автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.13, диссертация на тему:Синтез буферной системы в многомашинных вычислительных системах коллективного пользования

Введение

Глава I. КОМПЛЕКСНЫЙ АНАЛИЗ СРЕДСТВ ТЕЛЕОБРАБОТКИ

1.1. Характеристика средств телеобработки

1.2. Аппаратные средства телеобработки.

1.3. Анализ программируемых средств телеобработки

1.4. Сравнительный анализ программируемых средств телеобработки.

1.5. Постановка задачи исследований

Глава П. ИССЛЕДОВАНИЕ АЛГОРИТМОВ БУФЕРНОГО ПРОЦЕССОРА

2.1. Синтез адаптивного режима коммутации в ЕЛ.

2.2. Сравнительный анализ алгоритмов коммутации Ш

2.3. Политика распределения оперативной памяти при буферизации в Ш.

2.4. Выводы

Глава Ш. ВЫБОР ОПТИМАЛЬНОЙ СТРУКТУРЫ БП С

ПОМОЩЬЮ ИМИТАЦИОННОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ

3.1. Имитационное моделирование буферного процессора.

3.2. Программирование имитационных моделей.

3.3. Выбор эффективной политики буферизации в БП.

3.4. Выбор приоритетной политики обрабатывающих программ в БП.

3.5. Выводы.

Глава ВТ. БАЗОВЫЙ ПАКЕТ КОММУНИКАЦИОННЫХ ПРОГРАММ.

4.1. Общая структура пакета.

4.2. Распределитель памяти.

4.3. Блок коммутации.

4.4. Работа системы

4.5. В ы в о д ы.

Стремление максимально использовать ресурсы ЭВМ,обеспечить удаленному пользователю необходимый сервис, упростить и расширить доступ к ЭВМ привело к появлению систем телеобработки, объединяющих в себе с помощью линий связи и различных средств сопряжения основную (рабочую) ЭВМ с удаленными абонентскими пунктами или более сложными терминальными системами. Согласование ЭВМ с линиями передачи данных осуществляется с помощью мультиплексоров передачи данных (МПД), программируемых телекоммуникационных контроллеров ( типа IBM 3705), предпроцессоров на мини -и микро-ЭВМ ( буферных процессоров).

Актуальность темы диссертации. Эффективность всей системы телеобработки в целом в значительной мере зависит от выбора средств сопряжения. Использование программируемых буферных процессоров позволяет более рационально распределить нагрузи по системе, освободить высокопроизводительные ЭВМ от выполнения несвойственных им коммуникационных функций, обеспечить возможность включения в систему телеобработки широкого спектра терминальной аппаратуры, а также специальной аппаратуры для автоматизации научных исследований. Однако увеличение нагрузки на средства сопряжения производится без учета особенностей рабочей ЭВМ. Возникают режимы, при которых буферные системы, даже обладая значительными ресурсами,не обеспечивают требуемой пропускной способности, в то время, как рабочая ЭВМ остается недогруженной. Поэтому задача построения оптимальных средств сопряжения линий связи и рабочих ЭВМ, обеспечивающих эффективное распределение и использование вычислительных ресурсов в системе телеобработки,представляет значительный интерес. Её решение позволит увеличить эффективность систем телеобработки в целом, что, учитывая их бурное развитие имеет народнохозяйственное значение.

Цель и задачи диссертационной р а -боты. Целью настоящей диссертации является исследование и разработка программного обеспечения буферной системы, обеспечивающей * оптимальное соотношение между пропускной способностью и вычислительными затратами на диспетчеризацию сообщений в цепи терминал-прикладной процесс рабочей ЭВМ. Решаются следующие задачи:

- создание комплекса аналитических и имитационных моделей для исследования,оценки эффективности существующих и проектируемых буферных систем,

- разработка эффективных алгоритмов коммутации, диспетчеризации обрабатывающих программ, буферизации,

- создание пакета прикладных программ для автоматизации про-траммирования реализующих процедур буферной системы ( ввод/вывод, маршрутизация, служебная обработка).

Обоснование принятого подхода к решению задачи. В настоящее время отсутствует формализованный аппарат исследования буферных систем. Некоторые локальные задачи,возникшие при решении основной задачи диссертации допускают использование классических методов. При синтезе политики коммутации использованы методы теории оптимального управления. Для анализа затрат оперативной памяти применялся аппарат теории очередей. При разработке приоритетной политики обрабатывающих программ была применена методика синтеза, аналогичная используемой для систем с переменной структурой. При согласовании локальных задач использованы методы теории иерархических систем. Многокритериальность задачи, отсутствие явных функциональных связей между базовыми параметрами системы потребовали применения имитационного моделирования, которое было использовано в комплексе с разработанными аналитическими моделями.

Структура и краткое описание диссертации. Диссертация имеет введение, четыре главы, заключение и приложения.

Во введении обосновывается актуальность и дается общая характеристика работы.

Первая глава содержит анализ современных средств телеобработки. Проанализированы алгоритмы и принципы построения типовых средств телеобработки: МИД, СU 3705 фирмы I ВМ, C0MTEX-II фирмы ДЕЕ. Приведены основные характеристики этих систем, полученные на имитационных моделях. Проведен сравнительный анализ по основным критериям, характеризующим эффективность системы: пропускная способность, величина задержки сообщений, общие затраты оперативной памяти, метод сопряжения с рабочей ЭВМ. Сформулированы основные задачи, подлежащие исследованию для получения оптимальной структуры Ш.

Во-второй главе проведен синтез адаптивной политики коммутации для оптимальной буферной системы. Найдено условие синтеза режима коммутации, позволяющее минимизировать общие затраты вычислительной системы на передачу данных, идущих от терминалов к рабочей ЭВМ. С использованием аналитических моделей проведен анализ современных алгоритмов буферизации, используемых в СU 3705 и СШТЕХ-11. Получена оценка общих затрат оперативной памяти и задержек сообщений. Проведено сравнение на частоту обращения к процессору. Предложен алгоритм буферизации, ориентированный на минимизацию задержек на линиях связи и получены основные характеристики.

В третьей главе рассматривается специализированная система имитационного моделирования ( ССЙМ), предназначенная для исследования ЕЛ в системах телеобработки. С помощью ОСИМ проведена количественная проверка полученных во второй главе алгоритмов по составным критериям, осуществлено согласование локальных алгоритмов коммутации и буферизации для получения оптимального соотношения пропускная способность - вычислительные затраты. На базе полученного алгоритма согласования сформулированы требования к приоритетной политике обрабатывающих программ Ш, получено условие наличия "скользящего режима" для фиксированной структуры ЕЛ, которое позволяет осуществить заранее заданный алгоритм согласования, управляя приоритетами обрабатывающих программ.

В четвертой главе рассматривается пакет коммуникационных программ, послуживший базой для последующих модификаций Ш и внедрения на производственном объединении ( п/о "ВЭФ", г.Рига ; Всесоюзном научно-исследовательском институте проблем организации управления ( ЕНИИПОУ) ГКНТ при Совете Министров СССР, г.Москва ; п/о "Коммутатор", г.Рига ; Институте технической кибернетики АН Белорусской ССР, г.Минск. Приводится структура пакета, описание основных функциональных блоков и прохождение данных через программную структуру Ш, реализованного на базе пакета.

В заключении излагаются основные результаты работы и приводятся количественные оценки достоверности результатов имитационного моделирования.

В приложении приводится совокупность макроопределений,представляемых пользователю базового пакета при использовании его в специфических коммуникационных системах, набор макроопределений специализированной системы имитационного моделирования, а также блок-схемы используемых моделей. Кроме того приложение содержит акты о внедрении системы.

Научная новизна полученных результатов заключается в разработке метода адаптивного перераспределения функций между буферным процессором и рабочей ЭВМ. Метод обеспечивает оптимальное соотношение между пропускной способностью буферного процессора и затратами ресурсов на диспетчеризацию сообщений в распределенной системе телеобработки. Предложенный метод базируется на использовании принципиально новых алгоритмов управления буферной системой :

- адаптивном алгоритме коммутации, обеспечивающем оптимальное перераспределение функций между рабочей ЭВМ и Ш в зависимости от характеристик трафика,

- алгоритме буферизации, оптимизирующем соотношение между задержками на линиях связи и общими затратами оперативной памяти буферизации,

- алгоритме диспетчеризации управляющих и обрабатывающих программ, обеспечивающем согласованное взаимодействие для достижения оптимального соотношения пропускная способность - вычислительные затраты ЕЛ, Методической новизной при решении такого типа задач является использование аппарата теории систем с переменной структурой, с помощью которого синтезированы функции управления приоритетами обрабатывающих алгоритмов и проведено их-объединение в эффективную программную структуру буферного процессора.

Алгоритмы реализованы в рамках разработанной специализированной системы имитационного моделирования, ориентированной на исследование коммуникационных систем,что позволило оценить буферный процессор по комплексным критериям качества с неявными функциональными связями между параметрами.

Основными результатами диссертационной работы, выносимыми на защиту, являются :

1. Разработка специализированной системы имитационного моделирования для исследования средств сопряжения в современных систеv мах телеобработки.

2. Метод адаптивного перераспределения функций между буферным процессором и рабочей ЭВМ, обеспечивающий оптимальное соотношение между пропускной способностью буферного процессора и затратами ресурсов на диспетчеризацию сообщений в распределенной системе телеобработки.

3. Алгоритм буферизации, обеспечивающий оптимальное соотношение между задержками сообщений и общими затратами памяти в буферном процессоре.

4. Алгоритм коммутации, обеспечивающий динамическое перераспределение функций между рабочей ЭВМ и буферным процессором в зависимости от характеристик трафика.

5. Алгоритм управления приоритетами обрабатывающих программ, обеспечивающий согласованное взаимодействие программных модулей для достижения оптимального соотношения пропускная способность -вычислительные затраты.

6. Пакет прикладных программ, лежащий в основе программного обеспечения буферного процессора, ориентированный на создание программного обеспечения различных вариантов систем телеобработки и работающий как автономно, так и под управлением операционной системы ЭВМ СМ-4. Пакет допускает простую перекомпиляцию на микропроцессорную базу.

Основные результаты работы могут быть сформулированы следующим образом:

1. Разработана специализированная система имитационного моделирования для исследования средств сопряжения в современных системах телеобработки.

2. Предложен метод адаптивного перераспределения функций между буферным процессором и рабочей ЭВМ, обеспечивающий оптимальное соотношение между пропускной способностью буферного процессора и затратами ресурсов на диспетчеризацию сообщений в распределенной системе телеобработки.

3. Разработан алгоритм буферизации,обеспечивающий оптимальное соотношение между задержками на линиях связи и общими затратами памяти в буферном процессоре.

4. Предложен алгоритм коммутации,обеспечивающий динамическое перераспределение функций между рабочей ЭВМ и буферным процессором в зависимости от характеристик трафика.

5. Разработан алгоритм управления приоритетами обрабатывающих программ, обеспечивающий согласованное взаимодействие программных модулей для достижения оптимального соотношения про-пусная способность - вычислительные затраты.

6. Разработан и внедрен пакет прикладных программ, лежащий в основе программного обеспечения буферного процессора, ориентированный на создание программного обеспечения различных вариантов систем телеобработки и работающий как автономно,так и под управлением операционной системы ЭВМ СМ-4. Пакет допускает простую перекомпиляцию на микропроцессорную базу.

1. МЦЦ-3. Техническое описание. 1977. 152 с.-2. Якубайтис Э.А. Вычислительные системы и сети. Рига, "Зинатне", 1977.

2. Sobolewski J.S. Programmable Communication Processor. ICCC, 1972, p.380—389.

3. The Communications Minicomputer. Telecommunications, 1978, vol. 6, N10, p.15—22.

4. Zafiropulo P. Flexible Multiplexing for Network Supporting Line Switehed and Packet Switched Data - Trafic. International Council of ICCC, 1981, p.517—523.

5. Farber D.J., Frank H. The Structure of a Distributed Computer System. — The Distributed Fill System. ICCC, 1972,p. 364—370.

6. Lefkovits H.C. Characteristics of Database System in a Computer Network Environment. ICMACN, 1980, N4.

7. Roberts L.6. Access Control and Fill Directories in Computer networks. IEEE International Convention, 1978, N3, p.411— 420.

8. Pexrson D.L. Interfacing and Data Concentration. Computer Applications in Electrical Ingineering Series, 1973, vol.7, p.197—236.1..Shafritz A.B. The Use of Computers in Message Switching Networks, ACM, 1978. vol.18.

9. И.Грин П., Лаки Р. Системы передачи данных и сети ЭВМ. М., "Мир", 1974. 215 с.

10. Сипсер Р. Архитектура сетей в распределенных системах. Кн.1,2. М., "Мир", 1981.

11. Mit>bs R.B. Features of an Advanced Front-End CPU. Spring Joint Computer Cont. AFIPS Cont. Proc., Wachington AC.Spar-tau, 1970, p. 15— 21.

12. Amstutz S.R. Efficiency Consideration of Several Conmiunica-tions Executives. IEE Int.Cont.Dig.,1971, N3.

13. Tb.eihs D.J. Communications Processors. Datamation, 1972,N8, p.31.

14. Mills D.L. The Data concentrator. Proc.ACM Conf,, Optimization of Data Communication System, 1968, N10.

15. Burner H.B. A Programmable Data Concentrator for a Large Computing System. IEEE Trans. Comput., 1969, vol.C-I8, Nil, p. 1030—1038.

16. Real. Time System Executives for PDP-11. Didital Eguipment. Corp. Option Bull. RSS-IIC, 1974.

17. Schwab R.F. High Up-Time Systems. Honeywell Comput. J.Fall, 1976.

18. Mills N. NASDAQ- A User Driven, Real Time Transaction System. AFIPS Conference Proceedings. SJCC, 1972, p.1197 — 1200.

19. Gorley D.E. Data Communications. Initial Planning, Datamation, 1972, vol.18, N10, p.59—64.

20. Newport C.B. Small Computer in Data Networks Honeywell INC, AFIPS Proceedings, SJCC, 1979, vd.34, p.773—789.

21. Якубайтис Э.А. Архитектура вычислительных сетей. М., "Статистика", 1980.

22. Под ред.Глушкова В.М. Сети ЭВМ. М., "Связь", 1977.

23. Heart P.E. The Interface Message Processor for the ARPA Computer Network. APIPS Conference Procedings. SJCC, 1970, p. 251—258.26.0rnstein S. The Terminal IMP for the ARPA Computer Network. APIPS Conference Proceedings. SJCC, 1972.

24. Prank M. Computer Communication Network Design. Experience with Theory and Practice APIPS Conference Proceedings. SJCC, 1972.

25. Pouzin L. The CYCLADES Network. Present State and Development Trends. Proc. Symp. Comfut. Networks. — Trends and Appl., Gaithersburg, New-York, 1975, p.8—33.

26. Mckezie M. Some Computer Network Interconnection Issues. APIPS Conference Proceedings, 1974, vol.43,N5, p.847—861.

27. Interface Between Data Terminal Eghipment and Data Cercuit -Termination Eguipment for Terminals Operating in the Packet Mode on Publik Data Networks. X25, CCITT, 1976, 66 p.

28. Amstutz Distributed Intelligence in Data Communications Networks. Computer, 1978, vol. 4, N6, p.26—32.

29. Ball C.J. Communications and the Minicomputer. Computer,1974, vol.4, N5, p.13—29.

30. Heart . A New Minicomputer/Multiprocessor Por the ARPA Network. APIPS Conference Proceedings, 1973, vol.42, p.529—537.

31. Holms J.P. Specifying a Message Switching Computer. Control Engineering, 1975, vol.12, N2, p.25—32.

32. Якубайтис Э.А. Архитектура локальных вычислительных сетей. Рига, "Зинатне", 1981, 69 с.

33. Хиндин X. Средства локальной сети ETHERNET со скоростью передачи данных 10 мбит/с. М., "Энергия", 1981.

34. Hopkins G. Multimode Communication on the MITRENET. Computer

35. Networks, 1980, N4, p.299—233.

36. Mark J.H, Global Sheduling Approach to Conflict Free Multiaccess via a Data Bus. IEEE Trans.Сommun.,1978, vol.COM-26, p.1342—1352.

37. Kleinrock L., J.Jemini. An Optimal Adaptive Schme for Multiple Access Broadcast Communication. ICC 78, Conf.Rec.Toronto, 1978, June 4—7, p.7.2.1-7.2.5.

38. Amstutz S.R, Efficiency Consideration of Several Communications Executives. IEEE Int.Conv.Dig.,1981.

39. Meссарович. Теория иерархических структур. М., "Мир", 1973.

40. Понтрягин Л.С. Математическая теория оптимальных процессов. Изд-во физ.-мат. литературы, 1961, 480 с.

41. Freimer М. Dinamic Programming and Adaptive Control Processes, Lincoln Labaratory Report, 1959.

42. Красовский H.H. Некоторые задачи теории устойчивости движения. М., изд-во физ.-мат. литературы, 1959.

43. Кокс Д.Р., Смит У.Л. Теория очередей. М., "Мир", 1966, 243 с.

44. Уткин В.И, Скользящие режимы и их применения в системах с переменной структурой. М., "Наука", 1974.

45. Емельянов С.В. Системы автоматического управления с переменной структурой. М., "Наука", 1967.

46. Емельянов С.В. Теория систем с переменной структурой. М., "Наука", 1970.

47. Айзерман М.А., Гантмахер Ф.Р. 0 некоторых особенностях переключений в нелинейных системах автоматического регулирования с кусочно-гладкой характеристикой нелинейного элемента. Автоматика и телемеханика, 1957, т.48, ЖЕ1.

48. UNIVAC Communications/Symbiont Processors. System Description. VP-27850.

49. Communications.System Base. Concepts and Facilities. DEC-II-CCSBA-A-D.

50. Introduction to the IBM 3705 Communications Controller. N0-GA27-305I. IBM Corporation. Data Processing Division. White Plains. Hew-York. 1976.

51. Huynh D. Optimal Design of Mixed Media Packet Switching Networks. IEEE Trans, 1977, vol.COM-25, N1, p.158—168.

52. IBM System Reference Library. Basic Telecommunications Accers Method. Program Number 360-C0-469, 260 p.

53. Gray J.P., Blair C.R. IBM System Nrtwork Architecture. Datamation, 1975, vol.21, N4, p.51—56.

54. IBM 3705 Communications Controller. User Quide. No GA3I-4067. IBM Corporation, white Plains. New-York, 1976.

55. С 2701. User Quide. UP-3I860.

56. C0MTEZ-II.User Quide. DEC-II-CCSBA-B-D.

57. Зарубежная радиоэлектроника, 1977, M, с.З—21.

58. Электроника, 1977, т.50, №5, с.65—67.

59. Frike J, A Frond-End Primer for IBM Users. Datamation, 1973, N4, p.46—51.

60. Kaplan S.J. The Advancing Communication Technology and Computer Communication Systems. AFIPS Proceedings, 1974,SJCC, vol.32.

61. DXIIB-PDP-II to IBM 360/370 Channel Interface. DEC-II-CCSN, 1974.

62. COLLINS Computer. Computing Networks from Minis through Maxis. LC-68-1628, 1973.

63. Fadyen J. System Network Architecture. IBM Systems Journal, 1976, vol.15, nl, p.4—24.

64. MDLC ISO/ТС 97/SC. Data Communications. Secretariat USA1. ANSI), 230 p.

65. Самойленко С.И. Системы обработки информации. М., "Наука", 1975, 256 с.

66. Мартин Д. Сети связи и сети ЭВМ. М., "Связь", 1974,4.1,232 с.

67. Мартин Д. Сети связи и сети ЭВМ. М.,"Связь", 1975,ч.П, 208 с.

68. Феллер В. Введение в теорию вероятностей. М., "Мир", 1964,ч.1

69. Вентцель Е.С. Теория вероятностей. М., "Наука", 1971, 760 с.

70. Гантмахер Ф.Р. Теория матриц. М., "Наука", 1970, 830 с.

71. Denning P.J. Vitul Memory. Computer Surv., 1970, vol.2, N9, p. 153—189.

72. Gayer D. Model for Storage Reguirements. 1976, J.ACM, vol.18.

73. Kleinrock L. Queueing Systems, New-York, Willey, 1975,Volume I-Theory.

74. Шейнер Д.М. Политика распределения оперативной памяти при буферизации в коммуникационном процессоре. В сб."Диалоговыхсистемы". Рига, "Зинатне", 1978.

75. Соя D. Renewal Theoru. Methuen, London, 1962.

76. Thomas R. McROSS-A Minicomputer Programming System AFIPS Conference Proceedings. SJJS, 1972, p.281—293.

77. Бусленко Н.П. Моделирование сложных систем. М., "Наука", 1968, 355 с.

78. Initial Design for IMP for the ARPA Computer Network. Bolt. Beranek and Newman INC., CAMBRIDGE , Jan.1969, BBNR-I763.

79. Месарович M., Такахара Я. Общая теория систем: математические основы. М., "Мир", 1978, 311 с.

80. Моисеев Н.Н. Элементы теории оптимальных систем. М., "Наука", 1975, 526 с.

81. Болтянский В.Г. Математические методы оптимального управления. М., издательство физ.-мат. литературы, 1968, 408 с.

82. Уткин В.И. Об уравнениях скользящего режима в разрывных системах. Автоматика и телемеханика, 1972, №2.

83. Беллман Р. Введение в теорию матриц. М., "Мир", 1969.

84. Эб.Шейнер Д.М. Макроязык обмена в сетях связи. В сб."Системы автоматизации научных исследований". Выпуск 5, Рига, "Зинат-не", 1981.

85. Шейнер Д.М. Анализ затраты оперативной памяти в коммуникационном процессоре. В сб."Системы автоматизации научных исследований". Выпуск 5, Рига, "Зинатне", 1981.