Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Анализ современных подходов к процессу моделирования неоднородных интегральных информационно-управляющих систем 11
1.1 Общий алгоритм исследования 12
1.2 Конвергенция технологий распределенных гетерогенных информа ционно - коммуникационных систем 15
1.3 Гетерогенные интегральные информационно-управляющие системы..27
1.4 Существующие разработки в области интегрального обслуживания .31
1.5 Специфика взаимодействия подсистем 36
Выводы 43
Глава 2. Математическое моделирование гетерогенной интегральной корпоративной информационно-управляющей системы 45
2.1 Структурный анализ гетерогенной интегральной корпоративной информационно-управляющей системы. Постановка и ограничения в задаче оптимизации 47
2.2 Параметрический синтез гетерогенной интегральной корпоративной информационно-управляющей системы 61
2.3 Идентификация методов определения среднего времени доставки сообщения в интегральной информационно - управляющей системе. 67
Выводы 73
Глава 3. Идентификация параметров гетерогенной интегральной корпоративной информационно-управляющей системы 75
3.1 Детализация модели гетерогенной интегральной корпоративной информационно-управляющей системы неоднородными средами передачи 76
3.2 Математическая модель гетерогенной интегральной корпоративной информационно-управляющей системы 92
3.3 Вероятностно - временные характеристики гетерогенной интегральной корпоративной информационно-управляющей системы 102
Выводы 107
Глава 4. Исследование и практическая реализация гетерогенной интегральной корпоративной информационно-управляющей системы 109
4.1 Программная система численного анализа модели гетерогенной интегральной корпоративной информационно-управляющей системы 110
4.2 Исследование модели и вероятностно-временных характеристик гетерогенной интегральной системы передачи информации 114
4.3 Многокритериальный выбор вариантов структуры гетерогенной интегральной корпоративной информационно-управляющей системы 128
4.4 Проектные решения по созданию гетерогенной интегральной корпоративной информационно-управляющей системы 133
Выводы 143
Литература
- Конвергенция технологий распределенных гетерогенных информа ционно - коммуникационных систем
- Параметрический синтез гетерогенной интегральной корпоративной информационно-управляющей системы
- Математическая модель гетерогенной интегральной корпоративной информационно-управляющей системы
- Исследование модели и вероятностно-временных характеристик гетерогенной интегральной системы передачи информации
Введение к работе
Актуальность темы. На современном этапе общественного развития осуществляется переход к информационному обществу, которое предполагает новые формы социальной и экономической деятельности, основанные на конвергенции использования информационных и телекоммуникационных технологий. Технологической основой формирующегося общества является единая инфраструктура, обеспечивающая возможность доступа и управления информационными ресурсами.
Перспективы развития интегральных информационных систем вызывают необходимость их конвергенции в единую информационную и телекоммуникационную инфраструктуру, создаваемую на базе распределенных корпоративных информационно-управляющих систем, предоставляющих широкий спектр интегральных услуг. Объединенные неоднородные подсистемы корпораций используют различные технологии обслуживания трафика, что вызывает необходимость решения проблемы их совместимости.
Очевидно, что интегральная система, призванная реализовать взаимодействие между различными технологиями, должна основываться на открытых стандартах. Несмотря на практическое отсутствие математических моделей интегральных систем, международные стандарты но ним уже разрабатываются в рамках семиуровневой эталонной модели взаимодействия открытых систем (ЭМВОС) (Open System Interconnection, OSI), введенной International Standard Organization (ISO). В работе рассматривается архитектура систем, построенных в соответствии с концепцией OSI.
Интегральные информационно-управляющие системы во многом являются дальнейшим развитием объединенных информационных и цифровых телекоммуникационных систем, но проблемы их создания и проектирования обладают особой актуальностью, определяемой качественной новизной подобных систем как объекта исследования с точки зрения математического моделирования. Необходимо отметить отсутствие общепринятой методики
моделирования и разработки, основанной на использовании существующих теоретических и практических результатов. Следовательно, интеграция техники и служб обеспечит пользователю ряд преимуществ интегральной информационно-управляющей системы: интеграцию услуг, сред передачи и, наконец, интеграцию с другими технологиями.
Работа выполнена в рамках научного направления Воронежского государственного технического университета - «Вычислительные системы и программно-аппаратные комплексы».
Цель и задачи исследования. Целью работы является разработка методов и средств моделирования и анализа интегральных корпоративных систем с неоднородным трафиком для решения задач многокритериальной оптимизации при создании новых и модернизации существующих систем.
В соответствии с указанной целью в работе поставлены и решены следующие основные задачи:
Конвергенция технологий распределенных гетерогенных информа ционно - коммуникационных систем
Традиционные подходы к построению телекоммуникационных систем для передачи речи и данных де подразумевают тесной взаимосвязи этих .процессов; системы рассматриваются и реализуются независимо друг от друга. Использование единой сетевой инфраструктуры для передачи разнородного трафика обеспечит шаннтедьную экономию материальных ресурсов .и эффективность функционирования систем в дедом, а реализация концепции цифровых систем интегрального обслуживания удовлетворит растущие потребности" пользователей в информационном обслуживании П 45-146, 1491
К особенностям интегральных систем отнесем: специфические требования, зо шнкшщиб вследствие объединена разнородного трафика н необходимость применения разнородных протоколов передачи. Подобные системы должны учитывать требования к скорости, временным задержкам и друтим количественным параметрам каждого типа трафика.
Рассмотрим далее специфику требований, предъявляемых к .передаче разнородного трафика (речевое трафика и трафика данных). Требования, предъявляемые к передаче речи.
Для успешной реализации речевого обмена по сетям необходимо учитывать специфические особенности данного типа трафика. Рассмотрим некоторые из них.
Речь представляет собой поток чередующихся интервалов активностей и пауз. Речевой сигнал передается по стандартным каналам тональной частоты в диапазоне 200 - 3400 Гц. Аналоговый по своей природе речевой сигнал передается после дискретизации в цифровой форме. Важным условием для эффективного использования канала связи является осуществление передачи цифровой речи пакетами [137, 167].
Исследование вопросов выбора оптимальной длины речевых пакетов и уплотнения речевых каналов связано с адекватным моделированием речевого сигнала. Для этой цели обычно используется упрощенная модель, отображающая только распределения длин активностей и пауз. Активности и паузы распределены геометрически, причем математические ожидания их длительностей примерно одинаковы — около 1 мс, а диапазон их изменения составляет около 10мкс-2с[10, 17, 161 -162].
Передача речевого трафика осуществляется с помощью протокола RTP (Real Time Protocol), в котором полезной нагрузкой являются интервалы голоса, оцифрованные и сжатые с использованием механизма компрессии (кодека).
Пакетизированная речь принадлежит к категории трафика реального времени, т.е. задает жесткие требования к временным характеристикам доставки, но при этом речь довольно толерантна к ошибкам. Разработки систем передачи речи связаны с необходимостью выполнения ряда эргономических требований, обусловленных психологическими эффектами, вызываемыми задержкой, а также пробелами в речевом сигнале, которые порождаются флуктуациями времени задержки, шумом, перегрузками буферов в узлах коммутации и особенностями протоколов систем интегрального обслуживания. Следовательно, необходимо обеспечить минимальное время прохождения речевых сообщений через сеть и вариации этого среднего времени должны быть небольшими. Общее время задержки речевого сообщения не должно превышать допустимого и вместе с тем должно быть достижимым при достаточно низких затратах на соответствующее оборудование. Когда задержка достигает 800 мс, психологические факторы препятствуют нормальному телефонному разговору; ниже 200 мс задержка с этой точки зрения является допустимой, что достигается при передаче короткими пакетами.
Рассмотрение и анализ специфики речевого обмена показывает необходимость учета и решения проблем эффективного использования полосы пропускания коммуникационной среды, заторов и задержек при передаче кадров, приводящих к появлению в восстановленном речевом трафике значительных пауз.
Согласно рекомендации МСЭ-Т (ITU) G. 114 для обеспечения необходимого качества передачи речи нужно, чтобы время задержки при передаче речи по международным линиям связи не превышало 150 мс [150, 166]. Это возможно, во-первых, при использовании системы приоритетов, во-вторых, при фрагментации пакетов данных, в-третьих, при снижении числа процедур компрессии \ декомпрессии. При этом пакеты, содержащие речевой сигнал, должны передаваться раньше пакетов с данными. Сетевой трафик из пакетов переменной длины, приводящий к появлению значительных пауз в восстановленной речи и низкому качеству ее воспроизведения, должен разбиваться на небольшие пакеты фиксированной длины, с тем, чтобы время передачи каждого пакета составляло от 5 до 10 мс [26, 100, 164].
Параметрический синтез гетерогенной интегральной корпоративной информационно-управляющей системы
При вычислении параметров задержек и очередей, определении производительности и ряда других характеристик, элементы информационной системы рассматриваются в общем случае как системы массового обслуживания (СМО), которые описываются определенной моделью в соответствии с символикой Кендалла [39, 67].
Исследование процесса функционирования системы аналитическим методом проведем с использованием моделей СМО, являющихся марковскими или сводимым к марковским, например, методом вложенных цепей Маркова [14,36,42]. Структура СМО показана на рис,2.3. Поступающие чеРедь, заявки Обслуживающее устройство Обслуженные заявки
.Структура системы массового обслуживания
В работе рассматриваем дисциплину работы подсистем, известную в теории СМО как систему с потерями [88,104, И 2]: в момент поступления заявки на обслуживающее устройство оно оказывается занятым и заявка теряется. Такая дисциплина приводит к СМО с одним обслуживающим прибором, одним потоком заявок и буфером с бесконечной ёмкостью.
Для создания адекватных аналитических и имитационных моделей гетерогенных интегральных корпоративных информационно-управляющих систем возникает необходимость учета особенностей практической реализации процессов функционирования цифровой системы, отмеченных в разделе 2.1.
Создание моделей в дискретном времени приводит к возможности использования при их численном исследовании вычислительных процедур, реализуемых с помощью ЭВМ, Также, с точки зрения сложности вычислительных процедур численного исследования, сложные стохастические системы целесообразно аппроксимировать дискретными системами [62] Моделирование гетерогенных систем в дискретном времени позволяет существенно упростить и ускорить вычислительные процедуры, проводимые при их анализе и синтезе, реализуя наиболее приближенное к реальным процессам исследование характеристик систем.
Используемый в работе математический аппарат теории систем передачи данных основывается, в основном, на простых однородных марковских цепях и z-преобразовании [51,152].
Моделью каждой из подсистем, входящих в состав коммуникационной системы в дискретном времени с интервалом Т является многовходовая стохастическая система с Лг узлами, одним обслуживающим прибором и m выходами, представленная на рис.2.4.
Передача права доступа буферов узлов (Б) к обслуживающему прибору определяется протоколом (ГТ) взаимодействия между узлами (абонентами) и непосредственно подсистемой передачи информации. Буферы (Б) отображают очередь сообщений. Входящие потоки сообщений являются стохастическими. Обслуживающий прибор имитирует процессы управления передачей информации, которые, как указывалось ранее, протекают на нижних уровнях архитектуры ISO, а также в среде передачи.
Приведенная стохастическая система является СМО в дискретном времени, представляя собой модель реальной коммуникационной системы передачи дискретных сообщений.
При решении задачи анализа для оценки работы системы на этапе проведения расчетов первого порядка проводится приближенный анализ и оценка эффективности работы системы, удовлетворяющей заданным требованиям в пределах некоторых границ.
По большей части в теории массового обслуживания представлены результаты, полученные для установившегося режима работы систем. В то і время как оценку производительности необходимо проводить по всем аспектам работы системы, включая особо важные переходные режимы, исследуя достигаемые границы значений вероятностно-временных характеристик в указанных режимах.
В работе используется подход, который рассматривает работу СМО как вероятностный процесс, моделируемый в дискретном времени и непосредственно связанный с входящим потоком. Это дает возможность исследовать важные переходные режимы, в т.ч. режим перегрузок.
Непрерывное приближение позволяет1 получить очень грубую оценку происходящих процессов в системе; моделирование в дискретном времени описывает процессы функционирования, в т.ч. в переходных режимах более детально и достоверно.
Для создания высокопроизводительных структур систем обслуживания информации необходимо знать структуру потоков сообщений, поступающих на вход системы. При этом показатели эффективности могут быть сведены к форме показателей производительности, т.е. к: ряду показателей, характеризующих временные затраты на передачу информации.
Рассматриваемые гетерогенные протоколы обслуживания информации являются циклограммами (событиями). Циклограмма - это смена состояний в дискретные моменты времени. При моделировании процесса поступления заявок в систему все время наблюдения делится на временные интервалы. Входящий поток на дискретном времени с интервалом Т0 поступает на вход коммуникационной системы, поведение которой описывается простой однородной марковской цепью с тем же интервалом Г0(рис.2.5).
Математическая модель гетерогенной интегральной корпоративной информационно-управляющей системы
Перейдем к разработке математической модели рассматриваемой системы в дискретном времени, основываясь на полученных ранее результатах: временных диаграммах и определяемых, ими параметрах протокольных блоков, временных интервалах занятости сред при передаче кадров и интервалов передачи управления доступом.
Цель исследования заключается в разработке математической модели системы. Математическая модель определяется z-преобразованием ряда распределения времени доставки fq(z) и -преобразованием ряда распределения интервала обслуживания g{z) для рассматриваемых подсистем.
Определим z-преобразования ряда распределения времени доставки fq(z) сообщений обоих типов при их передаче от абонентов эфирной к абонентам кабельной подсистем и в обратном направлении, от абонентов кабельной к абонентам эфирной подсистем.
Рассмотрим сначала процесс передачи сообщений от абонентов эфирной к абонентам кабельной подсистем, показанный на рис.3.3. Поступление и обслуживание потоков сообщений в кабельной подсистеме осуществляется на і временных интервалах Гк, в эфирной - Тэ. Модели таких систем относятся к классу дискретно-стохастических моделей и могут моделироваться с использованием математического аппарата марковских цепей и СМО [27-29, 51,54].
Процессы передачи сообщений от абонентов эфирной к абонентам кабельной подсистем моделируются двухфазными СМО в дискретном времени.
Сообщения речи эфирной подсистемы, поступающие к абоненту речи кабельной подсистемы, пребывают в двух фазах: сначала в эфирной подсистеме, моделируемой СМО в дискретном времени MVGVl, содержащей Борэ и затем в кабельной, моделируемой СМО того же типа и содержащей Бикр, Сообщения данных, проходящие подсистему данных, также последовательно пребывают сначала в первой фазе (Бэд), а затем - во второй (Бикз). Сообщения речи и данных абонентских станций эфирной подсистемы, предназначенные абонентам той же подсистемы, проходят только первые из указанных фаз (Бэр и Б (рис.3.3).
Обозначим через f Jz\s = р,д, z-преобразование ряда распределения z прр времени доставки сообщений речи и данных в двухфазных СМО при передаче информации из эфирной подсистемы в кабельную; через f (z) 6 -Р Д z-upp времени доставки сообщений речи и данных в эфирной подсистеме с интервалом Тэ; fw {z),s - р,д - z-npp времени доставки сообщений речи и данных во второй фазе с интервалом Тк . Тогда имеет место следующее соотношение где знак указывает на последовательное соединение первой на интервале Т3 и второй на интервале Тк фаз, В случае Т$=ТК знак означает умножение.
Перейдем к нахождению компонентов (3.11). В соответствие с описанными выше протоколами доступа и передачи в эфирной подсистеме, z-прр времени пребывания сообщений речи или данных на интервалах Т3 где gx(z) - z-npp интервала обслуживания сообщений речи или данных »( ) = &.G00)- (3-13) z-npp числа передач сообщений данных в эфирной подсистеме при использовании алгоритма РОС-ОЖ определяется т.о. . ( ) = S»/( - ) (3-14) где РСЭд - вероятность потерь сообщений данных в эфирной подсистеме представлено выражением =1-0.:0 = (1- ) = + + + (3-15) где ръ - вероятность ошибки в эфирной среде передачи, пЮА - параметр протокола эфирной подсистемы. z-npp числа передач при обслуживании одного сообщения речи будет &,( ) = " (3-16)
Числа иЭе абонентов, имеющих сообщения речи и данных в зоне действия радиотелефонной станции являются дискретными случайными величинами, причем максимальное количество станций абонентов сообщений речи и данных, составляет, соответственно Nv и N-Vl. Тогда условное z-npp интервала однократной передачи сообщения речи имеет вид [70, 126, 132] + 0 z" "VW0 z"c"+ z )(0 z +Q z" »); (3.17) 0 =1-0 ; 0 =1-0 , нэр юр нэд иэд іде ,V3p и /УЭД- фиксированные значения дискретных случайных величин лэр и гс0Л, соответственно; с р, соэ и сзд - параметры протоколов эфирной подсистемы; иэр, ОД - вероятности того, что буферы Биэр? БИЭд для сообщений речи и данных заняты. Для двумерного биномиального распределения величин пэр и пж nJ = C (\-pJ C (l-pJ (3.18)
Используя правило условного математического ожидания [С], после усреднения по гсэр и ЯэД, получим безусловное z-npp интервала обслуживания сообщения речи g. (z) = z« (і - Pj\ - 0 - - )p- (\ - pji - - Mz- ;/- x x( " +0 Хв +„г"е-). (3-19) При использовании для передачи сообщений речи сеансовых моделей [122] с параметром сеанса / (удельная абонентская нагрузка сообщений речи) z-npp интервала однократного обслуживания сообщения речи на интервалах Гэ после усреднения по случайному числу абонентов сообщений речи в эфирной подсистеме определяется выражением (2)= (1- 0- - )Г а-Рта- е--„ -;Г х (0 - + @ z" )(0„wz- + 0 ).
Исследование модели и вероятностно-временных характеристик гетерогенной интегральной системы передачи информации
В процессе реконфигурации системы изменению подвергаются различные её элементы: узлы (станции), каналы связи и др. Подключение дополнительных узлов или их замена вызываются различными причинами: необходимостью увеличить дальность действия системы, производительность обработки информации, распределенность процессов обработки и хранения информации для повышения их надежности, необходимостью подключения новых и отключения выбывших пользователей, введение новых и исключение ненужных услуг и служб для их реализации и др.
Конфигурация и структура определяют ВВХ системы. Jljix определения влияния структуры на характеристики системы производится сравнительный анализ, направленный на исследование ее функционирования в разных режимах, при изменении эксплуатационных параметров.
Как указывалось ранее, оценку эффективности функционирования системы необходимо проводить не только для установившегося режима работы, как принято в большинстве проводимых исследований, но и для переходных режимов, включая режимы перегрузок. Поэтому численное моделирование системы и ее ВВХ преследует также цель исследования поведения системы и достигаемых значений ВВХ в режимах высоких загрузок и перегрузок.
Полученные результаты исследований, проводимых в том числе в области высоких загрузок и перегрузок, позволят производить оценку возможностей дальнейшего перспективного расширения и модернизации системы.
Также целями исследования являются: оптимизация ВВХ системы выбранной структуры; получение практических рекомендаций по использованию различных структур при определенных значениях І эксплуатационных параметров. Проводится идентификация параметров взаимодействия подсистем для конкретных условий функционирования, в результате которой определяются оптимальные значения конфигурационных параметров исследуемой модели системы. Особое внимание уделяется в исследовании среднему времени доставки сообщений в системе, как «интегральной» характеристике, позволяющей учесть значительную часть аспектов функционирования системы.
При проектировании и оптимизации подобных систем перед разработчиками ставится ряд ограничений, исходными из которых являются длины каналов связи в кабельной подсистеме и зона охвата радиосети в эфирной подсистеме. В качестве ограничений на длину канала шинной топологии в работе рассматривается значение, равное 1,2 км.; зона действия радио доступа эфирной подсистемы ограничена радиусом 2 км., что связано с удобством и наглядностью представления проводимого процесса выбора наилучшей структуры и оптимизации характеристик подсистем.
Целевые задачи проектирования системы включают также варьирование следующих эксплуатационных и конфигурационных параметров: скорости передачи информации; длины информационных частей пакетов; количество абонентов системы.
Увеличение скорости передачи позволяет повысить объем передаваемой информации, информационную эффективность системы в целом, і удовлетворить требования к информационному обмену пользователей, одновременно вызывая необходимость использования более дорогостоящего оборудования.
С точки зрения гарантированной доставки сообщений пользователям в системе, перед проектировщиком встает задача выбора оптимальной длины информационной части пакета, которая решается исходя из компромиссных соображений. С одной стороны, уменьшение пакета приводит к повышению достоверности, скорости обработки и доставки; но, с другой стороны, » увеличивается количество передаваемой служебной информации, Следовательно, необходимо учитывать особенности передаваемого трафика.
Изохронный трафик (цифровая речь) обладает свойствами избыточности и не критичен к потерям, а также ограниченно критичен ко времени доставки, что позволяет применять длины пакетов до 1024 бит. Асинхронный трафик (интерактивные данные реального времени) предполагает использование более коротких информационных пакетов, сопровождающееся ростом объема служебной информации при одновременном повышении уровня контроля над передачей и снижением времени доставки.
Изменение количества станций в подсистемах необходимо исследовать, как наиболее часто встающую задачу при расширении существующей системы и увеличении числа пользователей.
Для моделирования системы создана программа «Расчет ВВХ неоднородных систем с интеграцией служб», позволяющая производить численный анализ поведения системы и ее характеристик. Проведенные эксперименты по оценке ВВХ при изменении различных эксплуатационных параметров: количество станций подсистем речи и данных в эфирной и кабельной подсистемах, скорости в эфирной и кабельной средах передачи, длины информационных частей пакетов речи и данных и др. позволили получить нижеследующие результаты.
Топология системы при исследовании считается заданной, шинообразной; с возможностью расчета при необходимости и кольцеобразной топологии. Длина канала шинной топологии (Д11Ш) принята равной 1,2 км. Радиус действия эфирной подсистемы (К) составляет 2 км.
В задачах численного эксперимента, не оценивающих влияние указанных параметров, скорости передачи в эфирной подсистеме Гсэ приняты равными 100 кбит/с, в кабельной среде передачи Кск = 10 Мбит/с.
Длина информационной части пакетов данных в эфирной и кабельной подсистемах с учетом особенности трафика реального времени, составила 32 бита; длина информационной части пакетов речи, с учетом избыточности V речевого трафика и ограниченной критичности к потерям и ко времени доставки, составляет не более 1024 бит.
Число источников нагрузки системы при решении задач численного эксперимента, не оценивающих влияние указанных параметров, принималось равным 10 для подсистем с источниками нагрузки типа речи и данных (Лгэр - 10 станций, ./ = 10 станций, JVKp 10 станций, Ыкя 10 станций).
Возникновение помех при работе эфирной подсистемы учитывается в параметре вероятности ошибки в эфирной среде ръ = 0,0001; помехи в кабельной подсистеме учитываются в параметре вероятности ошибки в кабельной среде к= 1 10 .
