автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.05, диссертация на тему:Трехкаскадная коммутационная система для сетей передачи данных

На правах рукописи

БАРАБАНОВА ЕЛИЗАВЕТА АЛЕКСАНДРОВНА

ТРЕХКАСКАДНАЯ КОММУТАЦИОННАЯ СИСТЕМА ДЛЯ СЕТЕЙ ПЕРЕДАЧИ ДАННЫХ

Специальность 05 13 05 - Элементы и устройства вычислительной техники и систем управления

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Астрахань - 20С

003172172

Работа выполнена в Астраханском Государственном Техническом университете

Научный руководитель: кандидат технических наук, доцент

Жила Владимир Васильевич,

доктор технических наук, доцент Дмитриев Вадим Николаевич

Официальные оппоненты доктор технических наук, профессор

Лукьянов Виктор Сергеевич

кандидат технических наук, доцент Кутузов Денис Валерьевич

Ведущая организация: Поволжская государственная

академия телекоммуникаций и информатики

Защита состоится 1 июля 2008 г в 15 00 часов на заседании диссертационного совета Д 307 001 01 при Астраханском Государственном Техническом Университете по адресу 414025 г Астрахань, ул Татищева, 16, ауд 305

Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенные гербовой печатью, просим направлять ученому секретарю диссертационного совета по адресу 414025 г Астрахань, ул Татищева, 16

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке университета Автореферат разослан 31 мая 2008 г

Ученый секретарь диссертационного совета, профессор

ГА Попов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность. Экономическая эффективность сети передачи данных зависит от суммарной стоимости услуг, предоставляемых этой сетью Данная величина определяется пропускной способностью сети, которая, в свою очередь, зависит от возможностей коммутационного оборудования

Пропускная способность коммутаторов сетей передачи данных характеризуется следующими параметрами емкостью коммутационной системы (КС), скоростью передачи пакетов и скоростью коммутации

Вопросом повышения скорости передачи пакетов активно занимаются разработчики коммутационного оборудования многих стран мира, в то время как скорости коммутации, под которой подразумевается время установления соединений, уделяется недостаточное внимание

Вопросам разработки архитектуры и алгоритма работы КС, от которых зависит скорость коммутации, посвящен ряд работ российских и зарубежных ученых В В Жилы, Н И Витиски, О Б Макаревича, А В Каляева, В И Кодачигова, К Е Batcher, С A Closs, V Е Benes и др Анализ данных исследований позволяет сделать вывод о том, что существенное преимущество в скорости установления соединений имеют алгоритмы параллельного поиска каналов связи

Известные в настоящее время КС с параллельным принципом установления соединений (коммутатор Баньяна, сортирующие схемы), используемые для построения коммутаторов сетей передачи данных, работают в режиме разовой коммутации, предполагающем четкое разделение во времени процесса установления соединений и передачи шкетов Это служит ограничением дальнейшего роста пропускной способности таких коммутаторов

Не позволяют добиться высокой пропускной способности и существующие КС сетей передачи данных с последовательным принципом установления соединений, к которым относят коммутаторы с разделяемой памятью и общей средой передачи (шиной) Для коммутаторов с разделяемой памятью критическим параметром является скорость обращения к запоминающему устройству, а для общей шины -ее пропускная способность Эти параметры ограничивают масштабируемость и пропускную способность таких коммутаторов

В связи с вышеизложенным возникает необходимость в разработке научных основ создания и исследования общих свойств и принципов функционирования элементов коммутационных систем с параллельным принципом установления соединений, использование которых позволит

W

повысить пропускную способность и масштабируемость коммутационного оборудования сетей передачи данных

В качестве исследуемых элементов коммутации предлагается использовать коммутационные блоки трехкаскадных коммутационных систем, выбор которых обуславливается требованием меньшего числа коммутационных элементов для построения трехкаскадной КС, по сравнению с матричными коммутаторами при одинаковом числе входов

Актуальность данной тематики подтверждается ее соответствием утвержденным 21 05 2006 г Президентом Российской Федерации приоритетным направлениям развития телекоммуникационных систем (№ Пр-843)

Целью работы является повышение пропускной способности сетей передачи данных за счет использования коммутационного оборудования, позволяющего совмещать процесс параллельного установления соединений с передачей пакетов

Задачи исследования Для достижения цели в диссертационной работе решены следующие задачи

- проведен сравнительный анализ существующих архитектур коммутаторов сетей передачи данных, а также используемых ими алгоритмов установления соединений, определены достоинства и недостатки,

- разработано формализованное описание структуры трехкаскадной КС и алгоритма ее работы,

- разработаны функциональные схемы элементов трехкаскадной КС, позволяющие осуществлять процесс параллельного установления соединений совместно с передачей пакетов,

- проведены экспериментальные исследования работы трехкаскадной КС с целью доказать корректность разработанных функциональных схем, определить основные характеристики работы КС и указать область ее эффективного использования

Объектом исследования является трехкаскадная КС и ее элементы коммутации - коммутационные блоки (КБ)

Предметом исследования является алгоритм работы трехкаскадной КС, позволяющий производить процесс параллельного установления соединений совместно с передачей пакетов

Методы исследований. Исследования, проводимые в работе, базируются на принципах построения и проектирования функциональных устройств цифровой и вычислительной техники, теории множеств, теории телетрафика

Исследование работы предлагаемых элементов коммутации проводилось с использованием специально разработанной программы в

среде программирования Visual Basic for Applications на базе методов статистического моделирования Для математической обработки результатов экспериментов использовались методы математической статистики и теория погрешностей

Научная новизна работы:

-предложен метод параллельного поиска каналов связи в КС с децентрализованным управлением, отличающийся от известных реализацией процесса установления соединений совместно с передачей пакетов, что позволит повысить пропускную способность коммутаторов сетей передачи данных,

-предложен алгоритм поиска каналов в трехкаскадной КС, базирующийся на теоретико-множественной модели функционирования устройства,

-разработана имитационная модель, реализующая алгоритм функционирования трехкаскадной КС, согласно которому процесс параллельного установления соединений совмещен с передачей пакетов

На защиту выносятся следующие положения:

- алгоритм работы трехкаскадной КС на базе аппарата теории множеств, согласно которому процесс параллельного установления соединений совмещен с передачей пакетов,

- функциональные схемы элементов трехкаскадной КС, позволяющей осуществлять процесс параллельного установления соединений совместно с передачей пакетов по уже установленным каналам связи;

- метод параллельного поиска каналов связи в КС с децентрализованным управлением, согласно которому процесс установления соединений совмещен с передачей пакетов, поступающих в случайные моменты времени,

- имитационная модель трехкаскадной КС, позволяющая определить зависимости пропускной способности КС от основных параметров ее структуры и характеристик входного потока пакетов, а также провести сравнение результатов работы предложенного алгоритма с известными алгоритмами работы КС сетей передачи данных

Практическая ценность работы. Предложены функциональные схемы элементов коммутации трехкаскадной КС и алгоритм их работы, использование которых в построении коммутационного оборудования сетей передачи данных позволит повысить пропускную способность последнего в среднем в 2 раза за счет совмещения процесса параллельного установления соединений с передачей пакетов

Программа, написанная для исследования процесса функционирования разработанных элементов коммутации, может

применяться в учебном процессе при изучении специальных дисциплин студентами специальностей 210406 65 «Сети связи и системы коммутации» и 210402 65 «Средства связи с подвижными объектами»

Результаты диссертационной работы использованы на практике в учебном процессе Астраханского государственного технического университета

Апробация работы Основные результаты работы докладывались и обсуждались на II Всероссийской конференции с международным участием «Инфокоммуникационные и вычислительные технологии и системы» (Улан-Удэ, 2006), Российской школе-конференции «Мобильные системы передачи данных» с участием молодых ученых и преподавателей (Москва, 2006), XIX Международной научной конференции «Математические методы в технике и технологиях» (Воронеж, 2006), XX Международной научной конференции «Математические методы в технике и технологиях» (Ярославль, 2007), на научно-технических конференциях профессорско-преподавательского состава Астраханского государственного технического университета (Астрахань, 2005-2008)

Работа выполнена в соответствии с госбюджетными научно-исследовательскими работами Астраханского государственного технического университета по теме исследований «Анализ и синтез элементов и устройств телекоммуникационных, информационно-измерительных систем и систем управления» Научный руководитель — д-р техн наук Дмитриев В Н ГР № 01 2 006 08076, Астрахань АГТУ, 2005-2006 гг, с госбюджетной научно-исследовательской работой Московского государственного института электронной техники по теме исследований «Качество обслуживания мобильных систем передачи данных» в 2006 г (выигран грант)

Публикации. По теме диссертации опубликовано 10 печатных работ, в том числе 4 - в журналах по списку ВАК и 1 зарегистрированный программный продукт в реестре программ для ЭВМ Федеральной службы по интеллектуальной собственности, патентам и товарным знакам Без соавторства опубликовано 4 работы

Личный вклад автора в диссертационную работу состоит

- в разработке алгоритма работы трехкаскадных КС с параллельным поиском каналов связи, совмещающего процесс установления соединений с передачей пакетов,

- разработке функциональных схем элементов трехкаскадной КС (по результатам исследований подана заявка на изобретение «Трехкаскадная коммутационная система» № 2007117963 от 14 05 07),

- проведении экспериментальных исследований на основе разработанной имитационной модели трехкаскадной КС (Свидетельство о государственной регистрации программы №2008611841 от 14 04 08), расчете параметров и обобщении полученных данных

Структура и объем работы. Диссертация содержит 144 страницы машинописного текста, 56 рисунков, 8 таблиц и состоит из введения, 4 глав, заключения, списка литературы из 92 наименований и приложения на 15 листах

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ Во введении обоснована актуальность темы диссертационной работы, сформулированы цели и задачи исследования, показана научная новизна и практическая значимость результатов, указаны основные положения, выносимые на защиту

В первой главе проведен обзор способов построения коммутаторов для сетей передачи данных В результате анализа возможных топологий КС сделан вывод о том, что наиболее эффективным с точки зрения организации параллельных процессов является пространственный коммутатор, позволяющий реализовать все варианты соединения устройств сетей передачи данных между собой

Простейшим примером пространственных коммутаторов является коммутационная матрица, недостатком которой является большое число коммутирующих элементов, а именно, Ы2, где ТУ-число входов в коммутатор Поэтому КС с большим числом входов экономичнее выполнять в виде многокаскадной схемы, частным случаем которой является трехкаскадная

Коммутационные системы по способам настройки можно разделить на схемы с централизованной и децентрализованной настройкой (самонастройкой) В данном диссертационном исследовании разработка и исследование элементов коммутации ведется с использованием принципов децентрализованного управления Последнее позволяет разгрузить центральное управляющее устройство (ЦУУ) за счет обработки настроечной информации в самом коммутационном поле и уменьшить его объем памяти

Из двух способов установления соединений - последовательного и параллельного - предлагается использовать параллельный способ настройки элементов коммутации, позволяющий значительно повысить скорость поиска каналов связи

Анализ литературных источников, патентной информации, открытой технической документации разработчиков коммутаторов ведущих стран (Россия, США, Япония, страны Евросоюза) за 25 лет позволил сделать следующие выводы

- в сетях передачи данных для обеспечения полнодоступной неблокируемой коммутации в качестве коммуникационной среды рекомендуется использовать многокаскадные коммутационные системы, преимущественно с децентрализованной настройкой (баньяновидные, сортирующие схемы),

- использование метода параллельного установления соединений позволяет значительно повысить пропускную способность сетей передачи данных,

- использование режима децентрализованного управления элементами коммутации является перспективным с точки зрения возрастания емкости КС и, соответственно, увеличения нагрузки на ЦУУ,

- большинство КС с параллельной настройкой работает в разовом режиме коммутации,

- известен алгоритм и схемотехническое решение (см а с СССР №1226481, 1985 г), позволяющие производить параллельную настройку трехкаскадных КС с децентрализованным управлением в разовом режиме, однако они не могут быть применены для параллельной настройки таких систем в том случае, если требования на обслуживание поступают в случайные моменты времени

В результате проведенного анализа предметной области поставлена задача исследования разработать алгоритм параллельного поиска каналов связи для КС сетей передачи данных, в которых требования на установление соединений поступают в случайные моменты времени, а также функциональные схемы элементов трехкаскадной КС, реализующей данный алгоритм поиска, с целью повышения пропускной способности коммутационного оборудования сетей передачи данных

Вторая глава посвящена разработке алгоритма работы трехкаскадной коммутационной системы

Для формализованного описания структуры трехкаскадной КС используется аппарат теории множеств Разработка алгоритма, позволяющего совмещать процесс параллельного установления соединений с передачей пакетов, проводится на основе матричного способа задания структуры КС

Зададим трехмерную матрицу Ар, моделирующую структуру буферных запоминающих устройств, в которую записываются команды коммутации, поступающие на выходы КС Одно измерение матрицы соответствует номерам выходов КС (и), второе - номерам КБ промежуточного каскада (у), третье — номерам КБ выходного каскада (г), т=\,м — номер выхода в соответствующем КБ выходного каскада

В каждую позицию матрицы, соответствующую одному и тому же номеру выхода КС ц и расположенную на пересечении строки у=1,¥ и столбца тг=\,2, записываются команды коммутации а(у,г)=(х,п), где п -номер входа в пределах х-го КБ входного каскада Каждый элемент (х,п) однозначно определяет вход, с которым должен быть соединен один из выходов

Распределение команд коммутации по КБ промежуточного каскада сводится к построению двумерной матрицы Ак, соответствующей состоянию КС в данный такт процесса установления соединений Все элементы матрицы Ак удовлетворяют следующим ограничениям число записей в каждом столбце не может превышать числа т, т е количества выходов в одном КБ выходного каскада, одинаковые записи не могут более одного раза встречаться в одном столбце

Введем матрицу Ак, отличающуюся от матрицы Ак тем, что ее элементы а (у,:) = (х,п) должны удовлетворять следующему третьему ограничению в матрице в одной строке не могут существовать два элемента такие, что при х, = х, может быть п, ф п,

А**

Введем матрицу Ак, ненулевые элементы которой на шаге 1 принадлежат также матрице Ак, но не принадлежат матрице Ак

Каждый шаг работы алгоритма определяется параметром /=1,1, Начальной информацией для работы алгоритма служит программа коммутации Р, заданная в виде Р = {((п, х,),( т, г,))}

В процессе исполнения алгоритма вычисляются функция начального распределения команд коммутации по КБ промежуточного каскада , функция выделения непересекающихся связей т], функция циклического сдвига р

Блок-схема алгоритма, позволяющего совмещать процесс параллельного установления соединений с передачей пакетов, изображена на рис 1

Для исполнения разработанного алгоритма необходимо последовательно выполнить следующие действия

1 Заполнить матрицу АР(и)

2 Вычислить значение ^ (а,) для всех г =1,К и /=0 Заполнить Лк(1), если Лк (/) е 0 и добавить новые элементы а^у.г) в Ак(1), если Ак{1) <г 0 Увеличить I на единицу Перейти к пункту 3

3 Для каждого элемента а ¡(у, г) вычислить значение т-{(а^у.г)) и заполнить А*к (I) Перейти к пункту 4

Рис 1 Блок-схема алгоритма параллельного поиска каналов связи

4 Построить (I) Для этого для каждого значения у, =1, У и выполнить следующие действия если то сохранить

его, если а^у,^) Ф а, {у, 2) #0, то записать его в позицию (у„г) матрицы

л**

Ак (/), в оставшиеся позиции записать пустые элементы Перейти к пункту 5

5 Вычислить значения р' ( а" {у[ на Ак (I)

А* А**

6 Построить Ак(1), используя Ак (Г) и Ак (1) Для этого для каждого у, = 1, У и г,= 1, X выполнить следующие действия

если а*1(у1,21)ф0, то переписать его в позицию (у,^,) в Ак(1),

если 0, а"(у„г1)ф0, то переписать а"(у 1,)в

А** **

позицию (у„г) матрицы Ак(1), а в Ак (I') вместо а, (у,,.?,)записать 0,

все другие позиции Ак(1) заполнить пустыми элементами Перейти к пункту 7

7 Увеличить I на единицу Если I не больше 7 или Ак (/) £ 0 то, перейти к пункту 3, иначе перейти к пункту 8

8 Начать передавать пакеты и перейти к пункту 1

Результаты второй главы на основе формализованного описания структуры КС, выполненного с помощью аппарата теории множеств разработан алгоритм параллельного поиска каналов связи, согласно которому процесс установления соединений происходит параллельно с передачей пакетов

Третья глава посвящена разработке функциональных схем элементов коммутации входного, промежуточного и выходного каскадов, коммутационных ячеек и других узлов коммутации и описанию их работы

Трехкаскадная КС является трехкаскадной неблокируемой схемой Клосса и содержит г элементов коммутации 1 1,1 2, ,1 2, образующих выходной каскад, у элементов коммутации 2 1,2 2, ,2 7, образующих промежуточный каскад, х элементов коммутации 3 1, 3 2,, ,3 X, образующих входной каскад Элементы коммутации представляют собой КБ

Входами данных элементов коммутации ЗХ являются пхх информационные входы системы (1]хп), выходами данных элементов коммутации 1 2 являются тхг информационные выходы системы (Vг т ) Каждый элемент коммутации 1 2 выходного каскада (рис 2) состоит из матрицы ячеек 4 УМ коммутации и узла управления, содержащего

группу регистров циклического сдвига 5 М., первую группу элементов И 6 У, вторую группу элементов И 1.М

Рис 2 Функциональная схема элемента коммутации выходного Каскада (штриховыми линиями показаны добавленные и измененные элементы)

Кроме этого, каждый элемент коммутации 12 содержит т буферных запоминающих устройств 8 М, информация в которые записывается по мере считывания из внешнего ОЗУ, т триггеров 9 М и одного элемента И 10 X

Каждый элемент коммутации 2 У промежуточного каскада (рис 3) состоит из узлов ускоренного распространения сигнала занятости 11-ЛТ, матрицы ячеек 12 2.Х коммутации, группы К-5 триггеров \З.Х, и группы элементов И 14.X

Рис 3 Функциональная схема элемента коммутации промежуточного каскада (штриховыми линиями показаны добавленные и измененные элементы)

Кроме этого, каждый элемент коммутации 2 У состоит из х элементов ИЛИ-НЕ 15^

Каждый элемент коммутации ЪХ (рис 4) входного каскада состоит из матрицы ячеек коммутации 16НУ, одного элемента памяти 17.Х, группы элементов И 18 У и п элементов памяти 19 N

Рис 4 Функциональная схема элемента коммутации входного каскада (штриховыми линиями показаны добавленные и измененные элементы)

Кроме этого каждый элемент коммутации З-Я" состоит из буферных запоминающих устройств 20л N предназначенных для хранения полезной информации

Новое свойство системы заключается в возможности параллельной обработки требований, поступающих в случайные моменты времени

Последнее достигается за счет введения новых элементов, при этом предположительная сложность системы (количество вентилей) возрастет не более чем на 5,7 % по сравнению с прототипом

В известной трехкаскадной КС с параллельной настройкой (ас СССР №1226481, 1985 г) для установления соединений применяется разовый режим коммутации, в соответствии с которым система функционирует в три этапа 1-й этап - установление соединений, 2-й этап - передача информации, 3-й этап - разборка каналов связи На этапе установления соединений осуществляется поиск свободных промежуточных путей, на втором - происходит передача полезной информации по настроенным каналам связи При этом новый процесс установления соединений может начаться только после окончания передачи полезной информации всеми устройствами

Предлагаемая трехкаскадная КС с параллельным поиском каналов связи может работать в трех режимах поиска соединительных путей, передачи пакетов и разборки освободившихся каналов связи При этом новый этап процесса установления соединений может происходить на фоне передачи пакетов и разборки каналов связи

Первоначально система приводится в состояние, при котором все существующие соединения сбрасываются Далее начинается процесс установления соединений, выполняющийся за два полутакта В течение первого производится поиск каналов связи через элементы коммутации промежуточного каскада к элементам коммутации входного каскада Во время второго полутакта производится поиск каналов связи к конкретным входам в элементах коммутации входного каскада и образование ветвящихся соединений в элементах коммутации промежуточного каскада соединений

Процесс установления соединений осуществляется в трехкаскадной КС под воздействием программы коммутации и управляющих сигналов, появляющихся на соответствующих управляющих входах системы Данная программа хранится в буферных запоминающих устройствах элементов коммутации выходного каскада

Предлагаемая трехкаскадная коммутационная система позволяет производить поиск одновременно всех Мх2 каналов связи, соединяющих ИхХ входов с Мх2 выходами за г шагов работы системы, где г <7 Команда коммутации состоит из т=\о%2(^хХ) разрядов

Поиск Мх2 каналов связи в предлагаемой коммутационной системе займет (1о§2(?/хАг)+2)х1 тактов, а в «наихудшем» случае -(\о%,2(НхХ)+2)хУ, в то время как в известной КС время настройки каналов связи всегда занимает ([(¡¿2(МхХ)+2)хУ тактов.

Каждый элемент коммутации может быть реализован в виде отдельной интегральной схемы Объединяя необходимое число интегральных схем, можно получить коммутационное поле требуемой емкости

Результаты третьей главы: разработаны функциональные схемы элементов трехкаскадной КС, позволяющей осуществлять процесс параллельного установления соединений совместно с передачей пакетов по уже установленным каналам связи

В четвертой главе описана методика проведения экспериментальных исследований работы элементов коммутации, подтверждающая теоретические результаты, полученные во второй и третьей главах

Для экспериментальной проверки работы элементов коммутации, в программе Multisun 7 собраны функциональные схемы разработанных ячеек коммутации К входам ячеек подключен генератор слов, выдающий по тактам заданную последовательность двоичных сигналов, а к выходам - логический анализатор, позволяющий получать временные диаграммы работы ячеек

В результате проведенного анализа экспериментальных данных можно придти к выводу, что введенные дополнительные элементы позволяют блокировать ячейки, по которым осуществляется передача пакетов, для того, чтобы свободные ячейки были задействованы в новом процессе установления соединений

Для экспериментальной проверки корректности алгоритма работы в среде Visual Basic for Applications создана имитационная модель трехкаскадной КС

Эксперименты проводились с КС, собранной из элементов коммутации с параметрами 16x16 (256 входов в КС) Сначала вычислялось среднее время настройки, которое равно =11 тактов Далее проводились эксперименты при разном числе занятых выходов (в % от общего их числа) от 10 до 100%, с шагом 10% В каждом эксперименте задавалась различная длина пакета /п = 15 ячеек, /п =30 ячеек, /п = 45 ячеек, /п = 60 ячеек (¡ячейка =1такту)

По результатам каждого эксперимента вычислялись следующие параметры размер буфера, время ожидания пакета в очереди, вероятность ожидания пакета в очереди, пропускная способность КС Ниже в табл 1 приведены результаты статистической обработки значений

пропускной способности С ~ среднее значение пропускной

/сс

способности, а - среднеквадратическое отклонение, е - доверительный интервал (при доверительной вероятности 95 %)

Проанализировав полученные данные, можно сделать следующий вывод при увеличении длины пакета в 4 раза, пропускная способность КС увеличивается в среднем в 1,8 раза

Таблица 1

Значения пропускной способности КС при разной длине пакета и разном числе занятых выходов

Число занятых выходо вв% /л яче ек пиастр такт с °КС ячеек/ такт о, ячеек/ такт е, ячеек/ такт Доверительный интервал

< С кс <

30 15 11 48,8 2,50 2,62 48,81 48,86

30 11 69,6 3,52 3,70 69,60 69,67

45 11 71,8 9,16 9,61 71,68 71,87

60 11 94,1 17,86 18,74 93,87 94,25

50 15 И 68,1 1,18 1,24 68,12 68,15

30 11 103,7 5,34 5,60 103,64 103,75

45 11 117,0 6,57 6,89 116,93 117,07

60 11 126,7 10,38 10,89 126,62 126,84

100 15 11 106,7 1,30 1,36 106,67 106,70

30 11 129,0 5,75 6,03 128,94 129,06

45 11 143,5 17,76 18,64 143,31 143,69

60 И 167,9 14,61 15,33 158,09 158,40

Для доказательства того, что пропускная способность разработанной КС больше пропускной способности существующих, созданы имитационные модели КС с последовательным принципом установления соединений и КС с разовым режимом коммутации Эксперименты проводились для числа занятых выходов (в %) от 10 до 100%, с шагом 10% при /„ = 60 ячеек

По экспериментальным результатам построены графики (рис 5), характеризующие зависимость пропускной способности КС от числа занятых выходов (на графиках показана погрешность 5%) После анализа полученных данных сделан следующий вывод при максимальной нагрузке пропускная способность КС с параллельным поиском каналов связи в 2,5 раза больше пропускной способности КС с последовательной настройкой и в 2 раза — с разовым режимом коммутации На рис 5

представлены зависимости пропускной способности С от числа

КС

занятых выходов (в %) для КС с параллельным поиском при /п = 15 ячеек и /п = 65 ячеек

Рис 5 Зависимость пропускной способности КС от числа занятых выходов (в %)

Сравнение графиков (/п=15, /п=60, /„=65) показало, что область эффективного использования разработанной КС определяется следующим соотношением /настр < /п <65

Полученные результаты подтверждают выводы о повышении пропускной способности коммутаторов сетей передачи данных за счет использования метода, позволяющего осуществлять процесс параллельного установления соединений совместно с передачей пакетов в КС с децентрализованным управлением, алгоритма поиска и реализующих его функциональных схем элементов коммутации

В заключении формулируются основные результаты, полученные в ходе выполнения диссертационной работы, и выделяются возможные направления дальнейших исследований

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1 Проведенный сравнительный анализ существующих архитектур коммутаторов сетей передачи данных, а также используемых последними алгоритмов установления соединений, показал, что методы

параллельного процесса установления соединений в трехкаскадных КС, совмещающих поиск каналов связи с передачей пакетов еще не известны

2 Предложен новый алгоритм работы трехкаскадной КС с децентрализованным управлением на основе теоретико-множественной модели, согласно которому параллельный процесс установления соединений совмещен с передачей пакетов

3 Разработаны новые функциональные схемы элементов трехкаскадной КС, позволяющей осуществлять процесс параллельного установления соединений совместно с передачей пакетов, поступающих в случайные моменты времени

4 Предложен метод параллельного поиска каналов связи в КС с децентрализованным управлением, отличающийся от известных реализацией процесса параллельного установления соединений совместно с передачей пакетов, и повышающий пропускную способность коммутаторов сетей передачи данных в 2-2,5 раза, по сравнению с существующими методами

5 Разработана имитационная модель трехкаскадной КС в виде программы, оригинальность которой подтверждена свидетельством об официальной регистрации программы для ЭВМ № 2008611841 Результаты проведенных экспериментов с КС на 256 входов позволили выделить область эффективного использования разработанной КС, которая определяется следующим соотношением /,,ас1р < /п <65

6 Результаты диссертационной работы внедрены в учебный процесс ФГОУ ВПО «Астраханский государственный технический университет»

7 Актуальной темой для дальнейших исследований является разработка пяти- семи- и более каскадных КС, использующих предложенный метод установления соединений Данные системы позволят еще больше повысить пропускную способность и масштабируемость коммутационного оборудования сетей передачи данных

ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

Статьи в журналах, рекомендованных ВАК:

1 Барабанова, Е А Применение метода параллельного поиска каналов связи в современных коммутационных системах / Е А Барабанова//Вестник АГТУ 2007 №1(36) С 64-67 (принято к печати 1 октября 2006 г)

2 Барабанова, Е А , Многокаскадные коммутационные системы с параллельной настройкой / Е А Барабанова, Н С Мальцева // Научно-технические ведомости СПбГПУ 2007 №4-1(52) С 118-121

3 Барабанова, E А Особенности управления процессом коммутации в многокаскадной коммутационной системе с параллельным поиском каналов связи / Е А Барабанова // Вестник АГТУ 2007 №6 (41) С 190-193 (принято к печати 20 декабря 2006 г )

4 Дмитриев, В H Трехкаскадные коммутационные системы для многопроцессорных вычислительных систем и сетей передачи данных / В H Дмитриев, Е А Барабанова, H С Мальцева // Журнал научных публикаций аспирантов и докторантов 2008 №5 С 168-170

Публикации в других изданиях:

5 Болдырева, Е А Анализ методов повышения отказоустойчивости SDH-сетей / Е А Болдырева, В В Жила // Наука Поиск 2005 Сб науч ст В 2 т Т 2 /Астрахан гос техн ун-т Астрахань Изд-во АГТУ, 2005 С 171-174

6 Жила, В В Интеллектуальный оптический мультиплексор сети SDH / В В Жила, Е А Барабанова, H С Мальцева // Материалы 19-й Международной конференции «Математические методы в технике и технологиях-ММТТ-19» Т.8 Воронеж, 2006 С 158-160

7 Барабанова, Е А Быстродействующий интеллектуальный коммутатор для сетей ATM / ЕА Барабанова, НС Мальцева // Инфокоммуникационные и вычислительные технологии и системы (BRDNC-06) Материалы II Всеросийской конференции с международным участием Т1 Улан-Удэ Изд-во Бурятского университета, 2006 С 42-46

8 Барабанова, Е А Повышение качества обслуживания мобильных систем передачи данных методом параллельного поиска свободных каналов связи в коммутационных системах / ЕА Барабанова // Материалы Российской школы-конференции «Мобильные системы передачи данных» с участием молодых ученых и преподавателей M МИЭТ, 2006 С 47-49

9 Барабанова, Е А Алгоритм параллельного поиска для многокаскадных коммутационных систем / Е А Барабанова // Материалы 20-й Международной конференции «Математические методы в технике и технологиях-ММТТ-20» Т6 Секция 12 Ярославль, 2007 С 17-18

10 Барабанова, ЕА Программа моделирования структуры и алгоритма работы коммутационных систем // ЕА Барабанова, НС Мальцева // Свидетельство об официальной регистрации программ для ЭВМ № 2008611841 в реестре программ для ЭВМ Федеральной службы по интеллектуальной собственности, патентам и товарным знакам -2008

Тип АГТУ Зак №384 Тир 100 от 30 05 2008г 20

СПИСОК ТЕРМИНОВ, УСЛОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ И СОКРАЩЕНИЙ.

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА 1. ОБЗОР СПОСОБОВ ПОСТРОЕНИЯ И АЛГОРИТМОВ РАБОТЫ КОММУТАТОРОВ СЕТЕЙ ПЕРЕДАЧИ ДАННЫХ.

1.1 Анализ архитектур коммутаторов сетей передачи данных.

1.1.1 Общая шина.

1.1.2 Коммутаторы с разделяемой памятью.

1.1.3 Коммутатор с полносвязной топологией.

1.1.4 Матричные коммутаторы.:.

1.2 Анализ алгоритмов работы многокаскадных схем.

1.2.1 Особенности процесса установления соединений.

1.2.2 Многокаскадные схемы коммутации для СПД.

1.2.3 Баньяноподобные коммутационные структуры.

1.3 Патентный анализ многокаскадных коммутационных систем.

1.4 Постановка задачи исследования:.

ВЫВОДЫ ПО ПЕРВОЙ ГЛАВЕ:.

ГЛАВА 2. ФОРМАЛИЗОВАННОЕ ОПИСАНИЕ СТРУКТУРЫ И АЛГОРИТМА РАБОТЫ ТРЁХКАСКАДНОЙ КОММУТАЦИОННОЙ СИСТЕМЫ ДЛЯ СЕТЕЙ ПЕРЕДАЧИ ДАННЫХ.

2.1 Задание структуры трехкаскадной коммутационной системы.

2.2 Разработка алгоритма работы трехкаскадной коммутационной системы

2.3 Описание алгоритма работы трёхкаскадной коммутационной системы.

ВЫВОДЫ ПО ВТОРОЙ ГЛАВЕ:.'.

ГЛАВА 3 РАЗРАБОТКА ФУНКЦИОНАЛЬНЫХ СХЕМ ЭЛЕМЕНТОВ ТРЁХКАСКАДНОЙ КОММУТАЦИОННОЙ СИСТЕМЫ С ПАРАЛЛЕЛЬНЫМ ПОИСКОМ КАНАЛОВ СВЯЗИ.

3.1 Функциональные схемы коммутационных блоков.:.

3.2 Функциональные схемы ячеек коммутации.

3.3 Процесс функционирования трёхкаскадной коммутационной системы.

3.4 Технический результат разработки трехкаскадной коммутационной системы.

3.5 Рекомендации по выбору технологии изготовления трёхкаскадной коммутационной системы.

ВЫВОДЫ ПО ТРЕТЬЕЙ ГЛАВЕ:.

ГЛАВА 4 ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ РАБОТЫ ТРЁХКАСКАДНОЙ КОММУТАЦИОННОЙ СИСТЕМЫ.].

4.1 Имитационное моделирование работы ячеек коммутации.

4.1.1 Анализ работы ячейки коммутации выходного каскада.

4.1.2 Анализ работы ячейки коммутации промежуточного каскада.

4.1.3 Анализ работы ячейки коммутации входного каскада.

4.2 Имитационное моделирование алгоритма работы трёхкаскадной коммутационной системы.

4.2.1 Структура программы моделирования коммутационной системы

4.2.2 Моделирование структуры коммутационной системы.

4.2.3 Случайное генерирование команд коммутации.:.

4.2.4 Моделирование процесса коммутации.

4.2.5 Расчёт характеристик качества обслуживания КС.

4.2.6 Сравнительный анализ работы КС.

ВЫВОДЫ ПО ЧЕТВЁРТОЙ ГЛАВЕ:.

Экономическая эффективность- сети передачи данных зависит от суммарной стоимости услуг, предоставляемых этой сетью. Данная величина определяется пропускной способностью сети, которая, в свою очередь, зависит от возможностей коммутационного оборудования.

Пропускная способность коммутаторов сетей передачи данных характеризуется следующими параметрами: ёмкостью коммутационной системы (КС), скоростью передачи пакетов и скоростью коммутации.

Вопросом повышения »скорости передачи пакетов активно занимаются разработчики коммутационного оборудования многих стран мира, которые стремятся повысить пропускную способность своих систем за счёт новых и порою недоступных на сегодняшний день технологий [17,27,58,59,80]. Скорости коммутации, под которой подразумевается время установления соединений, напротив, уделяется недостаточное внимание.

Вопросам разработки архитектуры и алгоритма работы КС, от которых зависит скорость коммутации, посвящен ряд работ российских и зарубежных учёных: В.В. Жилы, Н.И. Витиски, О.Б. Макаревича, A.B. Каляева, В.И. Кодачигова, К.Е. Batcher, С.А. Closs, V.E. Benes и др. [25-26, 31-32, 35-38, 6979]. Анализ данных исследований позволяет сделать вывод о том, что существенное преимущество в скорости установления соединений имеют алгоритмы параллельного поиска каналов связи.

Известные в настоящее время КС с параллельным принципом установления соединений (коммутатор Баньяна, сортирующие схемы), используемые для построения коммутаторов сетей передачи данных, работают в режиме разовой коммутации, предполагающем чёткое разделение во времени процесса установления соединений и передачи пакетов [18,24,28]. Это служит ограничением дальнейшего роста пропускной способности таких коммутаторов.

Не позволяют добиться высокой пропускной способности и существующие КС сетей передачи данных с последовательным принципом установления соединений, к которым относят коммутаторы с разделяемой памятью и общей средой передачи (шиной). Для коммутаторов с разделяемой памятью критическим параметром является скорость обращения к запоминающему устройству, а для общей шины — её пропускная способность. Эти параметры ограничивают масштабируемость и пропускную способность таких коммутаторов.

В связи с вышеизложенным возникает необходимость в разработке научных основ создания и исследования общих свойств и принципов функционирования элементов коммутационных систем с параллельным принципом установления соединений, использование которых позволит повысить пропускную способность и масштабируемость коммутационного оборудования сетей передачи данных.

В качестве исследуемых элементов коммутации предлагается использовать коммутационные блоки трёхкаскадных коммутационных систем, выбор которых обуславливается требованием меньшего числа коммутационных г элементов для построения трёхкаскадной КС, по сравнению с матричными коммутаторами при одинаковом числе входов.

Актуальность данной тематики подтверждается ее соответствием утвержденным 21.05.2006 г. Президентом Российской Федерации приоритетным направлениям развития телекоммуникационных систем (№ Пр-843).

Целью работы является повышение пропускной способности сетей передачи данных за счёт использования коммутационного оборудования, позволяющего совмещать процесс параллельного установления соединений с г передачей пакетов.

Задачи исследования. Для достижения цели в диссертационной работе решены следующие задачи:

- проведен сравнительный анализ существующих архитектур коммутаторов сетей передачи данных, а также используемых ими алгоритмов установления соединений, определены достоинства и недостатки;

- разработано формализованное описание структуры трёхкаскадной КС и алгоритма её работы;

- разработаны функциональные схемы элементов трёхкаскадной КС, г позволяющие осуществлять процесс параллельного установления соединений совместно с передачей пакетов;

- проведены экспериментальные исследования работы трёхкаскадной КС с целью доказать корректность разработанных функциональных схем, определить основные характеристики работы КС и указать область её эффективного использования.

Объектом исследования является трёхкаскадная КС и её элементы коммутации - коммутационные блоки (КБ).

Предметом исследования является алгоритм работы трёхкаскадной КС, позволяющий производить процесс параллельного установления соединений совместно с передачей пакетов.

Методы исследований. Исследования, проводимые в работе, базируются на принципах построения и проектирования функциональных устройств цифровой и вычислительной техники, теории множеств, теории телетрафика.

Исследование процесса функционирования разработанных элементов коммутации проводилось с использованием специально разработанной программы в среде программирования Visual Basic for Applications на базе методов статистического моделирования. Для математической обработки Т результатов экспериментов использовались методы математической статистики и теория погрешностей.

Научная новизна работы:

- предложен метод параллельного поиска каналов связи в КС с децентрализованным управлением, отливающийся от известных реализацией процесса установления соединений совместно с передачей пакетов, что позволит повысить пропускную способность коммутаторов сетей передачи данных; г

- предложен алгоритм поиска каналов в трёхкаскадной КС, базирующийся на теоретико-множественной модели функционирования устройства;

- разработана имитационная модель, реализующая алгоритм функционирования трёхкаскадной КС, согласно которому процесс параллельного установления соединений совмещён с передачей пакетов.

На защиту выносятся следующие полоэ!сения:

- алгоритм работы трёхкаскадной КС на базе аппарата теории множеств, согласно которому процесс параллельного установления соединений совмещён с передачей пакетов;

- функциональные схемы элементов трёхкаскадной КС, позволяющей осуществлять процесс параллельного установления соединений совместно с передачей пакетов по уже установленным каналам связи;

- метод параллельного поиска каналов связи в КС с децентрализованным управлением, согласно которому процесс установления соединений совмещён с передачей пакетов, поступающих в случайные моменты времени;

- имитационная модель трёхкаскадной КС, позволяющая определить зависимости пропускной способности КС от основных параметров её структуры и характеристик входного потока пакетов, а также провести сравнение результатов работы предложенного алгоритма с известными алгоритмами работы КС сетей передачи данных. Практическая ценность работы. Предложены функциональные схемы элементов коммутации трёхкаскадной КС и алгоритм их работы, использование которых в построении коммутационного оборудования сетей передачи данных позволит повысить пропускную способность последнего в среднем в 2 раза за счёт совмещёния процессу параллельного установления соединений с передачей пакетов.

Программа, написанная для исследования процесса функционирования разработанных элементов коммутации, может применяться в учебном процессе при изучении специальных дисциплин студентами специальностей 210406.65 «Сети связи и системы коммутации», и 210402.65 «Средства связи с подвижными объектами».

Результаты диссертационной работы использованы на практике в учебном процессе Астраханского государственного технического университета.

Апробация работы. Основные результаты работы докладырались и обсуждались на: II Всероссийской конференции с международным участием «Инфокоммуникационные и вычислительные технологии и системы» (Улан-Удэ, 2006); Российской школе-конференции «Мобильные системы передачи данных» с участием молодых учёных и преподавателей (Москва,2006); XIX Международной научной конференции «Математические методы в технике и технологиях» (Воронеж, 2006); XX Международной научной конференции «Математические методы в технике и технологиях» (Ярославль, 2007); на научно-технических конференциях профессорско-преподавательского состава Астраханского государственного технического университета (Астрахань, 2005— 2008).

Работа выполнена в соответствии: с госбюджетными научно-исследовательскими работами Астраханского государственного технического университета по теме исследований «Анализ и синтез элементов и устройств телекоммуникационных, информационно-измерительных систем и систем управления». Научный руководитель - д-р техн. наук Дмитриев В.Н. ГР № 01.2.006 08076, Астрахань АГТУ, 2005-2006 гг.; с госбюджетной научно-исследовательской работой Московского государственного института электронной техники по теме исследований «Качество обслуживания г мобильных систем передачи данных» в 2006 г. (выигран грант).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 10 печатных работ, в том числе 4 - в журналах по списку ВАК; Зарегистрирован 1 программный продукт в реестре программ для ЭВМ Федеральной службы по интеллектуальной собственности, патентам и товарным знакам. Без соавторства опубликовано 4 работы. По результатам исследований подана заявка на изобретение «Трёхкаскадная коммутационная система» № 2007107780 от 01.03.07.

Структура и объем работы. Диссертация содержит 144 страниц г машинописного текста, 56 рисунков, 8 таблиц и состоит из введения, 4 глав, заключения, списка литературы из 92 наименований и приложения на 15 листах.

Краткое содержание:

Во введении обоснована актуальность темы диссертационной работы, сформулированы цели и задачи исследования, показана научная новизна и практическая значимость результатов, указаны основные положения, выносимые на защиту, проводится краткий обзор структуры работы.

В первой главе выполнен обзор способов построения коммутаторов сетей передачи данных. В результате анализа возможных топологий коммутационных систем сделан вывод о том, что наиболее эффективным с точки зрения организации параллельных процессов является пространственный коммутатор, позволяющий реализовать все варианты соединения устройств сетей передачи данных между собой.

Простейшим примером пространственных коммутаторов является коммутационная матрица. Однако недостаток матричных коммутаторов — большое число коммутирующих элементов, а именно, Л^2, где N - число входов в коммутатор. Поэтому КС, с числом входов более 64, экономичнее выполнять г в виде многокаскадной схемы, частным случаем которой является трёхкаскадная КС.

Данная работа посвящена разработке и исследованию элементов коммутации, использующих принципы децентрализованного управления. Это позволяет: разгрузить ЦУУ за счёт обработки настроечной информации в самом коммутационном поле; уменьшить объём памяти ЦУУ, так как исключается необходимость хранения таблиц занятости промежуточных путей КС. г

В данной работе предлагается использовать параллельный способ настройки элементов коммутации, .что позволяет значительно повысить скорость поиска каналов связи.

В результате анализа литературных источников, патентной информации, открытой технической документации разработчиков коммутаторов ведущих стран (Россия, США, Япония, страны Евросоюза) за 25 лет, можно сделать вывод о том, что:

1) В сетях передачи данных для обеспечения полнодоступной неблокирующей коммутации в качестве коммуникационной среды рекомендуется использовать многокаскадные КС преимущественно с децентрализованной настройкой (баньяновидные, сортирующие схемы);

2) Использование метода параллельного установления соединений позволяет значительно повысить пропускную способность сетей ПД; 3) Использование режима децентрализованного управления элементами коммутации является перспективным с точки зрения возрастания емкости КС и соответственно увеличения нагрузки на ЦУУ, а также с точки зрения реализации элементов коммутации в виде интегральной схемы.

4) Большинство КСг с параллельным принципом установления соединений работают в разовом режиме коммутации.

5) Известен алгоритм и схемотехническое решение [2], позволяющие производить параллельную настройку трёхкаскадных коммутационных систем с децентрализованным управлением в разовом режиме, однако они не могут быть применены для параллельной настройки таких систем в том случае, если требования на обслуживание поступают в случайные моменты времени.

В результате проведённого анализа предметной области поставлена задача исследования: разработать алгоритм параллельного поиска каналов связи, согласно которому дооцесс установления соединений происходит совместно с передачей пакетов, а также функциональные схемы элементов трёхкаскадной коммутационной системы, реализующих данный алгоритм поиска, с целью повысить пропускную способность коммутационного оборудования сетей передачи данных. :

Вторая глава посвящена разработке алгоритма работы трёхкаскадной КС.

Для формализованного описания структуры трёхкаскадной КС используется аппарат теории множеств. Разработка алгоритма, позволяющего совмещать процесс параллельного установления соединений с передачей пакетов, проводится на основе матричного способа задания структуры КС.

Для описания алгоритма работы КС задаются следующие матрицы: трёхмерная матрица АР, моделирующая структуру буферных запоминающих устройств, в которую записываются команды коммутации, поступающие на выходы КС. Одна координата матрицы соответствует номеру пакета в очереди данного выходов КС (и), вторая — номеру коммутационных блоков (КБ) промежуточного каскада (у), третья — номеру КБ выходного каскада (г).

В каждую позицию матрицы, соответствующую одному и тому же номеру выхода КС ц- и расположенную на пересечении строки у =1,7 и столбца ъ =\,2, записываются элементы а(у,г) = (х,п), представляющие собой команды коммутации.

Распределение команд коммутации по КБ промежуточного каскада сводится к построению двумерной матрицы команд коммутации Ак, соответствующей одному из состояний КС (а именно в данный такт процесса установления соединений).

При этом все элементы матрицы Ак удовлетворяют следующим ограничениям: число записей в каждом столбце не может превышать числа т, т.е. количества выходов в одном КБ выходного каскада; одинаковые записи не могут более одного раза встречаться в одном столбце.

Вводится матрица А'к. Матрица А*к отличается от матрицы Ак тем, что ее элементы а'(у,г)=(х,п) должны удовлетворять следующему третьему ограничению: в этой матрице не допускаются пересечения каналов связи в промежуточном каскаде. Вводится матрица ненулевые элементы которой на шаге / принадлежат также матрице А к , но не принадлежат матрице А'к. Начальной информацией для работы алгоритма служит программа коммутации Р, определяющая номер ^ входа, с которым необходимо соединить соответствующий выход.

Третья глава посвящена разработке структуры трёхкаскадной КС с параллельным поиском каналов связи и описанию её работы.

Предлагаемая КС содержит ъ элементов коммутации 1.1,1.2,.,1^, образующих выходной каскад, у элементов коммутации 2.1,2.2,.,2.7, образующих промежуточный каскад, х элементов коммутации 3 • 1 у 3 • ^^ * 5 * образующих входной каскад. Элементы коммутации в данном случае представляют собой коммутационные блоки (КБ).

В известной трёхкаскадной КС с параллельныой настройкой для установления соединений применяется разовый режим коммутации, в соответствии с которым система функционирует в три этапа: 1ыи этап-настройка схемы; 2ой этап-передача информации; Зии этап-разборка каналов связи. На этапе процесса установления: соединений осуществляется поиск свободных промежуточных путей, на втором этапе происходит передача полезной информации по настроенным каналам связи. При этом новый этап установления соединений может начаться только после окончания процесса передачи всеми устройствами.

Предлагаемая трехкаскадная КС с параллельным поиском каналов связи может работать в трех режимах: в режиме установления соединений, при котором производится поиск и фиксация каналов связи, в режиме передачи информации и в режиме разборки каналов связи, ставших ненужными. При этом новый этап установления соединений может происходить совместно с передачей пакетов и разборки каналов связи.

Новое свойство системы заключается в возможности параллельной обработки требований, поступающих в случайные моменты времени. Последнее достигается за г счёт введения новых элементов, при этом г предположительная сложность системы (количество вентилей) возрастёт не более чем на 5,7 % по сравнению с прототипом.

В четвёртой главе описана методика проведения экспериментальных исследований работы элементов коммутации, подтверждающая теоретические результаты, полученные во второй и третьей главах.

Для экспериментальной проверки работы элементов коммутации, в программе Multisim 7 собраны функциональные схемы разработанных ячеек коммутации. В результате проведённого анализа экспериментальных данных можно придти к выводу, что введённые дополнительные элементы позволяют г блокировать ячейки, по которым осуществляется передача пакетов, для того, чтобы свободные ячейки были задействованы в новом процессе установления соединений.

Для экспериментальной проверки корректности алгоритма работы в среде

Visual Basic for Applications создана имитационная модель трёхкаскадной коммутационной системы.

Результаты имитационного моделирования подтверждают выводы о повышении пропускной способности коммутаторов сетей передачи данных в случае использования разработанного алгоритма параллельного поиска и с реализующих его функциональных схем элементов коммутации.

В заключении формулируются основные результаты, полученные в ходе выполнения диссертационной работы, и выделяются возможные направления дальнейших исследований. t

ВЫВОДЫ ПО ЧЕТВЁРТОЙ ГЛАВЕ:

1. Результаты моделирования ячеек коммутации трёхкаскадной КС в программе «Multisim-7» показали корректность разработанных функциональных схем, а также то, что введённые дополнительные элементы позволяют блокировать ячейки, по которым осуществляется передача пакетов, для того чтобы свободные ячейки были задействованы в новом процессе установления соединений.

2. Результаты моделирования алгоритма работы трёхкаскадной КС позволяют сделать следующие выводы:

- при увеличении длины пакета в 4 раза, пропускная способность КС увеличивается в среднем в 1,8 раза;

- пропускная способность КС с параллельным поиском каналов связи больше пропускной способности'КС с последовательной настройкой в 2,5 раза и в 2 раза больше пропускной способности КС, использующих разовый режим коммутации при одних и тех же начальных условиях;

- вероятность ожидания пакета в очереди для разрабатываемой КС на 20 % меньше по сравнению с КС, использующей последовательный принцип установления соединений, и на 18 % меньше по сравнению с КС, работающей в разовом режиме коммутации.

- область эффективного использования разработанной КС определяется следующим соотношением: 11 < /п < 65.

3. Предложена методика перерасчета результатов моделирования для конкретных коммутаторов СПД.

Таким образом, на основе полученных результатов можно сделать вывод о том, что цель исследования: повышение пропускной способности коммутаторов СПД за счёт использования разработанного алгоритма параллельного поиска и реализующих его функциональных схем элементов коммутации достигнута.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. Проведённый сравнительный анализ существующих архитектур коммутаторов сетей передачи данных, а также используемых последними алгоритмов установления соединений, показал, что методы параллельного процесса установления соединений в трёхкаскадных КС, совмещающих поиск каналов связи с передачей пакетов еще не известны.

2. Предложен новый алгоритм работы трёхкаскадной КС с децентрализованным управлением на основе теоретико-множественной модели, согласно которому параллельный процесс установления соединений совмещён с передачей пакетов.

3. Разработаны новые функциональные схемы элементов трёхкаскадной КС, позволяющей осуществлять дроцесс параллельного установления соединений совместно с передачей пакетов, поступающих в случайные моменты времени.

4. Предложен метод параллельного поиска каналов связи в КС с децентрализованным управлением, отличающийся от известных реализацией процесса параллельного установления соединений совместно с передачей пакетов, и повышающий пропускную способность коммутаторов сетей передачи данных в 2-2,5 раза, по сравнению с существующими методами.

5. Разработана имитационная модель трёхкаскадной КС в виде программы, оригинальность которой подтверждена свидетельством об официальной регистрации программы для ЭВМ № 2008611841. Результаты проведенных экспериментов с КС на 256 входов позволили выделить область эффективного использования разработанной КС, которая определяется следующим соотношением: ¿настр < /п <65.

6. Результаты диссертационной работы внедрены в учебный процесс ФГОУ ВПО «Астраханский государственный технический университет» (приложение 4).

7. Актуальной темой для дальнейших исследований является разработка пяти- семи- и более каскадных КС, использующих предложенный метод f 134 установления соединений. Данные системы позволят ещё больше повысить пропускную способность и масштабируемость коммутационного оборудования сетей передачи данных [11, 67].

По теме диссертации опубликованы печатные работы:

Статьи в э/сурналах, рекомендованных ВАК:

1. Барабанова, Е.А. Применение метода параллельного поиска каналов связи в современных коммутационных системах / Е.А. Барабанова // Вестник АГТУ. 2007. №1 (36). С. 64-67 (принято к печати 1 октября 2006 г.).

2. Барабанова, Е.А., Многокаскадные коммутационные системы с параллельной настройкой / Е.А Барабанова, Н.С. Мальцева // Научно-технические ведомости СПбГПУ. 2007. № 4-1 (52). С. 118-121.

3. Барабанова, Е.А. Особенности управления процессом коммутации в многокаскадной коммутационной системе с параллельным поиском каналов связи / Е.А. Барабанова // Вестник АГТУ. 2007. №6 (41). С. 190-193 (принято к печати 20 декабря 2006 г.).

4. Дмитриев, В.Н. Трёхкаскадные коммутационные системы для многопроцессорных вычислительных систем и сетей передачи данных / В.Н.Дмитриев, Е.А. Барабанова, Н.С. Мальцева // Журнал научных публикаций аспирантов и докторантов. 2008. №5. С. 168-170.

Публикации в других изданиях:

5. Болдырева, Е.А. Анализ методов повышения отказоустойчивости SDH-сетей / Е.А. Болдырева, В.В. Жила // Наука: Поиск 2005: Сб. науч. ст. В 2 т. Т.2 /Астрахан. гос. техн. ун-т. Астрахань: Изд-во АГТУ, 2005. С. 171-174.

6. Жила, В.В. Интеллектуальный оптический мультиплексор сети SDH / В.В. Жила, Е.А. Барабанова, Н.С. Мальцева // Материалы 19-й Международной конференции «Математические методы в технике и технологиях - ММТТ-19». Т.8. Воронеж, 2006. С.158-160.

7. Барабанова, Е.А. Быстродействующий интеллектуальный коммутатор для сетей ATM / Е.А. Барабанова, Н.С. Мальцева // Инфокоммуникационные и вычтел*итёльнь1е технологии и системы (BRDNC-06): Материалы II Всеросийской конференции с международным участием. Т.1. Улан-Удэ: Изд-во Бурятского университета, 2006. С. 42—46.

8. Барабанова, Е.А. Повышение качества обслуживания мобильных систем передачи данных методом параллельного поиска свободных каналов связи в коммутационных системах / Е.А. Барабанова // Материалы Российской школы-конференции «Мобильные системы передачи данных» с участием молодых учёных и преподавателей. М.: МИЭТ, 2006. С. 47-49.

9. Барабанова, Е.А. Алгоритм параллельного поиска для многокаскадных коммутационных систем / Е.А. Барабанова // Материалы 20-й Международной конференции «Математические методы в технике и технологиях - ММТТ-20». Т.6. Секция 12. Ярославль, 2007. С. 17-18.

10. Барабанова, Е.А. Программа моделирования структуры и алгоритма работы коммутационных систем // Е.А. Барабанова, Н.С. Мальцева // Свидетельство об официальнбй регистрации программ для ЭВМ № 2008611841 в реестре программ для ЭВМ Федеральной службы по интеллектуальной собственности, патентам и товарным знакам. — 2008.

Дальнейшие направления исследований:

Разработка функциональных схем' коммутационных блоков и ячеек коммутации, математической модели и алгоритма работы пяти, семи и более каскадной коммутационной системы с параллельным поиском каналов связи для требований, поступающих в случайные моменты времени.

Актуальным является разработка блокируемых коммутационных систем с параллельным поиском каналов связи в соответствии с требуемыми нормами на потери пакетов, так как блокируемые коммутационные системы содержат меньшее число коммутационных элементов и требуют меньших затрат на изготовление.

1. A.c. 1309294 СССР, МКИ4 Н 03 К 17/04. Матричный коммутатор / П.И. Витиска, Н.И. Макогон (СССР). № 3982726/24-21; заявл. 03.12.85 ; опубл. 07.05.87. Бюл.№ 17.

2. A.c. 1226481 СССР, МПК5 Н 04 Q 9/00. Трёхкаскадная коммутирующая система/ В.В. Жила, Каляев A.B. и Макаревичем О.Б. (СССР). № 3777761/2424; заявл. 06.08.84 ; опубл. 23.04.86. Бюл. №15.

3. A.c. 1363454 СССР, МКИ4 Н 03 К 17/04, G 06 F 15/16. Матричный коммутатор / В.Е. Кадулин, В.И. Куватов (СССР). № 4096989/24-24; заявл.1905.86 ; опубл. 30.12.87. Бюл. № 48.

4. A.c. 1441471 СССР, МКИ4 Н 03 К 17/04. Матричный коммутатор с параллельной настройкой/ А.З. Каляев, В.В. Жила (СССР). № 4142i75/21-21; заявл. 03.11.86 ; опубл. 30.11.88, Бюл. № 44.

5. A.c. 1465987 СССР, МКИ4 Н 03 К 17/04. Матричный коммутатор / М.В. Буйневич, В.Е. Кадулин, В.И. Куватов (СССР). № 4305629/24-21; заявл.2406.87 ; опубл. 15.03.89. Бюл. № 10.

6. A.c. 1596342 СССР, МШС5 G 06 F 15/16, Н 04 G 3/00. Матричный коммутатор / В.П. Губанов, JI.A. Стасенко (СССР). № 4420391/24-24; заявл.0305.88 ; опубл. 30.09.90. Бюл. № 36.

7. А. с. 1622886 СССР, МПК5 И 04 Q 3/50. Трёхкаскадная коммутирующая система/ В.В. Жила, А.В.Авдеев и О.Б.Евтеев (СССР) и Г.Н.Лукашкова.-№ 4630893/24; заявл. 02.01.89; опубл. 23.01.91. Бюл. №3.

8. Балашов, Н.С. Быстрая коммутация пакетов в перспективных коммутаторах / Н.С. Балашов // Информационно-аналитический обзор по материалам зарубежной печати. -М.: ВНИИ «Эталон», 1992.- 14 с.

9. Барабанова, Е.А. Алгоритм параллельного поиска для многокаскадных коммутационных систем / Е.А. Барабанова // Материалы 20-й Международной конференции «Математические методы в технике и технологиях ММТТ-20». Т.6. Секция 12. Ярославль, 2007. С.17-18.j 137

10. Барабанова, Е.А. Применение метода параллельного поиска каналов связи в современных коммутационных системах / Е.А. Барабанова // Вестник АГТУ. 2007. №1 (36). С. 64-67

11. Барабанова, Е.А. Многокаскадные коммутационные системы с параллельной настройкой / Е.А Барабанова, Н.С. Мальцева // Научно-технические ведомости СПбГПУ. 2007. № 4-1 (52). С. 118-121.

12. Барабанова, Е.А. Особенности управления процессом коммутации в многокаскадной коммутационной системе с параллельным поиском каналов связи / Е.А. Барабанова // Вестник АГТУ. 2007. №6 (41). С. 190-193.

13. Баркун, М.А. Цифровые системы синхронной коммутации/ М.А. Баркун // Учебное пособие для вузов.- Мн.: Высш. шк., 2001.- 192 с.16. 'Беллами, Дж. Цифровая телефония / Дж Беллами.- М.: Радио и связь, 1986. :

14. Домрачеев, В. Г. Базовые матричные кристаллы и матричные БИС / В.Г. Домрачев, П.П. Мальцев, Новачепко и др.- М.: Энергоатомиздат, 1992. -224 с.

15. Ефимушкин, Д. Коммутация в сетях ATM. Часть 1/ Д. Ефимушкин, Т. Дедовских // Перспективные технологии.-1999.- №12.

16. Жила, В.В. Интеллектуальный оптический мультиплексор сети SDH / В.В. Жила, Е.А. Барабанова, Н.С. Мальцева // Материалы 19-й Международной конференции «Математические методы в технике и технологиях ММТТ-19». Т.8. Воронеж, 2006. С.158-160.

17. Зюзин, А. Коммутатор сетей ATM LightStream: эволюция распределенных сетей / А.Зюзин // PCWEEK. -1995. -№10. (http://www.pcweek.ru/themes/detail.php?ID=78272)

18. Иванов, П. Тенденции: рынка информационных технологий в зеркале CeBIT '96 / П. Иванов // Сети.1996. №19. С.15-19.

19. Ирвин, Дж. Передача данных в сетях: инженерный подход / Дж. Ирвин, Д. Харль // Пер. с англ.- Спб.: БХВ-Петербург, 2003. -448 с.

20. Карлащук, В.И. Электронная лаборатория на IBM PC: программа Electronics Workbench и ее применение / В.И. Карлащук. М.: «Солон -Р», 1999. - 506 с.

21. Кодачигов, В. И. Системы разовой коммутации цифровых интеграторов / В. И. Кодачигов, Н. И. Витиска // В кн.: Однородные цифровые интегрирующие и вычислительные структуры. Таганрог, 1974. Вып. № 5.- С. 42 48.

22. Кодачигов, В. И. Об использовании каскадных схем в коммутационных системах цифровых интегрирующих структур / В. И. Кодачигов, Н. И. Витиска // В кн.: Однородные цифровые интегрирующие и вычислительные структуры. Таганрог, 1984. Вып. № 2.- С. 35 52.

23. Кодачигов, В.И. Некоторые ' подходы к сокращению объемов памяти и настроечной информации ОВС с индивидуальной настройкой элементов/ В.И. Кодачигов // Труды Всесоюзной конференции IV — ВС. -Киев: Наука, 1978.- С. 93,- 98.г

24. Корнышев, Ю.Н. Теория телетрафика / Ю.Н. Корнышев, А.П. Пшеничников, А.Д. Харкевич. М.: Радио и связь, 1996. - 272 с: ил.

25. Кох, Р. Эволюция и конвергенция в электросвязи / Р. Кох., Г.Г. Яновский.-М.: Радио и связь, 2001.-280 с.

26. Кульгин, М. Технологии корпоративных сетей. Энциклопедия / М. Кульгин. Спб.: Питер, 2000., с.704.

27. Лазарев, В. Г. Интеллектуальные цифровые сети: Справочник / Под ред. Академика Н. А. Кузнецова. -М.: Финансы и статистика, 1996. 224 е.: ил.

28. Лебедев, О.Н. Применение микросхем памяти в электронных устройствах / О.Н. Лебедев // Справ, пособие. -М.: Радио и связь, 1994. 216 с.

29. Левин, Б.Р. Теоретические основы статистической радиотехники / Б.Р. Левин // 3-е изд., перераб. и доп. М.: Радио и связь, 1989. - 656с.: ил.45. -Лившиц, Б.С. Теория телетрафика / Б.С. Лившиц, А.П. Пшеничников, А.Д: Харкевич.-М.: Связь, 1979.-224 с. :

30. Лутов, М.Ф. Квазиэлектронные' и электронные АТС / Жарков М.А., Юнаков П.А.- М.: Радио и связь, 1982.-264 е., ил.

31. Мальцев, П.П. Цифровые интегральные микросхемы / П.П. Мальцев и др. // Справочник. М.: Радио и связь, 1994. -240 с.

32. Маркин, Н.П. Принципы построения цифровых коммутационных полей АТС // Н.П. Маркин. -М.: Изд-во МТУ.СИ, 1988. 224 с.

33. Назаров, А.Н. ATM: Технические решения создания сетей / А.Н. Назаров, И.А: Разживин, М.В. Симонов М.: Горячая линия -Телеком, 2001. - 376 с.

34. Ныоман, Д. Перспективные технологии. «Безусловная» награда Cisco / Д.Ньюман // Network World Сети.- 2005,- №13 (http://www.osp.ru/nets/2005/l 3/3 78216).

35. Пескова, С.А. Сети и телекоммуникации / С.А. Пескова, A.B. Кузин, А.Н. Волков // Учебное пособие. -М.: Издательский центр «Академия», 2006.-352 с.

36. Прянишников, В.А. Электроника / В.А. Прянишников // Курс лекций.-2-е изд. исп. и доп. СПб.: КОРОНА принт, 2000.- 416 с.

37. Сервер Информационных Технологий / Примеры АТМ-коммутаторов для локальных сетей: http://lib.prm.rU/books/networking/5/glava19.htm.

38. Сергиенко, А.Б. Цифровая обработка сигналов / А.Б. Сергиенко // Учебник для вузов. 2-е изд.- СПб.: Питер, 2006.-751 с.

39. Слепов, Н. Оптические мультиплексоры ввода — вывода / Н. Слепов // Электроника: наука, технология, бизнес, 2001.- № 1. С.40-43.

40. Слепов, Н. Оптические кросс-коммутаторы. Принципы реализации и архитектура / Н. Слепов // Электроника: наука, технология, бизнес, 1996.- №6. (http://www.electronics.rU/issue/l 999/6/3) '

41. Соболь, И.М. Метод Монте-Карло / И.М Соболь. -4-е изд.-М.: Наука. Главная редакция физико-математического литературы, 1985.-80 с.

42. Советов, Б.Я. Моделирование систем / Б .Я. Советов, С.А. Яковлев // Учеб. для вузов.-4-e изд., стер. -М.: Высш.шк., 2005.-343 с.

43. Советов, Б.Я. Построение сетей интегрального обслуживания / Б.Я. Советов, С.А. Яковлев.- Л.: Машиностроение, 1990.

44. Угрюмов, Е. П. Цифровая схемотехника / Е. П. Угрюмов- СПб.; БХВ-Петербург, 2001.-528 с.

45. Уайндер, С. Справочник по технологиям и средствам связи / С.Уайндер // Пер! с англ.- М.: Мир, 2000. 429 с.

46. Харкевич, А.Д. Системы разовой коммутации / А.Д. Харкевич. М.: Наука, 1972.

47. Харкевич, А. Д. Разовая коммутация / А.Д. Харкевич, В. А. Гармаш, // В кн.: Системы массового обслуживания и коммутации. М.: Наука, 1974. С. 15 -20.

48. Чуркин, В.П. Асинхронные цифровые системы коммутации / В.П. Чуркин. -М.:рРадио и связь,- 185 с.

49. Шило, В.В. Популярные цифровые Микросхемы: Справочник / В.В. Шило // 2-е изд., испр.-Челябинск: Металлургия, Челябинское отд., 1989.-352 с.

50. Benes V.E. On Rearrangeable Three-Stage Connecting Network. // The Bell System Technical Journal.-1962.- V.XLI.- N5- P. 1481-1492.

51. Benes V.E. Mathematical ^theory of connecting network and telephone traffic New York: Academic Press. 1965.- 319 p.

52. Cantor D.G. On construction of nonblocking switching networks. // Proceedings of the Symposium on Computer Communication Networks and Teletraffic. -New York, 1972. .P. 233-255.

53. Cantor D.G. On nonblocking switching networks. // Networks. 1971. -V.I. -N4. P. 367-377.

54. Feng T. On a class of multistage interconnection networks. // IEEE Trans, on Comput. 1980. - V. C-29. - N8. -P. 694-702.

55. Feng T.-Y. A survey of interconnection networks. // Computer. 1981. - N13. -P. 12-37.T

56. Joel A.E. Circuit switching: unique architecture and application. // Computer. -1979.-V. 12-N6.-P. 10-22.

57. Johna Till Johnson. MPLS explained// By Network World. 03/29/2007 http:7/www.networkworld.com/research/2007/040207-mpls-migration-explained.html

58. Kautz W. II., Levitt K. N., Waksman A. Cellular interconnection arrays. // IEEE Trans, on Comput. 1968. V.C-17. - N5. - P. 443-451.

59. Lawrie D.I I. Access and alignment of data in array processors. // IEEE Trans, ' on Comput. 1975. - V.C-24. - N12. - P. 1145-1155.

60. Lee K.Y. A new Benes network control algorithm. // IEEE Trans, on Comput.j1987. V.C-36. - N6. - P. 768-772.

61. Lipovski G.J., Tripathi A. A reconfigurable structure array processor. // 1977 Int. Conf. on Parallel Processing. 1977. - P. 165-174.

62. Nakamura G. The number of reswitching for a certain three-stage connecting network.— Electronics and Commun. Japan,'1967, v. 50, N 8.

63. Nassimi D., Sahni S. A self-routing Benes networks and parallel permutation algorithms. // IEEE Trans, on Compul. 1981. V.C-30. - N5. - P. 332-340.

64. Oliver C. Ibe. Essentials of ATM Networks and Services. MA: Addison-Wesly, 1997.r

65. Pat. 4417245 United States, Int CL3: H 04 Q 9/00, H 04 Q 3/00. Digital space division exchange/Constantin M.Melas (Los Gatos), Michael A.Patten (Cary. N/C.); assignee International Business Machines Corp., Armonk, N.Y.

66. Pat. 4696000 United States, Int CI.4: H 04 Q 11/04, H 04 Q 370/60.

67. Nonblocking self-routing packet and circuit switching network/William A. Payne, III,t1.mbard, 111.; assignee American Telephone and Telegraph Company, AT&T Bell Laboratories, Murray Hill, N.J. Fild: Dec,12, 1985. Date of Patent: Sep. 22, 1987.

68. Pat. 5631902 United States, Int CI.6: H 04 J 3/02, H 04 J 370/388. Digital cross-connect system/ Yuuki Yoshifuji (Tokyo, Japan); assignee NEC Corporation,T

69. Japan, Fild: Apr. 28, 1994. Date of Patent: May 20, 1997.it