Разработка метода и алгоритмов статистического моделирования матричных устройств сопряжения распределенных автоматизированных систем

Актуальность темы

Расширение сферы применения вычислительной техники и широкое внедрение вычислительных и сетевых технологий в современное производство сопряжено с использованием большого числа типов ЭВМ и сетей ЭВМ, имеющих различные архитектурные решения, ориентированных на решение большого числа разнообразных задач [25,54,55,58,66]. Ограниченная протяженность отдельных вычислительных сетей и наличие информационных связей внутри и между организациями, где установлены ЭВМ, входящие в состав различных сетей, актуализируют вопрос объединения, расширения и взаимодействия существующих сетей ЭВМ [30,38,44,55,57,59,66,83]. Возникает практическая необходимость в проведении исследований по межсетевым взаимодействиям и объединением сетей в связи с проектированием и вводом в промышленную эксплуатацию разнородных сетей ЭВМ различных предприятий и ведомств, в частности при создании распределенных систем управления (РСУ) [38,55,57,58,60].

Создание РСУ на базе широкого применения средств вычислительной техники, ее интеграция с технологическим производственным оборудованием и процессами принятия решений на всех уровнях управления осуществляется на основе использования средств связи [2,3,8,55,57].

Несмотря на то, что существуют уже сети, объединенные межсетевыми устройствами (МУ), вопрос их взаимного соединения до сих пор остается актуальным и, как показывает анализ литературы, находится в состоянии постоянного развития [57,76].

На основании проведенного обзора [13,25,29,31,39,42,57,60] можно выделить наиболее важные с практической точки зрения аспекты межсетевых взаимодействий, которые остаются проблематичными и в настоящее время. К ним относятся:

— проблемы логического сегментирования при создании виртуальных локальных сетей (VLAN) [];

— методы и средства объединения разнородных сетевых технологий в единую интерсеть (корпоративную сеть) [46,88];

— методы и средства моделирования при решении задач, связанных с построением интерсетей [88,90].

Известны два подхода к решению проблем межсетевого взаимодействия. Первый связан с применением универсального сквозного протокола, который управляет потоками сообщений в стандартном межсетевом формате [89,78]. Альтернативный подход нашел свое решение в использовании шлюзов и коммутаторов, как согласователей неоднородностей взаимодействующих объектов [72].

Комплексирование готовых технических решений, как при интеграции разнородных сетей так и при сегментации локальных вычислительных сетей, требует соответствующих методов и средств оценивания их характеристик на предмет соответствия требуемому качеству обслуживания при заданном либо прогнозируемом трафике. Эта проблема особенно остро стоит при подборе МУ, в частности коммутаторов [28,30,31,33].

Из-за различий во внутренней организации разных моделей коммутаторов, трудно предвидеть, как тот или иной коммутатор будет передавать кадры какого-то конкретного образца трафика. Поэтому при сравнении коммутаторов по производительности необходимо принимать во внимание для какого варианта трафика получены данные, поскольку не существует общепринятых тестовых образцов трафика [28,45].

В специальной литературе [45] отмечается, что лучшим критерием остается практика, когда коммутатор ставится в реальную сеть, и измеряются вносимые им задержки и количество потерянных кадров. Однако, это, прежде всего, дорого.

Существующие несложные расчеты не учитывают коллизий, возникающих между кадрами, передаваемыми по разным маршрутам коммутационной схемы, потерь на время ожидания доступа к общей среде и других явлений, которые обусловлены случайными факторами, значительно снижающими реальную производительность коммутатора [28].

По вопросам использования коммутаторов большинство опубликованных работ являются обзорами по материалам зарубежной печати [25,29,30,31,65,66], анализ которых показал, что требуются методы и средства, поддерживающие обоснованный выбор структуры и оценивание параметров коммутаторов как МУ, обеспечивающих требуемые сетевые характеристики [30,35,38,44,46,51].

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

Сложность формализации и многофакторность проблем взаимодействия процессов коммутации определяют необходимость использования имитационных моделей. Одним из наиболее эффективных методов реализации имитационных моделей технических систем, подверженных случайным воздействиям, является статистическое моделирование [15,60].

Коммутационные системы (КС) матричного типа, считающиеся наиболее перспективными [45], насчитывают сотни и тысячи коммутационных элементов [50], т. е. отличаются большой размерностью.

Требование многократных прогонов модели для получения убедительных статистических выводов, а также размерность моделируемой КС, с ростом которой увеличиваются затраты машинного времени, снижают практическую ценность применения имитационного моделирования для анализа характеристик КС матричного типа.

Поэтому основной целью диссертационной работы является исследование и разработка метода и алгоритмов ускорения статистического моделирования КС матричного типа большой размерности, основанных на исследовании КС по частям с последующей взаимоувязкой частных характеристик. При этом область исследования ограничивается кругом задач, связанных с определением характеристик КС при установившихся условиях работы системы.

Для достижения указанной цели необходимо решение следующих задач:

1. Провести выбор критериев качества функционирования КС и разработать концептуальную модель коммутатора.

2. Формализовать декомпозицию коммутационной матрицы (МК) на классы маршрутов по критерию эквивалентности процессов коммутации.

3. Разработать вероятностный эквивалент части КС в виде генератора фоновых потоков, посредством которого осуществить взаимосвязь с функционированием не рассматриваемой части КС при имитационном моделировании выделенного маршрута.

4. Разработать моделирующие алгоритмы и программную реализацию имитационной модели для определения ВВХ функционирования КС.

5. Провести экспериментальную проверку методики оценивания характеристик КС матричного типа.

Объектом исследования являются двоичные КС типа Баньян, как устройства сопряжения и логической сегментации сетей.

Предметом исследования является применение ускоренного статистического моделирования для расчета характеристик коммутатора и оценивания их на соответствие сетевым требованиям.

Методы исследования. Теоретические исследования при решении поставленных задач проведены с использованием методов теории вероятностей и математической статистики, кластерного анализа и машинной имитации.

Экспериментальные исследования проводились на ЭВМ типа PC Pent 166 ММХ с применением методов программирования и статистического моделирования.

Научная новизна. В результате проведенного исследования и разработанных в диссертации моделей и алгоритмов разработаны метод и методика ускоренного анализа характеристик КС, обеспечивающие научно обоснованный выбор структуры и параметров коммутатора, характеристики которого соответствуют сетевым требованиям.

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

1. Метод аналитико-статистического моделирования КС матричного типа, на основе которого разработана методика ускоренного анализа характеристик КС.

2. Способ классификации множества маршрутов коммутации через двоичную матрицу коммутации типа «баньян», использующий процедуру кластерного анализа.

3. Комплекс алгоритмов, обеспечивающих построение матрицы коммутации и реализацию двухступенчатой декомпозиции КС на классы маршрутов коммутации.

4. Концептуальная модель маршрута коммутационной матрицы, включающая вероятностный эквивалент части МК в виде транзитных (фоновых) потоков, посредством которого осуществляется взаимосвязь с функционированием не рассматриваемой части КС при имитационном моделировании выделенного маршрута.

5. Имитационная модель коммутационной системы на основе матриц коммутации типа «баньян» и на основе модели ВК, отображающей маршрут коммутации с учетом влияния процессов, протекающих в МК, на процесс функционирования выделенного (рассматриваемого) маршрута.

Практическая ценность полученных результатов заключается в разработанной методике и ее математическом и программном обеспечении, позволяющей оценивать соответствие характеристик коммутаторов матричного типа как устройств межсетевого взаимодействия, обеспечивающих высокое быстродействие при сопряжении и логической сегментации сетей.

Апробация работы. Предлагаемые решения и результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на научно-технических конференциях Санкт-Петербургского электротехнического государственного университета, Санкт-Петербург, 1999;2001 г.

Публикации. По теме диссертационной работы опубликовано пять печатных работы.

Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения и двух приложений.

Основные выводы и результаты работы заключаются в следующем.

1. 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.

2. Итеративный характер задач сегментации и интеграции разнородных сетей, необходимость определения дифференциальных показателей качества функционирования коммутаторов как мультипроцессорных систем требуют больших затрат машинных ресурсов, что обуславливает актуальность разработки эффективных средств машинной имитации, методов, моделей и алгоритмов ускорения статистического моделирования коммутационных систем.

3. Разработан метод ускорения имитационного моделирования коммутационных систем (КС), построенных на основе двоичных коммутационных матриц, сочетающий в себе элементы аналитико-статистического метода и метода расслоенной выборки (разд.З).

4. Разработанная методика анализа характеристик матричного коммутатора, основанная на декомпозиции матрицы коммутации на классы маршрутов передачи пакетов между портами (разд.3.6), позволяет существенно сократить размерность модели и время моделирования, дает возможность получения дифференциальных характеристик при исследовании КС большой размерности как при симметричном, так и при асимметричном трафике.

5. Предложен алгоритм построения связей между КЭ в двоичной МК, построенный на основе аналитической формы описания связности между КЭ (р. 2.4). Алгоритм позволяет автоматизировать процесс построения двоичной МК типа «баньян».

6. Предложен способ классификации множества маршрутов двоичной МК типа «баньян», основанный на применении процедуры кластерного анализа, позволяющий с помощью построенной меры близости маршрутов и введенного критерия оптимальности разбиения выделить классы путей коммутации протокольных блоков (разд.3.2).

7. Разработан алгоритм двухступенчатой декомпозиции двоичной МК типа «баньян», состоящий из процедур ранжирования элементов МК и классификации множества маршрутов коммутации (разд.3.3), и алгоритмы формирования (расчета) интенсивностей потоков, поступающих на входы КЭ матрицы, и вычисления среднего времени задержки пакетов в КЭ (разд. 3.4), обеспечивающие декомпозицию МК.

8. Разработана имитационная модель ВК, отличающаяся универсальностью задания режимов работы ВК и включающая предложенный алгоритм формирования интенсивностей транзитных (фоновых) потоков, отображающих взаимодействие процессов функционирования всей МК при имитации конкретного маршрута (разд. 4.1.2). Модель обеспечивает реализацию метода ускоренного анализа ВВХ матричного коммутатора типа «баньян» (разд.4.2).

9. Разработаны алгоритмы реализаций протокола коммутации, учитывающие особенности матричного коммутатора с включением буферных ЗУ на вх одах (разд.5.2.2), выходах (разд.5.2.3) КЭ и без БЗУ в КЭ — модели «чистый баньян» (р. 5.2.4).

10. Выполнена программная реализация имитации (Приложение) процесса коммутации матричной схемы на основе разработанных алгоритмов (п.9), которая позволяет оценить ВВХ задержки пакетов в МК в режимах установления предварительного соединения и без того.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.