Исследование и разработка межпроцессорного обмена в цифровых системах коммутации с распределенным управлением

Актуальность проблемы. Современный этап развития электросвязи характеризуется существенными качественными изменениями, затрагивающими основные принципы реализации всех элементов сети: коммутационные станции, системы передачи, направляющие системы и терминальное оборудование.

Внедрение цифровых систем коммутации создает возможность для существенной модернизации сети. Поэтому главным направлением развития телефонной сети общего пользования на данном этапе можно считать цифровую коммутацию. При этом прослеживается тенденция преимущественного внедрения цифровых систем коммутации (ЦСК) с распределенным управлением: квазиэлектронных и электронных автоматических телефонных станций типа «Меток», «Квант», ЭАТС-ЦА, МТ-20/25 (Франция), DX-200 (Финляндия, Telenokia), TDX-1B и SSE (Республика Корея, Samsung), 5ESS (США, AT&T), System 12 (Европейское содружество, Alcatel), EWSD (Германия, Siemens), System X (Великобритания, GPT) и др.

В последние годы интенсивные темпы развития микроэлектроники, большие достижения в технологии производства СБИС, и как следствие, производство недорогих, компактных и надежных микропроцессоров, приспособленных для работы в системах управления, позволили создать распределенные системы управления ЦСК. Анализ микропроцессорных компонентов ЦСК по степени их интеграции показывает, что темпы развития вычислительных компонентов ЦСК выше темпов развития связных, — и такая тенденция, вероятно, сохранится в будущем. Поэтому при разработке систем управления ЦСК необходимо учитывать эту тенденцию и в максимальной степени использовать элементы вычислительной техники, реализованные в виде больших (БИС) и сверхбольших (СБИС) интегральных схем.

Во всех системах распределенное управление, внесение «интеллекта» непосредственно в блоки и модули коммутационного узла реализуются построением иерархической многопроцессорной системы управления. ЦСК с распределенным управлением по сравнению с коммутационными системами предшествующих поколений обладают целым рядом преимуществ, например, таких как модульное построение аппаратных и программных средств, высокая надежность, высокая пропускная способность, экономичность и гибкость коммутационной системы. Принцип модульного построения позволяет наращивать емкость и вводить дополнительные виды услуг в уже существующее оборудование в процессе его эксплуатации. ЦСК с распределенным управлением отличаются большим разнообразием структур управления, которые характеризуются способом распределения функций между отдельными модулями системы и способом передачи информации управления между этими модулями. Можно выделить основные типы распределенной архитектуры:

— с функциональным разделением;

— с разделением нагрузки;

— смешанный (функциональное разделение и разделение нагрузки).

При создании цифровых узлов коммутации с распределенным управлением возникает ряд новых задач, связанных с анализом и оптимальным проектированием программно — аппаратных интерфейсов в терминальных модулях, при этом наиболее важными этапами являются разработка и реализация структуры взаимодействия управляющих устройств (УУ) ЦСК. В процессе своего развития эта структура эволюционировала от централизованной до почти полностью распределенной, межпроцессорный обмен при этом менялся от способа «общей шины» до распределенного коммутационного поля. Однако выбор конкретной структуры управления ЦСК в значительной степени зависит от имеющейся в наличии элементной базы.

При построении распределенных микропроцессорных систем управления их эффективность в значительной степени зависит от времени обмена информацией между процессорами. Сокращение этого времени может быть достигнуто либо повышением скорости передачи, т. е. за счет еще большей интеграции элементов, либо изменением структуры взаимодействия УУ.

Наличие большого числа микропроцессорных устройств в распределенной системе управления ЦСК и, как следствие, наличие интенсивного межпроцессорного обмена сообщениями между автономными модулями системы, обусловливает высокую актуальность и своевременность проблемы разработки и исследования надежной и экономичной системы межмодульного обмена. В связи с этим возникают задачи по разработке эффективных протоколов передачи сообщений, существенно влияющих на общую производительность системы.

Если в системах коммутации с централизованным управлением традиционным «узким местом» была производительность центрального процессора, то в распределенных системах управления, где взаимодействие различных процессоров, осуществляется посредством обмена сообщениями, «узким местом» стала общая коммуникационная среда. Поэтому в цифровых «системах коммутации с программным управлением и распределенной архитектурой на общую производительность существенно влияет эффективность протоколов обмена сообщениями, используемых для межпроцессорной связи. Разработка эффективных, с точки зрения межпроцессорных взаимодействий, протоколов обмена сообщениями является важной задачей при проектировании систем управления ЦСК, как минимум, по двум причинам. Первая заключается в том, что задержка при межпроцессорных взаимодействиях является существенной составляющей общей задержки установления соединения и тем самым оказывает значительное влияние на качество обслуживания вызовов. Другая причина связана с загрузкой управляющих устройств, поскольку процедура взаимодействия процессоров друг с другом требует процессорной обработки, и, следовательно, дополнительного процессорного времени. Поэтому разработка протоколов межпроцессорного обмена, обеспечивающих снижение числа обращений процессоров друг к другу, является безусловно важной и актуальной задачей.

Настоящая диссертационная работа посвящена разработке и исследованию межпроцессорного обмена в цифровых системах комутации с распределенным управлением.

Цель работы. Основной целью диссертационной работы является решение ряда теоретических и инженерных проблем, возникающих при проектировании узлов коммутации с распределенным программным управлением, связанных с выбором эффективного протокола межпроцессоного обмена и анализом вероятностно — временных характеристик его функционирования для определения оптимальных параметров.

Основой для проведения исследований в диссертации служили труды ученых нашей страны: Авакова P.A., Башарина Г. П., Захарова Г. П., Степанова С. Н., Харкевича А. Д., Хинчина А. Я., Шнепс-Шнеппе М.А. и ряда других. Использованы также работы зарубежных авторов: Л. Клейнрока, Т. Саати, Д. Риордана, Д. Р. Манфилда, П. Тран-Жиа, С. Сумиты, П. Кюна, и другие.

Методы исследования. Для проведения исследований использовались методы теории вероятностей,. теории массового обслуживания, теории телетрафика, математической статистики.

Научная новизна и тезисы, выносите на защиту.

— разработан оригинальный протокол межпроцессорного обмена «накопление сообщений с выдержкой времени» для узлов коммутации с распределенным программным управлением, который за счет резерва времени,. обусловленного спецификой функционирования коммутационного оборудования, в процессе обслуживания вызовов позволяет снизить число межпроцессорных взаимодействий, что уменьшает непроизводительное время при межпроцессорном обмене без ухудшения качества обслуживанияразработана математическая модель протокола межпроцессорного обмена и метод ее исследования, основанный на сведении математически сложного точного анализа всей системы во всем диапазоне изменения поступающей нагрузки к приближенному исследованию при двух граничных условиях: при низком и высоком уровне трафика, что позволяет без громоздких вычислений ' достаточно просто получить оценки искомых характеристик-. получены аналитические выражения для расчета вероятностно-временных характеристик разработанного протокола — на основе. исследования вероятностно-временных •характеристик протокола сформулированы рекомендации и разработан алгоритм выбора эффективного, размера группы накапливаемых сообщений с учетом норм на задержки при выполнении различных этапов обслуживания вызова в соответствии с Рекомендациями МККТТ Q.543, реализованный в виде пакета программ на языке Turbo-Pascal для IBM ВС совместимых копьютеров;

— на основе исследования условий отсутствия блокировки переданных сообщений во входном буфере УУ-приемника сформулированы рекомендации по ' выбору производительности процессоров УУразработана имитационная модель протокола межпроцессорного обмена «накопление сообщений с выдержкой времени», позволяющая исследовать реальное функционирование протокола во всем диапазоне изменения нагрузки при различных значениях параметров N и т и получать стандартные статистические оценкиV.

— разработан способ обслуживания вызова в узлах коммутации с распределенным программным управлением с использованием протокола «накопление сообщений с выдержкой времени», который позволяет: уменьшить непроизводительную загрузку управляющих устройств ЦСКувеличивать емкость станции при той же системе управленияобеспечить равномерность обслуживания абонентских вызовов независимо от времени сутокуменьшить непроизводительные затраты времени при межмодульном обмене без ухудшения качества обслуживания за счет группирования передаваемых сообщений при тех же предельных временах передачи сообщенийснизить величину потерь по вызовам при том же количестве и типе управляющих устройств;

— разработаны структурная и функциональная схемы устройства, реализующего функционирование протокола «накопление сообщений с выдержкой времени» .

Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения и трех приложений.

4.5. Выводы.

1). По результатам исследований, проведенных во 2 главе разработан способ обслуживания вызовов в ЦСК с распределенным управлением с использованием протокола межпроцессорного обмена сообщениями «накопление сообщений с выдержкой времени» .

2). Разработано устройство концентрации сообщений, реализующее предложенный способ обслуживания вызова, приведено описание структурной и функциональной схем разработанного устройства.

3). Способ обслуживания вызовов с использованием протокола межпроцессорного обмена «накопление сообщений с выдержкой времени», реализованный в виде устройства концентрации сообщений, позволяет:

— уменьшить непроизводительную загрузку управляющих устройств ЦСК;

— увеличивать емкость станции при той же системе управления;

— обеспечить равномерность обслуживания абонентских вызовов независимо от времени суток;

— уменьшить непроизводительные затраты времени при межодульном обмене без ухудшения качества обслуживания за счет группирования передаваемых сообщений при тех же предельных временах передачи сообщений;

— снизить величину потерь по вызовам при том же количестве и типе управляющих устройств.

4). Сформулированы основные аспекты технологии проектирования ПО, цифровых систем коммутации в рамках комплексной темы АТСЦ-90,основанные на методологии, предложенной в [19]. Изложены основные результаты и трудности, возникавшие на каждом уровне проектирования.

5). Проведен анализ ПО процессора абонентской сигнализации абонентской ступени АТС системы АТСЦ-90, приведены особенности ПО АТСЦ-90, описание свойств и характеристик программных процессов и др.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

Проведенные в диссертационной работе исследования охватывают широкий круг вопросов, вытекающих из неоОходимости разработки эффективной системы межпроцессорного обмена-в цифровых системах коммутации с распределенным управлением. Проведенное исследование позволило получить следующие новые теоретические и практические результаты:

1. Разработан протокол межпроцессорного обмена «накопление сообщений с выдержкой времени» для цифровых систем коммутации с распределенным управлением, позволяющий без ухудшения качества обслуживания за счет резервов времени, обусловленных спецификой функционирования коммутационного оборудования, уменьшить число межпроцессорных взаимодействий и тем самым снизить непроизводительные затраты ресурсов процессоров УУ и коммуникационной среды.

2. Разработана математическая модель, описывающая функционирование протокола «накопление сообщений с выдержкой времени», и предложен метод ее исследования, упрощающий анализ вероятностно-временных характеристик.

3. Получена функция распределения задержки передачи сообщений при межпроцессорном обмене в рамках предложенного протокола. Проведен анализ моментов задержки при передаче группы сообщений для двух граничных условий: при высоком и низком уровне трафика.

4. Разработаны и сформулированы рекомендации по выбору эффективного значения размера группы передаваемых сообщений в рамках разработанного протокола с учетом норм Рекомендаций МККТТ на задержки при выполнении этапов обслуживания вызовов.

5. Разработан алгоритм определения оптимального значения максимальной группы сообщений, реализованный в виде пакета программ на языке Turbo-Pascal для IBM PC совместимых компьютеров.

6. На основе анализа условий, при которых отсутствует блокировка> передаваемых сообщений во входном буфере УУ, сформулированы рекомендации по выбору производительности процессоров УУ.

7. Разработана имитационная модель протокола межпроцессорного обмена «накопление сообщений с выдержкой времени», позволяющая при проектировании программного обеспечения получать статистические оценки функционирования протокола для различных входных параметров.

8. Предложен способ обслуживания вызовов с использованием протокола межпроцессорного обмена «накопление сообщений с выдержкой времени», реализованный в виде устройства концентрации сообщений, который позволяет:

— уменьшить непроизводительную загрузку управляющих устройств ЦСК;

— увеличивать емкость станции при той же системе управления;

— обеспечить равномерность обслуживания абонентских вызовов независимо от времени суток;

— уменьшить непроизводительные затраты времени при межмодульном обмене без ухудшения качества обслуживания за счет группирования передаваемых сообщений при тех же предельных временах передачи сообщений;

— снизить величину потерь по вызовам при том же количестве и типе управляющих устройств.

9. Проведен анализ основных аспектов проектирования програмного обеспечения цифровых систем коммутации в рамках комплексной темы АТСЦ-90, основанного на методологии, предложенной в [193. Изложены основные результаты и трудности, возникающие на каждом уровне проектирования.

10. Проведен анализ конкретного проекта программного обеспечения процессора абонентской сигнализации абонентской ступени автоматической телефонной станции (АТС) системы АТСЦ-90, приведено описание свойств и характеристик программных процессов, системы обмена сообщениями между программными блоками внутри одного УУ и между разными УУ и др.

11. Результаты диссертационной работы внедрены и нашли практическое подтверждение при создании программных проектов абонентских цифровых концентраторов БХ-200 и АТСЦ-90 (ЛНПО «Красная Заря»), при проведении исследовательских и хоздоговорных работ в ГП «Дальняя Связь», использованы при создании учебных курсов и методического пособия в Санкт-Петербургском ГУТ им. проф. М.А. Бонч-Бруевича. Диссертационная работа является частью плановых работ по созданию цифровых систем коммутации, проводимых в Ленинградском Отраслевом Научно — Исследовательском Институте Связи.

Разработанные в рамках диссертационной работы способ и устройство программного управления узла коммутации защищена двумя авторскими свидетельствами на изобретения.