Разработка моделей и алгоритмов параметрической настройки межсетевых мультипроцессорных устройств распределенных систем управления

Актуальность проблемы. 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) [65];

— методы и средства объединения разнородных сетевых технологий в единую интерсеть (корпоративную сеть) [42.54];

— методы и средства моделирования при решении задач, связанных с построением интерсетей [54,55].

Известны два подхода к решению проблем межсетевого взаимодействия. Первый связан с применением универсального сквозного протокола, который управляет потоками сообщений в стандартном межсетевом формате [47]. Альтернативный подход нашел свое решение в использовании шлюзов и коммутаторов, как согласователей неоднородностей взаимодействующих объектов [48].

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].

В специальной литературе [28] отмечается, что лучшим критерием по-прежнему 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 [25,29,30,31,60], анализ которых показал, что требуются методы и средства, поддерживающие обоснованный выбор структуры и расчет параметров коммутаторов как МУ, обеспечивающих требуемые сетевые характеристики [30,35,38,44,46,51].

Сложность формализации и многофакторность проблем взаимодействия определяют необходимость использования как аналитических, так и имитационных моделей.

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

Целью диссертационной работы является исследование и разработка инженерной методики расчета характеристик коммутаторов с разделяемой общей памятью, как устройств сопряжения сетей, обеспечивающих и высокое быстродействие и сглаживание пульсаций трафика.

Для достижения указанной цели необходимо решение следующих задач:

1. Провести выбор критериев качества функционирования коммутатора.

2. Разработать концептуальную модель коммутатора.

3. Разработать аналитические модели расчета параметров и характеристик коммутатора с разделяемой общей памятью.

4. Построить процедуру параметрической настройки коммутатора по выбранным критериям качества.

5. Провести экспериментальную проверку методики расчета характеристик коммутатора с разделяемой общей памятью.

Объектом исследования являются коммутаторы с общей разделяемой памятью, как устройства сопряжения и логической сегментации сетей.

Предметом исследования является применение аналитических и имитационных моделей для описания функциональных связей между внутренними и внешними параметрами коммутатора, и разработка на их основе расчета характеристик коммутатора и оценивания их на соответствие сетевым требованиям.

Методы исследования. Теоретические исследования при решении поставленных задач проведены с использованием теории вероятностей [4,5,50], теории массового обслуживания [4,5,6,17], теории оптимизации [17], теории математического моделирования [10,56,66,67]. 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 методов расчета характеристик коммутатора построен обобщенный алгоритм параметрической настройки коммутатора с разделяемой общей памятью, обеспечивающей 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 .Концептуальная модель, описывающая структуру коммутатора, как мультипроцессорной системы с параллельными каналами приема/передачи и распределения пакетов между портами.

2. Принцип динамического разделения общего поля памяти между канальными модулями портов коммутатора.

3. Порядок расчета буферного пула ОПП коммутатора. Объем буферного пула рассчитывается исходя из допустимой вероятности блокировки информационных кадров.

4. Распределение исходящих каналов по секциям оперативной памяти.

5. Аналитическая модель расчета среднего времени задержки пакетов и производительности коммутатора с учетом коллизий, возникающих при доступе в разделяемое общее поле памяти (ОПП) и к исходящим каналам.

6. Алгоритм параметрической настройки коммутатора, обеспечивающей соответствие характеристик коммутатора сетевым требованиям.

Практическая ценность полученных результатов заключается в разработанной методике и ее математическом и программном обеспечении, позволяющей оценивать соответствие характеристик коммутаторов с общей разделяемой памятью как устройств межсетевсго взаимодействия, обеспечивающих высокое быстродействие и сглаживание пульсаций трафика при сопряжении и логической сегментации сетей.

Апробация работы. Предлагаемые решения и результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на научно-технических конференциях Санкт-Петербургского государственного. университета,.

Санкт-Петербург, 2000 — 2001 г. г.

Публикации. По теме диссертационной работы опубликовано. печатных работы.

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и двух приложений, содержит 156 стр. машинописного текста, включая 26 стр. рисунков и 9 таблиц.

Выводы по четвертой главе.

1. Разработан комплекс программ, позволяющий рассчитывать значения внутренних параметров коммутатора с общей разделяемой памятью, обеспечивающих требуемые показатели качества (Л, t3) при заданных значениях внешних параметров.

2. Показано, что разбиение ОПП на секции целесообразно либо при «медленной» памяти коммутатора (скорость записи / считывания слова меньше скорости приема / передачи в КМ), либо при значительном числе дуплексных каналов S, замыкаемых через коммутатор.

3. Построена методика и программная имитационная модель пересылки пакетов через ОПП коммутатора, которая позволяет определить среднее время задержки пакета с учетом его простоя в различных очередях (разд. 4.3).

4. Результаты численного эксперимента показывают соответствие измеренного времени задержки с расчетными (табл. 4.2а-4.2в), получаемым в результате выполнения процедуры параметрической настройки.

Заключение

.

В задачах проектирования современных сетей обмена информацией для АСУ крупных предприятий (корпораций) и ведомств возникает ряд новых проблем, связанных с объединением разнородных сетей в единую интерсеть. Эта проблема находит свое решение в создании и использовании специальных межсетевых устройств — коммутаторов, обеспечивающих согласования разнородных сетей на 2-м и 3-м уровнях ЭМ ВОС. В настоящее время на рынке предлагается широкий спектр готовых мультипроцессорных решений таких устройств.

Основной целью диссертационной работы в связи с этим является разработка инженерной методики расчета характеристик коммутатора с общей разделяемой памятью для оценивания их соответствия сетевым требованиям при логической сегментации либо/и объединении сетей.

В ходе диссертационного исследования получены следующие основные результаты, обеспечивающие достижение поставленной цели.

1. Выполнен содержательный анализ тенденций развития распределенных автоматизированных систем обработки информации и управления, позволяющий выделить особую значимость моделирования мультипроцессорных коммутаторов как устройств сопряжения разнородных сетей при их объединении в интерсеть.

2. Выбраны показатели качества функционирования коммутатора, к числу которых относятся производительность (1.1), среднее время задержки пакета в (1.2) и вероятность блокировки входящего трафика (1.3).

3. Построена концептуальная модель коммутатора с разделяемой общей памятью, описывающая структуру технических средств (разд. 2.1), и предложена концепция коммутации пакетов через ОПП, отличающаяся использованием в качестве менеджера связных списков для динамической организации кольцевых очередей к исходящим каналам (разд 2.3).

4.. Предложена модель расчета емкости буферного пула ОПП, исходя из допустимой вероятности блокировки входящего трафика (разд. 3.1).

5. Построен алгоритм последовательного распределения очередей к исходящим каналам по секциям оперативной памяти, основанный на принципе оптимальности Беллмана (разд. 3.2).

6. Разработана аналитическая модель расчета временных характеристик коммутатора (производительности и среднего времени задержки пакета — разд. 3.3, 3.4) в виде ЗСеМО на основе рекуррентной численной процедуры (2.1−2.4), отличающаяся учетом времени влияния конфликтов при доступе в ОПП.

7. Построен обобщенный алгоритм параметрической настройки коммутатора (разд. 3.6) на основе многократного вычисления показателей качества, отличающийся целенаправленным изменением внутренних параметров коммутатора.

8. Определены шаги человеко-машинной методики оценивания соответствия сетевым требованиям характеристик коммутатора с разделяемой общей памятью, отличающейся использованием предложенных моделей и методов расчета (разд. 3.7).

9. Построена имитационная модель коммутатора, позволяющая оценить среднее время задержки пакета с учетом нахождения в очередях к СОП и к исходящим каналам КМ. Результаты численного эксперимента сравнимы с аналитическими оценками (табл. 4.2а-4.2в), полученными в результате выполнения алгоритма параметрической настройки.