Модели моноканальных объектовых сетей передачи данных с контролируемым доступом

ЦК КПСС и Совет Министров СССР в Постановлении яО мерах по ускорению научно-технического прогресса в народном хозяйстве" (август 1983 г.) определили в качестве одного из главных направлений работы «широкую автоматизацию технологических процессов на основе применения автоматизированных станков, машин и механизмов, унифицированных модулей оборудования, робототехнических комплексов и вычислительной техники». Выполнение этой задачи требует развития АСУ и информационно-вычислительных сетей (ИВС) /I/, применяемых для управления промышленными объектами и технологическими процессами /2, 3/, создания информационных служб /4/, автоматизации научных исследований /I/, работы на нестационарных объектах /5, 6/.

С ростом масштабов и сложности энергетических систем, развитием энергоемких производств, созданием крупных многомашинных вычислительных комплексов исключительную важность приобретает передача информации о работе устройств управления, контроля и защиты, обмен данными между ЭВМ /2, 7/. В настоящее время в энергетике, на металлургических и нефтехимических производства созданы и проектируются АСУ, терминальные комплексы на основе объектовых сетей связи /5, 8/, подверженных действию помех, причинами которых являются внешние электромагнитные поля, колебания температуры, изменение потенциала земли".

Под объектовыми сетями понимаются крупные локальные сети /I/ объекта с повышенным уровнем электромагнитных и электрических излучений. Такие сети размещаются на значительной площади и в основном предназначены для объединения терминалов различного типа, устройств управления, контроля и защиты, крупных ЭВМ с мощной периферией. Вероятность ошибки в каналах объектовых сетей.

4 —б достигает ДГ* - 10. В то время как допустимая вероятность ошибки в системах управления, например, гибким производством, станками с ЧПУ, реактором АЭС составляет 1СГ8 — КГ10.

В связи с этим актуальной является проблема создания объектовых сетей, эффективно функционирующих в реальных условиях сложного, энергоемкого производства.

Важнейшей подсистемой любой объектовой сети выступает коммуникационная среда — объектовая сеть передачи данных СОСПД).

По функциональному назначению, степени удаленности аппаратных средств ОСПД относятся к локальным сетям передачи данных (ЛСПД) /9, 10/, обеспечивающим транспортировку информации в условиях высокого уровня помех. Теория локальных сетей достаточно хорошо развита /9−12/, накоплен большой опыт их создания и эксплуатации /13−16/. Поэтому рассмотрим принципы построения ЛСПД, применимые и для объектовых СЦД, но с учетом их особенностей.

Локальной сетью передачи данных является сеть, связывающая абонентские комплекты, расположенные на расстоянии до 10 км друг от друга /I, 9, 10/. Географическая близость аппаратных средств ЛСПД в сочетании с достижениями передовой технологии передачи данных позволяют обеспечить передачу с большой скоростью, в связи с чем уменьшается количество ошибок в передаваемой информации.

I, 17/.

В локальных сетях используется пакетная коммутация, так как этот метод коммутации эффективен /18−20/ при коллективном использовании ресурсов и при пульсирующем (прерывистом) трафике, который имеет место в системах с большим числом источников входящего потока.

Преимущественное развитие из-за простоты реализации в настоящее время получают локальные сети на основе моноканала /21, 22/ с пакетной передачей информации, к которому подключены транспортные станции (ТС) /I/, предназначенные для сопряжения абонента с физическими средствами соединения сети. Такие ЛСПД называются моноканальными. По аналогии, объектовые СПД, использующие в качестве общего ресурса моноканал, называются также моноканальными (МОСПД). В качестве физической среды моноканала могут использоваться коаксиальный кабель, скрученные пары проводов, волоконный световод /I, 22/.

Для моноканала на основе скрученных пар проводов характерны переходные и перекрестные помехи, помехи вследствие колебания температур, электромагнитные помехи. При применении в качестве физической среды моноканала коаксиального кабеля или волоконного световода имеют место либо некоторые из перечисленных помех (ко-0 аквиальный кабель), либо возникают проблемы обеспечения двунаправленной передачи и реализации протяженных линий связи (коаксиальный кабель и волоконный световод) /23/. Использование электронных усилителей, повторителей для создания таких линий снижает надежность систем, повышает уровень помех в сети /6, 23/.

Топология моноканальных сетей может быть шинная и кольцевая ДО, II/. Кольцевой моноканал обеспечивает однонаправленную (последовательную) передачу информации от станции к станции. Шинный моноканал осуществляет двунаправленную (параллельную) передачу, т. е. информационные сигналы распространяются от станции — источника в обоих направлениях.

При создании моноканальных объектовых СПД, крупных и мощных /I/ моноканальных локальных сетей, таких как НУРЕ{*СНАЫЫЕ.и, МГГйЕЫЕТ /I, 24/, имеющих протяженные линии связи, важной цроблемой является организация множественного доступа /18/ в моноканал, позволяющего осуществлять эффективный обмен данными при высокой вероятности ошибки в канале. Множественный доступ подразделяется на случайный и с временным разделением /18, 25/.

Случайный доступ эффективен в сетях с невысокой интенсивностью появления пакетов и низкой вероятностью ошибки в канале /II, 18, 26/. При значительной нагрузке более эффективен доступ с синхронным временным разделением (8ТТ>М) /II, 26, 27/ и доступ с асинхронным временным разделением (АТТ)М) /11,26−28/. Однако возникает проблема обеспечения абонентов уцравляющей информацией о праве использования моноканала Д/.

Теория случайного доступа развита в работах Клейнрока, Лэма, Абрамсона, Тобаги /18, 29−31/, Цыбакова и др. авторов /32 — 34/, анализу доступа с временным разделением посвящены работы Тобаги, Клейнрока, Лэма, Шмидта /35−37/, Хансена, Шварца, Рубина, Погре-на и др. авторов /38−40/.

Дальнейшее расширение функциональных возможностей сетей и их развитие требует быстрого и изменяемого во времени перераспределения их ресурсов между абонентами в условиях высокой нагрузки и вероятности ошибки в канале, что возможно путем применения методов доступа, сочетающих преимущества случайного доступа и доступа с временным разделением и обеспечивающих транспортные станции управляющей информации о праве использования моноканала /I, 26/. К таким методам доступа относятся маркерный доступ ДО/, контролируемый доступ /41, 42/ и интервально-маркерный /43/. Маркер /10/ представляет собой специальный короткий пакет, содержащий номер станции, для которой наступила очередь доступа к каналу. Эта станция выделяется специальной процедурой при запуске сети или адресуется предыдущим маркером. Станция, не являющаяся источником, передает маркер сразу после получения адресованного ей маркера, а источник — только после передачи данных. Такая процедура передачи при использовании шинного моноканала допускает любую очередность станций.

При контролируемом доступе /41, 42/ с централизованным управлением центр сети передает адрес станции, которая имеет право доступа к каналу. Станция, не имеющая готовых пакетов, передает отрицательный запрос. В противном случае станция передает положительный запрос со сведениями о приоритете подготовленного к передаче информационного пакета, его длине и т. п. Получив положительный запрос, центр назначает временную позицию для пере-чи информационного пакета и сообщает о своем решении с помощью команды управления. При децентрализованном управлении из приведенной процедуры исключается фаза передачи команды управления: временные позиции назначаются станциями на основе принимаемых всеми одновременно запросных пакетов.

С применением маркерного и контролируемого доступа созданы и успешно эксплуатируются локальные сети передачи данных /12,24, 44,45,42/.

Однако эффективность маркерного и контролируемого доступов резко снижается в системах, в которых возможно поражение маркера и запросного пакета. Таким образом, в условиях объектовой связи описанные методы доступа не обеспечивают бесконфликтную передачу. Кроме того, существующие протоколы контролируемого доступа и протоколы маркерного доступа, как правило, являются асинхронными и не всегда оказываются эффективными из-за сложности реализации, дополнительных временных потерь при уцравлении, недостаточной надежности и др.

Разработке теории сетей передачи данных, методов их анализа, исследованию систем, использующих методы доступа, подобные маркерному и контролируемому, посвящены работы Г. П. Захарова /46/, /А.В. Суздалева /47/, Л. Клейнрока /18/, С. И. Самойленко /43, 48/, А. Б. Мархасина /41, 42/, Л. Клейнрока и М. Шолла /49, 50/, X. Кобаяши и А. Конхейма /51/, О.С.^греева /52, 53/, В. Бакса /54, 55/, Т. Н. Захаровой, B.C. Подлазова и Г. Г. Стецюры /56/.

Однако в этих работах приведены общие теоретические положения и, при построении моделей сетей авторами не учитывалась эталонная модель взаимосвязи открытых систем (ВОС) и иерархия протоколов /57, 59/, позволяющие решать задачи проектирования путем расслоения их на подзадачи с последующим объединением. Кроме того, в работах не уделялось должного внимания исследованию служебного трафика, а следовательно, его влияния на оптимизацию параметров сетей. Следует также отметить, что системы исследовались в основном аналитически и в непрерывном времени /60/.

В данной работе основное внимание уделено выявлению и исследованию управляющей информации (служебного трафика), разработке элементов конструктивной теории, учитывающей инженерную реализацию протоколов моноканальной объектовой сети передачи данных. Конструктивными параметрами МОСПД будем называть параметры, которые необходимо учитывать при реализации в сети конкретных протоколов, например, длина кадра, длина квитанции, длина команды управления, длительность защитного интервала и т. п.

Цель и задача исследования. Целью работы является разработка моделей, методов расчета основных вероятностно-временных характеристик МОСПД с контролируемым доступом и оптимизация их параметров. В соответствии с поставленной целью в работе решаются следующие задачи:

— разработка протоколов контролируемого доступа с различными дисциплинами обслуживания станций и алгоритмами защиты от ошибок;

— построение аналитических моделей моноканальных объектовых СПД с контролируемым доступом;

— построение имитационных моделей МОСПД с контролируемым доступом;

— разработка комбинированного метода исследования МОСПД, построение комбинированных моделей очередей;

— расчет вероятностно-временных характеристик МОСПД с контролируемым доступом на основе построенных моделей, оптимизация конструктивных параметров объектовых сетей;

— разработка пакета прикладных программ для инженерного расчета МОСЦД с контролируемым доступом.

Для достижения поставленной цели использовались методы теории массового обслуживания и вычислительной математики, операторные методы, а также методы имитационного моделирования на ЭВМ.

Научная новизна работы заключается в использовании архитектурного подхода на всех этапах исследования МОСЩ, что позволяет получить следующие новые результаты.

I. Предложены протоколы контролируемого доступа (пороговый, с защитным интервалом), обеспечивающие в отличие от известных, эффективное функционирование МОСПД в условиях каналов с шумами и значительной нагрузки за счет увеличения служебного трафика. Развит метод гпреобразований применительно к многоинтервальным стохастическим системам. На основе этого метода построены модели протоколов контролируемого доступа исследуемых систем и дано их описание на уровне распределений вероятностей.

3. Построена группа аналитических моделей обслуживания кадров в дискретном времени, учитывающих протоколы доступа и алгоритмы защиты от ошибок.

4. Разработан комбинированный метод исследования неоднородных МОСПД большой размерности со сложными алгоритмами обслуживания, сочетающий аналитический и имитационный методы. Комбинированные модели сокращают время вычисления основных вероятностно-временных характеристик исследуемых СПД и уменьшают затраты на проектирование объектовых сетей.

5. Предложены методы расчета оптимальных конструктивных параметров однородных и неоднородных МОСПД с контролируемым доступом на основе предлагаемых аналитических и имитационных моделей.

6. Разработаны методы расчета транспортных систем МОСПД с контролируемым доступом, позволяющие выбрать цротоколы и параметры объектовых сетей.

Практическая ценность.

1. Разработанная методика построения аналитических и комби-шфованных моделей МОСПД с использованием архитектурного подхода позволяет рассчитать вероятностно-временные характеристики объектовых сетей с различными протоколами канального и сетевого уровней.

2. Предложенные цротоколы контролируемого доступа обеспечивают возможность практической реализации МОСПД большой размерности, повышает их эффективность.

3. Разработанный пакет программ инженерного расчета вероятностно-временных характеристик МОСПД является основой для автоматизированного проектирования объектовых сетей.

Основные положения, защищаемые в работе, сводятся к следующее.

1. При построении математических моделей МОСПД необходимо вводить конструктивные параметры протоколов, используемых в соответствии с эталонной моделью ВОС. Учет управляющей информации позволяет выбрать оптимальное значение параметров объектовой сети.

2. Оптимизация параметров объектовой сети с однородными транспортными станциями производится для сетей с потерями по функционалу средней скорости передачи информации на канальном уровне, для сетей с очередями — по функционалу средней скорости передачи информации на сетевом уровне.

3. Синхронные объектовые сети с контролируемым доступом описываются многоинтервальными стохастическими системами непрерывно-дискретными М/бА/1 и дискретными МА/0АЛ.

4. Для исследования сетей повышенной размерности с неоднородными станциями целесообразно использовать имитационное моделирование.

5. В МОСПД с контролируемым доступом для повышения эффективности их функционирования неооходимо применять синхронный эстафетный протокол с передачей команды управления всем станциям, пороговый, с защитным интервалом при оптимально выоранных конструктивных параметрах.

6. При проектировании ооъектовых сетей большой размерности эффективным оказываются комбинированные методы исследования, сочетающие аналитический и имитационным методы.

7. Для расчета синхронных МОСПД наиболее быстродействующими вычислительными процедурами являются процедуры с использованием цифровых ЭВМ, так как гпреобразования, отображающие стохастические процессы в моноканальных сетях, имеют вид дробно-рациональных функций.

8. Протоколы с контролируемым доступом по производительности и степени использования каналов связи занимают промежуточное положение между протоколами случайного множественного доступа и протоколами синхронного временного разделения.

9. Разработанные модели и методы исследования позволяют реализовать систем автоматизированного проектирования моноканальных объектовых сетей передачи данных с контролируемым доступом.

Работа состоит из введения, 3-х глав, заключения и приложений.

В первой главе дается анализ объекта исследования, предлагаются новые цротоколы контролируемого доступа, описываются аналитические модели сетевого и канального уровней систем с однородными ТС в дискретном времени и аналитические модели систем с ограниченными и неограниченными очередями у ТС с различными протоколами контролируемого доступа и протоколами защиты от ошибок на основе вложенных марковских цепей в непрерывном времени, находятся вероятностно-временные характеристики, производится оптимизация конструктивных параметров МОСПД.

Во второй главе описываются имитационные модели МОСПД с неоднородными ТС с различными протоколами контролируемого доступа, находятся вероятностно-временные характеристики системы, оптимизируются конструктивные параметры МОСПД, производится сравнение систем с различными протоколами контролируемого доступа.

В третьей главе описываются аналитические модели систем с ограниченным и неограниченным очередями у однородных ТС с различными протоколами контролируемого доступа и протоколами защиты от ошибок на основе вложенных марковских цепей в дискретном времени, находятся вероятностно-временные характеристики системы, оптимизируются конструктивные параметры МОСПД, разрабатывается комбинированный метод исследования объектовых сетей с контролируемым доступом, описываются комбинированные модели систем с неоднородными ТС, производится сравнение контролируемого доступа с маркерным и интервально-маркерным доступами.

В приложениях приведены листинги программ имитационных и комбинированных моделей моноканальных объектовых СПД с контролируемым доступом.

I. АНАЛИТИЧЕСКИЕ ВЕРОЯТНОСТНЫЕ МОДЕЛИ КОНТРОЛИРУЕМОГО ДОСТУПА В НЕПРЕРЫВНОМ ВРЕМЕНИ.

выводы.

1. Синхронные МОСПД с контролируемым доступом необходимо моделировать стохастическими системами МА/СЛ/ 4, учитывающими дискретность функционирования сети.

2. В системах с дискретным временем оптимальная длина кадра уменьшается с ростом вероятности появления кадра в биномиальном входящем потоке, с ростом размерности сети.

3. При проектировании сетей большой размерности со сложным обслуживанием комбинированный метод исследования, сочетающий аналитический и имитационный методы, сокращает время вычисления вероятностно-временных характеристик систем.

4. При расчете СПД эффективным является применение цифровых ЭВМ, так как % -преобразования, описывающие характеристики реальных протоколов, имеют вид дробно-рациональных функций.

5. В МОСПД с интенсивностью <^/То 5, вероятностью ошибки рк>10″ «^ следует использовать пороговый протокол с контролируемым доступом в сочетании с алгоритмом Р0С-01-МП или Р0С-0Ж-АП контроля ошибок, имеющий лучшие вероятностно-временные характеристики по сравнению с эстафетным протоколом контролируемого доступа.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

Исследования моноканальных объектовых сетей передачи данных с контролируемым доступом с помощью аналитического, имитационного и комбинированного методов, проведенные в соответствии с поставленными задачами, позволяют сформулировать следующие основные результаты.

1. Разработаны математические модели МОСЯД с контролируемым доступом однородных станций для пуассоновского входящего потока пакетов.

2. Предложены новые синхронные протоколы контролируемого доступа: пороговый, с защитным интервалом с различными алгоритмами контроля ошибок, обеспечивающие эффективное функционирование МОСЩ большой размерности в условиях каналов с шумом.

3. Оптимальная длина кадра возрастает с уменьшением вероятности ошибки в канале и нагрузки в сети, оптимальная длина команды управления и оптимальная длительность защитного интервала возрастают с увеличением вероятности ошибки в канале.

4. Разработаны имитационные модели МОСЩ с контролируемым доступом неоднородных станций, позволяющие оптимизировать параметры МОСЩ на основе имитационного моделирования.

5. Исследование МОСПД с эстафетным и опросным протоколами контролируемого доступа и конечным временем переключения станций на имитационных моделях показало, что при отличном от нуля времени переключения, при интенсивности 2 кадр/с в сети и количестве станций в сети более 25, необходимо использовать опросный протокол контролируемого доступа.

6. На основе метода гпреобразований, црименного к многоинтервальным стохастическим системам, построены модели протоколов иссле, пуемых систем, найдены распределения вероятностей состояний длины очереди, времени обслуживания.

7. Разработаны математические модели МОСПД с контролируемым доступом однородных станций в дискретном времени.

8. При проектировании сетей большой размерности со сложным обслуживанием комбинированный метод исследования, сочетающий аналитический и имитационный методы, сокращает время вычисления вероятно стно-временных характеристик систем по сравнению с имитационным методом и црименяется для расчета сетей с неоднородными станциями.

9. Расчет моделируемых стохастических систем в дискретном времени производится на цифровых ЭВМ, так как 2. -преобразование, описывающее характеристики реальных протоколов, имеет вид дробно-рациональных функций.

10. Разработана методика инженерного расчета характеристик МОСПД.

11. Контролируемый доступ в синхронных объектовых сетях передачи данных является более эффективным по сравнению с известными асинхронными методами доступа (маркерный, интервально-мар-керный) при загрузке /> > 0,15 в условиях приемлемых задержек.

12. Предложенные протоколы, методика расчета вероятностно-временных характеристик и методы оптимизации конструктивных параметров объектовых сетей внедрены в разработках объектовых сетей передачи данных.