, £, ~=1)

Предложенные методы расчета структурной и функциональной надежности распределенной системы отличаются высокой эффективностью за счет сочетания расслоенной выборки с равномерным взвешенным моделированием в слоях. Расслоение обеспечивает высокую точность, а равномерное взвешенное моделирование простоту и скорость получения реализаций при моделировании редких событий.

В главе четвертой « Концептуальная модель виртуального канала» излагается подход к построению имитационной модели, обеспечивающей в логическом канале влияние фоновых потоков на выделенный поток, характеристики которого оцениваются.

Смысл создания ВК заключается в следующем. Маршрутные таблицы содержат глобальные адреса конечных узлов, которые имеют длину 14-И 5 десятичных цифр (до 8 байт) в служебном поле пакета. После установления виртуального соединения эти адреса заменяются номерами входящего и исходящего портов в каждом УК, между которыми будет коммутироваться поток передаваемых данных между корреспондирующими оконечными устройствами. Номер ВК - 12 бит. В результате пакеты не несут длинных адресов. И работа сети маршрутизации пакетов ускоряется: решение по продвижению пакетов принимается быстрее из-за меньшего размера таблицы коммутации и уменьшается доля служебной информации. Режим продвижения пакетов на основе готовой таблицы коммутации портов называют не маршрутизацией, а коммутацией.

Факторными признаками, влияющими на время доставки пакетов по ВК, являются число транзитных участков, образующих составной физический канал между источником и адресатом, и возможные задержки в узлах коммутации (УК) и каналах связи (КС).

Особенностью имитационной модели ВК является отображение в модели потоков, циркулирующих по сети и влияющих на процесс прохождения пакетов по выделенному (моделируемому) пути

Ресурсы коммутаторов и каналов используются не только протокольными блоками выделенного логического канала, но и протокольными блоками других потоков, циркулирующих по сети. Влияние этих потоков в концептуальной модели ВК предлагается отобразить посредством генератора фоновых (транзитных) потоков. Структурная модель дифференцирует выделенный (индивидуальный) поток и фоновые потоки, поступающие в узлы коммутации ВК (Рис.2).

Рис. 2. Структура модели виртуального канала

Формализация коммутатора (УК) выполнена в виде трехфазной СМО фазы приема, транспортировки пакетов через среду коммутации и передачи пакетов в исходящий канал. Фазы коммутации и передачи в исходящий канал моделируются как СМО с очередью Фаза приема информационного кадра (ИК) из входящего канала вносит фиксированное время задержки пакета, зависящее от длины ИК и скорости приемного канала порта Задержка в коммутаторе оценивается суммой трех составляющих = грпРм + гр тР + ^"Рд

Предложена имитационная модель коммутатора, реализующая взаимодействие выделенного и фоновых потоков и обеспечивающая ускорение статистических экспериментов (Рис 3).

1г

км. 1 • 11 11 км2 т 1 ... 1 1 1 КМ, т 1 ... ' 1 1 кми, 1 ' 1 1 1 1 -Т1 кмк

--------— —___у

___и ■

п.сЩ>п'

КМ,

км51

км5

4Т—££

Рис 3 Модель коммутатора (П„ - выделенный и Пф - фоновый потоки)

Исходя из плана распределения нагрузки, предложен алгоритм подсчета интенсивностей транзитных (фоновых) потоков, и построена схема функционирования имитационной модели ВК Схема включает пять особых состояний требование на передачу пакетов (поступление пакетов от генераторов в систему), требование к ожиданию пакетов в буферах УК или КС, требование к обработке пакетов в УК или КС

Таким образом, исходя из основной задачи анализа, связанной с оценкой вероятностно-временных характеристик процесса доставки пакетов между корреспондирующими узлами, в имитационной модели ВК учитываются состояния очередей узлов и каналов, дисциплины обслуживания очередей, дейсшия транзитных потоков, отображающих влияние на рассматриваемый путь не рассматриваемой в модели части сети

Имитационная модель виртуального канала является общим элементом модельного обеспечения расчета системных характеристик информационной сети и модифицируется в зависимости от решаемой задачи

Способность модели ВК настраиваться на любые направления обмена дает возможность использовать ее при построении алгоритмов маршрутизации, при параметризации конкретного пути обмена, при параметризации протоколов транспортного уровня

Глава 5. "Имитация процесса транспортировки пакетов по виртуальному каналу" Целью данной главы является применение имитационной модели для построения временных характеристик доставки пакетов по ВК среднего времени доставки пакетов, ширины изменения времени доставки пакетов, минимумов/максимумов от времени доставки пакетов и 99% времени доставки пакетов

Процесс моделирования ВК ускорен за счет применения модели коммутаторов с фоновыми потоками (РисЗ) и рационального построения программной реализации имитационной модели (ПРИМ) ВК

Ускорение ПРИМ достигается двумя путями Первый путь за счет структуризации программы так, чтобы обеспечивать переход к нужному модулю непосредственно или с минимальной затратой времени Для этого механизм системного времени сведен к механизму системного перехода, который обеспечивает переход к нужному модулю и позволяет выполнять несколько особых состояний при очередном просмотре модулей ПРИМ Практически такой подход означает применения схемы процессов для построения моделирующего алгоритма

Второй путь ускорение ПРИМ возможно за счет более удобного размещения элементов базы данных и сокращения количества процессорных циклов при выполнении одного действия В ПРИМ размещение и представление буферов в памяти машины выполнено в виде кольцевых очередей, которые представляют собой связные списки

Построенная программная имитационная модель ВК состоит из программных модулей, реализующих алгоритмы обработки имитируемых физических действий, и модулей обслуживания моделирования К алгоритмам обслуживания относятся алгоритмы построения генераторов фоновых (транзитных) потоков, механизма системного перехода, ведения базы данных, сбора и обработки статистик Обрабатывающие модули реализуют алгоритмы, обеспечивающие имитацию процесса движения пакетов по маршруту

Для проведения экспериментов использовалась модель ВК, состоящая из трех узлов Целью постановки имитационных экспериментов являлось определение среднего времени и 99% времени транспортировки пакетов по ВК Спецификой решаемой задачи является корреляция между пакетами, передаваемыми по ВК При анализе ВВХ сетей, в том числе и высокоскоростных, достаточно широко используется гипотеза независимости Клейнрока Как сказывается на временных характеристиках применение гипотезы независимости при достаточно больших нагрузках (р>0 5), характерных для широкополосных сетей7 Этот вопрос определил подход к проведению численных экспериментов на имитационной модели ВК воспроизводится два процесса доставки - процесс, адекватный естественной транспортировке пакетов по ВК, и процесс с независимой обработкой пакетов на каждом узле ВК В последнем случае модель состоит из одного узла Определение времени доставки отдельного пакета, проходящего по маршруту как бы из трех узлов, реализуется суммированием трех времен доставки пакетов, выходящих подряд из одноузловой модели Это обеспечивает независимость в обслужива-

нии и в пребывании пакетов в узлах ВК

В модели, построенной по предлагаемым методу и алгоритмам, и в модели, реализующей гипотезу Клейнрока, соблюдается идентичность входящих и проходящих потоков по узлам Производительность КС задавалась в двух вариантах бесконечной, т е КС задержку не выносят, и конечной, равной или меньшей производительности УК

При адресации пакетов соблюдается идентичность нагрузки на всех узлах Поскольку входные данные заданы произвольно, то эксперименты проведены для разных вариантов адресации входных транзитных пакетов при условии сохранения одинаковой нагрузки

Идентичность нагрузки соблюдалась как в узлах коммутации, так и в каналах связи Нагрузка в каналах связи составляла половину нагрузки УК, что обеспечивает идентичность нагрузок во всех узлах

Результаты показывают малое влияние выбора адресации входящих транзитных пакетов при условии сохранения нагрузки

Сравнительные результаты с использованием и без использования гипотезы Клейнрока по среднему времени доставки и по 99% времени доставки пакетов по ВК показаны на рис 4 рис 5

нагрузка р

Рис 4 Зависимость среднего времени Т и 99% времени доставки Т от нагрузки при =100, (=оо, х=100 I

(Т-К - соответствует процессу с независимой обработкой пакетов в узлах, Т-Я - соответствует процессу, адекватному естественной транспортировке пакетов по ВК)

нагрузка р

Рис 5 Зависимость Т и 99% времени доставки Т от нагрузки при А(уК =100, Мк =90, х=1001

Анализируя полученные результаты, можно сделать следующие выводы

1 Вид зависимостей соответствует физике явления с увеличением нагрузки на узлы коммутации и каналы связи время доставки пакетов по ВК увеличивается Модель ВК реагирует на изменение параметров адекватно при учете времени задержки в КС время доставки пакетов увеличивается по сравнению с вариантом, когда это время принимается равным нулю

2 Использование гипотезы Клейнрока для оценки 99% времени доставки пакетов по ВК в области малых нагрузок (р<0 4) занижает, а в области больших нагрузок (р>0 5) существенно завышает этот показатель (примерно в 1 5 раза)

Занижение времени доставки может привести к сбою речевого устройства При завышении времени доставки к производительности сети будут предъявлены избыточные требования, что может быть сопряжено с большими дополнительными затратами

3 Использование гипотезы Клейнрока слабо сказывается на оценке среднего времени доставки пакетов

Экспериментальные исследования проводились на ЭВМ типа PC Pentium 4, 1 7GHz

Заключение

Входе диссертационного исследования получены следующие основные результаты, обеспечивающие достижение поставленной цели По специальности 05 13 01

1. Разработаны аналитико-статистические методы расчета оценок:

- вероятности связности (струкггурной надежности) распределенной автоматизированной системы. Метод основан на совместном применении многоступенчатой расслоенной выборки и равномерного взвешенного моделирования,

- вероятности установления соединения между пользователями распределенной системы за время, не превышающее допустимого (оценка функциональной надежности системы) Метод основан на совместном применении расслоенной выборки, равномерного взвешенного моделирования и имитационной модели доставки вызова,

2 Предложена методика совместного использования при имитации расслоенной выборки и взвешенного равномерного моделирования для оценивания структурной и функциональной надежности сетевых структур, расслоение обеспечивает сокращение циклов имитации, а равномерное взвешенное моделирование упрощает процедуру получения реализаций случайного графа распределенной системы

3 Предложена формализация коммутатора в виде трехфазной СМО, обеспечивающего распределение информационных потоков Формализация отличается применением схем СМО с ожиданием для моделирования внутренней среды коммутации и исходящих портов коммутатора

по специальности 05 13 13

4 Построены имитационные модели виртуального канала и доставки вызова по сети с альтернативными маршрутами (имитационная модель направления обмена - фаза установления соединения)

• имитационная модель виртуального канала предназначена для оценивания временных характеристик транспортировки пакетов между корреспондирующими оконечными узлами и отличается встроенным модулем генератора фоновых потоков, реализующего вероятностный эквивалент не рассматриваемой части сети при моделировании выделенного направления Имитационная модель ВК является программой, копии которой могут быть использованы для моделирования различных по параметрам путей со своими порциями данных,

• имитационная модель доставки вызова по сети используется при оценивании структурной и функциональной надежности сети и отличается возможностью передачи повторных вызовов как от узла-источника, так и от промежуточных предыдущих узлов с альтернативными исходящими путями,

5 Разработан аналитико-статистический метод расчета оценки времени доставки (среднего и 99%) пакетов по виртуальному каналу Метод основан на предложенной имитационной модели виртуального канала

6 Разработаны алгоритмы и выполнена их программная реализация имитационной модели коммутатора, как элемента виртуального канала, которая обеспечивает реализацию метода ускоренного анализа временных характеристик виртуального канала Алгоритмы и программы имитации учитывают особенности взаимодействий фонового и выделенного потоков в портах коммутаторов

Разработанное модельное обеспечение статистического моделирования коммутирующих сетей отличается повышенной эффективностью вычислительных алгоритмов, что в совокупности обеспечивает увеличение размерности решаемых задач анализа и синтеза распределенных систем методом машинной имитации

Публикации по теме диссертации

1 Кутузов, О И Модель установления соединения на сети / О И Кутузов, Д И Старчак, Ф Матарнех // Проблемы подготовки кадров в сфере ин-фокоммуникационных технолой Материалы науч -практич конф , Санкт-Петерб , 1-3 марта 2005 г - СПб СПОИСУ, 2005 - С 91-94

2 Кутузов, О И Концепция сети в системе экологического мониторинга/ О И Кутузов, С Амари, Ф Матарнех// Известия СПбГЭТУ «ЛЭТИ» (Известия Государственного электротехнического университета), Сер «Информатика, управление и компьютерные технологии» — 2006 - № 2 - С 31—34

3 Кутузов, О И Статистическое оценивание связности сети / О И Кутузов, Ф Матарнех // Автоматизация, информатизация, инновация в транспортных системах Сб науч -техн статей - СПб СПГУВК 2006 - Вып 1 -С 27-32

4 Kutuzov, ОI Choosmg structure nodes network, ecology monitoring system / ОI Kutuzov, A A Kuznetsov, F Matarneh//International conférence "Instrumentation in ecology and human safety"(Bbi6op структуры сети в системе экологического мониторинга), St Peterb , 31 jan - 02 feb ,2007 - SPb , 2007 -P 91-93

5 Матарнех, Ф Подход к расчету производительности локальной сети /А Матарнех, С Амари // Технические средства судовождения и связи на морских и внутренних водных путях Междунар межвуз сб науч трудов/ Под ред А А Сикарева - СПб, СПГУВК - Судостроение, 2006 Вып 7 -с 103-108

6 Матарнех, Ф Концепция распределенного имитационного моделирования, основанного на модели параллельных вычислений SPMD /Ф Матарнех// Анализ и прогнозирование систем управления Труды 8-й междунар науч -практич конф молодых ученых, студентов и аспирантов - СПб Изд-во СЗТУ, - 2007 - С 174-177

Подписано в печать 22 11 07 Формат 60*84 1/16 Бумага офсетная Печать офсетная Печ л 1,0 Тираж 100 экз Заказ 132

Отпечатано с готового оригинал-макета в типографии Издательства СПбГЭТУ "ЛЭТИ"

Издательство СПбГЭТУ "ЛЭТИ" 197376, С -Петербург, ул Проф Попова, 5