Тема магистерской работы:
"Анализ и моделирование процессов в каналах передачи данных с применением современной теории управления"
| Биография |
| Диссертация |
| Библиотека |
| Ссылки |
| Поиск |
| Кафедра АТ |
| ДонНТУ |
| Магистры ДонНТУ |
| Индивидуальное
задание |
О вы, которых ожидает
Отечество от недр своих
И видеть таковых желает,
Каких зовет от стран чужих,
О, ваши дни благословенны!
Дерзайте ныне ободренны
Раченьем вашим показать,
Что может собственных Платонов
И быстрых разумом Невтонов
Российская земля рождать.
(Ломоносов М.В. ,конец 1747)
На данный момент основную часть компьютерных коммуникационных систем занимают сети с транспортным протоколом IP или, сокращенно, IP-сети.
Этот протокол разрабатывался в 70-ых годах XX в. как временный и не рассчитывался на столь длительную эксплуатацию. Он предусматривает пакетную передачу данных, адреса назначения и отправителя находятся в начале пакета. Сведений о предпочтительном пути передачи, о допустимом времени задержки он не содержит. Также он имеет жесткие ограничения по числу адресуемых компьютеров.
Основная задача IP протокола – доставка дейтаграмм. Выбором путей доставки занимаются маршрутизаторы. При передаче большого числа дейтаграмм по высокоскоростному каналу возможно переполнение входного буфера маршрутизатора, что приведет к потере пакетов. Это является не желательным явлением, так как приходится перепосылать дейтаграммы, что ведет к увеличению трафика. В качестве показателя, отражающего качество канала связи, возьмем число потерянных дейтаграмм или пакетов. Он позволяет однозначно характеризовать канал связи: чем больше число потерянных пакетов, тем хуже канал.
Очевидно, что для повышения качества канала необходимо снижение числа потерянных пакетов до минимально возможного уровня.
Наиболее простой, но в то же время самый дорогостоящий метод – увеличение ширины полосы пропускания канала связи, подключенного к маршрутизатору и увеличение быстродействия самого маршрутизатора.
Но возможен и другой вариант: управление потоком дейтаграмм. Вместо того, чтобы переполнять очередь маршрутизатора, дейтаграммы будут задерживаться в очередях на участке сети до маршрутизатора. Причем внедрение технологии управления трафиком с верху до низу, на всех узлах сети, позволит снизить потери пакетов до минимального уровня.
В этом случае избыточный трафик вместо того, чтобы переполнять очередь маршрутизатора, будет задерживаться на нижних участках. Это увеличит время отклика удаленной системы, но оно останется в пределах допустимого.
Также это позволит управлять сетью передачи данных: при перегрузках одного участка оно позволит перенаправить часть трафика на другие участки, но в тоже время снизит нагрузку перегруженного участка до уровня максимальной пропускной способности.
Сеть превратиться в сложный многосвязный объект со сложными динамическими характеристиками. Управление таким объектом будет многоконтурным: первый контур – управление потоком дейтаграмм в канале связи между двумя узлами (маршрутизатор <-> маршрутизатор, маршрутизатор <-> коммутатор, коммутатор <-> рабочая станция), второй контур охватывает несколько первых и т.д.
Закон управления для такой сложной системы, очевидно, будет не простым и вывести его эмпирически не представляется возможным.
Анализом систем и синтезом законов управления занимается теория автоматического управления (ТАУ). Представив сеть в виде комбинации звеньев, станет доступным огромный по своим возможностям аппарат ТАУ.
Несмотря на то, что большинство процессов в сети носит случайный характер, ТАУ позволит моделировать поведение сети при различных вариациях нагрузок и конфигурациях сети. В ТАУ разработаны механизмы обеспечения устойчивости систем, возможна разработка закона управления для систем с изменяющимися параметрами, можно построить регулятор, обеспечивающий оптимальное управление по заданным критериям. Поэтому использование ТАУ весьма привлекательно для анализа сетей. Основная проблема будет заключаться в построении адекватной модели и разработке "исполнительных механизмов". Синтез закона управления, моделирование процессов в сети при использовании этого закона уже разработано в ТАУ и лишь необходимо правильно интерпретировать полученные результаты
С точки зрения ТАУ IP-сеть представляет собой совокупность звеньев с нелинейными характеристиками. Так как характеристики могут иметь сложный вид, имеет смысл на начальном этапе использовать возможности имитационного моделирования в среде Simulink, позволяющей строить системы из стандартных звеньев.
Для построения адекватной модели необходима информация об объектах моделирования. IP-сеть с физической стороны представляет собой объединение в одну систему некоторого числа компьютеров, коммутаторов и маршрутизаторов, соединенных между собой линиями связи. Выделим отдельные звенья в этой системе, исходя из задач, которые они выполняют в системе.
Выделяются следующие звенья:
1. компьютер – источник и приемник сигнала с возможностью управления и буферизации данных;
2. линия связи(кабели, хабы) – звено задержки;
3. коммутатор, модем – звено задержки с возможностями управляемости и буферизации;
4. маршрутизатор – звено, управляющее потоком данных с возможностью буферизации;
Под буферизацией понимается возможность хранения некоторого объема передаваемых данных внутри устройства.
На начальном этапе анализа для источника примем следующие допущения: пакет данных представим импульсом единичной амплитуды случайной длительности, период между поступления импульсов - случайный. Характер распределения пакетов в реальных сетях заслуживает отдельного исследования.
Принимая во внимание результаты исследований, проведенных в [1], можно сделать вывод о том, что классическое представление потока, заданного в виде стохастического потока с пуассоновским и экспоненциальными распределениями не соответствует действительности при коэффициенте использования канала более 0.5. Трафик компьютерных сетей при высоких коэффициентах использования проявляет свойства самоподобия. Из-за этого возможна быстрая перегрузка буферов устройств при небольших коэффициентах использования. Особенно это проявляется, если размер буферов был рассчитан для нагрузки с классическими распределениями потоков.
Явление, обладающее свойством самоподобия, выглядит одинаково или одинаково ведет себя при его рассмотрении с разной степенью "увеличения " или в разном масштабе. Масштабируемой величиной может быть пространство (длина, ширина) или время.
Трафик данных – это стохастический процесс, поэтому можно говорить лишь о статистическом самоподобии.
Общее определение самоподобного стохастического процесса основано на прямом масштабировании непрерывной переменной времени. Стохастический процесс x(t) является статистически самоподобным с параметром H (0,5≤H≤1) , если для любого вещественного значения a>0 процесс
обладает теми же статистическими характеристиками,
что и сам процесс x(t) . Это можно выразить следующими утверждениями:
На первом этапе исследований примем в виде источника сигнала генератор прямоугольных импульсов заданной длины.
Основную часть системы – "исполнительный механизм" занимает маршрутизатор.
С физической стороны он представляет собой входной буфер – емкостной элемент, элемент коммутации пакетов и выходные буфера. Так как переполнению обычно подвержен входной буфер, подключенный к высокоскоростной цепи, то на первом этапе моделирования остановимся на нем. С точки зрения ТАУ он представляет собой интегратор, охваченного обратной связью с нелинейным звеном в цепи обратной связи.
Реализуем маршрутизатор в виде схемы моделирования для пакета Simulink. Для упрощения примем следующие допущения:
-маршрутизатор имеет один вход и один выход (маршрутизатор типа "мост");
-процедура обслуживания очереди - Drop Tail (обрыв хвоста).
Тогда с использованием стандартных блоков Simulink схема будет иметь вид, представленный на рисунке 1.
Рисунок 1 – Схема модели маршрутизатора
Данная схема позволяет изменять интенсивность поступления пакетов, отслеживает объем потерянных данных, возможно исследование поведения маршрутизатора при разных скоростях вход-выход. Результаты моделирования - см. приложение А.
Данная модель лишена некоторых существенных особенностей, которыми обладают существующие маршрутизаторы – она не реализует основную функцию маршрутизатора – адресацию. Данная модель, по сути, представляет собой модель маршрутизатора середины 70 - начала 80-ых годов, когда они использовались лишь для разграничения внутреннего и внешнего сетевых трафиков.
Для построения модели современных маршрутизаторов необходимо усложнить форму представления входного воздействия системы. Использование просто импульса единичной амплитуды переменной длительности не позволяет отразить реальные процессы, происходящие в сети.
При моделировании системы в пакете Simulink возможно по линиям связи между блоками передавать не только скалярные значения, но и вектора. Представим пакет данных в виде вектора, содержащего: адрес получателя, адрес отправителя и длину пакета. Также возможно включение дополнительных параметров из заголовка IP-дейтаграммы. Таким образом, данное представление позволяет отразить в явном виде пакет 3-го уровня стека TCP/IP или модели ISO OSI.
При таком представлении пакета данных источник будет представлять собой три генератора скалярных величин, объединенных мультиплексором. Для возможности установления задержки на передачу сигнала необходимо ввести элемент памяти и схему тактирования внешним сигналом.
На рисунке 2 представлена схема источника:
Рисунок 2 – Схема источника
В данном источнике для выбора адреса получателя используется генератор равномерно распределенных чисел, адрес отправителя – константа, размер пакета – случайная величина с нормальным законом распределения. Они объединяются в один вектор с помощью мультиплексора, удерживаются на выходе в течении требуемого времени с помощью зацикливаемого элемента памяти. При лог. "0" на входе "Такт" в элементе памяти обновляется значение, при лог. "1" – элемент памяти повторяет предыдущее значение.
Для передачи данных используется канал данных. Его основная задача – выполнить временные задержки такими, которые бы позволили согласовать моделируемый и реальный процесс передачи данных. Также он выполняет тактирование источника, разрешая передачу следующего пакета. Канал данных не производит преобразования данных, он лишь задерживает их на время пропорциональное размеру пакета и заданной скорости передачи.
Основным звеном системы, как указывалось ранее, является маршрутизатор. Это сложное звено, объединяющее в себе несколько входных и выходных очередей, блок коммутаций, в котором выполняются перенаправления пакетов данных и блока управления, отвечающего за работу всех вышеперечисленных звеньев.
Схема маршрутизатора будет иметь вид:
Рисунок 3 – Схема маршрутизатора
Блоки "Очередь 1" и "Очередь 2" представляют собой объединения входной и выходной очереди. Дисциплины обслуживания в этих очередях – в зависимости от моделируемой аппаратуры: FIFO, приоритетное FIFO и т.д. Также применяются различные процедуры обслуживания хвоста очереди: Drop Tail, RED, Weighted RED. Очереди реализуются с помощью MATLAB-функций с установленными на входах и выходах селекторами и демультиплексорами.
Если представить пакеты данных, поступающих на вход маршрутизатора, в виде
импульсов переменной длины, то работа блока будет иметь вид:
Коммутационная матрица перенаправляет пакеты со входов на выходы, расшифровуя вектора данных и преобразуя их согласно параметрам линий связи. Один из важнейших параметров – MTU, Max Transfer Unit – максимальный размер пакета. Для различных линий связи он различный:
– Ethernet – 1500 байт;
– Token Ring – 4096 байт;
– PPP – 576 или 512 байт.
Блок управления представляет наибольший интерес с точки зрения ТАУ, так как именно в нем реализуются законы управления очередями, направлениями потоков данных от источников к приемникам различными путями для балансировки нагрузки на канал с целью достижения заданных параметров: минимизации стоимости передачи, максимизации скорости передачи, минимизации задержек при передаче сигнала.
Объединение нескольких маршрутизаторов с помощью блоков "канал связи" в единую сеть позволит моделировать поведение сети в различных ситуациях. В отличие от существующих средств моделирования сетей (пакеты Net Cracker, QSB) модель в пакете MATLAB позволит построить математические зависимости между выходными параметрами источников, передаточными характеристиками линий связи, параметрами маршрутизаторов, изменять закон управления маршрутизаторами, отслеживать недоступные в остальных пакетах параметры, такие текущий размер буфера; будет возможно синтезировать сложные адаптивные алгоритмы управления.
Первый этап исследований (построение модели маршрутизатора на интеграторе) показал на возможность исследований в данном направлении, указал на какие части в системе необходимо выделить в отдельные звенья, а какие необходимо объединить в единый блок.
На втором этапе исследований построена модель сети передачи данных в крупных блоках: источник, канал связи, маршрутизатор, приемник и определены функции каждого из них.
Следующий этап предполагает построение моделей каждого звена в соответствии с предъявляемыми функциями. На данный момент построена модель источника, разрабатываются модели канала связи и очередей маршрутизатора.
После построения отдельных звеньев они будут объединены в единую систему и запущено моделирование. Результаты моделирования необходимо будет сравнивать с результатами экспериментов на реальном оборудовании.
Список литературы
1. Столлингс В. Современные компьютерные сети - СПб.: Питер, 2003. - 783с. - (Серия "Классика computer science").
2. Остерлох Хизер Маршрутизация в IP-сетях. Принципы, протоколы, настройка: Пер. с англ. - Спб.: ООО "ДиаСофтЮП"
, 2002. - 512 с.
3. Манн С. Крелл М. Linux. Администрирование сетей TCP/IP. Пер. с англ. - М.: ООО "Бином Пресс", 2003. - 656 с.
Приложение А. Результаты моделирования модели с интегратором
