Исследование принципов функционирования и разработка методик оценки эффективности узла комбинированной коммутации на основе управляющего коллектива вычислителей

Современный этап научно-технического прогресса характеризуется возрастанием интенсивности информационных потоков, передаваемых во всех сферах человеческой деятельности, в решениях ХХУ1 съезда КПСС и ХП съезда ЕКП отмечается, что в отрасли электросвязи необходимо добиваться более полного удовлетворения возрастающих потребностей народного хозяйства и населения в услугах связи при одновременном повышении качества и числа услуг и снижения материальных и трудовых затрат. В связи с этим в отрасли связи необходимо решать следующие задачи:

— широкое применение вычислительной техники и микропроцессоров в системах обработки и передачи информации;

— увеличение количества предоставляемых услуг, связанных с появлением человеко-машинных систем, путем планомерной замены устаревшего оборудования, а также путем более эффективного использования существующих средств связи;

— использование электронных средств обработки и передачи информации, обладающих возможностью адаптации к изменениям режима работы, а также позволяющих автоматизировать как технологические процессы, так и процессы технического обслуживания и административного управления.

Один из основных путей решения указанных задач состоит в интеграции существующих вторичных сетей электросвязи на основе общих систем передачи и коммутационных станций, что приводит к увеличению степени использования оборудования и к возрастанию эффективности всей отрасли связи, процесс интеграции сетей ускоряется с появлением интегральной цифровой системы связи (ИЦСС), в которой все виды информации передаются и обрабатываются в единой цифровой форме.

В работах С. И. Самойленко [1−7], О. Н. Ивановой [10,11], В. Н. Рогинского [13,14], С. Т. Малиновского [15], М. Росса [40], Г. П. Захарова и ряда других советских и зарубежных ученых указывается на то, что в условиях смешанного трафика абонентских сообщений, отличающихся по длине и по относительной доли пауз, наиболее эффективными с точки зрения степени использования пропускной способности дорогих цифровых систем передачи (ЦСП) являются способы комбинированной (гибридной) коммутации (СКК), представляющие собой различные комбинации трех основных способов коммутации — коммутации каналов (КК), коммутации сообщений (КС) и коммутации пакетов (КП). Наиболее эффективной с этой точки зрения является адаптивная коммутация, предложенная С. И. Самойленко, предполагающая использование общих ЦСП и узлов коммутации для обслуживания абонентских сообщений способами КК и КП, а также основанная на перераспределении пропускных способностей ЦСП в соответствии с динамическими приоритетами, зависящими от моментной загрузки и от требуемого качества обслуживания абонентов.

В условиях ЩСС возрастают требования к пропускной способности, гибкости, наращиваемости оборудования, модифицируемости алгоритмов и надежности интегральных узлов коммутации. Увеличение числа функций, сложности логической структуры, числа и типов каналов связи, подключаемых к узлам, приводит к постепенному переходу к децентрализованным принципам их построения, включая принцип полной распределенности. Модульная структура и принципы распределенной обработки и управления открывают путь к применению микропроцессоров и микро-ЭВМ. Вместе с этим возникает необходимость в организации оптимального функционирования систем распределения информации со сложной структурой с точки зрения пропускной способности и надежности. Поэтому целесообразным является построение интегрального узла комбинированной коммутации (УКК) в виде управляющего коллектива вычислителей (KB), располагающего эффективными средствами распределения ресурсов и организации отказоустойчивого функционирования.

Теория коллектива вычислителей изложена в работах э.В.Еврей-нова [8,9,58], С. Д. Пашкеева [82], Д. А. Поспелова [83], А. В. Каляева [103], В. Г. Хорошевского [9,111], И. В. Прангишвили и других ученых, вопросам решения задач отрасли связи (задач автоматической коммутации, техобслуживания, автоматизации технологических процессов) с использованием управляющего коллектива вычислителей, представляющего собой коллектив вычислителей, дополненный средствами отказоустойчивого функционирования и подключением внешних устройств (оконечных устройств каналов связи), посвящены работы И. А. Мамзелева, И. Е. Ефимова, Г. Г. Кудрявцева [60,62,63,90,113] .

В настоящее время проблемы построения систем распределения информации в реальном масштабе времени на основе KB являются недостаточно изученными, в частности, возникают задачи организации эффективного функционирования KB в условиях воздействия множества стохастических факторов — входных потоков заявок, случайных времен обслуживания, приоритетных дисциплин обслуживания заявок, решению некоторых из этих задач посвящена настоящая диссертация.

Целью диссертационной работы является исследование принципов построения и разработка методики анализа процесса функционирования узла комбинированной коммутации, построенного на основе управляющего коллектива вычислителей, в соответствии с поставленной целью в работе решаются следующие задачи:

1. На основе анализа функций и алгоритмов УКК, реализующего адаптивную коммутацию, показать целесообразность построения УКК на основе KB и обосновать общие требования к его техническим параметрам.

2. Определить множество исходных параметров и выбрать критерии оценки эффективности УКК, отражающие модульность его структуры и распределенность выполнения функций. Провести выбор и обоснование обобщенной функциональной структуры УКК на основе КВ.

3. разработать формальные модели процесса обработки заявок в режимах КК и КП для различных структур КБ УКК при фиксированном распределении функций между подмножествами конструктивных модулей (КМ) и провести сравнительный анализ различных структур KB УКК по выбранной системе критериев эффективности.

4. разработать формальные модели процесса межмашинного обмена заявок в KB УКК с одномагистральной и многомагистральной структурами с учетом приоритетов заявок и множества ограничений и исследовать вероятностно-временные характеристики этих структур.

5. разработать рекомендации по построению конструктивных модулей KB УКК и их функциональных схем.

Методы исследования основаны на теории массового обслуживания (ТМО), теории структурной надежности и методах статистического моделирования.

Научная новизна работы заключается в следующем:

1. Предложено и обосновано новое научно-техническое решение построения интегрального цифрового УКК на основе управляющего коллектива вычислителей, обеспечивающее высокие пропускную способность, гибкость и надежность при минимизации экономических затрат.

2. Разработана методика выбора оптимальной структуры KB УКК по системе критериев эффективности, учитывающей распределение функции и нагрузки между конструктивными модулями КВ. Учет большого числа переменных параметров, что связано со сложностью процесса функционирования KB УКК, позволил определить области эффективного применения различных структур системы межмашинных связей.

3. разработана вероятностная модель процесса межмашинных информационных взаимодействий в KB УКК с одномагистральной структурой с учетом приоритетов заявок и ограниченности буферной памяти отдельной элементарной машины (ЭМ), позволившая рассчитать основные вероятностно-временные характеристики и определить условия целесообразности применения приоритетов различных типов.

4. Предложена формальная модель функционирования KB УКК с многомагистральной структурой на фазе межмашинных взаимодействий с учетом ограниченности буферной памяти ЭМ и числа обменов, в которых может участвовать одна ЭМ одновременно, а также с учетом многовариантности дисциплины выбора приемных ЭМ. Модель позволяет определять вероятностно-временные характеристики при изменении указанных параметров и с учетом числа приемных ЭМ в одном обмене.

Практическая ценность диссертационной работы состоит в следующем:

— определены области оптимальности полносвязной, одномагист-ральной и многомагистральной (в двух модификациях) структур в зависимости от числа объединяемых ЭМ в KB УКК;

— разработана программа статистического моделирования УКК с одномагистральной структурой с учетом приоритетов заявок и ограниченности буферной памяти ЭМ;

— проведено сравнение типовых структур КБ по пропускной способности и надежности системы межмашинных связей с учетом возможности обходов, указаны границы применимости полносвязной, магистральной и решетчатой структур;

— составлена программа статистического моделирования KB УКК с многомагистрадьной структурой, позволяющая получить его вероятностно-временные характеристики в зависимости от загрузки магистралей;

— разработаны функциональные схемы устройства сопряжения ЭМ с каналами связи, позволяющие добиться низкой загрузки центрального процессора ЭМ периферийными операциями.

Результаты диссертации использованы в хоздоговорных НИР, проводимых в Московском электротехническом институте связи, а также при выполнении комплексной программы Минвуза СССР «Микропроцессоры и микро-ЭВМ» .

Апробация работы. Основные результаты диссертации докладывались на уд Всесоюзной школе-семинаре по вычислительным сетям (Ереван, 1983), ХХХУШ Всесоюзной научной сессии, посвященной Дню радио (Москва, 1983), на всесоюзном научно-техническом совещании «Микропроцессорные средства вычислительной техники в системах связи и управления» (Рига, 1984), на НТК профессорско-преподавательского состава МЭИС (Москва, 1983).

По основным результатам диссертации опубликовано пять печатных работ.

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы и двух приложений.

4.5. Выводы.

I. Сравнительный анализ технико-экономических параметров современных микро-ЭВМ показал целесообразность использования в качестве основы для построения аппаратно-программного комплекса KB УКК серийную микро-ЭВМ типа «электроника-60» ввиду ее высокого быстродействия, наличия устройств сопряжения с каналами связи и развитого программного обеспечения. Предложена минимальная конфигурация KB УКК с однсмагистральной структурой, послужившая основой для построения экспериментального образца.

2. Показано, что в KB УКК о магистральной структурой при суммарной интенсивности входящего информационного потока порядка несколько мегабит в секунду, время пересылки шестнадцатиразрядного слова между ЭМ не должно превышать несколько миллисекунд (при этом исключается перегрузка межмашинных связей), что не позволяет реализовать устройство сопряжения элементарных машин с записанной вЗУ программой (на основе программируемого микропроцессора или под управлением ЦП ЭМ) из-за нехватки быстродействия при выполнении операции межмашинного обмена. Обоснована целесообразность построения аппаратного устройства сопряжения ЭМ с применением принципов микропрограммного управления и разработана его функциональная схема, позволяющая добиться малого времени пересылки слова между ЭМ (1−2 миллисекунды) при значительной степени освобождения ЦП ЭМ от выполнения операций обмена.

3. Разработана функциональная схема устройства сопряжения ЭМ с входящим трактом первичной цифровой системы передачи, которая позволяет при времени обращения к ЗУ ЭМ порядка 500 не расходовать не более 10 $ процессорного времени ЭМ на выполнение операций ввода информации из тракта со скоростью 2,048 Мбит/с. Таким образом основная часть времени операционного ядра ЭМ (ЦП и оперативное ЗУ) используется для выполнения алгоритмов обработки и межмашинного обмена информации, что снижает требования к производительности используемой микро-ЭВМ.

4. Разработана функциональная схема устройства сопряжения ЭМ с каналом передачи дискретной информации, обеспечивающая автономное выполнение функций взаимодействия ЭМ с каналом (прием/передача, пересылка информации в/из ЗУ ЭМ, кодопреобразование, кодирование/декодирование) в самом устройстве, что позволило уменьшить на порядок время пересылки слова между устройством и ЗУ ЭМ по сравнению со случаем, когда устройство сопряжения работает под управлением ЦП ЭМ. Таким образом достигается освобождение ЦП и ЗУ ЭМ от выполнения периферийных операций, что позволяет повысить линейную емкость и пропускную способность узла при тех же экономических затратах и технических средствах.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

Основным результатом исследований, проведенных в диссертационной работе, является разработка основ построения узла комбинированной коммутации на базе управляющего коллектива вычислителей и методики определения его оптимальных параметров эффективности.

При проведении исследований был получен ряд результатов теоретического и практического характера, в качестве наиболее важных могут быть названы следующие из них:

1. На основе анализа основных функций и алгоритмов УКК обоснована целесообразность его построения по распределенному принципу в виде модульной структуры с разделением функций и нагрузки между подмножествами конструктивных модулей, что позволяет добиться высоких показателей эффективности — пропускной способности, гибкости, надежности, ремонтопригодности.

2. Предложено и обосновано новое научно-техническое решение построения УКК на основе управляющего коллектива вычислителей, которое позволяет воспользоваться способами параллельности обработки, наращиваемости ресурсов и организации отказоустойчивого функционирования, свойственными коллективу вычислителей.

3. Предложена система показателей оценки эффективности КБ УКК, включающая в себя показатели качества обслуживания абонентских заявок, показатели надежности и экономические показатели, позволяющая выразить эффективность узла в целом через соответствующие показатели эффективности отдельных конструктивных модулей с учетом сложности структуры КБ УКК.

4. Разработан метод функционально-структурного синтеза КБ УКК, заключающийся в последовательной декомпозиции функций с возрастающей детализацией, осуществляемой путем построения иерархического дерева функций, который позволил минимизировать число типов конструктивных модулей с целью их унификации и обеспечения высокой серийности.

5. разработана методика определения оптимальной структуры КБ УКК по критерию стоимость/пропускная способность с учетом распределения функций и нагрузки между конструктивными модулями. Показано, что при небольшом числе элементарных машин предпочтительной является полносвязная структура, а при возрастании числа машин наиболее эффективными становятся различные модификации магистральной структуры.

6. Проведено сравнение типовых структур системы межмашинных связей по структурной надежности и пропускной способности на основе разработанной методики, учитывающей специфику функционирования КБ УКК. Показано, что высокую надежность связи между машинами обеспечивают решетчатая, полносвязная и магистральная структуры, а высокую пропускную способность — структуры, в которых отсутствует транзитная передача информации, а именно полносвязная и магистральная структуры.

7. Предложена математическая модель процесса межмашинных информационных взаимодействий (обменов) в КБ УКК с одномагистральной системой межмашинной связи, проведен расчет вероятностно-временных характеристик, позволивший определить границы целесообразности применения различных типов приоритетов заявок в зависимости от загрузки магистрали.

8. Разработана формальная модель процесса межмашинных обменов в КБ УКК с многомагистральной структурой с учетом его логической сложности и возникавших практических ограничений, позволяющая рассчитать основные вероятностно-временные характеристики — время пребывания заявки на фазе обмена, требуемый объем буферной памяти одной машины, вероятность блокировки ограниченного буфера.

9. результаты, полученные в диссертационной работе, положены в основу разработки функциональных схем конструктивных модулей и построения экспериментального образца КБ УКВ с одномагистральной структурой.