lect
.pdfN |
K.J |
Q - й |
^4v^- |
п |
о |
|
•:/ |
|
|
МИНИСТЕРСТВО ОБЩЕГО И ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
ТОМСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ
На правах рукописи
СУЩЕНКО СЕРГЕЙ ПЕТРОВИЧ
ОПТИМИЗАЦИЯ ОПЕРАЦИОННЫХ ХАРАКТЕРИСТИК СЕТИ ПЕРЕДАЧИ ДАННЫХ С КОММУТАЦИЕЙ ПАКЕТОВ
Специальность 05.13.01 - "Управление в технических системах"
Д и с с е р т а ц и я на соискание ученой степени
доктора технических наук
Томск — 1997
Содержание
П Е Р Е Ч Е НЬ УСЛОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИИ |
5 |
ВВЕДЕНИЕ |
10 |
1 ПРОБЛЕМЫ ОРГАНИЗАЦИИ ЭФФЕКТИВНОГО ФУНК |
|
ЦИОНИРОВАНИЯ СЕТИ ПАКЕТНОЙ КОММУТАЦИИ: |
|
АНАЛИТИЧЕСКИЙ ОБЗОР И ВЫБОР НАПРАВЛЕНИЙ |
|
РАБОТ |
16 |
1.1Логическая организация вычислительной сети . . . 16
1.2Операционные характеристики транспортной систе
мы вычислительной сети |
19 |
1.3Система моделей функционирования сети передачи
данных |
20 |
1.4Анализ моделей сетевых топологических структур . 25
1.5 В ы в о д ы о направлениях работ |
33 |
2 ЗАМКНУТЫЕ МОДЕЛИ ЗВЕНА ПЕРЕДАЧИ ДАННЫХ 36
2.1 |
Структура линейного протокола |
36 |
|
2.2 |
Ансшиз стартстопной управляющей процедуры . . . |
39 |
|
2.3 |
Модели нормальных процедур |
41 |
|
2.4 |
Модели асинхронных процедур |
44 |
|
2.5 |
Оптимизация сетевых параметров |
59 |
|
|
2.5.1 Оценивание оптимальной длины кадра |
60 |
|
|
2.5.2 |
Оценивание оптимальной ширины окна . . . . |
74 |
|
2.5.3 |
Совместный выбор сетевых параметров . . . . |
79 |
|
2.5.4 |
Управление шириной окна в условиях неста |
|
|
|
ционарного характера искажений |
83 |
2.6 |
В ы в о д ы |
85 |
|
3ОТКРЫТЫЕ МОДЕЛИ ЗВЕНА ПЕРЕДАЧИ ДАННЫХ (ВЛИЯНИЕ БЛОКИРОВОК БУФЕРНОЙ ПАМЯТИ НА
2
ПРОИЗВОДИТЕЛЬНОСТЬ ЛИНЕЙНОГО ПРОТОКОЛА) |
87 |
3.1 Дискретная модель фрагмента сети |
88 |
3.2Ангшиз операционных характеристик стартстопного
протокола |
91 |
3.3Сравнение дискретной и непрерывной моделей старт-
стопного протокола |
95 |
3.4 Оптимизация длины кадра |
101 |
3.5Модели синхронного конвейерного протокола . . . . 103 3.5.1 Ангшиз управляющей процедуры в режиме
группового отказа |
106 |
3.5.2Ангшиз управляющей процедуры в режиме се
лективного отказа |
112 |
3.6 В ы в о д ы |
119 |
4О Т К Р Ы Т Ы Е МОДЕЛИ МНОГОЗВЕННОГО ТРАКТА ПЕРЕДАЧИ ДАННЫХ (ВЛИЯНИЕ БЛОКИРОВОК БУ ФЕРНОЙ ПАМЯТИ НА ПРОИЗВОДИТЕЛЬНОСТЬ СКВОЗ
НОГО СОЕДИНЕНИЯ) |
121 |
|
4.1 |
Модель тракта в виде открытой сети СМО |
122 |
4.2 |
Ангшиз трехзвенного тракта |
123 |
4.3 |
Ангшиз тракта длины D > i |
131 |
4.4 |
Декомпозиционный метод расчета пропускной |
спо |
|
собности тракта передачи данных |
142 |
4.5 |
В ы в о д ы |
147 |
5 ДЕТЕРМИНИРОВАННЫЕ КОНВЕЙЕРНЫЕ МОДЕЛИ МНОГОЗВЕННОГО ТРАКТА ПЕРЕДАЧИ ДАННЫХ 148
5.1Структурные особенности транспортного уровня
управления сетью |
148 |
5.2Оптимизация задержки абонентских сообщений в се
ти с низкой нагрузкой |
151 |
5.2.1Модель ненагруженного виртугшьного соеди
нения |
151 |
5.2.2Оптимальное разбиение сообщения на пакеты 154
5.2.3 |
Выбор рационсшьного размера кадра |
161 |
5.2.4 |
Учет регшьных свойств кангшов связи |
165 |
5.3Совместнг1Я оптимизация сетевых параметров по критерию системы и критерию пользователя . . . . 168
5.3.1 Проблемная ситуация |
168 |
5.3.2Метод выбора длины кадра и хиирины окна . 169
5.3.3Динамическое управление сетевыми параме
трами |
174 |
5.4Анализ задержки в нагруженном виртуальном со
единении |
177 |
5.4.1Модели виртугшьного соединения с однород
ным трафиком |
177 |
5.4.2Модели виртуального соединения с неоднород
ным трафиком |
188 |
5.5 В ы в о д ы |
202 |
СТОХАСТИЧЕСКИЕ МОДЕЛИ КОНВЕЙЕРНЫХ |
МЕ |
ХАНИЗМОВ ПРОЦЕССА ПЕРЕНОСА ДАННЫХ В ВИР ТУАЛЬНОМ СОЕДИНЕНИИ (ВЛИЯНИЕ ДЛИТЕЛЬНО СТИ СКВОЗНОГО ТАЙМ-АУТА НА ВЕРОЯТНОСТНО-
ВРЕМЕННЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ |
МНОГОЗВЕННО |
ГО ТРАКТА) |
204 |
6.1Вероятностно-конвейерная интерпретация многозвен
ного виртуального соединения |
205 |
6.2Аналитическая вычислимость сумм показательно-
степенных функций |
206 |
6.3 Анализ переноса данных при сквозном квитировании |
|
информационными пакетами |
210 |
6.3.1Функция вероятностей времени доставки пакета 210
6.3.2Функция распределения времени доставки па
кета |
212 |
6.3.3Среднее время доведения пакета до адресата . 213
6.3.4 Анализ сквозной задержки |
214 |
6.4Анализ переноса данных при сквозном квитировании
служебными пакетами |
216 |
6.4.1Характеристики передачи мультипакетного со общения по однозвенному виртуальному каналу 218
6.4.2Характеристики передачи одиночного пакета по многозвенному виртуальному кангшу . . . . 223
6.5Ансшиз передачи мультипакетного сообщения по
многозвенному виртуальному каналу |
228 |
6.5.1Вероятностно-временные характеристики про
цесса доставки сообщения адресату |
228 |
6.5.2Анализ сквозных операционных показателей
передачи сообщения |
235 |
6.6Выбор длительности тайм-аута ожидания сквозной
квитанции |
240 |
6.7 В ы в о д ы |
242 |
7 МЕТОДИКА ИНЖЕНЕРНОГО РАСЧЕТА ПОКАЗАТЕ ЛЕЙ ПРОИЗВОДИТЕЛЬНОСТИ СЕТЕВЫХ СТРУКТУР И ОПТИМИЗАЦИИ ПРОТОКОЛЬНЫХ ПАРАМЕТРОВ 245
7.1 Введение |
245 |
7.2Условия предпочтения критериев оптимизации . . . 246
7.3Выбор длины кадра и ширины окна по критерию
пропускной способности |
249 |
7.4Выбор длины кадра по критерию средней задержки
|
сообщений |
255 |
7.5 |
Композиционный метод расчета сетевых параметров |
259 |
7.6 |
Расчет длительности сквозного тайм-аута |
261 |
7.7 |
Принципы построения трактов передачи данных и |
|
|
генерации сетевого трафика приложениями |
263 |
7.8 |
Расчет операционных характеристик сетевых струк |
|
|
тур |
265 |
7.9 |
Резюме |
272 |
ЗАКЛЮЧЕНИЕ |
274 |
|
ЛИТЕРАТУРА |
278 |
|
П Р И Л О Ж Е Н И Е . Акты внедрения и использования результа
тов работы |
299 |
ПЕРЕЧЕНЬ УСЛОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ
Am |
— относительное |
время |
незанятости |
канала |
связи |
||||||||
|
звена передачи |
данных |
{Am = Tm/t)'i |
|
|
|
|
||||||
а |
— коэффициент |
увеличения |
длины |
кадра в |
|
|
|||||||
|
канале |
связи |
из — за бит(байт) |
— стаф |
финга |
||||||||
|
или применения |
асинхронной |
аппаратуры |
связи; |
|||||||||
Б |
— средняя |
задержка |
сообщений |
в ^^узких^^ звеньях |
|||||||||
|
виртуальных |
соединений |
неоднородной |
сети; |
|||||||||
П |
— вероятность |
повторной |
передачи |
кадра; |
|
|
|||||||
В |
— размер |
абонентского |
сообщения; |
|
|
|
|
||||||
Bj |
— средний |
размер |
сообщений |
|
|
|
|
|
|
||||
|
j — го инф ормационного |
потока; |
|
|
|
|
|||||||
В |
— средний |
размер |
сообщений, передаваемых |
по сети; |
|||||||||
С |
— физическая |
скорость |
передачи |
по каналу |
связи; |
||||||||
Ccc{L,m) |
— пропускная |
способность |
управляющей |
процедуры |
|||||||||
|
стартстопного |
|
протокола; |
|
|
|
|
|
|
||||
Cffc(L,uj,m) |
— пропускная |
способность |
нормальной |
процедуры |
|||||||||
|
обмена |
в режиме |
селективного |
отказа; |
|
|
|||||||
Снг{Ь,и!,т) |
— пропускная |
способность |
нормальной |
процедуры |
|||||||||
|
обмена |
в режиме |
группового |
отказа; |
|
|
|
||||||
CAciL,cu) |
— пропускная |
способность |
асинхронной |
процедуры |
|||||||||
|
обмена |
в режиме |
селективного |
отказа; |
|
|
|||||||
CAr{L,uj) |
— пропускная |
способность |
асинхронной |
процедуры |
|||||||||
|
обмена |
в режиме |
группового |
отказа; |
|
|
|
||||||
D |
— длина виртуального соединения, |
выраженная |
в |
||||||||||
|
количестве |
участков |
переприема; |
|
|
|
|
||||||
D |
— средняя |
длина |
виртуальных |
соединий |
сети; |
|
|||||||
F |
— достоверность |
передачи |
данных |
в |
|
|
|
|
|||||
|
инф ормационном |
канале; |
|
|
|
|
|
|
|
||||
Н |
— |
объем |
пакетной |
и кадровой |
|
служебной |
инф |
ормацищ |
||||||||||
Н\ |
— |
объем |
кадровой |
|
служебной |
|
инф |
|
ормации, |
|
|
|||||||
|
|
не хранящейся |
|
в |
буфере; |
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
h |
— |
количество |
бит |
в буфере, |
|
необходимых |
для |
|||||||||||
|
|
организации |
очереди |
в виде |
связного |
списка |
буферов] |
|||||||||||
J |
— |
количество |
виртуальных |
соединений |
|
сети; |
|
|||||||||||
К |
— |
количество |
буферов |
узла |
коммутации, |
|
выделенных |
|||||||||||
|
|
для хранения |
|
очереди |
пакетов |
к |
каналу |
связи; |
||||||||||
к |
— |
количество |
межузловых |
соединений |
|
сети; |
|
|||||||||||
к |
— |
количество |
пакетов |
в очереди |
к |
|
виртуальному |
|||||||||||
|
|
каналу; |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
kj |
— число |
пакетов, |
|
адресованных |
в узел |
— |
получатель |
|||||||||||
|
|
j — го |
звена |
виртуального |
|
канала; |
|
|
|
|
||||||||
к^^'' |
— |
число |
пакетов |
г — го |
типа |
|
в очереди |
|
к |
|
|
|||||||
|
|
виртуальному |
|
|
каналу; |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
k{d) |
— размер |
|
очереди на d— ом участке |
|
виртуального |
|||||||||||||
|
|
канала; |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
kj{d) |
— |
число |
пакетов |
из |
очереди |
d— го |
звена, |
|
адресованных |
|||||||||
|
|
в узел |
— получатель |
|
j |
— го |
звена |
|
виртуального |
|||||||||
|
|
канала; |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
А;*(*) |
— |
вектор |
|
параметров |
|
kj(d); |
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
k^^\d) |
— число |
пакетов |
г — го |
типа |
|
в очереди |
|
d — го |
звена |
|||||||||
|
|
виртуального |
|
канала; |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
к*{^) |
— |
вектор |
|
параметров |
k^'^\d); |
|
|
|
|
|
|
|
||||||
L |
— размер |
|
кадра; |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
I |
— |
количество |
типов |
|
пакетов; |
|
|
|
|
|
|
|||||||
N |
— количество |
фрагментов |
(пакетов) |
в |
|
|
|
|||||||||||
|
|
сообщении |
|
пользователя; |
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
N{N,D,S) |
— среднее |
время |
доведения |
N —пакетного |
|
сообщения |
||||||||||||
|
|
до адресата |
по тракту |
длины |
D при |
длительности |
||||||||||||
|
|
тайм |
— аута |
S; |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
P{k,N,D) |
— |
функция |
распределения |
|
времени |
сквозной |
|
передачи |
||||||||||
|
|
N — пакетного |
|
сообщения |
|
в тракте |
|
длины |
D; |
|||||||||
p(k,N,D) |
— |
функция |
вероятностей |
времени |
сквозной |
|
передачи |
|||||||||||
|
|
N — пакетного |
|
сообщения |
|
в тракте |
|
длины |
D; |
|||||||||
Q |
— вероятность |
|
блокировки |
узла |
— |
получателя |
||||||||||||
|
|
звена |
передачи |
|
данных; |
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
Rn |
|
— |
вероятность |
искажения |
кадра |
в прямом |
канале |
|||||||||||
|
|
|
связи; |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Rom |
|
— |
вероятность |
искажения |
кадра |
в |
обратном |
|
||||||||||
|
|
|
канале |
связи; |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Гп |
|
— |
вероятность |
независимой |
битовой |
ошибки |
в |
|||||||||||
|
|
|
прямом |
канале |
|
связи; |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
Го |
|
— |
вероятность |
независимой |
|
бит,овой |
ошибки |
в |
||||||||||
|
|
|
обратном |
канале |
|
связи; |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
S>N-{-2D |
— l |
— размер |
тайм |
— аута, |
выраж:енный |
в |
|
|
|
|||||||||
|
|
|
длительностях |
|
Т; |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
S(N,D,S) |
|
— |
среднее |
время |
ожидания |
сквозной |
|
квитанции |
||||||||||
|
|
|
на N — пакетное |
|
сообщение |
|
в тракте |
длины D |
||||||||||
|
|
|
при длительности |
|
тайм |
— аута |
S; |
|
|
|
||||||||
T = m,t + Tm |
— |
длительность |
цикла |
передачи |
инф |
ормационного |
||||||||||||
|
|
|
кадра получателю |
|
и ожидания |
|
ответной |
|
|
|||||||||
|
|
|
квитанции; |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Тт |
|
— |
время |
незанятости |
канала |
|
связи; |
|
|
|
|
|||||||
T{D,N,k) |
|
— задержка |
N —пакетного |
сообщения |
в |
|
|
|
||||||||||
|
|
|
виртуальном |
соединении |
длины |
|
D |
с общим |
|
|||||||||
|
|
|
числом |
пакетов |
в очереди |
перед |
сообщением |
к; |
||||||||||
TD{KI,. .. ,KD-I) |
— |
задержка |
пакета |
|
в виртуальном |
|
|
соединении |
||||||||||
|
|
|
длины |
D с ограниченными |
буф |
ерными |
|
|
|
|||||||||
|
|
|
накопителями |
транзитных |
|
узлов; |
|
|
|
|
||||||||
Т{К) |
|
— |
средняя |
задероюка |
кадра |
в звене |
|
передачи |
|
|
||||||||
|
|
|
данных; |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
T{N,D,S) |
|
— |
средняя |
сквозная |
|
задерж:ка |
N |
|
—пакетного |
|
||||||||
|
|
|
сообщения |
в тракте |
длины |
D |
при |
|
|
|
|
|||||||
|
|
|
длительности |
тайм |
— аута |
S; |
|
|
|
|
|
|
||||||
t = аЬ/С |
|
— |
время |
вывода |
инф ормационного |
|
кадра |
в |
линию |
|||||||||
и |
|
— |
связи; |
время |
передачи |
бита |
данных |
по |
|
|
||||||||
|
среднее |
|
|
|||||||||||||||
|
|
|
виртуальным |
соединениям |
сети |
без ^''узких''"' |
||||||||||||
|
|
|
звеньев; |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
V |
|
— обьем |
оперативной |
памяти |
|
узла |
|
коммутации, |
||||||||||
|
|
|
выделенной |
под |
буферы |
для |
одного |
|
направления |
|||||||||
|
|
|
передачи; |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Z^r(u!,m) |
— |
коэф фициент |
использования |
инф |
ормационногс |
|||
|
|
канала^ |
управляемого |
асинхронной |
процедурой |
|||
|
|
обмена |
в режиме |
группового |
отказа] |
|||
ZAC{'^-,'^) |
~ |
коэф фициент |
использования |
инф |
ормационного |
|||
|
|
канала, |
управляемого |
асинхронной |
процедурой |
|||
|
|
обмена |
в режиме |
селективного |
|
отказа; |
||
Zurii^^fn) |
— |
коэф фициент, |
использования |
инф |
ормационного |
|||
|
|
канала, |
управляемого |
нормальной |
процедурой |
|||
|
|
обмена |
в режиме |
группового |
отказа] |
|||
Zffc{^,'nT') |
— |
коэф фициент |
использования |
инф |
ормационного |
|||
|
|
канала, |
управляемого |
нормальной |
процедурой |
|||
|
|
обмена |
в реж:име |
селективного |
|
отказа; |
||
ZniKi,- • • ,KD-I) |
— |
пропускная |
способность тракта |
длины D с |
||||
|
|
ограниченными |
накопителями |
в |
транзитных |
|||||||
|
|
узлах; |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
zr{oj,K) |
— |
пропускная |
способность |
конвейерного |
|
|
||||||
|
|
протокола |
|
в режиме |
группового |
|
отказа при |
|||||
|
|
ограниченном |
|
буф ерном |
накопителе |
|
|
|||||
|
|
узла |
— |
получателя; |
|
|
|
|
|
|
||
zc((^,K) |
— пропускная |
способность |
конвейерного |
|
|
|||||||
|
|
протокола |
|
в режиме |
селективного |
отказа |
при |
|||||
|
|
ограниченном |
|
буф ерном |
накопителе |
|
|
|||||
|
|
узла |
— |
получателя; |
|
|
|
|
|
|
||
aj |
— |
доля |
общесетевого |
трафика, |
переносимая |
j — м |
||||||
|
|
виртуальным |
|
соединением; |
|
|
|
|
||||
Pi |
— |
доля |
общесетевого |
трафика, |
проходящая |
по |
||||||
|
|
г — му межузловому |
соединению; |
|
|
|
||||||
Td |
— время |
полного |
цикла |
передачи |
пакета |
по d — му |
||||||
|
|
звену |
виртуального |
соединения; |
|
|
|
|||||
т^^' |
— |
время |
полного |
цикла |
передачи |
г — го |
пакета |
|||||
|
|
по отдельному |
звену |
|
однородного |
|
|
|||||
|
|
виртуального |
|
канала; |
|
|
|
|
|
|||
Td{n) |
— время |
полного |
цикла |
передачи |
п — го |
пакета |
||||||
|
|
по d — му |
звену |
неоднородного |
|
|
|
|
||||
|
|
виртуального |
|
канала; |
|
|
|
|
|
|||
и |
— |
ширина |
окна. |
|
|
|
|
|
|
|
||
ВВЕДЕНИЕ
Интенсивный рост потребностей в распределенных прикладных вы числениях и информационном сервисе стимулировал широкое внедре ние корпоративных и территориальных вычислительных сетей, основан ных на принципах пакетной коммутации, в управленческую деятель ность предприятий и отраслей народного хозяйства, в научные исследо вания, обучение, здравоохранение, межкорпоративные бизнес-процессы и т.д. [29, 39, 40, 62, 85, 118, 189, 192]. Повышение темпов деловой актив ности и необходимость снижения сроков документооборота выдвинуло в ряд важнейших задач информатизации общества формирование единого информационного пространства и стимулировало внедрение информаци онных сетей в традиционную почтовую связь, в результате чего появился новый вид связи - электронная почта [39, 62, 67, 85]. Устойчивой тен денцией становится интенсивное внедрение в управленческую деятель ность организаций и фирм распределенных систем автоматизации деловых процессов, электронного документооборота, систем электронной комерческой деятельности, инструментальных средств интеграции информацион ной деятельности предприятий в информационное пространство сообпдества Internet [40, 62, 67, 71].
Информационно-вычислительные сети, являясь основой современной индустрии обработки информации [29, 71, 87, 96, 118, 189, 192], предьявляют высокие требования к эффективному использованию средств связи и характеристикам обслуживания сетевых абонентов. В связи с этим одной из важнейших проблем, которую приходится решать при практическом во площении сетевых проектов и их эксплуатационном сопровождении, явля ется проблема адекватного описания процессов информационного перено са в сети и ее отдельных элементах в формальных моделях, используемых при администрировании и организации эффективной работы распределен ных информационных систем в различных условиях функционирования. Возникающие здесь практические задачи стимулируют развитие методов описания процессов передачи данных разноуровневыми протоколами и мо-
10