Модели и метод расчета коммутаторов с общей шиной как устройств сопряжения распределенных автоматизированных систем

Актуальность темы

Основой современного информационного обеспечения корпораций, холдингов, офисов являются сетевые технологии. Корпоративная сеть становится важнейшим информационным ресурсом предприятия [42, 65, 67].

Являясь сложной многопрофильной структурой, корпорация имеет распределенную иерархическую систему управления. Кроме того, предприятия, отделения и административные офисы, входящие в корпорацию, как правило, расположены на значительных расстояниях друг от друга.

Наличие информационных связей внутри и между организациями, где установлены ЭВМ, входящие в состав различных сетей, актуализирует проведение исследований по межсетевым взаимодействиям и объединением сетей при создании распределенных систем управления (РСУ) [2, 8, 15, 16, 30, 33, 51, 61, 62, 65, 67].

Несмотря на то, что существуют уже сети, объединенные межсетевыми устройствами (МУ), вопрос их взаимного соединения до сих пор остается актуальным и находится в состоянии постоянного развития [38, 40, 41, 46, 50, 55, 56, 75]. Не в последнюю очередь это связано с расширением сетевой инфраструктуры за счет «персональных сетей» [51].

Возможности высокоскоростной передачи данных долгие годы не распространялись на миллионы представителей малого бизнеса и частных абонентов, которые по экономическим соображениям не могли позволить себе содержать выделенную оптико-волоконную линию.

Решением данной проблемы стало использование на абонентской кабельной сети современной технологии ADSL [18, 19, 66]. Для конечных пользователей технология ADSL обеспечивает высокоскоростное соединение с сетью Интернет и позволяет одновременно использовать одну медную пару, как для обычной телефонии, так и для высокоскоростной передачи данных.

Интеграция Web-навигаторов в операционные системы персональных компьютеров приводит к трактовке каждого объекта системы как документа, наделенного необходимыми интерфейсами для подключения к нему изображений, речи и видео. Создание персональных, зачастую домашних, страниц с приложениями или данными, полезными для других сотрудников компании, превращает такие компьютеры в неофициальные корпоративные серверы.

Цифровая абонентская линия (xDSL) и режим асинхронной передачи (ATM) сегодня относятся едва ли не к самым популярным сетевым технологиям. Изначально (в конце 78-х г. г.) упомянутые технологии были предназначены для решения разных задач. Однако постепенно проникали во все новые сетевые инфраструктуры, что привело к постановке вопроса о взаимодействии сетей доступа на основе xDSL с сетями ATM и, в конечном итоге, к технологии ATM over ADSL [55].

Комплексирование готовых технических решений при интеграции разнородных сетей требует соответствующих методов и средств оценивания их характеристик требуемому качеству обслуживания при заданном либо прогнозируемом трафике. Эта проблема особенно остро стоит при подборе межсетевых устройств (МУ), в частности коммутаторов [34, 48]. Если первоначально коммутаторы применялись для сегментации сети, то в наше время число коммутаторов, приобретаемых для прямого подключения к конечным рабочим станциям, составляет более 92% от общего их числа [33].

Из-за различий во внутренней организации разных моделей коммутаторов трудно предвидеть, как тот или иной коммутатор будет передавать кадры какого-то конкретного образца трафика. В специальной литературе [48] отмечается, что лучшим критерием остается практика, когда коммутатор ставится в реальную сеть, и измеряются вносимые им задержки и количество потерянных кадров, поскольку не существует общепринятых тестовых образцов трафика [33, 48]. Однако, это, прежде всего, дорого. И метод «тыка» здесь вряд ли подходит.

По вопросам использования коммутаторов большинство опубликованных работ являются обзорами по материалам зарубежной печати [3, 24, 41, 46, 50,.

56, 75], анализ которых показал, что требуются методы и средства, поддерживающие обоснованный выбор структуры и параметров коммутаторов как МУ, обеспечивающих требуемые сетевые характеристики [12,16, 21, 34,47, 51].

Таким образом, разработка моделей и методики расчета характеристик коммутатора, удовлетворяющих сетевым требованиям, является актуальной задачей.

В коммутаторах с общей шиной связь портов через высокоскоростную шину осуществляется в режиме разделения времени. Для уменьшения задержек при передаче кадр должен передаваться по шине небольшими частями. Размер такой ячейки данных определяется производителем коммутатора. Некоторые производители, например, LANNET (сейчас подразделение компании Madge Networks), выбрали в качестве порции данных, переносимых за одну операцию по шине, ячейку ATM с ее полем данных в 48 байт, тем самым как бы «предопределили» коммутатор с общей шиной к использованию в технологии ATM over ADSL.

Считается, для того, чтобы шина не была узким местом коммутатора, ее производительность должна быть в несколько раз выше скорости поступления данных на входные порты [33]. Однако это противоречит принципу статистической достаточности ресурсов. Он базируется на хорошо известном выводе теории массового обслуживания: для предоставления конкретного сервиса всем имеющемся абонентам достаточно ресурсов, которые позволяют одновременно охватить этой услугой только их часть. Действительно, трудно представить себе, что все компьютеры, подключенные к сети, в одно и тоже время начнут передавать данные с максимальной скоростью. При работе с Internet, когда наиболее типичным клиентским приложением является Web-браузер, «нисходящий» трафик возникает только при загрузке новой страницы. В результате отношение числа абонентов к количеству входных портов оборудования центрального офиса может составлять 8:1,10:1 и даже больше [55].

Целью диссертационной работы является исследование и разработка метода, моделей и алгоритмов расчета характеристик коммутаторов с общей шиной, как устройств сопряжения локальных сетей и индивидуальных пользователей с опорной сетью, обеспечивающих требуемую производительность в условиях пульсирующего трафика.

Для достижения указанной цели необходимо решение следующих задач:

1. Провести выбор критериев качества функционирования коммутатора.

2. Разработать концептуальную модель коммутатора.

3. Разработать аналитические модели для расчета параметров и характеристик коммутатора с общей шиной.

4. Оценить влияние фрактального трафика на характеристики буферного пула портов коммутатора.

5. Построить процедуру параметрической настройки коммутатора по выбранным критериям качества.

6. Провести экспериментальную проверку методики расчета характеристик коммутатора с общей шиной.

Объектом исследования являются коммутаторы с общей шиной, как массовые устройства сопряжения и логической сегментации сетей.

Предметом исследования является применение аналитических и имитационных моделей для описания функциональных связей между внутренними и внешними параметрами коммутатора и разработка на их основе расчета характеристик коммутатора и оценивания их на соответствие сетевым требованиям.

Методы исследования. Теоретические исследования при решении поставленных задач проведены с использованием теории вероятностей и математической статистики, теории массового обслуживания. Экспериментальные исследования проводились на ЭВМ типа PC Pentium 4, 1.7GHz с применением методов программирования и статистического моделирования.

Научная новизна. В результате проведенного исследования построена процедура параметрической настройки коммутатора с общей шиной, обеспечивающая научно обоснованный выбор структуры и параметров коммутатора, характеристики которого соответствуют сетевым требованиям. Процедура построена с использованием разработанных в диссертации моделей, алгоритмов и методов расчета характеристик коммутатора.

В процессе решения перечисленных задач получены и выносятся на защиту следующие новые основные результаты:

1. Метод расчета вероятностно — временных характеристик коммутатора с общей шиной, на основе которого разработана методика оценивания соответствия характеристик коммутатора сетевым требованиям.

2. Концептуальная модель, отображающая структуру коммутатора, как мультипроцессорной системы с параллельными каналами приема/передачи и псевдопараллельным режимом распределения пакетов между портами.

3. Аналитическая модель зависимости среднего времени задержки пакетов и производительности коммутатора с общей шиной от внешних и внутренних параметров.

4. Ограничения при моделировании самоподобной (пульсирующей) нагрузки, влияющей на характеристики очередей в буферных накопителях портов коммутатора.

5. Методика оценивания соответствия сетевым требованиям характеристик коммутатора.

Практическая ценность полученных результатов заключается в разработанной методике и ее математическом и программном обеспечении, позволяющей оценивать соответствие характеристик коммутаторов с общей шиной как устройств корпоративной сети, обеспечивающих требуемое быстродействие и сглаживание пульсаций трафика при сопряжении пользователей с опорной сетью.

Апробация работы. Предлагаемые решения и результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на 2-х Международный, одной Всероссийский научно-технических конференциях и научно-технических конференциях Санкт-Петербургского государственного электротехнического университета, Санкт-Петербург, 2005;2007 г. г. ситета, Санкт-Петербург, 2005;2007 г. г.

Публикации. Результаты опубликованы в научно-технических статьях, на трудах международных и всероссийских научных конференций. Опубликованы 5 печатных работ, из них 2 статьи [74, 75] и 3 работы — в научных трудах международных и Всероссийских конференций [37, 38, 76]. Получено Свидетельство об отраслевой регистрации разработки № 7014 «Имитационная модель на базе общей шины» // Федеральное агентство по образованию. Отраслевой фонд алгоритмов и программ. — 2006.

Структура и объем диссертации

Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы, включающего 98 наименований, и трех приложений. Основная часть работы изложена на 132 страницах. Работа содержит 29 рисунков и 17 таблиц.

Выводы по пятой главе.

1. Предложено рассматривать модель коммутатора с общей шиной как комбинацию компонентов, переменных, параметров, спецификаций, ограничений и целевой функции (р. 5.1). Такой подход обеспечивает адекватность структуризации имитационной модели в рамках поставленной задачи по оцениванию ВВХ коммутатора.

2. Выполнена программная реализация (приложение № 2) имитации процесса коммутации по полной модели, которая позволяет определить ВВХ (среднее время и гистограммы плотности распределения вероятностей и загрузки буферов КМ) транспортировки сообщений через коммутатор.

3. Разработана алгоритмическая и программная модели виртуального канала коммутации (приложения № 1) как эквивалента полной схемы коммутатора с ОШ (р. 5.3), обеспечивающие существенное сокращение размерности модели и, соответственно, времени моделирования (см. табл. 5.2 и 5.3). Анализ и сравнение результатов моделирования полной модели и ее упрощенного аналога (модели ВКК) показывают хорошую сходимость (с. 128), что говорит о высокой степени доверия к модели ВКК.

4. Результаты численного эксперимента показывают соответствие измеренного времени задержки с расчетным (табл. 4.8). Полученные данные и гистограммы показывают чувствительность исследуемых внутренних параметров коммутатора к изменению его внешних характеристик.

Заключение

.

Большое разнообразие сетей обмена информацией для АСУ и желание пользователей иметь доступ к общим информационным ресурсам обуславливают необходимость объединения сетей различных предприятий и ведомств. Эта проблема находит свое решение в создании специальных межсетевых устройств — коммутаторов, обеспечивающих согласования разнородных сетей на 2-м и 3-м уровнях ЭМ ВОС.

Основной целью диссертационной работы в связи с этим является разработка инженерной методики расчета характеристик коммутатора с общей шиной для оценивания их соответствия сетевым требованиям при логической сегментации либо/и объединении сетей.

В ходе диссертационного исследования получены следующие основные результаты, обеспечивающие достижение поставленной цели.

1. Разработан метод расчета вероятностно — временных характеристик коммутатора с общей шиной на основе предложенных в диссертации моделей и алгоритмов.

2. Построена концептуальная модель коммутатора с разделяемой общей шиной, отображающая структуру технических средств (разд. 2.2), алгоритм транспортировки пакетов через ОШ (разд. 2.3), модель источника (2.4), формализацию и схему расчета характеристик коммутатора (разд. 2.5). Модель отличается представлением источника в виде полумарковского процесса с распределением Парето.

3. Построена аналитическая модель зависимости производительности коммутатора и среднего времени задержки пакета в нем от внешних и внутренних параметров коммутатора (разд. 3.1, 3.2). Модель отличается учетом времени ожидания при псевдопараллельном доступе к разделяемой общей шине.

4. Предложена методика оценивания соответствия характеристик коммутатора с разделяемой общей шиной сетевым требованиям.

5. Выполнено исследование влияния самоподобной нагрузки с распределением типа Парето на характеристики очереди. Получены ограничения, при выполнении которых оправдано применение аппарата экспоненциальных СМО и СеМО для расчета ВВХ коммутаторов с ОШ в условиях пульсирующего трафика (разд. 4.2, 4.3). Для модели буферного пула КМ в виде СМО М/М/1 получено выражение (4.4) для оценки значения длины очереди, вероятность превышения которого не более допустимого значения.

6. Разработаны алгоритмы и выполнена их программная реализация имитации процесса коммутации в КС с общей шиной и имитационная модель виртуального канала коммутации, которая обеспечивает реализацию метода ускоренного анализа ВВХ коммутатора. Имитационная модель виртуального канала коммутации предложена впервые.