lect

делей информационно-вычислительных сетей.

Важнейшим показателем потенциальных возможностей связных ресур­ сов сети является пропускная способность межузловых соединений, упра­ вляемых различными реальными протоколами, а наиболее значимой ха­ рактеристикой обслуживания абонентов - время доставки пользователь­ ских данных удаленным сервисным службам по виртуальным соединени­ ям и задержка ответных сообщений.

Применяемые в настоящее время модели процессов обмена в межуз­ ловых и виртуальных соединениях являются недостаточно адекватными. Кроме того, анализ существующих подходов к решению задачи оптими­ зации сетевых параметров показывает, что ряд существенных черт, фак­ торов и механизмов, определяющих эффективность функционирования се­ ти, необоснованно упрощается либо вообще игнорируется. Таким образом, возникает потребность в более совершенных моделях процессов инфор­ мационного переноса и методах выбора параметров, разработка которых составляет основное содержание данной работы.

Диссертационнаая работа выполнялась в соответствии с тематически­ ми планами нучно-исследовательских работ Томского государственного университета а также в рамках целевой комплексной научно-технической программы О.Ц.027(задание 05.31), утвержленной постановлением ГКНТ, Госплана СССР и АН СССР от 12.12.80 N 474/250/132 (N гос. регистрации 01812014091).

Целью настоящей работы является построение и исследование мо­ делей процесса передачи протокольных блоков данных на различных уровнях сетевой архитектуры, разработка принципов построения сетевых трактов передачи данных и инженерных методов выбора протокольных параметров по критериям пропускной способности, средней сетевой за­ держки, их композиции и вероятностным показателям.

Методы исследования. При выполнении диссертационной работы использовались методы теории вероятностей, теории марковских цепей, теории массового обслуживания, теории расписаний.

Научная новизна.

В работе разработано два класса моделей процесса информационного переноса в сетевых структурах, отличающихся учетом существенно дис­ кретного характера функционирования управляющих протоколов:

- потоковые, позволяющие исследовать предельные возможности маги­ стралей передачи данных, управляемых протоколами канального и сете­ вого уровня, и оптимизировать сетевую структуру и протокольные пара-

11

метры по нагрузочному критерию; - конвейерные, дающие возможность изучать влияние структурных

неоднородностей передающей среды и потока данных на вероятностновременные характеристики качества функпионирования протокола транс­ портного уровня и синтезировать протокольные параметры по критерию, ориентированному на потребительские показатели.

Практическая ценность.

На основе проведенных исследований разработаны " Методические ука­ зания по инженерному расчету показателей производительности сетевых структур и оптимизации протокольных параметров" в различных эксплу­ атационных условиях. Самостоятельную практическую значимость име­ ют предложенные модели фрагментов сети с коммутацией пакетов, позво­ ляющие проводить сопоставительный анализ управляющих протоколов и расчет операционных характеристик отдельных звеньев передачи данных, многозвенных виртуальных каналов и средние показатели эффективности функционирования всей сети.

Внедрение результатов работы.

"Методические указания по инженерному расчету показателей произ­ водительности сетевых структур и оптимизации протокольных параме­ тров" внедрены в компьютерной фирме " Сибирские Цифровые Приборы", Куйбышевском авиационном институте - головной организации по ком­ плексной научно-технической программе "Автоматизация научных иссле­ дований", Центре автоматизации и метрологии АН МССР. Инженерная методика передана также для использования на предприятие п/я А-3650.

Кроме того, материалы исследований используются в учебном процессе при чтении курсов лекций "Вычислительные системы и сети", "Принципы организации многопроцессорных комплексов" по специальности 22.04.00 "Программное обеспечение вычислительной техники и автоматизирован­ ных систем" в Томском государственном университете и при выполнении курсовых и дипломных работ студентов.

На защиту автором выносятся следующие положения.

1.Модели и методы расчета показателей производительности различ­ ных операционных режимов конвейерных протоколов управления межузло­ вым соединением синхронного и асинхронного типа, учитывающее факто­ ры искажений в прямом и обратном каналах связи звена передачи данных

ифактор блокировок ограниченной буферной памяти узла-получателя.

2.Потоковые модели и результаты исследований операционных харак­ теристик многозвенных трактов передачи данных с конечными обьемами

12

буферных накопителей в транзитных узлах, учитывающие существенно дискретный характер информационного переноса в виртуальном канале и описываемые открытыми сетями СМО с дискретным временем.

3.Детерминированные конвейерные модели и методы расчета показа­ теля задержки мультипакетных сообщений в многозвенных неоднородных виртуальных каналах с различной структурой сетевого трафика, учиты­ вающие трубопроводный (конвейерный) эффект одновременного переноса различных фрагментов сообщений на различных участках соединительно­ го пути.

4.Стохастические конвейерные модели и результаты исследований вероятностно-временных характеристик сквозного информационного пере­ носа в многозвенном тракте, учитывающие влияние длительности сквоз­ ного тайм-аута ожидания квитанции транспортного протокола и фактора искажений в отдельных звеньях на показатели быстродействия виртуаль­ ного соединения.

5.Методы и алгоритмы расчета сетевых и протокольных параметров информационно-вычислительных сетей по критериям пропускной способ­ ности межузловых и многозвенных соединений, сквозной задержки або­ нентских сообщений, композиционному критерию оптимальности и веро­ ятностным показателям эффективности функционирования сети.

Апробация работы и публикации.

Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсу­ ждались на следуюпщх научно-технических форумах.

IV, V, VI Всесозных конференциях "Вычислительные сети коммутации пакетов" (Рига, 1985, 1987, 1989).

Международном семинаре "Территориальные информационные сети" (Рига, 1991).

XIII, XV, XVII Всесоюзных школах-семинарах по вычислительным се­ тям (Алма-Ата, 1988,1992; Винница, 1991).

II Всесоюзном семинаре "Перспективы развития вычислительных си­ стем" (Рига, 1985).

I, II, IV, V, VII Белорусских школах-семинарах по теории массового обслуживания (Гродно, 1985,1988,1989,1991; Гомель, 1986).

Республиканской научно-технической школе-семинаре "Анализ и синтез систем массового обслуживания и сетей ЭВМ" (Одесса, 1990).

Республиканском научно-техническом семинаре "Совершенствование методов исследования потоков событий и систем массового обслуживания" (Киев, 1989).

13

II Сибирском конгрессе по прикладной и индустриальной математике (Новосибирск, 1996).

IV,V Всероссийских семинарах "Нейроинформатика и ее приложения" (Красноярск, 1996,1997).

IX Международном симпозиуме по непараметрическим и робастным ме­ тодам в кибернетике (Красноярск, 1997).

По результатам выполненных исследований опубликовано 34 печатные работы [134]-[167].

Структура диссертации.

Работа состоит из введения, семи глав, заключения, списка литературы и приложения, включающего документы о внедрении.

Проведенный в п е р в о й г л а в е аналитический обзор результатов, достигнутых в моделировании сетевых структур, позволил установить основные направления исследований. Выявленные направле­ ния в теоретическом плане развиваются в пяти дальнейших главах.

В о в т о р о й г л а в е предложены модели межузлового со­ единения, учитывающие влияние искажений потока протокольных блоков данных в прямом и обратном каналах связи на операционные характе­ ристики звена передачи данных. В рамках предложенных моделей про­ токолов управления информационным каналом получены аналитические оценки оптимальных по критерию пропускной способности межузловых соединений значений длины кадра и ширины окна. Результаты этой гла­ вы опубликованы в работах автора [134, 138, 142, 143, 144, 145, 153].

В т р е т ь е й г л а в е построены модели двухзвенного сетевого фрагмента, позволяющие исследовать влияние фактора блокировок буфер­ ной памяти транзитного узла коммутации и протокольных параметров на производительность стартстопного и конвейерного протоколов управления звеном передачи данных. Материалы данной главы изложены в работах

гозвенного тракта передачи данных, дающих возможность анализировать влияние качества каналов связи и емкости буферных накопителей тран­ зитных узлов коммутации на операционные показатели протокола сетево­ го уровня. Полученные в этой главе результаты опубликованы в работах автора [137, 152, 159, 161, 162, 166].

В п я т о й г л а в е исследуется процесс передачи потока мультипакетных сообщений по неоднородным многозвенным виртуальным соедине­ ниям на транспортном уровне управления сетью. На основе модели данного

14

процесса, отличающейся учетом конвейерного эффекта [65, 211], решается задача оптимальной фрагментации абонентских сообщений на пакеты дан­ ных. Здесь же развивается метод определения длины кадра и ширины окна линейного уровня неоднородной сети передачи данных, совместно учиты­ вающий требования держателей средств связи к пропускной способности межузловых соединений и требования пользователей к задержке абонент­ ских сообщений. Рассмотренные в этой главе вопросы нашли отражение в работах автора [135, 136, 139, 142, 146, 148, 150, 154, 155, 167].

Ш е с т а я г л а в а посвящена разработке моделей инфор­ мационного переноса в виде стохастического конвейера, позволяюпщх ис­ следовать влияние длительности тайм-аута ожидания квитанции транс­ портного уровня на сквозную задержку сообщений в виртуальном кана­ ле. Предложена процедура синтеза длительности сквозного тайм-аута, обеспечивающей заданный уровень вероятности повторной передачи дан­ ных. Результаты, полученные в данной главе, изложены в работах автора [139, 140, 141, 147, 149, 151, 156, 157, 158, 159, 160, 161, 163, 164, 165].

В с е д ь м о й г л а в е дается краткое описание основных положе­ ний инженерной методики расчета операционных характеристик, сетевых и протокольных параметров информационно-вычислительных сетей, со­ ставленной по результатам проведенных автором исследований. Методоло­ гические вопросы расчета показателей эффективности функционирования сети и параметрической оптимизации протоколов с различной степенью подробности затронуты в большинстве работ автора и отчете [92].

15

Глава 1

ПРОБЛЕМЫ ОРГАНИЗАЦИИ ЭФФЕКТИВНОГО ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ СЕТИ ПАКЕТНОЙ КОММУТАЦИИ: АНАЛИТИЧЕСКИЙ ОБЗОР И ВЫБОР НАПРАВЛЕНИЙ РАБОТ

1.1Логическс1Я организация вычислительной сети

Традиционно под вычислительной сетью понимают совокупность рас­ пределенных ЭВМ, объединенных средствами связи в организованную многомашинную ассоциацию [96, 97, 98, 118, 193]. В вычислительных се­ тях принято выделять подсеть связи, выполняющую передачу данных, и подсеть ресурсов, обеспечивающую обработку данных и хранение инфор­ мационных и программных ресурсов сети. Для передачи данных в подсети связи наиболее широко в настоящее время используется метод коммутации пакетов [34, 40, 45, 113, 118, 194], допускаюпщй эффективную реализацию динамического распределения связных ресурсов. Большинство существу­ ющих вычислительных сетей имеет многоуровневую организацию.

Широкое признание у нас стране и за рубежом получила семиуровне­ вая эталонная модель взаимодействия открытых систем [42, 118, 191, 193], предложенная Международной организацией по стандартизации. В насто­ ящее время данная архитектура используется в качестве концептуальной модели описания процессов взаимодействия распределенных сетевых обьектов и методологической основы для разработки и реализации протоколов отдельных уровней и создания вычислительных сетей различного масшта-

16

ба. Согласно этой модели в сети выделяются семь уровней: физический, канальный, сетевой, транспортный, сеансовый, представительный и при­ кладной. Соответственно семи уровням эталонной модели вводится иерар­ хия семи групп протоколов [42, 83, 84, 118, 193], именуемых так же, как уровни.

Самым нижним уровнем иерархической структуры является физиче­ ский. Этот уровень обеспечивает передачу потока бит в синхронном ре­ жиме между смежными ЭВМ через физическое соединение, состоящее из линии связи и каналообразующей аппаратуры передачи данных.

Канальный уровень предназначен для передачи по физическому соеди­ нению блоков данных, именуемых кадрами.

На сетевом уровне выполняется маршрутизация сетевых блоков данных (пакетов) в подсети связи (проводка пакетов от отправителя до получате­ ля).

Транспортный уровень осуществляет межконцевую (сквозную) достав­ ку абонентских сообщений, выполняя их сегментацию на фрагменты при входе в транспортную сеть и объединение - при выходе. Данный уровень обеспечивает целостность передаваемых информационных отправлений. Специфика транспортного уровня заключается в том, что он работает с мультипакетными сообщениями на логических соединениях между при­ кладными процессами, состоящих, как правило, из нескольких элементар­ ных звеньев.

Сеансовый уровень предназначен для организации диалога между рас­ пределенными прикладными процессами.

Представительный уровень обеспечивает функцию преобразования дан­ ных в форму, понятную взаимодействуюпщм прикладным процессам. Ти­ пичными примерами представительного сервиса являются кодопреобразование, преобразование видов и форматов данных.

На прикладном уровне реализуются различные формы функциональ­ но - ориентированного взаимодействия прикладных процессов (удаленный вызов приложений, управление терминальным доступом, обмен файлами, электронная почта и т.п.).

Первые четыре уровня эталонной архитектуры (физический, каналь­ ный, сетевой, транспортный) обеспечивают транспортировку данных в подсети связи, а три остальных (сеансовый, представительный, приклад­ ной) - организуют корректное взаимодействие прикладных процессов.

При реализации функции транспортного уровня различают две страте­ гии передачи данных, выполняемых на сетевом уровне: деитаграммную и

17

стратегию виртуальных соединений [42, 84, 97, 178, 193].

В сетях дейтаграммного сервиса каждый пакет данных доставляется получателю независимо от других пакетов даже одного сообщения и, воз­ можно, по различным маршрутам, определяемым сложившейся динамиче­ ской ситуацией на сети [97]. При этом каждый пакет данных несет в себе всю информацию, необходимую для его проводки по сети. В общем случае при дейтаграммном подходе в сети возможно изменение порядка следо­ вания, появление дублей и потеря пакетов. Тогда функции обнаружения дублей, организации повторных передач утерянных пакетов, упорядоче­ ния и выдачи данных получателю в той последовательности, в которой они были переданы отправителем, ложатся на транспортный уровень.

Концепция виртуального соединения основана на предварительном вы­ боре маршрута между взаимодействующими прикладными процессами и закреплении его на все время сеанса связи. Это дает возможность сокра­ тить размер пакетного заголовка, оставив в нем номер виртуального ка­ нала, по которому должен передаваться пакет, и последовательный номер пакета в рамках одного сообщения. Кроме того, это позволяет сохранять последовательность передачи отдельных блоков в том порядке, в котором они были отправлены, и исключить появление дублей.

Сравнительный анализ двух подходов показывает, что фактически транспортный и сетевой уровни выполняют одно и то же множество функ­ ций при различных стратегиях передачи данных в подсети связи [191]. Разница заключается в том, как разделены функции по сохранению по­ следовательности передаваемых блоков данных и управлению потоками между сетевым и транспортным уровнями: при дейтаграммной стратегии эти функции выполняются транспортным уровнем, а при использовании метода виртуальных соединений - сетевым [193].

Обычно когда сеть ориентирована на диалоговый трафик, более пред­ почтительным считается режим дейтаграмм, а в случае доминирования файлового обмена - стратегия виртуального соединения [20, 97]. Вместе с тем следует отметить, что в целом режим виртуальных соединений имеет существенно большую сложность реализации по сравнению с дейтаграмным сервисом [93, 97]. Поскольку устоявшегося мнения о преимуществах и недостатках режимов дейтаграмм и виртуальных соединений нет [97], то многие технологии построения сетей допускают обе стратегии передачи данных в подсети связи.

Известная и широко используемая рекомендация ITU-T Х.25 [15, 37,112, 186, 193], стандартизующая три нижних уровня эталонной архитектуры,

18

использует метод виртуальных каналов. Технология Х.25 ориентирована прежде всего на организацию надежной передачи данных на базе низко- и среднескоростных каналов невысокого качества [15, 62, 67, 186].

В то же время общепризнанная технология Internet, получившая широ­ кое распространение при создании территориальных сетей и организации межсетевого взаимодействия использует метод дейтаграмм [62, 67, 115].

Отметим также, что большинство реальных вычислительных сетей проектируется так, чтобы обеспечить совместное функционирование дейтаграммной службы и службы виртуальных соединений [178].

1.2Операционные характеристики транспортной си­ стемы вычислительной сети

Подсеть связи является ядром вычислительной сети, объединяя в еди­ ную систему ресурсные ЭВМ и терминальные средства. В связи с этим ее операционные характеристики в значительной степени определяют удоб­ ство работы с сетью [64, 106, 185]. В современных вычислительных сетях широко используются аналоговые и цифровые каналы связи, интеграль­ ные технологии для передачи различных видов трафика: сети с интегра­ цией услуг (ISDN) [32, 33], сети с ретрансляцией кадров (Frame Relay) [15, 74, 187], сети с асинхронным режимом передачи (ATM) [86, 168]. На базе этих систем связи реализуются широкое разнообразие телекоммуни­ кационных технологий и наборов протоколов [87].

Несмотря на невысокое быстродействие наиболее распространенным ре­ шением при построении распределенных корпоративных сетей для связы­ вания удаленных подразделений и филиалов предприятий является при­ менение аналоговых линий связи (особенно в России) и протоколов для управления последовательными линиями [19, 41, 43]. Популярность такого решения обусловлена прежде всего его доступностью и относительно невы­ сокой стоимостью [8, 186, 187]. Наибольшее распространение при этом по­ лучил стек протоколов TCP/IP, стандартизованный сообществом Internet [62, 67, 115, 116] и ставший фактическим стандартом для построения глобальных и корпоративных телекоммуникационных систем, семейство протоколов Х.25, предложенное международной организацией по стандар­ тизации ISO, а также ряд других наборов протоколов [64], разработан­ ных фирмами - производителями сетевых операционных систем (Novell Inc., Microsoft Corp., IBM Software Products, Banyan Systems Inc., Digital Equipment Corp., Hewlett Packard Company, Sun Microsystems Corp. и т.д.).

19

Основными показателями эффективности функционирования транс­ портной системы вычислительной сети общепризнанно считаются про­ пускная способность подсети связи и среднее время передачи сообщений между взаимодействуюпщми прикладными процессами [20, 26, 29, 34, 44, 47, 65, 86, 87, 106, 110, 169, 182, 183, 185, 189, 207, 211].

Очевидно, что для держателей средств связи и владельцев построенных на их основе распределенных вычислительных сетей наиболее предпочти­ тельным является требование достижения максимума пропускной способ­ ности, позволяющее организовать обслуживание потенциально наиболь­ шего числа абонентов. Пропускная способность всей сети в значительной степени определяется возможностями отдельных каналов связи, эффектив­ ная скорость обмена по которым широко используется в качестве критерия оптимизации параметров линейного протокола.

С другой стороны, одно из основных требований к вычислительным се­ тям со стороны пользователей состоит в обеспечении комфортного времени реакции удаленных обслуживаюпщх подсистем [44, 88], которое склады­ вается из двух компонент: задержки информации пользователя в подсети связи и времени обработки абонентского запроса в конкретной функцио­ нальной подсистеме. Вторая компонента во многом зависит от характера требования на обслуживание и внутренней организации удаленной сервис­ ной службы. Первая составляющая полностью определяется эффективно­ стью построения подсети связи и во многих случаях также выступает в качестве критерия для выбора сетевых и протокольных параметров.

Вобщем случае общесистемные требования держателей средств связи

итребования пользователей, отражая различные точки зрения на работу сети, являются, вообще говоря, противоречивыми [20]. Однако следует от­ метить, что владельцы сети в определенной мере тоже заинтересованы в обеспечении низкой задержки для того, чтобы привлечь к использованию сетевых ресурсов широкий круг пользователей. Поэтому в оптимизацион­ ных задачах для различных условий эксплуатации вычислительной сети предпочтение может быть отдано одному из критериев, а в некоторых слу­ чаях может потребоваться разумный компромисс между ними.

1.3Система моделей функционирования сети пере­ дачи данных

Сеть передачи данных пакетной коммутации является сложной си­ стемой, поэтому полный всесторонний анализ количественных характери-

20