книги / Моделирование систем. Практикум

G IS T

12

ЗАДАНИЯ ДЛЯ САМОПРОВЕРКИ

1.О бъясните отличия различны х видов контроля качества, используемы х в данн ом производственном процессе.

2.Н азовите процессы , ф орм ализуем ы е с пом ощ ью Q -схем в рассматриваемом

производственном процессе.

3. И зобразите графически блоки G ENERATE, ENTER, LEAVE, T E ST , ADVANCE в символике блок-диаграм м GPSS.

Литература: [8, 10, 13].

5.7. Лабораторная работа № 7

ИССЛЕДОВАНИЕ ХАРАКТЕРИСТИК СЛУЧАЙНОГО ДОСТУПА К МОНОКАНАЛУ НА ИМИТАЦИОННОЙ, МОДЕЛИ ЛОКАЛЬНОЙ СЕТИ СВЯЗИ

Цель работы: освоение принципов моделирования информа­ ционных процессов реального времени в распределенных систе­ мах, исследование характеристик способов случайного доступа к моноканалу на базе машинной модели процесса функционирова­ ния локальной сети связи, реализованной с использованием языка GPSS/PC; проведение имитационных экспериментов по оценке характеристик доставки информации пользователю информаци­ онной сети.

221

Потребности автоматизации управления различными объекта­ ми, построение корпоративных информационных систем обусло­ вили необходимость создания распределенных вычислительных систем и сетей, объединяющих при помощи каналов связи от де­ сятков до нескольких сотен абонентов (ЭВМ, терминалов, уст­ ройств памяти, отображения и других устройств ввода-вывода ин­ формации), отстоящих друг от друга на сравнительно небольших расстояниях.

До появления локальных сетей связи использовались вычис­ лительные комплексы звездообразной конфигурации. При этом подключаемые к ЭВМ устройства ввода-вывода информации (УВВ) не обладали памятью и программируемой логикой работы и поэтому функции управления этими устройствами осуществля­ лись, как правило, в ЭВМ. К основным недостаткам такой конфи­ гурации можно отнести то, что, во-первых, УВВ подсоединялись к ЭВМ через выделенные кабели, из-за чего при развитии системы суммарная длина этих кабелей увеличивалась, во-вторых, УВВ ло­ гически и физически подключались только к одной ЭВМ. Звездо­ образная конфигурация вычислительных комплексов характерна для периода, когда стоимость ЭВМ существенно превышала стои­ мость подключаемых к ней УВВ.

Благодаря экономичности и распространенности микропро­ цессоров каждому УВВ может быть придан отдельный микропро­ цессор, а вычислительный комплекс может быть построен на базе регулярной многодоступной сети связи — локальной сети связи (ЛСС), обеспечивающей простую структуру связи абонентов вы­ числительного комплекса при минимальной общей длине соеди­ нений.

Характер каналов ЛСС может быть различным, но наибольшее развитие получили локальные сети с общим каналом или монока­ налом, в которых передача между абонентами сети осуществляется либо через парудешевых электропроводов, либо через высокоско­ ростные, но более дорогие коаксиальные кабели, либо через еще более высокоскоростные и еще более дорогие колоконно-оптиче­ ские кабели, либо через широковещательный радиоканал. К об­ щему каналу абоненты подсоединяются с помощью различной ап­ паратуры (адаптеров). Абоненты могут посылать сигналы с разны­ ми скоростями, а скорость передачи сигналов в моноканал одина­ ковая и определяется особенностями используемого канала. Для согласования этих скоростей в адаптерах используется буферная память необходимой емкости. Упрощенная структурная схема ЛСС с п абонентами представлена на рис. 5.39. Каждый абонент имеет свой уникальный адрес (на рисунке адрес совпадает с номе­ ром абонента). Обмен данными в сети осуществляется блоками

222

определенного формата — кадрами, содержащими в себе как ин­ формацию абонента (информационный пакет), так и служебную информацию (адрес получателя, отправителя, проверочную по­ следовательность и пр.). Структура кадра приведена на рис. 5.40. Кадр может передаваться в моноканале адаптером любого абонен­ та, при этом адаптеры всех остальных абонентов осуществляют его прием. При совпадении содержащегося в поле «Адрес получателя» адреса кадра с адресом абонента осуществляется анализ кадра на наличие в нем ошибок и выдача пакета абоненту, при несовпаде­ нии адресов полученный кадр уничтожается.

Особенностью общего канала является то, что в заданный про­ межуток времени через него может передавать информацию толь­ ко один абонент ЛСС. Поэтому возникает проблема разделения ресурсов канала передачи данных. Методы разделения ресурсов или, как их называют, методы управления ЛСС подразделяются на детерминированные и случайные. Реализуются управляющие ал­ горитмы в адаптерах абонентов.

В сетях с д е т е р м и н и р о в а н н ы м доступом к общему каналу между абонентами канал распределяется в детерминиро­ ванные моменты времени по некоторым алгоритмам централизо­ ванным или распределенным образом. Детерминированный дос­ туп используется при больших, регулярных потоках информации.

Минимум служебной информации и максимальную скорость доступа к моноканалу при малых потоках информации обеспечи­ вают методы с л у ч а й н о г о доступа к моноканалу. Поэтому методы случайного доступа абонентов в канал находят наиболее широкое применение на практике. Всетях со случайным доступом все абоненты равноправны и могут выходить на передачу в любое время. Такая свобода выхода абонента в канал приводит к возмож­ ности появления конфликтов между абонентами за захват общего

223

Поя в л ен и е н е о б х о д и м о с т и

передачи пакета

__________i__________

Упаковка пакета в кадр

Кадр п ер ед а ет ся

ад а п т ер о м -п ер ед а т ч и к о м

---- I ------

К адр п р и н и м а ется всем и а д а п т ер а м и -п р и ем н и к а м и

Д а ^ х ^ К а д р о п о з н а н \ . Н ет -*-<^ дан ны м а д а п т е р о м - ^ -- *

^^прием ником 9 ^ ^

канала, когда несколько абонентов одновременно обращаются к каналу. Поэтому метод случайного доступа иногда называют ме­ тодом состязаний. При нем возможно наложение в канале двух и более передач. На практике разработан ряд практических спосо­ бов и алгоритмов минимизации конфликтных ситуаций. Некото­ рые из них исследуются в настоящей лабораторной работе на ими­ тационной модели ЛСС. В сетях со случайным доступом не гаран-

224

тируется своевременная доставка информационных пакетов. С увеличением интенсивности потока информации в канале возни­ кают конфликтные ситуации, что создает трудности реализации приоритетного доступа абонентов.

Самым простым способом доступа к моноканалу является ба­ зовый асинхронный способ. Обобщенный алгоритм передачи и приема информации при использовании этого способа изображен на рис. 5.41.

При базовом способе канал работает в асинхронном режиме, и как только у какого-либо абонента возникает необходимость в пе­ редаче данных, его адаптер начинает передавать кадр сразу после его формирования. В процессе передачи могут возникнуть иска­ жения кадров и появиться ошибки из-за помех в канале или из-за столкновения кадров при одновременной передаче в канал кадров от двух и более адаптеров. Поэтому адаптер-приемник проверяет правильность каждого принятого кадра с помощью проверочной последовательности, записанной в конце кадра (см. рис. 5.41), и посылает адаптеру-передатчику подтверждение (квитанцию) тою, что принятый пакет не искажен, т. е. не содержит ошибок. Если подтверждение правильного приема кадра (или кадров) через фик­ сированное (администрацией сети) время от адаптера-приемника к адаптеру-передатчику не поступает, то кадр может передаваться повторно. Интервалы времени ожидания перед повторной выда­ чей кадра для каждого адаптера определяются индивидуально либо с помощью таблиц, либо по определенным алгоритмам. В нормальных условиях подтверждение приема неискаженного кад­ ра осуществляется сразу после первой или (в крайнем случае) по­ сле нескольких попыток. Если после проведения определенного числа попыток подтверждение отсутствует, то кадр считается непереданным.

Базовый асинхронный способ обеспечивает невысокий коэф­ фициент использования общего канала. Одним из способов повы­ шения эффективности использования среды передачи является способ передачи с тактированием моментов передачи кадров, ос­ нованный на том, что абонент может начать передачу кадра в мо­ ноканал только в единые для всех ЛСС моменты времени — так­ ты.

Другим способом повышения эффективности среды передачи является способ доступа, основанный на правиле «слушай, прежде чем говорить», при котором абонент передает кадр в моноканал только тогда, когда канал свободен. Однако при этом не исключа­ ется столкновение из-за одновременной передачи кадров в моно­ канал несколькими абонентами и задержки распространения.

Управление доступом по правилу «слушай, когда говоришь», т. е. прослушивание моноканала не только перед передачей, но и во время передачи позволяет обнаружить столкновение кадра с ка­ дром абонента-источника. В этом случае при хороших корректи­ рующих свойствах используемого кода можно отказаться от меха­ низма передач подтверждений.

Первой важнейшей характеристикой для ЛСС с точки зрения абонентов является в р е м я д о с т а в к и пакетов от абонен­ та-источника к абоненту-приемнику. В общем случае это время будет:

где (i — время, необходимое для обработки (формирования адре­ са, проверочной последовательности) пакета адаптером передаю­ щего абонента; t2— время доступа и передачи информации по мо­ ноканалу, зависящее от способа доступа, режима работы, числа абонентов и пр.; /3 — время, необходимое для обработки пакета приемным адаптером.

Влабораторной работе основное внимание уделяется исследо­ ванию способов доступа к моноканалу и для упрощения имитаци­ онной модели функционирование адаптера не рассматривается, время задержки в нем, обусловленное действием различных пре­ образователей (формирование проверочной последовательности, обработка адресной информации и т. д.), не учитывается. Поэтому время доставки Т определяется только временем 12, а время обра­ ботки 1\ и Г3 считается равным нулю. Это упрощение позволяет па­ кет отождествить с кадром и рассматривать абоненты как источни­ ки и получатели кадров. При подсчете учитывается время доступа

ипередачи только тех кадров, которые были переданы без ошибок

иесли абонентом-источником получен кадр-подтверждение ус­ пешной передачи.

Очевидно, что из-за ограниченности допустимого времени пребывания кадров в ЛСС возможно только ограниченное число попыток его передачи. Если все попытки исчерпаны, то кадр счи­ тается потерянным. Поэтому второй важной характеристикой ЛСС является д о л я п о т е р ь , вычисляемая как отношение числа поступивших вЛСС пакетов к числу переданных пакетов.

Третьей характеристикой, используемой для оценки эффек­ тивности того или иного способа доступа, является к о э ф ф и ­ ц и е н т и с п о л ь з о в а н и я м о н о к а н а л а KOEFF, вы­ числяемый как отношение числа удачно переданных кадров N к числу кадров, которые могли бы быть переданы за рассматривае­ мый интервал времени Т:

226

где п — пропускная способность канала, кадр/с.

В реальных ЛСС число абонентов, подключаемых к монокана­ лу, измеряется сотнями и даже тысячами, но для исследования способов доступа можно использовать модель с гораздо меньшим числом абонентов. Интенсивность обмена информацией между абонентами в модели подбирается такой, чтобы можно было вы­ явить особенности того или иного способа.

Обобщенная схема имитационной модели (ИМ) ЛСС приведе­ на на рис. 5.42. Кадр, поступивший от абонента-источника, пере­ дается одновременно в обе стороны от точки подключения або­ нента к моноканалу. Поэтому для простоты модели каждый отре­ зок моноканала между двумя соседними абонентами, называемый далее звеном моноканала или просто каналом, моделируется двумя блоками соответственно по двум возможным направлениям пере­ дачи по каналу — слева направо и справо налево. Модель абонента также состоит из двух относительно независимых частей: моделей, имитирующих поступление кадров, и обработки кадра при его по­ лучении.

Моделирование передачи между соседними абонентами осу­ ществляется задержкой транзактов (кадров). Она состоит из за­ держки распространения сигнала по звену моноканала, опреде­ ляемой длиной этого звена и скоростью распространения сигнала, и задержки выдачи кадра абоненту, определяемой длиной кадра и скоростью передачи информации в моноканале. Схема модели по­ следовательности задержек приведена на рис. 5.43. В выделенной на рисунке точке происходит копирование транзакта, одна из ко­ пий предназначена для имитации дальнейшего распространения сигнала по моноканалу, а другая (после задержки соответствую-

М одел ь а б о н е н т а О (Л0) М одел ь а б о н е н т а i (А ,) М о дел ь а б о н ен т а N ( A N)

Р и с . S.42. О бобщ енная схема им итационной м одели локальной сети

П ередача от А к к Л*.+1

Задер ж к а

ра сп р о ст р а н ен и я г

по зв е н у

Р и с . 5 43 С хема м одели последовательности задерж ек

щей выдачи кадра) — для имитации процесса получения кадра абонентом. Наличие двух возможных траекторий транзактов опре­ деляет наличие двух выходов в моделях, имитирующих передачу кадров. Как видно из рис. 5.42, модели крайних сегментов монока­ нала отличаются по количеству выходов, что объясняется отсутст­ вием необходимости имитации дальнейшего распространения сигнала по моноканалу.

В имитационной модели приняты следующие допущения: ошибки в кадрах могут возникать только из-за столкновения кадров, т. е. из-за одновременной передачи в звене моноканала бо­ лее одного кадра, причем не имеет значения, в каком направлении

кадры передаются по звену; столкновение кадра-подтверждения с любым другим кадром,

т. е. появление ошибки в кадре-подтверждении, эквивалентно его утере;

допустимое время ожидания подтверждения на переданный информационный кадр одинаково для всех абонентов ЛСС, он складывается из времени распространения сигнала по всей длине моноканала, приема информационного кадра абонентом-получа- телем, распространения и приема кадра-подтверждения и некото­ рого условного запаса времени;

следующий кадр от каждого абонента не может быть передан в моноканал до тех пор, пока не придет подтверждение на ранее пе­ реданный кадр или пока не истечет допустимое время ожидания получения подтверждения.

В соответствии с принятыми допущениями исходные тексты программ имитации поступления кадров в моноканал, обработки кадров при получении, передачи кадров приведены на рис. 5.44. Как следует из комментариев в программах, они предназначены

228

для моделирования работы конкретного абонента (абонента 1) и передачи кадров от абонента 1 к абоненту 2. Модель поступления кадров в моноканал предполагает использование в ЛСС базового асинхронного способа доступа.

В программе используются следующие обозначения: первый параметр транзактов — номер абонента источника информацион­ ного кадра или подтверждения; второй — номер абонента получа­ теля информационного кадра или подтверждения; третий — вре­ мя передачи кадра в канал; четвертый — признак ошибочности кадра (0 — кадр без ошибок, больше 0 — кадр с ошибками); EXPON — функция для определения интервалов между поступле­ ниями кадров; ADR1 — функция выбора абонентом 1 номера або­ нента получателя информационного кадра; VID1 — переключа­ тель, установка которого в 1 показывает, что кадр выдан в монока­ нал и абонент ожидает подтверждения; ACKN1 — переключатель

229

для определения того, что ключ VID1 сброшен поступившим под­ тверждением или сброшен по истечении таймаута (допустимого времени ожидания подтверждения); VREM — таблица для сбора статистики о времени передачи кадров; KAN12 — сохраняемая ве­ личина для индикации занятости канала между абонентом 1 и або­ нентом 2 (при незанятом канале значение этой сохраняемой вели­ чины равно 0).

Программы моделирования работы других абонентов и пере­ дачи кадров вдругих звеньях моноканала получаются из приведен­ ных программ путем соответствующего изменения переменных и меток. Рекомендуется придерживаться принятой в программе сис­ темы обозначений. Это облегчит настройку, позволит провести ее с минимальным числом изменений в программе. Изменяемые части меток и переменных для удобства их выявления обведены. Прямоугольником обведены метки и идентификаторы, которые не используются в моделях других абонентов и каналов, а окруж­ ностью — которые используются.

ЗАДАНИЯ ДЛЯ ДОМАШНЕЙ ПОДГОТОВКИ

1. Ознакомьтесь с принципами организации Л С С с общ им каналом (м он ока­ налом).

2. И зучите особен ности м одели Л С С с базовы м асинхронны м сп особом досту ­

па.

3. И зучите основны е операторы языка G P S S /P C , необходим ы е для вы полне­ ния лабораторной работы.

4. И зучите особен ности работы с M S D O S и Windows в интерактивном реж им е при вы полнении лабораторной работы .

Задание к работе

При выполнении данной лабораторной работы требуется ис­ следовать характеристики ЛСС.

Исходные данные для моделирования:

длина моноканала (общ его канала) — 1,0 км; скорость распространения сигнала в м оноканале — 250 м /м кс (250 000 км /ч);

скорость передачи сигналов в м оноканал — 10 М бит/с; длина участка между подклю чениями соседн и х абонентов постоянна и равнг

500м, т. е. к сети подклю чено три абонента; длина инф орм ационного кадра постоянная и равна 1000 бит;

100 бит и относительны й приоритет при выдаче в моноканал перед и н ф орм ац ион ­ ны ми кадрами;

им еется всего одна попытка передачи каж дого кадра.

230