Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Анализ программно-аппаратных средств сети, использующих конкурирующий доступ к среде передачи данных 12
1.1. Обзор комплексных решений для построения информационно вычислительных систем управления производственными
процессами на базе технологии Ethernet 12
1.1.1. Архитектура сети, использующей конкурирующий доступ к среде передачи данных. Модель OSI 13
1.1.2. Протоколы передачи данных 23
1.1.3. Основные принципы коммутации в сетях Ethernet 32
1.2. Сети промышленной автоматизации 38
1.2.1. Архитектура сетей промышленной автоматизации 38
1.2.2. Активное оборудование сетей Industrial Ethernet 48
1.3. Методы математического моделирования систем реального времени, использующих метод случайного доступа 50
1.4. Цели и задачи исследования 51
ГЛАВА 2. Математическое моделирование сети реального времени, использующей конкурирующий доступ к среде передачи данных 59
2.1. Моделирование системы реального времени с передачей данных по каналу случайного доступа 60
2.2. Идентификация параметров математической модели 69
2.3. Оценка результатов математического моделирования 73
ГЛАВА 3. Анализ математической модели сети, использующий конкурирующий доступ к среде передачи данных 76
3.1. Анализ численных схем решения
3.2. Анализ влияние количества сетевых устройств на вероятность доставки пакетов в сетях реального времени и на плотность распределения времени доставки пакетов 79
3.3. Влияние размера пакета данных и интенсивности их отправки на плотность распределения вероятностей и вероятность доставки данных
3.4. Анализ влияния параметров математической модели на числовые характеристики распределения вероятностей 85
3.5. Влияние объема буферной памяти на вероятностные характеристики сети, с конкурирующим доступом к среде передачи данных 90
ГЛАВА 4. Методика и техника эксперимента 95
4.1. Техника эксперимента 95
4.2. Методика экспериментов и обработки экспериментальных данных 102
ГЛАВА 5. Практическое использование результатов моделирования
Основные результаты и выводы 111
Библиографический список:
- Архитектура сети, использующей конкурирующий доступ к среде передачи данных. Модель OSI
- Идентификация параметров математической модели
- Анализ влияние количества сетевых устройств на вероятность доставки пакетов в сетях реального времени и на плотность распределения времени доставки пакетов
- Методика экспериментов и обработки экспериментальных данных
Архитектура сети, использующей конкурирующий доступ к среде передачи данных. Модель OSI
Архитектура подразумевает представление сети в виде системы элементов, каждый из которых выполняет определенную частную функцию, при этом все элементы вместе согласованно решают общую задачу взаимодействия компьютеров. Другими словами, архитектура сети отражает декомпозицию общей задачи взаимодействия компьютеров на отдельные подзадачи, которые должны решаться отдельными элементами сети. Одним из важных элементов архитектуры сети является коммуникационный протокол — формализованный набор правил взаимодействия узлов сети.
Прорывом в стандартизации архитектуры компьютерной сети стала разработка модели взаимодействия открытых систем (Open System Interconnection, OSI), которая в начале 80-х годов обобщила накопленный к тому времени опыт. Модель OSI является международным стандартом и определяет способ декомпозиции задачи взаимодействия «по вертикали», поручая эту задачу коммуникационным протоколам семи уровней. Уровни образуют иерархию, известную как стек протоколов, где каждый вышестоящий уровень использует нижестоящий в качестве удобного инструмента для решения своих задач. Существующие сегодня (или существовавшие еще недавно) стеки протоколов в целом отражают архитектуру модели OSI. Однако в каждом стеке протоколов имеются свои особенности и отличия от архитектуры OSI. Так, наиболее популярный стек TCP/IP состоит из четырех уровней. Стандартная архитектура компьютерной сети определяет также распределение протоколов между элементами сети — конечными узлами (компьютерами) и промежуточными узлами (коммутаторами и маршрутизаторами). Промежуточные узлы выполняют только транспортные функции стека протоколов, передавая трафик между конечными узлами. Конечные узлы поддерживают весь стек протоколов, предоставляя информационные услуги, например веб-сервис. Такое распределение функций означает смещение «интеллекта» сети на ее периферию [11]. Многоуровневое представление средств сетевого взаимодействия имеет свою специфику, связанную с тем, что в процессе обмена сообщениями участвуют, по меньшей мере, две стороны, то есть в данном случае необходимо организовать согласованную работу двух иерархий аппаратных и программных средств на разных компьютерах. Оба участника сетевого обмена должны принять множество соглашений. Например, они должны согласовать уровни и форму электрических сигналов, способ определения размера сообщений, договориться о методах контроля достоверности и т. п. Другими словами, соглашения должны быть приняты на всех уровнях, начиная от самого низкого — уровня передачи битов, и заканчивая самым высоким, реализующим обслуживание пользователей сети. С каждой стороны средства взаимодействия представлены четырьмя уровнями. Каждый уровень поддерживает интерфейсы двух типов. Во-первых, это интерфейсы услуг с выше и нижележащим уровнями «своей» иерархии средств. Во-вторых, это интерфейс со средствами взаимодействия другой стороны, расположенными па том же уровне иерархии. Этот тип интерфейса называют протоколом. Таким образом, протокол всегда является одноранговым интерфейсом. Из того что протокол является соглашением, принятым двумя взаимодействующими узлами сети, совсем не следует, что он обязательно является стандартным. Но на практике при реализации сетей стремятся использовать стандартные протоколы. Это могут быть фирменные, национальные или международные стандарты.
В начале 80-х годов ряд международных организаций по стандартизации, в частности International Organization for Standardization (ISO), часто называемая International Standards Organization, а также International Telecommunications Union (ITU) и некоторые другие, разработали стандартную модель взаимодействия открытых систем (Open System Interconnection, OSI). Эта модель сыграла значительную роль в развитии компьютерных сетей.
К концу 70-х годов в мире уже существовало большое количество фирменных стеков коммуникационных протоколов, среди которых можно назвать, например, такие популярные стеки, как DECnet, TCP/IP и SNA. Подобное разнообразие средств межсетевого взаимодействия вывело на первый план проблему несовместимости устройств, использующих разные протоколы. Одним из путей разрешения этой проблемы в то время виделся всеобщий переход на единый, общий для всех систем стек протоколов, созданный с учетом недостатков уже существующих стеков. Такой академический подход к созданию нового стека начался с разработки модели OSI и занял семь лет (с 1977 по 1984 год). Назначение модели OSI состоит в обобщенном представлении средств сетевого взаимодействия. Она разрабатывалась в качестве своего рода универсального языка сетевых специалистов, именно поэтому ее называют справочной моделью. В модели OSI средства взаимодействия делятся на семь уровней: прикладной, представления, сеансовый, транспортный, сетевой, канальный и физический (рис. 1.1). Каждый уровень имеет дело с совершенно определенным аспектом взаимодействия сетевых устройств [39].
Идентификация параметров математической модели
Попытки разработать стандарт в области компьютерных коммуникаций для автоматизации производства с целью создания более открытых решений предпринимаются уже достаточно давно. В этой связи использование Ethernet и TCP/IP в средствах промышленной автоматизации выглядит весьма перспективным. Вполне естественно наблюдаемое ныне бурное развитие сетей связи, позволяющих соединять в единые системы различные устройства (оконечные устройства, контроллеры, рабочие станции и т.д.).
Проведенный анализ литературы показал, что проблема выбора единой технологии обмена информацией между устройствами является на сегодняшний день крайне актуальной; при этом все большее число исследователей склоняется в сторону выбора технологии Ethernet, реализующей множественной метод доступа к каналу передачи данных, как унифицированного стандарта.
Как стандартная технология в области построения промышленных сетей и распределенных систем управления, Ethernet проникает и на уровень программируемых контроллеров, устройств сопряжения с датчиками и исполнительными механизмами. В последнее время все больше говорят об архитектуре Ethernet промышленного применения — Industrial Ethernet, поддерживаемой рядом ведущих производителей оборудования автоматизации. Будучи универсальным средством организации коммуникационных интерфейсов в системах автоматизации, Industrial Ethernet предлагает широкие возможности реализации различных топологий с разнообразными подключаемыми устройствами при невысокой стоимости в расчете на устройство, хорошо интегрируется с технологией Internet со всеми ее достоинствами, включая высокую масштабируемость и возможности удаленного управления.
Исходя из вышесказанного, Цель работы заключается в разработке и анализе математической модели функционирования сети передачи данных с конкурирующим доступом на основе коммутирующего устройства с конечным размером буфера. Для достижения поставленной цели сформулированы следующие задачи исследования: 1. провести анализ существующих математических моделей функционирования коммутирующего устройства в сети передачи данных с конкурирующим доступом; 2. разработать математическую модель функционирования сети передачи данных с конкурирующим доступом на основе коммутирующего устройства с конечным размером буфера, провести численные и физические эксперименты, проверить адекватность полученной модели; 3. разработать численную схему расчета времени доставки пакетов с учетом интенсивности их отправки, текущей пропускной способности коммутатора и размера его буфера; 4. исследовать влияние параметров математической модели на изменение основных характеристик функции распределения времени доставки пакетов; 5. провести апробацию полученных результатов и разработать комплекс прикладных программ синтеза и анализа систем передачи данных.
Сетевая информационная инфраструктура промышленных предприятий, объединяющая технологическое оборудование, производственные участки, цеха до недавнего времени строилась в основном на базе закрытых фирменных протоколов, которые внедрялись их разработчиком исходя из соображений решения определенного класса задач. Технология Ethernet непрерывно развивается, и сегодня аргументы о дороговизне и недетерминированности этой технологии построения сетей уже не соответствуют действительности. Решения на базе Ethernet используются для создания защищенных сетей: промышленных предприятий, энергетических компаний, тепловых пунктов, распределенных систем IP наблюдения, систем контроля трафика и т.п.
Однако, случайный метод доступа к среде передачи, на котором основывается Ethernet, вносит стохастичность времени передачи данных. При реализации необходимо учитывать не только неопределенность времени доставки данных (пакетов, заявок, сообщений), но и возможность потери информации. Эти проблемы можно решать при проектировании сети, выбирая конфигурацию с требуемыми параметрами времени доставки и размеров пакетов [27]. Разработка математической модели необходима для получения основных характеристик подобных систем. При этом математическое моделирование предполагает последовательное проведение анализа самого объекта моделирования, синтеза математической модели и ее анализа с целью проверки адекватности и оценки допустимой точности результатов. 2.1. Моделирование системы реального времени с передачей данных по каналу случайного доступа
Для моделирования времени доставки с учетом очередей рассмотрим сеть, представленную на рис. 2.1. обработка пакетов осуществляется с интенсивностью д. когда очередь достигает уровня N, то вновь сформированный пакет остается в источнике до тех пор, пока не появиться возможность отправить его в буфер коммутатора, при этом последующий пакет в данном источнике не формируется. Если в рассматриваемой системе имеется несколько источников имеющие сформированные пакеты, то освобождающееся место в буфере коммутатора они занимают на конкурентной основе с одинаковой вероятностью. С учетом принятых допущений для определения закон распределения времени обслуживания пакетов от источников, сформируем вектор, характеризующий состояние системы: (j,i), где
На рисунке 2.2 представлен граф Марковского процесса гибели и размножения с непрерывным временем. Математическое описание Марковских процессов обычно представляется в виде систем дифференциальных (в случае нестационарного режима) или алгебраических (для стационарного режима) уравнений, решение которых, в общем случае, получить в явном виде не удается. Это обусловливает необходимость применения численных методов решения систем дифференциальных или алгебраических уравнений.
Анализ влияние количества сетевых устройств на вероятность доставки пакетов в сетях реального времени и на плотность распределения времени доставки пакетов
Максимальный размер пакета только создает предпосылки для повышения пропускной способности, так как, в конечном счете, от приложений зависит, будет ли использована данная максимальная величина данных или нет. Если, например, приложение ведет работы с базой данных и пересылает на сервер SQL-запросы, получая в ответ по одной короткой записи, то максимальный размер поля данных в 4 или 16 Кбайт никак не поможет повысить пропускную способность сети Настройка размера передаваемых данных обычно происходит на транспортном уровне стека протоколов и, возможно, на прикладном, если разработчик приложения предусмотрел такую возможность.
Работа с пакетами больших размеров повышает производительность сети не только за счет уменьшения накладных расходов на служебную информацию заголовка. При использовании больших пакетов повышается производительность коммуникационного оборудования, работающего с кадрами и пакетами, то есть мостов, коммутаторов и маршрутизаторов. Это происходит из за того, что при передаче одного и того же объема информации число используемых больших пакетов сущее івенно меньше, чем число маленьких, а так как коммуникационное оборудование тратит определенное время на обработку каждого пакета, то и временные потери продвижения пакетов мостами, коммутаторами и маршрутизаторами при использовании больших пакетов будут меньше. Например, максимальная вероятность доставки пакетов за промежуток времени то 0,001 до 0,002 секунды достигается при размере пакетов 100 байт.
Следующим параметром, влияющим на задержки во времени доставки пакетов является интенсивность их отправки в сеть (рис. 3.6). Для представленных параметров плотность распределения вероятности при интенсивности отправки пакетов менее 1000 пакетов в секунду очередей также не образуется.
При увеличение значения интенсивности нагрузки, происходит снижение производительности сети, связанное с увеличением доли несвоевременно доставленных данных. Влияние интенсивности отправки данных в сеть изображено на рисунке 3.7.
Анализ влияния параметров математической модели на числовые характеристики распределения вероятностей
Важными числовыми характеристиками распределения вероятностей являются математическое ожидание, дисперсия времени обслуживания заявки. Рассмотрим, какое влияние на них оказывают изменения параметров моделирования: количество устройств в сети, размер пакетов, интенсивность отправки данных в сеть.
Анализ математического ожидания проводится при исследовании влияния интенсивности отправки пакетов и размера пакетов на время доставки пакетов. Для анализа временные характеристики была проведена серия экспериментов, реализующих обмен пакетами данных между устройствами из сети. В качестве системы реального времена рассматривалась локальная информационная сеть, использующая протокол случайного доступа Ethernet. Для загрузки сети использовалось десять компьютеров, обменивающихся пакетами размером 800, 1200 и 1500 байт; частота обмена выбиралась равной 800, 1000 и 1200 пак/с.
Интенсивный рост математического ожидания при разной интенсивности отправки пакетов начинается с возрастанием его размера с 800 кбайт (рис .3.8) Зависимость математического ожидания времени доставки пакетов от размера пакета: 1 - интенсивность отправки 100 пакетов в секунду; 2 - интенсивность отправки 1000 пакетов в секунду, 3 - интенсивность отправки 1200 пакетов в сек нду
Таким образом, значительное отклонение дисперсии времени доставки пакетов наблюдается при отправки пакетов размером больше 800 кбайт.
Для оценки влияния интенсивности отправки пакета на математическое ожидание и дисперсию смоделируем работе сети Ethernet при постоянном размере пакета и ишеняющейся интенсивность отправки от 900 пакетов секунду до 2000.
Таким образом, график зависимое! и математического ожидания от интенсивности отправки пакетов в сеть представлен на рисунке 3.10. мм
Зависимость среднеквадратичного отклонения времени доставки пакетов от интенсивности их отправки: 1 - размера пакета 1000 байт; 2 - размера пакета 1200 байт; 3 - размер пакета 1500 байт Анализ влияния размера объема буферной памяти па математическое ожидание вероятности доставки пакетов, проводился при моделировании системы реального времени с изменением объема буферной памяти от 4 до 24 кбайт, размером пакета 500 байт и интенсивностью отправки фреймов в сеть от 500 до 1500 пакетов в секунду. На рисунке 3.12 отображена зависимость математического ожидания от размеров объема буферной памяти.
Таким образом, разработанная математическая модель позволяет оценивать влияние различных параметров передачи данных на дисперсию и математического ожиданию времени задержки данных в сетях с различными параметрами и протоколами доступа, использующий конкурирующий доступ к среде передачи информации Полученные данные следует учитывать при проектировании и модернизации информационных се гей реального времени [24,23,21,19] 3.5. Влияние объема буферной памяти на вероятностные характеристики сети, с конкурирующим доступом к среде передачи данных
Множественный конкурирующий метод доступа к среде передачи данных, на котором основываются протоколы, вносит неопределенность времени передачи данных, что влияет на качество переходных процессов системы управления и на ее устойчивость в целом Один из факторов, влияющих на стохастичность доставки пакетов, является наличие очередей при передаче данных по сети через концентраторы и коммутаторы. При малых размерах буфера возникают, очень большие задержки во времени доставки, а при больших значения, очереди практически отсутствуют.
Для анализа влияния размера буфера коммутатора на время доставки пакетов, проведем моделирование работы сети Ethernet при размере буфера 4,8 и 16 кбайт, выбор данного размера буфера обусловлен моделирование системы с непрерывным заполнением буферной памяти. Суммарная нагрузка на сеть производиться отправкой пакетов с интенсивностью 300 пакетов в секунду размером 500 байт, всего работают 10 станций. Оценка времени доставки пакетов выполнена на основе вычисления разности штампов времени доставки и начала отправления пакетов для пары взаимодействующих терминальных устройств. Для идентификации фрейма использован его порядковый номер, уникальный для каждого передающего терминального устройства. Увеличение нагрузки на сеть может привести к критическим нагрузкам.
Методика экспериментов и обработки экспериментальных данных
Проанализировав полученные результаты, можно сделать вывод, о том, что с увеличением размера передаваемых данных с одинаковой интенсивность, среднее время и процент потерянных пакетов увеличивается, следовательно, и вероятность доставки данных незначительно уменьшается.
Вторая серия экспериментов основывалась на определение зависимости вероятности доставки от интенсивности отправки данных в сеть. Была организована отправка пакетов в сеть одинакового размера, но с разной частотой.
Влияние случайных ошибок на оценку истинного значения измеряемой величины учитывались с помощью методов теории вероятностей .
Все измерений величины времени доставки пакетов проводились с одинаковой точностью, поэтому в качестве оценки истинного значения этой величины использовалось математическое ожидание. отправки данных. Интенсивность отправки, пакетов всекунду Объем пакета,байт. Всегоотправленопакетов Среднее время доставки пакетов, сек. Процентпотерянных пакетов, %
Проанализировав полученные результаты, можно сделать вывод, что при увеличении количества передаваемых пакетов среднее время доставки пакетов одинакового размера уменьшается, а процент потерянных пакетов значительно увеличивается. Математическое ожидание определяет положение центра группирования случайной величины, вокруг которого наблюдается ее рассеяние. Экспериментальной оценкой математического ожидания при многократных измерениях является среднее арифметическое значение измеряемой величины: mc = ()S{Li (4-1) Для определения величина, характеризующую степень разброса количественных экспериментальных данных относительно среднего значения используется среднеквадратичное отклонение:
Для оценки случайных величин необходимо провести анализ законов распределения изучаемых величин, проверку принадлежности двух выборок к одной генеральной совокупности, сравнение средних дисперсий для различных выборок.
Для проведения статистического анализа при решении отмеченных задач оценки являются статистические гипотезы.
Для установления доверительной границы для Н0 -гипотезы использовались, критерий t-распределение Стыодента, который описывает распределение случайной величины:
Критерий Фишера - F-распределение используют для сравнения дисперсий двух вариационных рядов: где - \ - большая дисперсия, - меньшая дисперсия. Для проверки согласия экспериментальных данных с принятым законом распределения использовался критерий Колмогорова-Смирнова, устанавливает близость теоретических и экспериментальных распределений путем сравнения их интегральных распределений и определяется по формуле: у — И Iі 2 (А 5Ї лэмп " атах „ ,„ V - v Вывод о схожести по рассматриваемому критерию между двумя группами данных, сравним экспериментальное значение критерия с его критическим значением, определяемым по специальной таблице, исходя из уровня значимости.
Все результаты экспериментальных исследований были обработаны в соответствии с выражениями (4.1) - (4.5).
Разработан алгоритм определения времени доставки пакетов в виде комплекса проблемно-ориентированной программ для проведения эксперимента с потоковым методом отправки данных с выделением фиксированных квантов времени, рассчитываемых с помощью интеграции высокочастотного таймера, позволяющий обеспечить высокую скорость передачи данных, малую нагрузку на аппаратную часть и повысить скорость обработки данных.
При решении задач, связанных с обеспечением высокого качества обслуживания в системах реального времени, построенных по технологии Ethernet необходима разработка методик их исследования и анализа, определения оптимальных настроек, а определения основных вероятностно - временных и численных характеристик сети, с конкурирующим доступом к среде передачи данных.
Для решения этой задач на основе разработанной математической модели и методики обработки экспериментальных данных, предложен программный комплекс (рис 5.1).
Экспериментальный модуль включает в себя использование специально разработанной программы «Генератор и анализатор UDP пакетов для тестирования времени доставки данных » Листинг программы представлен в приложении 2.
Данное программное обеспечение выполняет следующие функции: -ввод начальных значений, для генерации и отправки пакетов в сеть передачи данных (интенсивность отправки, размер пакетов, IP - адрес устройств); - обработка результатов экспериментов, запись данных в фагіл. Приложение написано на языке Delphi и применимо для операционных систем семейства Windows и содержит модуль Сервер и модуль Клиент.
Модуль Сервер предназначен для генерации и отправки пакетов с заданными параметрами модулю Клиент, время отправки сохраняются в файл с расширение log. Имя файла содержит интенсивность и размера отправляемых пакетов. В этом модуле доступны следующие определяемые опции:
Разработанный программный комплекс позволяет решать задачи в средах, где важнейшим условием является обеспечить гарантированное качество обслуживания - значит распределить внутренние сетевые ресурсы рабочих станций, концентраторов, коммутаторов и маршрутизаторов таким образов, что бы данные могли передаваться точно по назначению, быстро, стабильно и надежно. Принимать участие в решения задач комплексной автоматизации, в которой в чаще возникают вопросы интеграции MES, ERP/EAM систем с системами АСУТП, использования в них информации, получаемой с нижних уровней управления технологическими процессами.
Отличительная особенность программного комплекса - это гибридный метод исследования, включающий расчет параметров модели, которая использует разработанную численную схему, проведение эксперимента в режиме реального времени и отложенную обработку данных. Использование созданного программного комплекса позволяет определить временные интервалы, которые могут быть достигнуты при различной нагрузке на сеть (рис. 5.3).
Похожие диссертации на Математическая модель функционирования сети передачи данных с конкурирующим доступом на основе коммутирующего устройства с конечным размером буфера
