3. Порядок выполнения работы

   0. Изучить теоретические положения;

   1. Составить алгоритм и фрагмент программы решения задачи на языке Паскаль

   2. Ответить на контрольные вопросы;

   3. Оформить отчет.

4. Содержание отчета

   0. Номер и название работы;

   1. Цели и задачи работы;

   2. Конспект теоретических сведений;

   3. Ответы на контрольные вопросы;

   4. Результаты и выводы.

4. Контрольные вопросы:

   0. Что в ТС ЦСИО с КК предшествует сеансу передачи информации?

   1. Каким образом оценивается качество обслуживания?

   2. Какие характеристики вычисляются для определения «узких мест»?

   3. По какой формуле и для чего рассчитывается объем пропускной способности тракта?

   4. Что включает в себя способ быстрая коммутация каналов?

   5. Что необходимо найти для определения предельно допустимого уровня использования каналов?

Лабораторная работа №4 пакетная транспортная система

1. Цели и задачи самостоятельной работы:

Ознакомление с пакетной транспортной системой. Приобретение навыков построения функции распределения времени пребывания речевого пакета в пакетной транспортной системе.

2. Теоретические сведения.

Систему взаимодействующих протоколов, обеспечивающих функции управления передачей и приемом пакетов, контроль ошибок, формирование кадров, управление линиями связи, установление логических соединений, управление потоками, маршрутизацию и т.п., принято называть пакетной транс­портной системой (ПТС) ЦСИО.

ПТС характеризуется тем, что транспортное соединение для речевых пакетов и данных формируется с образованием очередей на каждом УК и поддержанием режима соревнова­ния за физический ресурс сети (пропускную способность ка­налов) в течение всего времени существования виртуального соединения.

Одна из главных задач при проектировании ПТС ЦСИО — расчет ВВХ ее логических уровней (канального, сетевого и транспортного).

Основные функции канального уровня — осуществление фаз соединения, обмена и разъединения канала при сохране­нии требуемой достоверности информации.

Наибольшее признание и распространение получил прото­кол канального уровня HDLC с алгоритмом защиты от оши­бок с решающей обратной связью непрерывной передачей и блокировкой (РОС-НПбл).

При реализации алгоритма с непрерывной передачей кад­ры передаются непрерывно один за другим. В случае иска­жения кадра приемник блокируется и выдается квитанция обратной связи, которая требует повторной передачи кадров, начиная с номера i (i — номер искаженного кадра), при этом подтверждается прием предыдущих кадров, включая (i—1)-й.

Среднее время передачи одного кадра по алгоритму РОС-НПбл:

, (4.1)

где , , , , - время передачи кад­ра, распространения сигнала, декодирования кадра, передачи сигнала обратной связи соответственно; р₀ - вероятность того, что пакет данных будет искажен при передаче по ка­налу; — число кадров, полученных приемником за время между моментом обнаружения ошибки и приходом повторно­го кадра:

,

]x[ — наименьшее целое, большее или равное х; to— дли­тельность единичного элемента; f — число единичных элемен­тов в кадре.

При рассмотрении ВВХ сетевого уровня ограничимся двухузловой сетью.

Удовлетворение противоречивым по качеству обслужива­ния требованиям пользователей ЦСИО может быть достиг­нуто приоритетным обслуживанием. Установление приорите­тов для ожидающих вызовов — эффективный способ управ­ления временем пребывания пакета в УК.

При поступлении в УК пакета с высоким приоритетом об­служивание пакета с более низким приоритетом либо преры­вается (абсолютный приоритет), либо пакет с высоким прио­ритетом становится в начало очереди ожидающих пакетов (относительный приоритет).

Для описания процесса обслуживания пакетов в УК ис­пользуют теорию массового обслуживания. В УК основными процессами, влияющими на ВВХ, являются процесс ожидания в очереди и процесс передачи, которые чаще всего формали­зуются СМО типа M/G/1.

Пусть пакеты с Р приоритетами (чем меньше номер, тем выше приоритет) поступают в однолинейную СМО и обра­зуют Р пуассоновских потоков с интенсивностями , р= 1, ..., Р. Суммарный поток является пуассоновским с интенсивностью . Пусть в пределах одного приоритета пакеты обслуживаются в порядке поступления. Нагрузки, создаваемые рассматриваемыми потоками, равны

, , ,

где и — первый и второй начальные моменты функции распределения времени обслуживания (передачи) пакетов i-го приоритета.

Предположим, что , объем накопителя достаточный и потерь пакетов нет. Среднее время ожидания сообщения пакета р-гo приоритета в очереди W_Р в системе с относитель­ным приоритетом определяется следующей формулой:

.

В системе с абсолютным приоритетом и дообслуживанием прерванного сообщения имеем

.

Более адекватное описание процессов функционирования УК требует учета процессов отказов и восстановлений аппа­ратуры передачи дискретной информации. При этом считает­ся, что надежность устройств хранения пакетов на несколько порядков выше и в расчетах поэтому не учитывается.

Транспортный канал ПТС состоит из звеньев, где — средняя или заданная длина пути от источника до получателя. На физическом уровне звеньев образуют цифровой тракт передачи, по которому кроме потока, принадлежащего дан­ному виртуальному соединению (основной поток), могут пе­редаваться потоки, принадлежащие другим виртуальным со­единениям (транзитный трафик). Каждое звено тракта совме­стно с соответствующей ему частью памяти центра коммута­ции моделируется СМО, причем предполагается, что суммар­ные потоки на входе каждого звена тракта независимы друг от друга и являются простейшими. Рассмотрим основные допу­щения и предположения, используемые при построении моде­лей звена и ПТС ЦСИО: моменты поступления пакетов рече­вой информации и данных образуют пуассоновские потоки с параметрами и соответственно; объем информационной (Li) и служебной (Hi) частей пакетов речи и данных фикси­рован; пакетам речевой информации предоставляется отно­сительный приоритет в обслуживании перед пакетами данных; время обслуживания (передачи) отдельного пакета надежно работающим прибором определяется функцией распределения (ФР) B_P(t) с начальными моментами и ; при передаче по дискретному каналу (ДК) пакет преобразуется в прото­кольный блок канального уровня — кадр; пакеты речевой ин­формации передаются по алгоритму без обратной связи; для защиты от ошибок используется циклический код с образую­щим полиномом ; речевой кадр, в котором об­наружена ошибка, стирается. Кадры данных передаются с использованием алгоритма защиты от ошибок — решающая обратная связь с непрерывной передачей (РОС-НП). Искажения кадров длины Hi+Li при передаче по ДК происходят с вероятностью р_с.

В моделях информационного обмена различаются кратко­временные и системные отказы. Обслуживающий прибор мо­жет выходить из строя и восстанавливаться. Если кратковре­менный отказ (сбой) произошел во время передачи кадра речевой информации, то кадр теряется, а если во время пере­дачи кадра данных, то происходит прерывание передачи и после восстановления кадр данных передается вновь пол­ностью. Интенсивность кратковременных отказов обслужи­вающего прибора С в занятом и свободном состояниях опре­делена ФР: .

Длительность восстановления работоспособности обслу­живающего прибора как в свободном, так и в занятом со­стоянии определяется продолжительностью процедуры уста­новления связи и задается ФР D(t), начальными моментами

Учет кратковременных отказов производится при построе­нии функционалов вероятности доставки за время, не превышающее заданное. Системные отказы УК и каналов связи (КС) учитываются при расчете потерь по нагрузке на отдельных маршрутах передачи.

Время блокировки обслуживающего прибора пакетом р-го потока есть случайная величина (СлВ) с ФР H_р(t) и началь­ными моментами и . Объем буферного накопителя в звене передачи неограничен, так как предполагается исполь­зование службы виртуальных соединений. Время ожидания начала обслуживания пакетом, поступившим в звено переда­чи, есть СлВ с ФР W_p(t) и начальными моментами .

Звено передачи рассматривается в установившемся ре­жиме

.

Предполагается также единственность адресата для каж­дого сообщения, стационарность и независимость случайных процессов на каждом звене и по ЦСИО в целом.

В дальнейшем для упрощения записи некоторые функцио­налы ВВХ представлены для случая двух (Р=2) приорите­тов, когда i=1 соответствует быстростареющей речевой ин­формации, a i = 2 — одной из категорий пакетов данных.

В звене передачи пакетов речи и данных ЦСИО протекает два основных независимых процесса: процесс ожидания, ха­рактеризуемый случайным временем с ФР W_i(t), и процесс обслуживания, характеризуемый случайным временем t_bi с ФР H₁(t) для речевых пакетов (отказы и искажения не ока­зывают влияния на обслуживание пакетов речи) и с ФР H₂(t) для пакетов данных. В силу аддитивности случайное время пребывания пакета в звене передачи

.

Звено передачи ЦСИО формализуется СМО типа с относительным приоритетом и ненадежным об­служивающим прибором:

, (4.2)

, (4.3)

где

,

, ,

с — интенсивность отказов обслуживающего прибора; — первый и второй начальные моменты от ФР времени установления участка после отказа; — интенсивность вхо­дящего потока j-го приоритета.

Компоненты вектора первых и вторых начальных моментов от функции распределения вре­мени блокировки обслуживающего прибора пакетом для от­дельного звена определены с помощью метода введения до­полнительного события и имеют вид [75, 76]

,

,

,

,

где , , ,

, ,

при

C_M — скорость передачи в КС; t_p — время распространения сигнала; t_ак — время анализа речевого кадра; Д_км — расстоя­ние между приемником и передатчиком, км.

Величины и определяются алгоритмом установле­ния связи в звене передачи пакетов. Принятая процедура установления участка заключается в передаче по каналу ко­манды SARM и получении ответа UA. После передачи SARM запускается таймер. Если к моменту окончания тайм-аута ответ не получен, команда передается вновь. Макси­мальное число передач равно п. Обозначим через постоян­ное время передачи по каналу команды SARM и ответа UA. Полагая п достаточно большим, чтобы можно было принять его равным , а также и что в прямом и обратном ка­налах вероятность искажения кадра, содержащего команды SARM и UA, одинакова и равна , получим

,

откуда , ,

где , ,

H_SARM, H_UA — число символов в кадре SARM и UA соответ­ственно.

Величины и определяются алгоритмом защиты от ошибок. В звене передачи ЦСИО принят алгоритм РОС— НП. Общепризнано, что если система передачи данных спроектирована правильно, то ошибки, возникающие при пе­редаче сигналов обратной связи, имеют такой порядок ма­лости, который в практических расчетах не учитывается. По­лагая число переспросов неограниченным и принимая во вни­мание, что

, ,

,

, ,

получим ,

откуда , ,

,

где ,

]x[ — наименьшее целое ; H_KB — число знаков в квитан­ции обратной связи; р₀ — вероятность искажения кадра.

В дуплексных сбалансированных системах передачи, ког­да сигнал обратной связи передается в составе служебного поля кадра встречного потока,

, так как .

Искомые величины и определяются анало­гично:

;

,

где .

При сделанных предположениях среднее время пребыва­ния пакета в ПТС

,

где t_ip, р=1, 2, определены выражениями (4.2) и (4.3).

Функция распределения времени пребывания речевого пакета в ПТС имеет вид [75, 77]

в противном случае,

где ,

.

Аналогично для пакетов данных

в противном случае,

где ,

,

N=1,2,3,…,2 ; 2 - число фаз ожидания и обслуживания в тракте; t_пр — постоянная составляющая времени передачи в р фазе; t_n — время передачи пакета по идеальному каналу передачи данных (ПД); H_j{t>t_п}—вероятность того, что пакет не будет передан за время t_n; M_j{ t_n} —математиче­ское ожидание приращений времени передачи вследствие от­казов, восстановлений аппаратуры ПД и искажений в кана­ле ПД; — среднее время ожидания в очереди пакета р-го приоритета; P_j{t>0}—вероятность того, что время ожидания в очереди больше 0.

Значения опреде­лены выше.

С помощью приведенных формул представляется возмож­ным рассчитать ВВХ для каждого виртуального канала (ВК)

Учет ВВХ всех ВК нецелесообразен по двум причинам: число ВК в большой сети достаточно велико; из всего множества J ВК выделяется некоторое подмножество J’, для которого вы­полнение требований по качеству обслуживания автоматиче­ски влечет за собой выполнение требований и для всех осталь­ных ВК. Вводя обозначения a_r,r+1 — ребро межступенчатой подсети; а_r — ребро внутриуровневой подсети, можно пока­зать, что множеству J’ принадлежат только те ВК, которые используют следующие последовательности ребер:

, (4.4)

где число ребер а_r равно диаметру графа подсети r-й ступени. Выражение (4.4) позволяет сократить число контролируе­мых в процессе оптимизации маршрутов до величины (R-1).

Дальнейшим развитием способа КП-В явился способ БКП. Способы, обеспечивающие разделение обработки, связанной с маршрутизацией пакетов между многими распределенными и параллельно работающими процессорами, использующие упрощенный протокол передачи, относятся к категории БКП. Выигрыш от использования БКП достигается за счет умень­шения объема обработки, требующейся для каждого пакета после организации ВК, а также выполнения этой обработки не одним, а многими процессорами. В центрах коммута­ции пакетов (ЦКП) для определения физического адреса ис­ходящего передающего комплекта, которому будет направлен некоторый пакет, процессор данного ЦКП использует часть адресной информации входящего пакета вместе с физическим адресом того входящего комплекта, которым этот пакет был доставлен.

При БКП пакету предоставляется возможность самостоя­тельного выбора пути через матрицу маршрутизации без су­щественного содействия со стороны центрального процессора.

Благодаря наличию адресного заголовка пакет осущест­вляет самомаршрутизацию при прохождении через матрицу, образованную из коммутационных элементов 2 2.

БКП обеспечивает возможность реализации унифициро­ванной сети, в которой все службы электросвязи могут обес­печиваться только одним способом передачи, т.е. унифици­рованными протоколом передачи, физическим уровнем и структурой управления.

Ожидается, что будет возможно использование БКП для работы со скоростью до нескольких сот Мбит/с и включая скорость передачи по каналу Н₄ (Н₄=140 Мбит/с) в период 1992—1995 гг. Для использования более высоких скоростей необходимо использование новых технических средств.

Преимущество способа БКП проявляется при сквозной передаче. Однако могут быть легко реализованы дополнительные возможности выполнения функций управления для восстановления качества обслуживания, которое не может обеспечиваться основным уровнем передачи БКП. Эти воз­можности реализуются модулями в УК сети передачи, выпол­няющих, например, функции протокола HDLC. Служба КП может обеспечиваться в дополнение основного режима пере­дачи БКП. В качестве математической модели совмещенной системы БКП и КП можно использовать модель ПТС, рас­смотренную выше.