Содержание к диссертации
Введение
1 Анализ предметной области и определение задач исследований 11
1.1 Цель исследований 11
1.2 Анализ состояния исследований по теме диссертации
1.2.1 Многопутевой протокол распространения трафика, чувствительного к задержкам 17
1.2.2 Проблемы оптимизации 21
1.2.3 Анализ VLB-сетей..
1.3 Выводы по результатам анализа 28
1.4 Задачи диссертационных исследований 31
2 Модели, методы и алгоритмы оптимизации полосы пропускания сети полигонного измерительного комплекса 33
2.1 Оперативное планирование полосы пропускания сетевых каналов при проведении
испытаний летательных аппаратов 33
2.1.1 Введение.. 33
2.1.2 Теоретическая часть.. 34
2.1.3 Определение полосы пропускания каналов. 35
2.1.4 Графический интерфейс системы планирования полос пропускания каналов 35
2.2.1 Заключение. 37
2.2 Планирование полосы пропускания сетевых каналов полигонного измерительного комплекса 38
2.2.1 Введение.. 38
2.2.2 Теоретическая часть 40
2.2.3 Планирование полосы пропускания каналов. 43
2.2.4 Программа планирования полосы пропускания каналов.. 46
2.2.5 Обсуждение полученных результатов. 47
2.2.6 Заключение. 47
2.3 Оптимизация каналов базовой опорной сети полигонного измерительного комплекса... 48
2.3.1 Введение.. 48
2.3.2 Постановка задачи 49
2.3.3 Составление модели процесса передачи 50
2.4 Расчет показателей качества сети передачи данных измерительного пункта 60
2.4.1 Введение.. 60
2.4.2 Цель исследований.. 62
2.4.3 Оценка вероятностно-временных характеристик трактов VLB-сети. 63
2.4.4 Оценка ВВХ VLB-сети при передаче транзитного трафика... 65
2.4.5 Сопоставление с ранее известными результатами. 68
2.5 Основные результаты главы 2 69
3 Модели и методы нахождения характеристик каналов передачи данных от измерительных средств 71
3.1 Нахождение характеристик канала передачи данных оптико-электронных средств 71
3.1.1 Введение.. 71
3.1.2 Теоретическая часть.. 72
3.1.3 Пример з
3.1.4 Выводы 77
3.2 Канал передачи данных с восстанавливаемым маршрутизатором 78
3.2.1 Описание метода 78
3.3 Канал передачи данных с отказами и восстановлением работоспособности 83
3.3.1 Введение 83
3.3.2 Теоретическая часть 84
3.3.3 Экспериментальные исследования 84
3.4 Иерархические GERT-сети для моделирования систем с контрольными точками 90
3.4.1 Введение 90
3.4.2 Теоретическая часть 91
3.4.3 Экспериментальная часть 92
3.4.4 Специализированные системы передачи измерительной информации с контрольными точками 95
3.4.5 Исследование кривой компромисса 96
3.4.6 Система с контрольными точками как система массового обслуживания 97
3.4.7 Период занятости системы с контрольными точками. Перерывы на диагностику
3.4.8 Системы с контрольными точками и перерывами на диагностику 99
3.4.9 Использование для диагностики систем с контрольными точками генетических алгоритмов 103
3.5 Основные результаты главы 3 104
4 Имитационное моделирование системы передачи измерительной информации 105
4.1 Введение 105
4.2 Имитационное моделирование VLB-сети для передачи измерительной информации 107
4.3 Модель VLB-сети, состоящей из 5 узлов 108
4.4 Имитационное моделирование агрегированных каналов сети передачи измерительной информации 113
4.5 Моделирование загрузки путей передачи кадров с агрегированными каналами 116
4.6 Имитационное моделирование путей передачи кадров с приоритетами в полигонной сети 119
4.7 Основные результаты главы 4 122
Заключение 124
Перечень сокращений 127
Библиографический список
- Проблемы оптимизации
- Планирование полосы пропускания сетевых каналов полигонного измерительного комплекса
- Канал передачи данных с отказами и восстановлением работоспособности
- Имитационное моделирование агрегированных каналов сети передачи измерительной информации
Введение к работе
Актуальность темы исследования. Измерительные средства (ИС) для передачи информации о проведении испытаний летательных аппаратов (ЛА) передают трафик одновременно от множества объектов: самолетов и ракет, изделий, выполняющих функции мишеней, беспилотных летательных аппаратов, и т. п. ЛА могут менять свое местоположение, переходя из зон слежения одних ИС в зоны слежения других ИС. Если ЛА покидает зону сопровождения ИС, то сопровождение этого ЛА должно быть заблаговременно передано соседним ИС. Для этого те ИС, которые должны захватить цель и сопровождать ее дальше, должны получить целеуказания по азимуту, углу места и дальности от еще сопровождающих данный объект ИС. Возможны срывы сопровождения отдельных ИС – частичное, по отдельным координатам, или полное, по всем координатам. Те ИС, которые сопровождают данный ЛА в штатном режиме, должны передать команды наведения на ИС, «потерявшие» этот ЛА, для повторного «захвата» и дальнейшего штатного сопровождения. К сетям передачи измерительной информации (ИИ) должны быть предъявлены повышенные требования по задержкам передачи информации и отказоустойчивости в условиях изменения трафика, зависящего от хода испытаний. Решить проблему построения сетей для передачи больших объемов ИИ, преимущественно видеоинформации, проблематично без использования программно-конфигурируемых сетей (ПКС). Использование ПКС позволяет проектировщику сети полигонного измерительного комплекса (ПИК) реализовывать свои методы, алгоритмы и программы в виде кодов контроллеров операционной системы, управляющих маршрутизаторами по передаче данных. Это разбиение сообщений от ИС на части для параллельной передачи, многопутевая маршрутизация, операции по обеспечению отказоустойчивости сети.
Задача создания сети ПИК для проведения испытаний ЛА является актуальной и может быть решена на основе разработки специализированных сетевых протоколов с применением ПКС. Актуальность темы диссертации подтверждается тем, что она выполнялась при финансовой поддержке РФФИ в форме гранта 14-07-00106-а «Методы автоматизированного проектирования перспективной сети передачи данных полигонного измерительного комплекса» (2014 г.) и в рамках госзадания № 9-14Г (госрегистрация НИР № 115011560084).
Степень разработанности темы исследования. В разработку методов и алгоритмов управления многопотоковым трафиком внесли заметный вклад Вишневский В. М., Корячко В. П., Ляхов А. И., Башарин Г. П., Бочаров П. П., Коган Я. А., Захаров Г. П., Борисов В.И., Зинчук В.М., Капаева Т.Ф., Лимарев А.Е., Мухин Н.П. и многие другие ученые. Появ-
2 ление концепции ПКС можно связать с проектами исследовательских групп Стэнфордского и Принстонского университетов, среди них следует отметить Doyle J., Jiayue H., Umar J., Jin C., Kelly N., Lin X., Low F., Palo-mar D., Peterson L., Rexford J., Shroff, D., Srikant B., Suchara M., Xiao X., Wang L. и др.
Основной метод выпуклой оптимизации сетей ПКС предложен группой авторов под научным руководством профессора Принстонского университета Дженнифер Рексфорд. Метод является распределенным, адаптивным, надежным, гибким и простым в управлении. Но в распределении функций между приложениями и операторами сети существует сдвиг в сторону автономных систем (AS). Определение весов каналов и путей, оценка их загрузки, а также поиск наилучших путей при маршрутизации выполняются в пределах AS. Могут возникнуть проблемы плохой стыковки частей маршрутов при передаче потоков через несколько AS. Алгоритмы оптимизации при возникновении пульсаций постепенно отрабатывают перегрузку, что может приводить к неприемлемым потерям кадров.
Другим источником для проведения исследований в целях создания локальных сетей крупных измерительных пунктов, таких как вычислительные центры, центры управления испытаниями, стартовые позиции и районы приземления, стали идеи Valiant L. G. по созданию схемы многопотоковой двухфазовой маршрутизации, реализованной в VLB-сетях, которая улучшает характеристики производительности и надежности коммутаторов, маршрутизаторов и высокоскоростных трактов сетей. Фундаментальные свойства VLB-сетей заключаются в том, что они инвариантны к изменению нагрузки, в том числе и при передаче транзитного трафика, которым и является трафик, порождаемый испытаниями ЛА.
Целью исследований является сокращение сроков проектирования, уменьшение затрат и разработка методов планирования полосы пропускания сети передачи данных от ИС до центров управления испытаниями летательных аппаратов и выдачи команд управления на ИС и ЛА. С использованием концепции ПКС требуется решить следующие задачи.
-
Нахождение в реальном масштабе времени распределения времени передачи кадров измерительных средств на основе данных, полученных на предыдущих этапах вычислений, путем использования информации об увеличении или уменьшении числа звеньев в пути передачи информации.
-
Расчет вероятности своевременной доставки кадров и потоков от измерительных средств до центра управления полетом летательных аппаратов. Оптимизация полосы пропускания путей передачи транзитного трафика, порождаемого испытаниями ЛА, при наличии в данных путях VLB-сетей.
-
Нахождение показателей качества сети передачи потоковой измерительной информации через несколько звеньев сети, состоящих из неоднородных агрегированных каналов.
-
Нахождение распределения времени передачи кадра от измерительных средств до центра управления испытаниями с двухпутевой двухфазной маршрутизацией информации и выполнением циклов восстановления при отказах.
-
Повышение отказоустойчивости сетевого оборудования за счет установки контрольных точек в программах с учетом их текущего состояния для систем с большим числом циклических операций.
-
Определение полосы пропускания сети передачи данных измерительных средств с учетом времени нахождения кадров в очередях маршрутизаторов.
Научная новизна. В диссертации содержится решение актуальной научной задачи разработки методов, моделей и программ для проектирования полосы пропускания сетей передачи данных ИС при испытаниях ЛА, имеющей существенное значение для сокращения сроков, уменьшения затрат и повышения качества проектирования ПИК с повышенными требованиями по производительности и надежности. Научная новизна сформулирована в положениях, изложенных ниже.
-
Не имеющий аналогов аналитический метод нахождения закона распределения длительности передачи кадров измерительных средств на основе результатов, полученных на предыдущих этапах вычислений, заключающийся в увеличении (или уменьшении) числа особых точек в контуре Бромвича, для случаев увеличения (или уменьшения) числа звеньев в пути передачи информации.
-
Задача оптимизации полосы пропускания путей передачи кадров измерений через сети с двухпутевой двухфазной маршрутизацией с нахождением распределения совокупной полосы пропускания канала и выполнением операций восстановления при отказах оборудования (что отличает ее от прототипов).
-
Модель передачи информации измерительных средств через несколько звеньев сети с разным числом виртуальных каналов в каждом, отличающаяся от прототипов тем, что она отражает передачу потока, длина которого характеризуется случайным числом случайных слагаемых.
-
Аналитический метод теории GERT-сетей, предназначенный для нахождения распределения времени передачи кадра от измерительных средств до центра управления испытаниями с двухпутевой двухфазной маршрутизацией и выполнением циклов восстановления при отказах, что отличает его от прототипов.
-
Численный метод повышения отказоустойчивости сетевого оборудования на основе определения мест установки контрольных точек в программах, в котором, в отличие от прототипа, учитывается текущее состояние программы и за счет этого уменьшаются значения интервалов выдержки сторожевых таймеров, а соответственно и время их реакции на отказы оборудования.
-
Методика моделирования полосы пропускания сети передачи данных измерительных средств с учетом времени нахождения кадров в очередях маршрутизаторов, в которой, в отличие от прототипов, используется визуально-ориентированное представление объектов имитации на втором, более высоком уровне моделирования, с использованием выборочных значений случайных величин, полученных на первом уровне, как результатов расчета GERT-сетей.
Теоретическая и практическая значимость работы. На основе разработанных моделей, методов и программ созданы инженерные методики и программные средства проведения численных расчетов показателей качества сетей передачи информации от ИС при испытаниях ЛА. Возможно их применение в следующих областях:
в магистральных сетях ПИК со скоростью передачи в десятки Гбит/с;
в сетях доступа ПИК с применением многопутевой маршрутизации;
для построения отказоустойчивой системы передачи измерительной информации об испытаниях ЛА;
при разработке систем управления опасными объектами, такими как химические производства, атомные электростанции, непрерывные производства, взврыво- и пожароопасные предприятия и т. п.
Методология и методы исследования. Методология связана с анализом логической структуры методов и построения теоретических положений диссертации, истинности и аргументированности результатов.
Положения, выводы и экспериментальные результаты диссертационной работы получены с использованием: теории графов, полумарковских моделей, методов нахождения распределений выходных характеристик GERT-сетей, теории вероятностей, теории аналитических функций комплексного переменного, теории массового обслуживания, теории имитационного моделирования, математической статистики, генетических алгоритмов.
Положения, выносимые на защиту.
1 Не имеющий аналогов аналитический метод корректировки плотности распределения вероятностей времени передачи кадров измерительных средств на основе расчетов, выполненных ранее, путем удаления
5 или добавления особых точек в контуре Бромвича при изменении числа звеньев в пути передачи информации.
-
Задача оптимизации полосы пропускания путей передачи кадров, при наличии в них сетей с двухпутевой двухфазной маршрутизацией с нахождением распределений совокупной полосы пропускания канала, что отличает ее от прототипов.
-
Не имеющая прототипов модель передачи потока кадров измерительных средств через несколько каналов сети с разным числом однородных виртуальных соединений в каждом.
-
Аналитический метод теории GERT-сетей, предназначенный для нахождения распределения времени передачи кадра от измерительных средств до центра управления испытаниями с двухпутевой двухфазной маршрутизацией и выполнением циклов восстановления при отказах, что отличает его от прототипов.
-
Численный метод повышения отказоустойчивости сетевого оборудования на основе определения мест установки контрольных точек в программах, в котором, в отличие от прототипа, учитывается текущее состояние программы и за счет этого уменьшаются значения интервалов выдержки сторожевых таймеров, а соответственно и время их реакции на отказы оборудования.
-
Методика моделирования полосы пропускания сети передачи данных измерительных средств с учетом времени нахождения кадров в очередях маршрутизаторов, в которой, в отличие от прототипов, используется визуально-ориентированное представление объектов имитации на втором, более высоком уровне моделирования, с использованием выборочных значений случайных величин, полученных на первом уровне, как результатов расчета GERT-сетей.
Соответствие паспорту специальности. Содержание диссертационной работы соответствует паспорту специальности 05.13.18 – «Математическое моделирование, численные методы и комплексы программ» по следующим пунктам: п. 1 «Разработка новых математических методов моделирования объектов и явлений»; п. 2 «Развитие качественных и приближенных аналитических методов исследования математических моделей»; п. 4 «Реализация эффективных численных методов и алгоритмов в виде комплексов проблемно-ориентированных программ для проведения вычислительного эксперимента».
Степень достоверности и апробация результатов. Степень достоверности положений и выводов диссертации определяется:
отсутствием противоречий с известными научными положениями;
корректностью полученных математических результатов;
– сравнением результатов, полученных численными методами, с результатами, полученными на основе теории аналитических функций;
– сравнением результатов, полученных аналитическими методами, с результатами имитационного моделирования;
– сравнением рассчитанных резервов полосы пропускания сетевых каналов и путей с характеристиками, полученными на реальных каналах.
Апробация работы. Результаты исследований докладывались и обсуждались на 4 всероссийских и международных конференциях, в том числе на XX-й юбилейной Всероссийской научно-технической конференции студентов, молодых ученых и специалистов «Новые информационные технологии в научных исследованиях» (Рязань, 2015); XXVIII-й международной научной конференции «Математические методы в технике и технологиях» (Рязань, 2015); международной научно-практической конференции «Наука и образование в жизни современного общества» (Тамбов, 2015); международной научно-технической и научно-методической конференции «Современные технологии в науке и образовании – СТНО-2016» (Рязань, 2016).
Публикации. По итогам исследований опубликовано 14 работ, в том числе 5 статей в изданиях из перечня ВАК РФ, 4 тезиса докладов на международных и всероссийских конференциях, 4 статьи в межвузовских сборниках трудов, 1 свидетельство о регистрации программы для ЭВМ.
Реализация и внедрение результатов работы.
– в отчете по гранту 14-07-00121-а Российского фонда фундаментальных исследований;
– в OАО «IDB Telecommunication and Electronic Systems» (Вьетнам) при проектировании специализированной сети передачи измерительной информации;
– в учебном процессе РГРТУ на кафедре САПР ВС.
Структура работы. Диссертация содержит 146 страниц основного текста и состоит из введения, четырех глав, заключения, библиографического списка из 118 наименований, перечня сокращений и 3 приложений на 10 страницах. В диссертацию включено 66 рисунков и 12 таблиц.
Проблемы оптимизации
Трафик, характерный для сетей общего назначения, но необходимый для проведения испытаний, будем учитывать при построении матриц трафика испытаний, а также при определении совокупной полосы пропускания базового физического канала.
Дискуссия о разработке сети с чистого листа или эволюционный подход имеет и непосредственное отношение к построению полигонной сети для проведения летательных аппаратов. Испытательная сеть не существует сама по себе. Она заимствует многие технические решения, впервые опробованные в других сетевых технологиях.
Дженнифер Рексфорд полагает, что «введение инноваций с “чистого листа” при исследовании сетей может показаться странным, даже лишним. Однако, ничто не может быть дальше от истины. По сути, проектирование с чистого листа и есть будущее Интернета, что достойно доверия общества. Я не считаю, что эволюционный путь и исследования с “чистого листа” расходятся. Выводы с исследования «чистого листа» могут дать более глубокое понимание, а не только широту развертывания сети.
Построение, оценки и внедрения реальных систем на экспериментальных установках, таких как предлагаемый GENI и Federica платформ (в США и Европе, соответственно) предоставляет наши зарождающиеся идеи в ярком свете, и дает нам обратную связь, необходимую, чтобы помочь наши идеи реализовывались более четко. Мы встречаемся с неожиданными препятствиями и ограничениями, и принимаем практические ограничения и требования к проектированию. Построение и развертывание наших проектов является большим, чем просто последним шагом в определении идеи это часть непрерывного цикла исследований. Постоянно уточняем проблему, моделируем и возникает более полное понимание этой проблемы. Широко распространенные проблемы защита от спама, отражение атак, фишинга и т. д. это только самые видимые симптомы. При реализации любых новых проектов должны по-прежнему встречаться ограничения (например, скорость света или ограничения на вычисления, память и пропускная способность ресурсов) и их несоответствие проектным требованиям (по эффективности, безопасности, конфиденциальности, надежности, производительности, простоте управления и т. д.).
Современный интернет, кажется, не готов справиться с предстоящим натиском бесчисленных маленьких сенсорных устройств, которые могут революционизировать наш мир. Многие из этих насущных проблем, глубоко укоренившихся в ранние конструкторские решения, лежащие в Интернете, и не могут быть разрешимы без кардинальных архитектурных изменений. Мы уже видим первые плоды этого вида мышления, в программно-определяемой сетевой инфраструктуре, такой как технология OpenFlow (http://www.openflowswitch.оrg/), которые были развернуты в ряде предприятий, центров обработки данных и магистральных сетей. Даже экспериментальные инфраструктуры, как GENI и Federica, предназначенные для нескольких одновременных экспериментов с новыми сетевыми архитектурами, сами по себе являются примерами такого рода изменений. Дальнейшее, более существенное изменение может произойти в ближайшие годы. Сторонники проектирования с чистого листа утверждают, что их подход ведет к науке сетевого проектирования (иногда называют “сеть науки”).
В [77] отмечается, что управление перегрузками TCP базируется только на неявной обратной связи. Оно основано на оценке потерь пакетов и задержке, а не на явных сообщениях из сети. В DNS разделение плоскости управления и управления движением, уменьшает сложность за счет разделения проблем. Оптимизация весов линий в протоколах нахождения кратчайшего пути на основе матрицы трафика является NP-трудной, даже для простейших целевых функций. На практике для выбора весов линий используются поисковые методы локальной оптимизации, однако отклонение от оптимального решения может быть большим. Матрица трафика может быть вычислена на основе измерений трафика или может представлять явные соглашения со стороны пользователей. Матрица учитывает трафик и веса линии, объем трафика на каждой линии для всех пар маршрутизаторов. Можно определить “приемлемость” того или иного параметра весов ссылке. Оптимизация предусматривает штрафы за решения для сильно загруженных линий.
Многопутевой протокол распространения трафика, чувствительного к задержкам. Интернет-трафик, чувствительный к задержкам, например потоковое воспроизведение в прямом эфире видео, передача голоса через IP и мультимедийные телеконференции. Низкая 8 сквозная задержка для поддержания интерактивности и потоковый характер. В последние годы популярность чувствительных к задержкам приложений быстро растет. В [105] описан протокол, который минимизирует сквозную задержку, для неэластичный трафика. Применяется известная формула выпуклой оптимизации. Используется декомпозиция задачи оптимизации для получения простого распределенного протокола, который доказуемо сходится к оптимальному. Благодаря использованию многопутевой маршрутизации протокол может достичь оптимальной балансировки нагрузки, а также повысить надежность передачи. Выполняется моделирование на пакетном уровне с реалистичными топологиями, с задержками обратной связи, с учетом пропускной способности каналов и нагрузки трафика, Показано, что распределенный протокол является адаптивным и надежным. Полученные результаты позволяют сделать заключение о том, что протокол работает значительно лучше, чем другие методы, такие как нахождение кратчайшего пути при маршрутизации или равное разделение трафика между несколькими путями.
С быстрым распространением широкополосного доступа в Интернет на потребительском рынке набирают популярность новые видеосвязи и развлечения: интерактивные приложения, такие как потоковое видео в прямом эфире, голос поверх IP, мультимедийные конференции. Провайдеры часто предлагают услуги IPTV, VoIP и Интернет в одном комплекте. В [110], Cisco отмечает, что в 2012 году интернет-видео трафик составил почти 90% всего потребительского IP-трафика. В частности, интернет-видео подпрыгнул до 22% мирового потребительского интернет-трафика (в 2007 году было 12%)
Чтобы сохранить интерактивный характер видео-приложений и обеспечить воспроизведение в режиме реального времени, требуется доставка данных с низкой латентностью (в компьютерных и сетевых технологиях латентность задержка или ожидание, которая увеличивает реальное время отклика по сравнению с ожидаемым). Даже средняя задержка может нанести вред пользователю. В равной степени важно предотвращать джиттер (вариацию задержки). Несмотря на растущую популярность новых интерактивных приложений, нынешний Интернет недостаточно подготовлен для поддержки доставки чувствительного к задержкам трафика. Во-первых, минимизация сквозной латентности за счет использования более коротких и более прямых маршрутов не получила достаточного внимания, а существующие решения не практичны. Во-вторых, передача уязвима для переходных процессов. Периоды перегруженности, вызывающие временные задержки или потери, ухудшают качество аудио- или видео-потоков.
Планирование полосы пропускания сетевых каналов полигонного измерительного комплекса
Введение. Рассмотрен метод расчета вероятностно-временных характеристик (ВВХ) сети передачи данных полигонного измерительного пункта (ИП) при проведении испытаний летательных аппаратов. Учитываются показатели времени восстановления каналов при отказах. ИП строится на основе сети с дозированной балансировкой нагрузки (VLB-сети). Находится плотность распределения вероятностей времени передачи кадра измерительной информации между узлами VLB-сети. Используется маршрутизация по двум параллельным путям, состоящим из двух каналов, выполняемая через промежуточные узлы. Для нахождения плотности распределения вероятностей времени передачи кадра между узлами VLB-сети используется теория аналитических функций комплексного переменного. Определяется производящая функция моментов времени передачи кадра через VLB-сеть. Это необходимо для проведения расчетов ВВХ полигонной сети «из конца в конец» методом эквивалентных упрощающих преобразований структуры графа процесса передачи кадров. Рассчитываются математическое ожидание и дисперсия времени передачи кадров. Используется концепция программно-конфигурируемых сетей.
В работах [22, 24] рассмотрены вопросы планирования потоков данных от измерительных средств полигонной сети при проведении испытаний летательных аппаратов. В основных трактах сети кадры измерений передаются от измерительных средств в направлении центров управления (ЦУ) испытаниями. Статьи [22, 24] посвящены проблеме построения полигонной сети, в которой наиболее крупные измерительные пункты строятся на основе концепции VLB [84, 93, 98, 101, 106, 111,115, 116].
На рисунке 2.12 приведен вариант соединения маршрутизаторами VLB-сетей с измерительными системами, с центром управления испытаниями и главным вычислительным центром (ВЦ). Данная сетевая технология является основой для передачи данных ИП, содержащих большое число технических средств: ЦУ испытаниями, ВЦ, стартовой позиции, района приземления и других крупных ИП.
Локальные сети на таких пунктах часто используются для решения задач в автономном режиме функционирования данного ИП. Показатели качества работы сети ИП в этом режиме могут существенно отличаться от тех, которые необходимо обеспечить в реальном времени при испытаниях летательных аппаратов, когда сеть данного ИП передает транзитный трафик от удаленных измерительных средств.
При этом используется двухфазовая маршрутизация (передача потока через промежуточный узел) и одновременно параллельное разделение кадров сеанса на несколько путей. Сеть функционирует при воздействии помех, возникающих от посторонних радиолокационных средств, сварочных работ, электродвигателей транспортных механизмов при перемещении собираемых ступеней ракет, воздействия плазмы от двигателей и т.д. В этих условиях кадры 2 меньшей длины лучше передаются по зашумленным каналам связи. Поэтому целесообразно разделение кадра с измерениями на части с параллельной передачей, что уменьшает время передачи и повышает надежность сети за счет использования параллельных соединений. В принципе, в VLB-сетях стремятся проложить как можно больше параллельных соединений. При смене матриц трафика в симметричной сети достигается примерно одинаковая загрузка каналов и уменьшается вероятность заторов на каких-то путях передачи потоков измерительной информации. С другой стороны, при использовании кадров малой длины уменьшается полоса пропускания сети, так как служебную часть кадра изменить нельзя.
В данной работе рассматривается вариант, когда в VLB-сети кадр измерительной информации делится на две части и обе части передаются параллельно по двум каналам через промежуточный узел. Разделение кадра на части для передачи и их сборка на узле приема производится посредством регистровых операций, так что временем выполнения этих действий можно пренебречь по сравнению с временем восстановления каналов и передачи кадра через канал связи. Кроме того, в отличие от работ [22, 24] на входе узла VLB-сети проверяется работоспособность канала. Если он не готов к работе, то выполняется восстановление канала. В течение интервала времени Т выполняются мероприятия по восстановлению работоспособности канала или его замены из числа резервных средств.
Цель исследований. Важной задачей является определение нормативных времен передачи кадров через VLB-сеть. Решение этой задачи актуально в рамках сети VLB, так как обычно такие сети обеспечивают функционирование ИП-ов, расположенных по трассе полета изделий. Это ЦУ, ВЦ полигона, стартовая позиция, районы приземления, наиболее крупные ИП-ы. Нахождение закона распределения времени передачи разделенного на 2 части кадра необходимо для оценки ВВХ сети.
Кроме того, VLB-сеть рассматривается как составная часть полигонной сети для испытаний летательных аппаратов. ВВХ путей передачи кадров в масштабах полной сети можно найти с помощью численного метода эквивалентных упрощающих преобразований структуры GERT-сети [54, 94, 96, 100, 99, 108, 112]. Время выполнения отдельных операций характеризуется производящими функциями моментов. Поэтому необходимо знать производящую функцию моментов времени передачи кадра через VLB-сеть. Время восстановления канала также примем равным Т. Время передачи кадра через канал связи возьмем экспоненциально распределенным. Более адекватным (более точным) является описание времени передачи распределением Эрлан-га. Экспоненциальное распределение также широко используется для определения времени передачи информации по каналам связи [9]. Это объясняется, в частности, тем, что при его использовании существенно упрощаются расчеты. 3
Оценка вероятностно-временных характеристик трактов VLB-сети. На основе сбора и обработки статистики время передачи частей кадра отражается распределением Эрлан-га второго порядка. Модель передачи кадра измерительной информации через две фазы сети VLB приведена на рисунке 2.13.
Операции восстановления канала занимают постоянное время Т и отражаются в модели дугами (2, 3) и (4, 5). Передача кадра отражается дугами (2, 4); (3, 4); (4, 6); (5, 6). Время передачи по каналу описывается распределением Эрланга 2 порядка. Параметр А, = 0,1, т. е. среднее время передачи части кадра берется равным 10 ед. модельного времени. Производящие функции моментов, характеризующих дуги (1, 2) и (6, 7), равны 1. Это значит, что задержка в них равна нулю, и они выполняют функции обозначения начала и конца модели.
Канал передачи данных с отказами и восстановлением работоспособности
Приоритет кадров реального времени предопределяет более высокое качество их обслуживания по сравнению с качеством обслуживания кадров отложенного режима. Особенно это заметно при относительно больших вероятностях искажения кадра в канале связи. В частности, при р = 0,05 и п = 8 среднее время ожидания приоритетных пакетов в очереди W1 = 1,56, а неприоритетных - W2= 3,60 (отличие в 2,32 раза). Но при уменьшении вероятности сбоя кадра до 0,01 средние значения времени пребывания равны W1 = 0,47 и W2 = 0,82 ; соотношение между этими значениями уменьшается до 1,76. Это объясняется тем, что с уменьшением вероятности ошибки р приоритетные кадры все меньше задерживаются во входной очереди канала, создавая предпосылки и для уменьшения времени пребывания в очереди кадров отложенного времени.
Таблица 3.2 позволяет сравнить результаты расчетов основных параметров канала передачи данных оптико-электронных средств (траекторной информации) в режиме работы с абсолютным и относительным приоритетами ( w = 8, /? = 0,01, Л = 0,4 ). Кадры реального времени абсолютного приоритета быстрее передаются и меньше задерживаются в очередях, так как конкурируют только друг с другом. Кадры отложенного режима при относительном приоритете передаются лучше, чем при абсолютном приоритете, так как в
этом случае их обработка в канале не прерывается. Таблица 3.2 - Параметры канала
Выводы. Рассмотрена задача нахождения характеристик канала передачи данных оптико-электронных средств траекторных измерений летательных аппаратов. Входной поток от каждой измерительной станции является простейшим с заданным уровнем приоритета. Передача кадров через канал производится на основе оконного управления. Находятся показатели качества канала с использованием системы массового обслуживания M/G/1. Определяется степень влияния вероятности ошибки кадра при передаче через канал связи и длины окна протокола передачи на средние значения: числа кадров в системе, времени пребывания кадра в системе, времени пребывания кадра в очереди, определенные для приоритетных и неприоритетных кадров.
Предложена методика расчета вероятностно-временных характеристик канала передачи данных с оконным управлением при условии, что на вход канала подается пуассоновский поток данных от нескольких оптико-электронных средств обработки траекторной информации и канал функционирует в стационарном режиме. Важным в практическом отношении и наиболее сложным является расчет характеристик космического канала связи с передачей через спутник с геостационарной орбитой, в котором задержка передачи кадров и квитанций по тракту «земля-спутник-земля» составляет четверть секунды. Это существенно усложняет выбор длины окна и и параметров канала при передаче кадров оптико-электронных средств в реальном масштабе времени. Предложенная методика направлена на уменьшение потерь приоритетных кадров траекторной информации и обеспечение их передачи в реальном масштабе времени.
Описание метода. Канал специализированной сети передачи данных соединяет два маршрутизатора. Первый из них принимает входные данные и если он работоспособен, то передает пакет в линию передачи данных. Второй маршрутизатор просто принимает данные. Входной маршрутизатор характеризуется коэффициентом готовности к обработке пакетов. В том случае, когда он не готов к приему пакета то: 1) фиксируется отказ устройства; 2) выполняется восстановление устройства за время, характеризуемое случайным распределением, после чего предпринимается новая попытка передачи пакета. Время восстановления характеризуется экспоненциальным распределением с интенсивностью р. Допустимое число попыток восстановления устройства равно п.
Время передачи пакета через линию связи характеризуется экспоненциальным распределением с параметром X . Время передачи положительной квитанции ASK и отрицательной квитанции NASK одинаковое и входит в общее время передачи пакета. В буферной памяти сохраняется копия пакета, поэтому в случае искажения содержимого пакета, зафиксированного по контрольной последовательности, или нарушения структуры пакета предпринимаются одна или несколько попыток его повторной передачи для корректной доставки на приемную сторону канала. Предельно допустимое число повторных передач пакета равно
Целью работы является получение аналитических соотношений, позволяющих определить: 1) допустимое число попыток восстановления входного маршрутизатора, 2) допустимое число повторений передачи пакета через линию связи, 3) значения нормативных вероятностей успешной передачи пакета, 4) распределение времени передачи пакета через канал связи. Данные характеристики должны достигаться с учетом ограничений на время передачи пакетов данного типа, например, речи, звука или видеоинформации, а также колебаний величины интервалов между пакетами (“джиттера”).
Для отражения последовательности выполнения операций по передаче пакета используем теорию GERT-сетей, разработанную Аланом Притскером [94].
GERT-сеть, отражающая процесс передачи пакета через линию связи с восстанавливаемым входным маршрутизатором изображена на рисунке 3.2. Найдем аналитические соотношения для постановки и решения задачи при следующих допущениях (таблица 3.3).
Имитационное моделирование агрегированных каналов сети передачи измерительной информации
Потоки, поступающие от генераторов G1 - G6, пуассоновские с интенсивностями Я = 1. В модель введены «блоки-сборщики статистики», которые при входе заявки в блок собирают статистические данные для построения гистограмм: 1) времени передачи от входа модели до входа в блок-сборщик статистики, 2) интервалов времени между соседними заявками.
Модель, приведенная на рисунке 4.19, отражает типовой процесс передачи потоков измерительной информации. Сетевые каналы будем интерпретировать как узлы имитационной сети. Их функционирование отображается моделями массового обслуживания М/М/т, в которых на вход поступают пуассоновские потоки, интервалы времени на обслуживание заявок описываются экспоненциальными распределениями и они содержат т параллельно работающих обслуживающих приборов. 7
Каждый из генераторов G1 - G6 имитируют выдачу 1000 заявок простейшего потока с ин-тенсивностями /1 = 1. Эти потоки сливаются по три в каналах 1 и 2. Эти каналы агрегированы из четырех одинаковых подканалов, т. е. т = 4 . Интенсивность обработки заявок ц = 1,5 . Таким образом, нагрузка р на каналы 1 и 2 определяется по формуле р = 3/1/4// = 3/4-1,5 = 0,5 .
На входе каналов 1 и 2 имеем объединенные пуассоновские потоки с интенсивностью 3А. В соответствии с теоремой Берка [1] на выходе каждого из этих каналов мы должны получить также пуассоновский поток с той же интенсивностью. Но интервалы между заявками на выходе каналов могут быть расположены в другом порядке, чем на входе. Это свойство должно сохраниться и после вероятностного разделения потоков. В модели эту функцию выполняет селектор S1. Утверждение теоремы Берка [1] должны выполняться и для каналов 3 и 4.
Более того, если в модель вводятся обратные связи, то в соответствии с теоремой Джексона [1] при средней и высокой нагрузке марковские свойства модели сохраняются. Подчеркнем, что обязательным условием является выполнение аппроксимации Клейнрока [13], которая заключается в том, что время обслуживания заявки на следующей фазе не зависит от длины заявки на предыдущей фазе (другими словами, на выходе канала длина заявки разыгрывается заново с использованием вероятностного механизма).
В модели с выхода селекторов S2 и S3 по 5% заявок возвращается на входы очередей Q1 и Q2 из-за обнаруженных ошибок. Таким образом, потоки на входе каналов 1 и 2 остаются пуас-соновскими. Результаты имитационного эксперимента представлены на рисунках 4.20, 4.21. 8
На этих рисунках представлены частоты классов гистограмм интервалов времени между заявками в блоки сборщики-статистики. На основании применения критерия х2 можно говорить о справедливости гипотезы о том, что эти интервалы распределены экспоненциально (см. приложение А).
Изменение траекторий движения летательных аппаратов приводит к тому, что трафик от измерительных средств в полигонной сети может меняться скачкообразно по объему. Кроме того, могут изменяться направления его движения. В первую очередь надо обеспечить передачу приоритетного трафика в режиме «репортаж» или в реальном времени. При проведении испытаний составляются специальные сценарии движения летательных аппаратов. Изменению сценариев соответствует смена матриц трафика, выполняемая через заданные интервалы времени.
Задача состоит в том, чтобы для каждой матрицы трафика обеспечить необходимую полосу пропускания физического (чаще всего оптоволоконного) канала с некоторым резервом.
Сначала мы рассмотрим модель на рисунке 4.25. Эта модель, точнее ее параметры, изначально не ориентирована на передачу трафика в реальном времени. Следовательно, в отдельных точках сети следует ожидать перегрузок. 0 На втором этапе сбалансируем трафик для решения задач испытаний. Кроме того, выполним расчеты величины необходимой величины полосы пропускания в каждом канале. Блок-генератор G1 имитирует выдачу 1000 кадров измерений самого высшего приоритета 0, начиная с 250 ед. времени. Включение в работу новых измерительных средств при появлении летательных аппаратов в зоне их захвата имитируется блоками G2, G3, G4 с моментов времени 500, 750 и 1000 ед. модельного времени. Кадры от этих станций имеют меньшие приоритеты: 1, 2, 2.
Все генераторы выдают на вход сети заявки в соответствии с пуассоновским потоком с интенсивностью /1 = 1. Все блоки очереди имеют размер памяти на 500 заявок. При превышении это значения заявки теряются. Каналы передачи данных имитируются системами массового обслуживания М/М/1, функционирующими в стационарном режиме. Нагрузка на эти СМО р = ЯІ = 0,67, где I - среднее время обслуживания заявки.
Блоки-селекторы выполнят ветвления в модели. Кадры более высоких приоритетов передаются по выходным дугам, с наименьшим значением ASCII кода в имени дуги. Диаграммы состояния очередей Q1 и Q2 до балансировки трафика в модели приведены на рисунках 4.26 -4.27. 1
Еще более резкие колебания трафика наблюдаются в состоянии очереди Q2 при включении генератора G3 в момент времени 1000 ед.
Скачки трафика происходят как при вступлении в работу новых измерительных средств, так и при объединении потоков в маршрутизаторах.
Балансировка трафика и расчет полосы пропускания. При передаче трафика происходит скачкообразное изменение его интенсивности на входе маршрутизаторов. Потоки с одинаковой интенсивностью /1 = 1 «включаются» в разные моменты времени: 250, 500, 750, 1000 ед. модельного времени. В данной модели это условие отражает динамику перемещения летательных аппаратов и, в конкретном случае, делает модель более адекватной. Вместе с тем, мы должны вести моделирование с учетом самых неблагоприятных условий. То есть, все измерительные средства выдают информацию о летательных аппаратах постоянно с заданной интенсивностью и с нулевого момента времени. Тогда можно сложить интенсивности потоков на входе маршру-тизаторов и вычислить нагрузку на них р = Л t , где символом отмечены значения параметров после оптимизации сети. Такое заключение можно сделать на основе теоремы Джексона о слиянии и разделении потоков в узлах СМО и аппроксимации Клейнрока [1]. Теорема справедлива при средней и большой нагрузке и вероятностном разделении потоков на выходе узлов.