WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

загрузка...
   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 | 3 |

На правах рукописи

Тонг Минь Дык

МОДЕЛИ И МЕТОД РАСЧЕТА КОММУТАТОРОВ

С ОБЩЕЙ ШИНОЙ КАК УСТРОЙСТВ СОПРЯЖЕНИЯ

РАСПРЕДЕЛЕННЫХ АВТОМАТИЗИРОВАННЫХ СИСТЕМ

Специальность: 05.13.06 Автоматизация и управление технологическими процессами и производствами (промышленность)

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

Санкт-Петербург – 2007

Работа выполнена в Санкт-Петербургском государственном электротехническом университете «ЛЭТИ» им. В.И. Ульянова (Ленина)

Научный руководитель –

доктор технических наук, профессор Кутузов О.И.

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Сикарев А.А.

кандидат технических наук, доцент Казак А.Ф.

Ведущая организация – Санкт–Петербургский государственный университет телекоммуникаций им. проф. М.А. Бонч – Бруевича

Защита диссертации состоится " " ___________2007 г. в часов на заседании диссертационного совета Д 212.238.07 Санкт-Петербургского государственного электротехнического университета «ЛЭТИ» им. В.И. Ульянова (Ленина) по адресу: 197376, Санкт-Петербург, ул. Проф. Попова, 5.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке университета.

Автореферат разослан " " 2007 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета Яшин А.И.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Широкое внедрение вычислительных и сетевых технологий в современное производство сопряжено с использованием большого числа типов сетей ЭВМ, имеющих различные архитектурные решения.

Возникает практическая необходимость в проведении исследований по межсетевым взаимодействиям в связи с проектированием и вводом в промышленную эксплуатацию разнородных сетей ЭВМ различных предприятий и ведомств, в частности при создании распределенных систем управления (РСУ).

Известны два подхода к решению проблем межсетевого взаимодействия. Первый связан с применением сквозного универсального протокола. Предпочтительнее считается использование межсетевых устройств (МУ) для согласования неоднородностей взаимодействующих объектов. Основным типом МУ на первом, втором и третьем уровнях ЭМ ВОС становятся коммутаторы, заменяя концентраторы, мосты и маршрутизаторы.

В коммутаторах с общей шиной связь портов через высокоскоростную шину осуществляется в псевдопараллельном режиме разделения времени. Кадр передается по шине небольшими частями. В качестве порции данных, переносимых за одну операцию по шине, некоторые производители выбрали ячейку АТМ, тем самым как бы «предопределили» коммутатор с общей шиной к использованию в технологии АТМ over ADSL. В наше время число коммутаторов, приобретаемых для прямого подключения к конечным рабочим станциям, составляет более 85% от общего их числа.

Считается, для того, чтобы шина не была узким местом коммутатора, ее производительность должна быть в несколько раз выше скорости поступления данных на входные порты. 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.

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

Целью работы является 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. При этом область исследования ограничивается кругом задач, связанных с определением характеристик коммутационной системы (КС) при установившихся условиях работы системы.

Для достижения названной 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 методики расчета характеристик коммутатора.

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

Научные результаты, выносимые на защиту:

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.

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

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 международных, одной Всероссийской НТК и на НТК профессорско-преподавательского состава СПб ГЭТУ «ЛЭТИ» в 2005 – 2006 г.г.

Публикации. По теме диссертационной работы опубликовано 5 научных работ, из них 2 статьи (1 статья – из перечня изданий, рекомендованных ВАК) и 3 работы – в научных трудах международных и Всероссийских конференций. 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 машинописного текста. Работа содержит 29 рисунков, 17 таблиц.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы, определены цель и задачи диссертационного исследования, сформулированы новые основные результаты и положения, выносимые на защиту.

В первой главе проведен анализ принципов построения телекоммуникационных сетей как подсистем распределенных автоматизированных систем обработки информации и управления (АСОИУ) и современных подходов к интеграции разнородных сетей.

Показано доминирующее применение коммутаторов на первом, втором и третьем уровнях ЭМ ВОС для сопряжения разнородных и сегментации локальных сетей. Показана возможность массового применения коммутатора с общей шиной в технологии ATM over ADSL. Рассмотрены технические реализации и характеристики коммутаторов, соответствующие их назначению.

Проведен анализ моделей сетевого трафика. В некоторых ситуациях трафик имеет отличия, часто называемые фрактальными или самоподобными свойствами. Самоподобность, в общем-то, геометрическое понятие. Оно подчеркивает то, что модели, описывающие трафик на разных уровнях, могут иметь одинаковую структуру, задаваемую разномасштабными пульсациями. Понятие пульсирующей структуры часто используется именно в этом контексте. Пульсирующая структура может сильно влиять на производительность сети. В результате оказывается, что традиционный анализ очередей, в основе которого лежит предположение о пуассоновском потоке, не может достаточно точно предсказать производительность системы в условиях пульсирующего трафика.

Для описания пульсирующего компьютерного сетевого трафика широко используется ON/ОFF-модель или модель серии пакетов.

Определены показатели, по которым предлагается оценивать пригодность коммутатора для определенного места в сети: пропускная способность, среднее время задержки пакетов, вероятность блокировки принимаемых пакетов. Рассмотрены особенности трансляции протоколов канального уровня в коммутаторе.

Показатели зависят от структуры и внутренних параметров коммутатора. Для подбора внутренних параметров необходима инженерная методика, позволяющая производить их расчет с приемлемой для практических нужд точностью.

Построение методики расчета внутренних параметров должно включать в себя следующие основные этапы:

– построение и анализ концептуальной модели, выявляющей наиболее существенные черты коммутатора как мультипроцессорной системы, определение перечня внутренних параметров;

– построение на базе концептуальной модели математических моделей, определяющих функциональную связь внутренних параметров и внешних характеристик коммутатора и обеспечивающих аналитический расчет параметров и характеристик коммутатора с общей шиной;

– построение процедуры параметрической настройки коммутатора по выбранным критериям качества;

– оценивание влияния самоподобного (пульсирующего) трафика на характеристики очередей в буферных накопителях портов коммутатора;

– разработка моделирующих алгоритмов и программной реализации имитационных моделей для экспериментальной проверки полученных результатов.

Во второй главе представлен материал, связанный с построением концептуальной модели КС с общей шиной. Описаны допущения при построении концептуальной модели, модель технических средств коммутации. Излагается математическая постановка задачи оценивания характеристик КС.

Концептуальная модель коммутатора включает в себя описание структуры и алгоритмов функционирования коммутатора. Основу реализации КС составляет многопроцессорный вычислительный комплекс (МВК). Согласно принятых допущений в модели КС отражены аппаратные средства, реализующие этапы приема-передачи ИК и передачи (коммутации) пакетов через общую шину (ОШ) по маршрутам, связывающим входной/выходной порты. В рамках этой задачи в структуре МВК выделены канальные модули (КМ) портов и ОШ коммутации, связывающая КМ между собой.

КМ состоит из двух устройств побитовой обработки (УПО) на приеме и передаче, двух блоков буферной памяти (БП), а также двух каналов прямого доступа к ОШ (КПД) с независимыми трактами доступа.

УПО представляет собой аппаратное устройство, реализующее операции генерации и выделения межкадровых разделителей, битстаффинга, циклического кодирования - декодирования, побитовой передачи и накопления длиной элементов ИК.

Блок буферной памяти КМ предназначен для сглаживания кратковременных пульсаций трафика.

Общее поле памяти (ОПП) КМ накапливает при необходимости как входящие пакеты, так и исходящие. ОПП разбивается на участки (БП) для параллельного обслуживания приемного и передающего каналов КМ. Запись/считывание пакетов в (из) УПО осуществляется словами за время цикла обращения к ОПП. Разрядность слова определяется разрядностью, с которой работает КПД.

В алгоритме транспортировки пакетов через коммутатор выделены этапы: прием кадров по входящему каналу; передачи пакетов по общей шине; прием пакетов из общей шины; обработка пакетов и передача кадров по выходному интерфейсу. Цикл обращения (повторяющееся получение доступа на передачу) зависит от пропускной способности общей шины и количества портов коммутатора.

Перед тем, как передать принятый пакет на порт – получатель, выполняются операции, связанные с определением адреса исходящего порта, фрагментация кадра и добавление каждому фрагменту заголовка.

Моделью этапа передачи пакета по общей шине принята система массового обслуживания (СМО) с ожиданием, где шина является обслуживающим прибором. Источником требований (поступающих ИК и выделенных из них пакетов) является рабочая станция, либо малая ЛС, либо магистральный канал, связывающий коммутатор с опорной сетью. Время ожидания доступа к шине зависит от соотношения скоростей шины и входящего канала связи (КС).

Поскольку к одному и тому же исходящему каналу порта (каналу ПРД) могут быть адресованы пакеты из разных входящих каналов других портов (каналов ПРМ), то на входе канала ПРД может возникнуть очередь, обусловленная доступом к передающему устройству.

Моделью этапа передачи пакета по исходящему каналу может служить СМО с ожиданием, где шина является источником требований (пакетов) а обслуживающим прибором – передатчиком исходящего канала порта. Поскольку скорость исходящего КС обычно ниже пропускной способности ОШ, то время ожидания в такой СМО может быть значительным.

Таким образом, задержка передаваемых пакетов в коммутаторе складывается из времен обработки на приеме, трансляции через общую шину и передачи по исходящему интерфейсу.

Pages:     || 2 | 3 |






© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»