автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.05, диссертация на тему:Структурно-алгоритмическая организация элементов специализированных локальных вычислительных систем

КИЕВСКИМ ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ

на правах рукописи

МЕДВЕДЕВ СЕРГЕЙ ЛЕОНИДОВИЧ

УДК 681.323

СТРУКТУРНО-АЛГОРИТМИЧЕСКАЯ ОРГАНИЗАЦИЯ ЭЛЕМЕНТОВ СПЕЦИАЛИЗИРОВАННЫХ ЛОКАЛЬНЫХ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНЫХ СЕТЕЙ

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальностям:

05.13.05 - Элементы и устройства вычислительной техники и

систем управления 05.13.13 - Вычислительные машины, комплексы, системы и сети

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

КИЕВ - 1992

Работа выполнена на кафедре автоматики и управления в технических системах Киевского политехнического института.

НАУЧНЫЙ РУКОВОДИТЕЛЬ - доктор технических наук, профессор

1ураковский Ю.П.

ОФИЦИАЛЬНЫЕ ОППОНЕНТЫ - доктор технических наук, профессор

Тарасенко В.П. - кандидат технических наук Захарченко В.И.

ВЕДУДОЯ ОРГАНИЗАЦИЯ - Институт проблем регистрации информации АН Украины

Защита состоится 1992г. в часов

на заседании специализированного Совета Д 068.14.09 в Киевском политехническом институте.

Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенные печатью учревдения, просим направить по адресу:

252056, г.Киев - 56, проспект Победы, 37, Киевский политехнический институт, Ученому секретарю.

С диссертацией моано ознакомиться в библиотеке Киевского политехнического института.

Автореферат разослан ".

1992г.

Ученый секретарь специализированного совета

Д 068.14.09 доктор технических наук.

доцент Т).В.Вузовский

АННОТАЦИЯ

Целью настоящей диссертационной работы является исследование и разработка методов структурно-алгоритмической организации элементов специализированных локальных вычислительных сетей (С ЛВ С). позволявших повысить эффективность функционирования сети в системах управления специального назначения.

Для достииения поставленной цели решались следующие задачи:

- анализировались особенности Функционирования и организации элементов СЛВС, а танке обосновывался выбор путей повышения эффективности их функционирования;

- разрабатывались методики по выбору рациональной топологии СЛВС. позволяющие оптимизировать структуру сети с учетом заданных технико-экономических требований;

- разрабатывались способы оценки показателей структурно-алгоритмической организации станции С/ШС, позволяющие определить необходимую структуру станций С/1ВС;

- исследовались и разрабатывались способы построения топологии и на их базе создавалась структура СЛВС. обладающая высокими показателями «ивучести при минимальном количестве связей;

- разрабатывались структуры станций СЛВС и ее составных элементов, обеспечивающие высокие технические показатели сети.

Автор защищает следующие основные половения:

- методику выбора рациональной.топологии СЛВС, позволяющую оптимизировать структуру сети с учетом заданных технико-экономических требований;

- способ оценки показателей структурно-алгоритмической организации станции СЛВС, позволяющий выбрать необходимую структуру станции;

- способ построения топологии и на его основе структуру СЛВС, обладающая высокими показателями живучести при минимальном количестве связей;

- структуру станции СЛВС на базе матричного коммутатора, обеспечивающую большую производительность и высокую надежность, «ивучесть;

- устройство тактовой синхронизации, обеспечивающее малое время вхоидения в синхронизм;

- структуру станции радиосети и программное обеспечение к

ней, позволяющее передавать различную информации между абонентами сети.

ОБЦйЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Проблема обеспечения надетого функционирования систем управления специального назначения является традиционно ва*ной научно-технической задачей. Возрастающая сложность и динамичность объектов управления и подсистемы обработки информации увеличивают объем и состав задач, решаемых подсистемой передачи информации в более "жестких" временных ограничениях, повывают требовательность к надежности управления, достоверности обработки информации и готовности всего комплекса объект-система.

Анализ систем управления специального назначения используемых в надводных и подводных кораблях, самолетах, военных объектах, атомной энергетике, металлургии, химической промышленности показывает, что подсистемы передачи информации могут быть реализованы на базе СЛВС. Применение СЛВС позволяет значительно снизить экономические потери, которые неизбежны при возникновении сбоев и отказов в процессе эксплуатации системы управления, сохранить человеческие ■изни и повысить эффективность управления объектами.

Состав решаемых задач и жесткие условия эксплуатации налагают на СЛВС ряд особенностей, основными из которых являются: работа в реальном маевтабе времени, обеспечение высоких показателей надежности и вивучести в процессе функционирования.

Эффективность использования ресурсов сети, а такме обеспечение заданных показателей надежности и вивучести в большой степени зависит от структурно-алгоритмической организации СЛВС.

Теория и практика создания надежных, живучих вычислительных систем находится на стадии становления и быстрого развития. Боль-, вой вклад в развитие теории надежности, вивучести вычислительных систем внесли И.А.Уваков, А.Г.Додонов, В.Г.Хорошевский, В.П.Гуляев. Однако и сегодня еще рано говорить о достаточно полной теории надевных и живучих вычислительных систем. Задачи наиболее рационального построения этих систем, проблемы их структурной и алгоритмической организации призвана ревить теория надежности и живучести.

Архитектура вычислительных сетей основана на созданной в результате международного сотрудничества многоуровневой эталонной модели, на каждом уровне которой выделены определяющие функции взаимодействия объектов сети. Такой подход позволяет создавать вычисли-

тельные сети как многомодульную структуру, где изменение или оптимизация схемотехнических решений модуля с целью улучшения его технико-эксплуатационных показателей не влечет за собой переделки других модулей, входящих в сеть.

1есткие условия эксплуатации СЛВС. работающие в реальной масштабе времени в течение длительного времени без вмевательства специалистов по обслуживанию систем, а такве вирокое использование новой элементной базы в виде БИС и особенно микропроцессоров требуют совершенствования методов проектирования.

Таким образом задача исследования структурно-алгоритмической организации и наиболее рационального построения элементов СЛВС, которые позволяют повысить эффективность функционирования сети в системах управления специального назначения, является весьма актуальной для науки и техники.

Методы исследования. Для ревения поставленных задач используется методы теории надеяности, живучести, теории массового обслуживания, теории графов. Достоверность полученных результатов под-твервдается моделированием на универсальных ПЭВЫ и экспериментами на устройствах.

Научная новизна диссертации определяется тем, что в ней предловен аппарат для построения элементов СЛВС, повывающий эффективность функционирования сети за счет рационального выбора структурной организации.

Конкретные научные результаты состоят в следующем:

1) предложена методика выбора рациональной топологии СЛВС, позволяющая оптимизировать структуру сети по мновеству критериев с учетом заданных технико-экономических требований;

2) предложен способ оценки показателей структурно-алгоритмической организации станции СЛВС, обеспечивающий возмовность на ранних этапах проектирования определить необходимую структуру станции исходя из условий технического задания;

3) предложен способ построения топологии СЛВС, обладающей основными свойствами полносвяэности, который позволяет определить число узлов в сети и минимальное количество каналов связи, определяющих требуемый коэффициент связности в заданной области значений числа выведвих из строя узлов;

4) предловена модель, позволяющая выбрать пассивную топо,..)-гию локальной волоконно-оптической сети;

5) разработана структура станции СЛВС на базе матричных ком-

мутатора, которая является мультимикропроцессорной системой, причем мультипроцессорное™ рассматривается как средство достижения высокой производительности станции при решении сетевых задач, а такие как средство обеспечения повышенной надежности и живучести за счет автоматической реконфигурации.

Практическая ценность работы. Предложенные в работе способы организации элементов СЛВС позволяют создавать системы передачи информации, обладавшие повышенной надежность», живучестью, быстродействием. Разработанные на основе предложенных методов аппаратные и программные средства могут быть использованы при проектировании топологии, станции локальной вычислительной сети, работающей в жестких условиях эксплуатации и реальном масштабе времени.

Новизна технических решений подтверждается авторским свидетельством СССР.

Внедрение результатов работы. Теоретические и практические результаты диссертационной работы использовались в научно-исследовательских и опытно-конструкторских работах проводимых в Донецком НИИ комплексной автоматизации, а также в разработках Калужского электромеханического завода. Внедрение подтверждено приложенными к диссертации актами. Экономический эффект от внедрения результатов работы в систему управления специального назначения составил 53,7 тыс. рублей в ценах 1990г.

Аппробация работы. Основные результаты работы докладывались и обсуждались на: научно-технической конференции "Аппаратные и программные средства локальных сетей ЭВМ", Киев, 1991г.; научно-технической конференции "Локальные сети ЭВМ для автоматизации научных исследований и управления производством", Севастополь, 1990г.; всесоюзной научно-технической конференции "Применение вычислительной технике и математических методов в научных и экономических исследованиях". Вацкий, 1991г.

По результатам диссертационной работы опубликовано б печатные работы, в том числе 1 авторское свидетельство СССР. Кроме того, значительная часть теоретических и практических результатов изложена в рукописных отчетах о выполнении НИР и ОКР.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы (125 названия) и приложений. Основное содержание работы иэловено на Н2. страницах машинописного текста. Работа содержит 32 рисунков и 1 таблицу.

Во введении обоснована актуальность теми, определены задачи исследования, показаны новизна и практическая ценность полученных результатов, перечислении положения, которые выносятся на защиту.

В первой главе рассмотрены особенности функционирования подсистемы передачи информации системы управленияя специального назначения и обоснована ее реализация на базе C/IBC. Приведен анализ основных элементов СЛВС (топологий, каналов связи, станций), определены пути повышения эффективности функционирования СЛВС.

Во второй главе предложена методика выбора рациональной топологии СЛВС, позволяющая оптимизировать структуру сети. Представлен способ оценки временных параметров станции и рассмотрен алгоритм ее функционирования, позволяющие определить структуру станции СЛВС.

В третьей главе представлен способ построения топологии СЛВС. обладающей свойствами полносвязности, который позволяет определить число узлов в сети и минимальное количество каналов связи, определяющих требуемый коэффициент связности в заданной области значений числа выиедвих из строя узлов. Предложена модель, позволяющая выбрать пассивную топологию локальной волоконно-оптической сети (ЛВОС) исходя из оценки зависимости максимального расстояния между абонентами от количества абонентов в сети. Исследованы временные характеристики модулей станции, выполняющих Функции UAC и LLC - уровней.

В четвертой главе содержится описание разработанных элементов архитектуры СЛВС (топологии, организации доступа к моноканалу, взаимодействия абонентов на канальном уровне). Представлены структуры станций радиосети и станции СЛВС на базе матричных коммутаторов, обеспечивающую большую производительность и высокие показатели надешности, шивучести. Приведено описание устройства тактовой синхронизации с малым временем вхождения.в синхронизм.

В заключении сформулированы основные выводы и результаты диссертационной работы.

Приложение содержит комплект программ для исследования характеристик СЛВС и передачи информации между абонентами радиосети, акты о внедрении результатов работы.

- Б -СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Система управления представляет собой совокупность взаимосвязанных подсистем, реализующих множество функций. Она включает в .себя подсистему обработки информации, подсистему передачи информации. терминальную подсистему, подсистему объекта управления.Ядром системы управления является подсистема передачи информации, которая не только обеспечивает информационное взаимодействие различных объектов между собой, но и по существу объединяет их в единое целое - систему, как в структурном, так и Функциональном отношении.

Подсистема передачи информации системы управления специального назначения малого масатаба монет быть реализована на базе СЛВС. Специфика эксплуатации систем управления специального назначения накладывает в свою очередь особенности на СЛВС по сравнению с универсальными: необходимость работы в реальном масштабе времени, обеспечение высоких показателей надежности и «ивучести сети, широкий диапазон интенсивностей информационного потока. Эти особенности СЛВС могут быть реализованы только при наличии специальной структурно-алгоритмической организации элементов сети и соответствующего программного обеспечения.

Одним из элементов СЛВС является топология. При выборе топологии СЛВС преследуются три основные цели: обеспечение максимально возможной надежности, живучести сети, гарантирующий надлежащий прием всего трафика при различных воздействиях; выбор маршрута трафика по тракту наименьшей стоимости в сети между передающим и принимающим устройствами станции; предоставление конечному пользователю наиболее выгодного значения задержки передачи сообщения и пропускной способности. Анализ наиболее известных типов топологий показывает, что наибольшей надежностью, живучестью обладают сети с полносвязной топологией. Однако использование в СЛВС полносвязной топологии сопряжено с двумя проблемами: во-первых полносвязные сети требуют для своего построения большое число каналов связи; во-вторых значительно усложняется логика управления таких сетей. Поэтому для СЛВС наиболее приемлемая является гибридная топология, которая по своим показателям надежности и живучести приближается к полносвязной сети,

В работе предложена методика выбора рациональной топологии СЛВС, которая заключается в следующем. На первом этапе проектиро-

вания, исходя из пространственных характеристик, строится простой граф 0( и, и ). где и - множество узлов, включающее и абонентские узлы, и - множество ребер. Этот граф должен обеспечивать взаимосвязь между абонентами исходя из множества пар абонентов при минимуме каналов связи. На втором этапе выполняется анализ выбранной топологии сети с точки зрения показателей надежности и живучести. В случае невыполнения этих требований производится изменение (достраивание) структуры сети. Этот процесс продолжается до тех пор пока топология СЛВС не будет отвечать заданным требованиям надежности и живучести сети. На третьем этапе осущетвляется анализ временных параметров полученной структуры сети с учетом типов каналов связи, методов коммутации, алгоритмов обработки сообщений, способов марирутизации и т.д. При получении неудовлетворительных значений времени доставки сообщения неоходимо изменить маржрут при перегрузки трафика, использовать более мирокополосные каналы связи, высокопроизводительные процессоры. Если эти меры не приводят к положительному результату необходимо изменить топологии сети на отдельном участке, где образуется задержка. На четвертом этапе производится оценка стоимости сети. Если полученная стоимость превы-жает заданную, то необходимо изменить типы каналов связи, аппаратные и программные средства на более дещевые.

Выполняя поэтапный анализ топологий СЛВС может быть найдено множество К топологий, удовлетворяющих требованиям, предъявляемым к сети, из которого необходимо выбрать наиболее оптимальные структуры. В стандартной постановке задачи оптимизации указывается один критерий , по которому из множества всех допустимых альтернатив структур сети необходимо выбрать одну наилучжую. Безусловно . оптимизация по разным критериям ( с учетом выполнения ограничений по другим критериям ) приводит к разным структурам сети. В связи с этим каждую из таких структур можно считать лиаь условно оптимальной в зависимости от критерия, по которому проводилась оптимизация.

Наряду с рассмотрением условно оптимальных структур представляется интересным и перспективным выбор структуры СЛВС по совокупности критериев. Такой выбор носит название рациональный. В качестве основных критериев при анализе топологий используются следующие характеристики: надежность, живучесть, время доставки сообщения. стоимость сети. Многокритериальная оптимизационная задача выбора топологии сети в общем виде может бить представлена в виде

- 8 -

ор^ НСх)/ в(х) > 0, х с X ), где Н(х) = С Н,(х). Н2(х), ... Нп(х) ). п » 1; Н4(х) - частный одномерный критерий: е <х) = ( д,(х), в5(х). ... >. »> 0; в^-(х) - математическая запись ограничения на ] -, ую характеристику: X - допустимое мно«ество значений переменной х. описывавшей структуру сети: орЬх- оператор оптимизации критерия ( при п >, 2 - векторного, т.е. выделения множества эффективных структур ).

В многокритериальной оптимизации широко известным является метод решения, основанный на "свертывании" векторного критерия Н в одну функции - обобиенный ( агрегированный ) критерий Г С И/ . Нг ... Н„ ). Наиболее распространенный обобщенный критерий - линейная "свертка"

У = ДлД; .

где Я; - некоторые положительные числа , характеризующие относительную важность критериев ( коэффициенты вашности ).

Исходя из того, что для решения оптимизационной задачи выбора структуры СЛВС используются четыре критерия - стоимость С (х), надежность Н (х). живучесть сети С (х), время доставки сообщения Т (х), а остальные характеристики вносятся в систему ограничений, то тогда алгоритм отыскания всего множества эффективных решений дискретной задачи может быть предложен на основании линейной свертки

Г (х) = Я Н (х) + Яб Сх) - (1-Д) Т (х) - (1 - Я) С (х) Для нахождения эффективного режения из множества М пронормируем значения Н , £ , Т , С относительно их максимальных значений. Тогда решая задачу

жах ( Л//Н// + Л//С// - ( 1 - Я )//Т// - ( 1-Я >//С// } получаем эффективные структуры Д/ ... йк , где кс( 1 ... ж }. ■ - количество структур множества М.

Станция СЛВС, выполняющая функции связанные с передачей информации, реализует протоколы нижних уровней области взаимодействия открытых систем, а именно с физического по сотевой (транспортный). Предложен способ оценки показателей структурно-алгоритмической организации станции СЛВС, позволяющий определить необходимую структуру станции. При этом сделаны предположения, что на вход станции поступает пуассоновский поток сообщений интенсивностью Я , а Функция распределения случайной величины времени обслуживания в каждом блоке независима и имеет экспоненциальный закон

распределения.

Рассмотрена организация обмена между MAC и LLC - подуровнями. Получено выражение для определения среднего.времени пребывания сообщения в блоке управления логическим каналом (БУЛИ) к которому подключен непосредственно блок доступа (БД) и обмен между ними осуществляется по прерыванию

( умв(г*р + Ьэап) + к*р ^ D, )

Тш, = ж( г*р + tsan ) + к*р + D г +-----------------------------

1

где в - количество байт в сообщении; г - количество команд, необходимых для передачи одного байта из БД в ОЗУ; р - производительность процессора; Ьзап - время цикла записи / считывания в ОЗУ; к - количество команд подпрограммы обработки сообщения на LLC -подуровне;J) - коэффициент использования; D,= Твпп + Тпрд 11с, Твпп - время, необходимое для вызова подпрограммы прерывания; Тпрд 11с - время, необходимое для передачи сообщения из LLC - подуровня в сетевой уровень.

Выражение для определения среднего времени пребывания со-, общения в БУЛИ для организации, когда обмен данными между БД и памятью БУЛК осуществляется в прямом доступе имеет вид

j) I к+р + вНзап + 03 )

Т\и, - k#p + B*tsan + 02 +-----------------------

1 -J)

где D* = Твпдп + Твпп + Тпрд 11с, Твпдп - время, необходимое для перехода процессора в режим прямого доступа.

Среднее время пребывания сообщения в БУЛК для организации, когда обмен между БД и БУЛК осуществляется с использованием двух-входового ОЗУ равно

р ( к*р + т*Ьэап + D, )

Т.., = к*р + в*Ьзап + 0/ +-----------------------

llO г '

1

Показана зависимость среднего времени пребывания сообщения от загрузки канала связи при различных длинах сообщений, позволяющая оценить быстродействие рассматриваемых структур.

Разработан алгоритм работы БУЛК, показывающий, что за счет распараллеливания его структуры увеличивается производительность станции и повышается ее надежность, живучесть.

Проведено исследование иультимикропроцессорних систем станции СЛВС с шинной организацией и на базе матричных коммутаторов.

Получено выражение для определения среднего времени пребывания сообщения в системе с шинной организацией

р ( г + h + If ) + kt

i — Я( p( r + h+ If J + kt )

и

p ( q + v ) + tnpfl +--------------------------- ,

1 - Я ( P ( q + v ) + tnpfl где к - количество байт в информационном сообщении; I -время цикла записи / считывания в двухвходовое ОЗУ; р - производительность процессора; г - количество обменов данными совернаеиыми мешду ЦП/ и двухвходовым ОЗУ/при обработке сообщения на LLC - подуровне; h - количество команд для обработки сообщения на LLC - подуровне; 1 - количество байт в сообщении после обработки на LLC -подуровне; f - количество команд необходимых процессору для передачи байта из ОЗУ/ в ОЗУ2 ; q - количество обменов данными совершаемыми мемду ЦП2 и двухвходовым 03У2 при обработке сообщения на сетевом (транспортном) уровне; и - количество команд для обработки сообщения на сетевом (транспортном) ировне; Ьпрд - время необходимое для передачи сообщения из сетевого (транспортного) уроовня на более высокий уровень посредством устройства ввода/вывода;Я - интенсивность входного потока.

Станция СЛВС на базе матричных коммутаторов обеспечивает более высокие показатели надешности, живучести за счет автоматической реконфигурации при выходе из строя любого из процессорных элементов. Такая станция может работать одновременно в нескольких сетях, т.е. имеется п блоков доступа, а ж процессоров - функции сетевого (транспортного) уровней. Выражение для определения среднего времени пребывания сообщения в мультимикропроцессорной системе на базе матричных коммутаторов имеет вид:

Тер = р ( r + h+lf + q + v ) + kt + 1прд +

Р^ ( р (г + h + If ) + kt ) Р^ ( р ( q + v ) + t'npA )

ж - Л ( р ( г + h + If ) + kt ) n - Я ( р( q + v ) + 1прд )

- и -

( Д ( p ( г + h f If ) + kt ) f

где Pjj =-------------7---------------------------

«! ( 1 - Я/я ( p ( r + h + If ) + kt ) )

I 2

^ ( Я ( p ( г + h + If ) + kt ) )*

x!

( Я С p С г h + If ) + kt ))" +--------------------------------------- ](

n! ( 1 - Я /я ( p ( г + h + If ) + kt )

J' „ ' ч Л

P„ ( Я ( p ( q + v ) + tnpfl ) )

a '

n!( 1 - А /п ( p ( q + v ) + tnpfl ) )

.2

„^ ( Я ( p ( q + v ) + tnpA ) )

--------------г-------------+

z«0 г,

( Я ( p ( q + v ) + tnpfl ) )" +------------------------------------ j

a

n!( 1 - Я /п ( p ( q + v ) + tnpfl ) где n - число процессоров на LLC - подуровне; м - число процессоров на сетевом (транспортном уровне).

Получены зависимости среднего времени пребывания сообщения в мультимикропроцессорных системах с минной организацией и на базе матричных коммутаторов от интенсивности входного потока. Анализ зависимостей показывает, что если увеличить производительность процессора в три раза на каждой из фаз в системе с минной организацией, то при слабой нагрузке канала связи время пребывания сообщения в этой системе будет в три раза меньше по сравнении с системой на базе матричных коммутаторов. При большой интенсивности входного потока время пребывания сообщения в этих системах будет примерно одинаковым.

Для определения метода множественного доступа к моноканалу проведено исследование задераки передачи пакета от интенсивности входного потока для наиболее известных методов (метода доступа с контролем несущей и обнаружением ошибок, маркерного доступа на

■мне. пропорционального доступа с произвольной очередностью, маркерного доступа на кольце, кольцо с переменной задержкой). Исследование показало, что не один из рассмотренных методов доступа не обеспечивает минимальной задержки при произвольной загрузке канала связи. Поэтому в СЛВС предлагается использовать комбинированный метод доступа.

Таким образом предлагаемый способ оценки показателей структурно-алгоритмической организации позволяет выбрать необходимую структуры станции СЛВС.

Используя предлагаемый способ, разработана структура станции СЛВС на базе матричного коммутатора. Матричный коммутатор обеспечивает возможность установления связи любого процессора с любым блоком доступа или устройством ввода/вывода, а также связи любого процессора с любым другим процессором. Коммутатор образует межпроцессорные связи путем установления межсоединений в соответствующих точках пересечения прямоугольной сетки жин. Соединение между устройствами сохраняется на все время передачи сообщения. Возможны одновременная связь и передача данных через коммутатор между различными парами устройств станции СЛВС. В случае выхода из строя любого из процессорных элементов его функции может выполнять другой оставшийся процессор путем переключения матричного коммутатора и за-■ грузки из ПЗУ соответствующей подпрограммы. Хотя при этом производительность станции снижается, однако она продолжает выполнять свои функции пс{ передачи/приему и обработке информации. Разработаны структуры: устройства арбитража, управляющего работой коммутаторами и блоков доступа, реализующих случайный метод доступа и кольцо с переменной задержкой. Разработанная станция СЛВС обеспечивает больную производительность за счет мультипроцессорной организации и высокие показатели надежности, живучести..

В работе предложен способ построения топологии, обладающая основными свойствами полносвязности, который заключается в разделении сети на лоянодоступные подсети, обладающие основными свойствами полносвязности и соединением их таким образом, чтобы обеспечивалось сохранение свойств полносвязности для всей сети. Выраяе-ние выигрыша в числе каналов связи для предлагаемой сети по сравнению с полносвяэной сетью имеет вид: п = N ( N - 6 )/ 2 , где N - число узлов в сети. Данный способ позволяет определить число узло* в сети и минимальное количество каналов связи, определяющих требуемый коэффициент связности в заданной области значений числа

вышедших из строя узлов.

Разработана топология СЛВС. содержащая подсети, имеющие структуру пассивной звезды, объединенной кольцом, которые связаны мемду собой таким образом, что образуют решетчатую структуру. Для обеспечения минимальной задержки передачи пакета при произвольной загрузке канала связи в подсетях предлагается использовать комбинированный метод доступа. Суть его заключается в следующем. В станции СЛВС устанавливается два блока доступа. Один из которых ведет обмен данными через кольцевую топологию, а другой через - звездообразную. При малой загрузке подсети наименьшую задержку обеспечивает метод мнояественого доступа с "контролем несущей и обнаруяени-ем конфликтов, протокол которого реализован в блоке доступа, работающий на звездообразную структуру. При большой интенсивности входного потока наименьшую задеряку обеспечивает кольцо с переменной задержкой. Этот протокол реализован в блоке доступа, работающем на кольцевую топологию. Для соединения подсетей разработан механизм их взаимодействия, структура кадра передаваемого кадра. Показано, что Функции маршрутизации в усеченном виде могут быть реализованы на канальном уровне. Предлагаемая архитектура СЛВС обладает высокими показателями структурной надежности и живучести за счет своей топологии и малой задержкой передачи сообщения, достигаемой введением комбинированного метода доступа в подсети и упрощения функции маршрутизации, осуществляемой на канальном уровне.

Для выбора топологии ЛВОС с пассивной организацией разработана модель, позволяющая получить количественную оценку зависимости максимального расстояния между абонентами от количества абонентов в сети при различной элементной базе. Получена система выражений, отражающая данную зависимость для пассивной магистральной топологии

iL < j- ( Рпрд - Рпрм - k,N - кг)

' ,/ " ^ Г

L < a F 1/ ( ------------- ) - tnpfl -tnpM .

V (1.1 - 1,2) В где к,- Pop + 2Рсвр : кг= Рпт + 2Рос + 2Рсвр + Рпрк + Рт + Рсэ; Рос - потери в кабельном разъеме, подключаемом к квантоэлектронно-му модулю; Pop - потери в двунаправленном разветвителе; Рпрк - потери в оптическом переключателе; Рсвр - потери при соединении путем сварки кабелей неяду собой, подключении к раэветвителям, пере-

ключателям; л - коэффициент затухания кабеля; Рт - допуск на температурные изменения характеристик элементов; Рсэ - допуск на ухудшение параметров элементов ЛВОС; I. - максимальная длина оптического кабеля между абонентами; Рпт - потери мощности сигнала при цифровой передаче; Рпрд - средняя мощность излучения; Рпрм - чувствительность приемника; Н - количество абонентов в сети;л Р - коэффициент мирокополосности волоконного световода; В - скорость передачи данных; Ьпрд - быстродействие передающего модуля; Ьпрм -быстродействие приемного модуля.

Аля пассивной звездообразной топологии система выражений, отражающая зависимость максимального расстояния между абонентами от количества абонентов имеет вид

I < С Рпрд - Рпрм - 10 & N - к ) '

ОС -^--

/ " 2. Ь < дР|1 ( ------------ ) - Ьпрд - 1прм

V (1.1 - 1.2) В

где к - коэффициент, отражающий потери в оптическом тракте.

Проведено исследование зависимостей максимального расстояния между абонентами от количества абонентов при различной элементной базе пассивных топологий, которое показало, что для сетей с малым количеством абонентов магистральная топология дает выигрыш в максимальной длине оптического кабеля между абонентами по сравнению со звездообразной. Однако сеть со звездообразной топологией может бить построена с таким количеством абонентов, при которых магистральная топология не обеспечивает уверенного приема сигнала. ■

В работе приведена структура разработанного устройства тактовой синхронизации, используемого в модемах для передачи цифровой информации по каналам тональной частоты, у которого время вхождения в синхронизм значительно меньше, чем у серийно выпускаемой аппаратуры передачи данных.

Разработана станция локальной вычислительной радиосети, состоящая из радиостанции, радиомодема, сетевого контроллера и персональной ЭВЫ. Сетевой контроллер реализован на базе микропроцессора 18!0ВМ66, реализующего функции канального уровня. Разработано программное обеспечение к станции радиосети, которое позволяет вести обмен различного рода информацией с другими абонентами радиосети.

- 15 -

ОСНОВНЫЕ РЕЗЭЛЬТПТН РАБОТЫ

1. На основе анализа особенностей Функционирования и организации основных элементов СЛВС систем управления специального назначения обоснован выбор путей повышения эффективности их функционирования, требующих разработки надетых, «ивучих, быстродействующих топологий, станций СЛВС.

2. Предложена методика выбора рациональной топологии СЛВС, позволявшая оптимизировать структуру сети по множеству критериев

с учетом заданных технико-экономических требований.

3. Предложен способ оценки показателей структурно-алгоритмической организации станции СЛВС, позволявший определить необходимую структуру станции.

4. Предложен способ построения топологии и синтезирована структура СЛВС. обладавшая основными свойствами полносвязности, который дает выигрыш в числе каналов связи по. сравнению с полносвязной в сотни процентов.

5. Предложена модель, позволявшая выбрать пассивную топологию ЛВОС исходя из оценки зависимости максимального расстояния между абонентами от количества абонентов в сети.

6. Предложена структура станции СЛВС на базе матричного коммутатора, которая является мультимикропроцессорной системой, причем мультипроцессорное™ рассматривается как средство достижения высокой производительности станции при решении сетевых задач, а такше как средство обеспечения повышенной надежности и живучести за счет автоматической реконфигурации.

7. Разработано устройство тактовой синхронизации, используемое в модемах для передачи цифровой информации по стандартным каналам тональной частоты, у которого время вхождения в синхронизм в 20 раз меньше по сравнению с серийно выпускаемыми модемами.

8. Разработана станция локальной вычислительной радиосети и программное обеспечение к ней, позволяющее передавать / принимать различного рода информацию другим абонентам радиосети.

9. Теоретические и практические результаты работы внедрены в Донецком НИИ комплексной автоматизации и Калужском электромеханическом заводе с экономическим эффектом 53700 руб. в ценах 1990г.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих

работах:

1. 1ьец E.M., Медведев С,Л., Нейра В.М.А. Схемотехническое проектирование высокопроизводительных станций локальных вычислительных сетей // Вестн. Киев, политехи, ин-та. Автоматика и электроприборостроение. - К., 1392.- Вып.29, с.49- 53.

2. A.c. 1124439. Устройство тактовой синхронизации / С.Л.Медведев, А.П.Голенцив / СССР /.- Опубл. 15.11.84. Бюл.Н42 // Открытия. Изобретения.// - 1984.

3. Тихонова O.A., Медведев С.Л., Нейра''В.М.А. Зависимость характеристик волоконно-оптических сетей связи от параметров элементной базы // Вестн. Киев, нолитехн. ин-та. Автоматика и электроприборостроение.- К., 1992,- Вып.29, с.45 - 49.

4. Медведев С.Л. Организация топологии специализированных локальных вычислительных сетей.- Донецк. НИИ компл. автоматизации, 1992. - 9с. - Деп. в УкрИНТЗИ, 24.11.92,- Н 1841УК92.

5. 1ураковский Ю.П.. Медведев С.Л. Структурная организация станции специализированной локальной вычислительной сети // Вестн. Киев, политехи, ин-та. Автоматика и электроприборостроение.- К,, 1993. Вып.30.

6. Медведев С.Л. Об одном подходе по выбору топологии специализированных локальных вычислительных сетей.- В кн.: Научно-техническая конференция "Аппаратные и программные средства локальных сетей ЭВМ", Киев. 1991.

[

Поди, к печ 9. /Л . 9J,

Печ. офс. Усл. иеч. л ¿5 93

ФорматБумага УииЛ, Уч.-1ид. л. г Ci Тираж оо .

Kneiickibi книжная типография научной кииги. Киев, Репина, -t.