Способи та засоби підвищення продуктивності локальних мереж, орієнтованих на мультимедійні додатки

В дисертаційній роботі проведений аналіз найбільш перспективних випадкових і детермінованих методів доступу. У загальному випадку випадкові методи доступу простіші в реалізації, тому що не вимагають передачі спеціальної управляючої інформації. Вони більш ефективні при низькому завантаженні моноканалу. В свою чергу, при підвищенні частоти звернення абонентів до моноканалу підвищується можливість зіткнення пакетів. Так, наприклад, імітаційне моделювання мережі Ethernet і дослідження її роботи показали, що при коефіцієнті навантаження понад 0,5 число колізій швидко збільшується, тому таке навантаження вважається пороговим. Крім того, у цих протоколах реалізується однопріоритетний метод доступу, що ускладнює організацію ефективної передачі мультимедійних додатків і файлів даних. В свою чергу детерміновані методи доступу характеризуються наявністю точної верхньої межі часу доступу, а також дозволяють більш просто організувати пріоритетний доступ.

Розглянемо побудову моделі маркерного доступу до моноканалу.

Одним із визначальних параметрів є гарантована затримка доступу (T_d) абонентських систем до середовища , що передає. Визначення даного параметра необхідно розглядати при найгіршому випадку поводження системи. З цією метою необхідно ввести ряд обмежень на характер передачі даних. Зокрема, визначимо Т_d за умови: L_i , тобто кожна абонентська система за сеанс обміну передає по одному пакету; d_i,j D - час передачі (довжина) пакетів обмежений розміром D; _i= - const, умова дотримується при однорідному середовищі передачі, що властиво локальним обчислювальним мережам. В якості критерію, який найбільш часто використовується при порівнянні різноманітних методів доступу в локальних мережах, виступає середній час доступу , що дорівнює середньому значенню (Т_ср) передачі маркера по логічному кільцю. Так з врахуванням імовірності (p_i) появи запиту на передачу даних з боку i-ої абонентської системи середнє значення (Т_ср) передачі маркера по логічному кільцю:

C ,

де: _i - час передачі маркера між сусідніми абонентськими системами, значення якого залежить від довжини лінії зв'язку між суміжними абонентськими системами, швидкості передачі інформації, довжини кадру маркера і часу утримання (обробки) маркера абонентською системою;

d_ij-час передачі j-го пакета даних i-ою абонентською системою, ця величина залежить від швидкості передачі інформації і довжини кадра даних;

C -час, що витрачається на передачу управляючих кадрів за N передач маркера, залежить від швидкості передачі, кількості і довжини управляючого кадра; максимальна гарантована затримка доступу (T_d ) складає:

T_d=T_k+C+ND .

На основі аналізу протоколів канального рівня можна стверджувати, що величина параметра С не перевищує 0,1 від N . C урахуванням цього:

T_d=N(1,1+D).

В даному випадку реальне значення часу поширення маркера по кільцю (Tr) лежить у межах:

N(1,1+1) Tr N(1,1+D).

Останнім часом зросла зацікавленість до оптоволоконних каналів передачі даних як основи середовища передачі високошвидкісних локальних мереж. Як відомо, оптоволоконні канали передачі даних є односпрямованими, на їх основі будуються в основному кільцеві мережі з маркерним методом доступу.

В роботі розглядаються три основні модифікації маркерного методу доступу: багатомаркерний, одномаркерний та однопакетний.

Багатомаркерний метод доступу припускає, що новий маркер буде генеруватися відразу після відправлення останнього біта пакета зі станції , що передає.

Для пакетів з фіксованою довжиною:

Пакети з експоненційно розподіленою довжиною:

Одномаркерний метод доступу.

Середня затримка передачі для одномаркерного методу з пакетом фіксованої довжини і а>1:

У випадку з пакетами з експоненційно розподіленою довжиною результат ускладнюється тому, що довжина пакета L, стає випадковою.

Середня затримка передачі:

Максимальна досяжна пропускна спроможність дана за допомогою 1/(е^-а+а).

Однопакетний метод доступу

В цьому методі доступу, новий вільний маркер не буде генерований, поки станція , що передає , не одержить назад і знищить увесь свій пакет, що передала, таким чином у кільці тільки один пакет циркулює.

Середня затримка передачі однопакетної операції:

Для пакетів з експоненційно розподіленою довжиною верхня межа пропускної спроможності каналу є 1/(1+а).

Розглянемо модифіковану процедуру реалізації протоколу FDDI - II.

В сучасних локальних мережах у відповідності зі стандартом IEEE 802.2 використовуються два класи управління логічним каналом: Class I, що підтримує передачу даних типу 1 у режимі без встановлення з'єднання, без підтвердження прийому або Class II, що підтримує передачу даних типу 2 в режимі зі встановленням з'єднання. З переходом на високошвидкісні і надійні мережі все більше застосування знаходить Class I. В цьому випадку відпадає необхідність повернення кадру даних його відправнику, а кадр даних може бути знищений одержувачем (раннє звільнення маркера). В результаті цього в послідовності кадрів утвориться вільний часовий інтервал, в який станція, що видалила кадр даних може помістити свій кадр даних або надати таку можливість наступним станціям. Якщо розмір кадру, що вставляється більше вільного інтервалу часу, усі наступні кадри затримуються на відповідний інтервал часу. На відміну від стандартного протоколу FDDI-II при появі пізнього маркера кадр синхронних даних вставляється тільки в тому випадку, якщо він не був вставлений раніш. Ця процедура дозволяє в середньому в два рази збільшити інтенсивність передачі синхронних даних.

В якості критерію ефективності CSMA/CD - методу розглядається коефіцієнт використання каналу передачі даних:

,

де U- середній час зайнятості каналу без зіткнення, - середній час зайнятості каналу, I - середній час незайнятості каналу.

Успішна передача пакету визначається імовірністю р_s. Тривалість будь-якої передачі (успішної або неуспішної) пакета дорівнює р сек., отже, середній час циклу успішної передачі, U, дана: U= pp_{s .} Імовірність того, що пакет успішно переданий дорівнює імовірності того, що за час його надходження жодний інший пакет не буде надходити (інтервал вразливості) [t, t+]. Надходження пакетів розподілене по Пуассоновськи з середнім значенням (нових і повторних пакетів) G/p пакетів , де G-число спроб передачі, таким чином:

р_s = p . e^-(G/P)/

де - затримка поширення сигналу між двома станціями, і отже,

U = p e^-G/P .

Період зайнятості має випадкову довжину B і дорівнює:

B=Y+p+ ,

де: Y- випадковий час = 0 при відсутності зіткнень.

Середній час зайнятості , дорівнює:

= P+ + ,

де: - середня величина від Y

використовуючи стандартну техніку, , можна визначити таким чином:

.

Період зайнятості:

.

Таким чином :

.

У зв'язку з широким використанням оптоволоконних каналів передачі даних в роботі розглянуто питання побудови на базі даного середовища передачі мереж з шинною топологією та CSMA/CD - методом доступу. З врахуванням односпрямованого характеру передачі інформації пропонується наступна структура мережі (рис. 5 ).

В залежності від адресу призначення станція може передавати дані по каналу А чи каналу В, вибираючи найбільш короткий шлях.

Використання односпрямованих шин передачі дозволяє суттєво скоротити розмір “вікна конфліктів”, що особливо важливо для високошвидкісних мереж. Подібна структура мережі дозволяє використовувати пакети мінімальної довжини, тому що відпадає необхідність контролю зіткнень. Це дозволяє передавати короткі (64 байта) мультимедійні кадри. В рамках даної структури можлива організація пріоритетного обслуговування кадрів даних, наприклад, з абсолютним пріоритетом. Це здійснюється таким чином: при рівному пріоритеті кадру даних, що передається, та кадру даних, що поступив, останній запам'ятовується в станції, а потім передається; якщо пріоритет кадру, що поступив вище пріоритету кадру даних, що передається, то передача останнього кадру переривається і ретранслюється вхідний кадр даних. Проведені в рамках дисертаційної роботи дослідження підтвердили ефективність запропонованої структури мережі та методу доступу, що в ній використовується.

Основні висновки і результати роботи

1. Проведено аналіз способів управління доступом до середовища передачі, які використовуються в сучасних високошвидкісних локальних мережах. Визначені основні чинники, що впливають на часові параметри передачі інформації. Сформульовано задачі підвищення ефективності процедур МАС- підрівня високошвидкісних локальних мереж, орієнтованих на передачу інформації різноманітного типу, в першу чергу мультимедійних даних.

2. Для основних методів маркерного доступу запропоновані засоби оцінки часових параметрів доступу до середовища передачі, які враховують взаємний вплив потоків даних, а також вплив затримок, пов'язаних з необхідністю підтвердження пакетів, що дозволяють тим самим організувати більш ефективну процедуру доступу до середовища, що передає.

3. Для мережі FDDI-II запропоновані математичні засоби аналізу завантаження та часу доступу в залежності від характеру й інтенсивності вхідного трафіка. Застосування даних засобів дозволило в порівнянні з відомими засобами більш повно врахувати особливості аналізованого стандарту, що в свою чергу сприяє організації більш ефективного доступу до середовища передачі і підвищенню ефективності функціонування мережі в цілому.

4. На підставі проведеного аналізу стандартного протоколу МАС рівня мережі FDDI-II запропонована і досліджена нова процедура реалізації даного протоколу, заснована на використанні механізму раннього звільнення маркера і визначенні оптимального часу обертання маркера. Застосування даної процедури дозволяє підвищити коефіцієнт використання середовища передачі при передачі мультимедійних даних.

5. На основі аналізу ефективності відомих детермінованих і стохастичних методів доступу в мережах з шинною топологією запропонований і обґрунтований комбінований метод доступу, що дозволяє підвищити рівень сервісу передачі мультимедійних даних без зниження трафіка даних. В якості середовища, що передає, для подібних мереж пропонується використовувати дві односпрямовані шини, наприклад, оптоволоконні шини.

6. Запропоновано підхід і розроблені засоби визначення точних значень нижньої і верхньої меж затримки пакетів у мережах з древовидною топологією і випадковим методом доступу з виявленням зіткнення при широкому діапазоні інтенсивностей надходження заявок.

7. На основі аналізу часових співвідношень випадкового методу в мережах з древовидною топологією запропонована й обгрунтована процедура реалізації “наполегливого” випадкового методу доступу, що забезпечує заданий рівень сервісу при передачі мультимедійних даних.

Основнi результати відображені в наступних публікаціях

Ахмед Али Аль-Зуби. Математические модели маркерных методов доступа в кольцевых сетях // Вісник національного технічного університету України “КПИ”, Інформатика, управління та обчислювальна техніка. - 1998. - № 31. -С.120 -127.

(Дисертантом запропоновані математичні моделі кільцевих мереж з маркерним методом доступу).

Ахмед Али Аль-Зуби. Математические модели функционирования локальных сетей с шинной топологией // Вимiрювальна та обчислювальна технiка в технологiчних процесах. - 1998. - № 1. -С. 126-129.

(Дисертантом запропоновані нові стохастичні моделі мереж стандарту 802.3 та 802.4).

Ахмед Али Аль-Зуби. Анализ производительности кольцевых сетей с маркерными методами доступа // Вимiрювальна та обчислювальна технiка в технологiчних процесах. - 1998. - № 2. -С. 164-165.

(Дисертантом запропоновані математичні залежності середнього часу затримки інформації для різноманітних варіантів маркерного метода доступу).

Ахмед Аль-Зуби. Математический анализ потока данных установившегося в системах с замкнутой границей // Вимiрювальна та обчислювальна технiка в технологiчних процесах. - 1998. - № 3. -С. 110-115.

(Дисертантом запропоновані математичні моделі потоків даних в локальних мережах).

Ахмед Али Аль-Зуби, Абу-А'ра Махмуд. Анализ эффективности применения протоколов МАР/ТОР в системах управления технологическими процессами // Вимірювальна та обчислювальна техніка в технологічних процесах, збірник наукових праць (выпуск №1.- 1998). -С.132-135.

(Дисертантом проведено аналіз ефективності протоколів MAP/TOP для мереж управління технологічними процесами).

Ахмед Али Аль-Зуби. Исследование пропускной способности систем передачи данных // Вісник національного технічного університету України “КПИ”, Інформатика, управління та обчислювальна техніка. - 1998. - № 31. -С.251 -257.

(Дисертантом запропонована модель та проведені дослідження пропускної спроможності систем передачі даних).

Ахмед Али Аль-Зуби. Оценка эффективности протоколов MAP/TOP в сетях управления технологическими процессами // Вимiрювальна та обчислювальна технiка в технологiчних процесах. - 1998. - № 2. -С. 99-104.

(Дисертантом запропоновано спосіб оцінки та проведено дослідження ефективності різноманітних методів доступу в мережах управління технологічними процесами).

Кулаков Ю. А., Ахмед Али Аль-Зуби Реализация протокола множественного доступа в оптоволоконных сетях. // Вимірювальна та обчислювальна техніка в технологічних процесах.- 1998.- №1. -С. 151-153.

(Дисертантом виконано дослідження ефективності використання множинно го доступу в оптоволоконних мережах).

Kulakov Y. A., Ahmed Al-Zubi. Mathematical models of efficiency evaluation of ring networks -“Systemy Komputerowe i Sieci”. -1998. -№6. -С. 201 -209.

(Дисертантом запропоновані математичні моделі високошвидкісних локальних мереж).

Кулаков Ю. А., Ахмед Али Аль-Зуби. Процедура доступа к передающей среде на основе организации логических каналов. // Вимірювальна та обчислювальна техніка в технологічних процесах.- 1999.- №2. -С. 145-153.

(Дисертантом запропонована процедура доступу до середовище що передає).

АНОТАЦІЇ

Ахмад Алі Аввад Аль-Зубі. Способи та засоби підвищення продуктивності локальних мереж, орієнтованих на мультимедійні додатки. - рукопис.

Дисертація на здобуття вченого ступеня кандидата технічних наук за фахом 05.13.13. - Обчислювальні машини, системи та мережі. - Національний технічний університет України “Київський політехнічний інститут”, Київ, 1999.

Дисертація присвячена розробці способів та засобів управління доступом до середовища передачі, що дозволяють підвищити продуктивність локальних комп'ютерних мереж при передачі мультимедійних даних. В рамках дисертаційної роботи проведений аналіз відомих способів та засобів управління доступом до середовища передачі високошвидкісних локальних мереж, орієнтованих на передачу інформації різноманітного типу, в першу чергу мультимедійних даних.

Розглянуто математичну модель оцінки часових параметрів мережі FDDI-II, що дозволяє в порівнянні з відомими аналітичними моделями більш повно врахувати особливості даного стандарту. Запропоновано нову процедуру реалізації протоколу FDDI-II, засновану на механізмі раннього звільнення маркера. На основі аналізу відомих методів доступу запропонований і обґрунтований комбінований метод доступу в мережі з шинною топологією, що дозволяє підвищити рівень сервісу передачі мультимедійних даних без зниження трафіка даних. Запропоновано новий спосіб оцінки точних значень нижньої та верхньої меж затримки пакетів в мережах з древовидною топологією і випадковим методом доступу з виявленням зіткнення при широкому діапазоні інтенсивностей надходження заявок. Ключове слово: методи доступу, трафік, мультимедійна інформація, протокол, FDDI-II, МАС- рівень.

Ahmad Ali Awwad Al-Zubi. Methods and means of enhancing the output of local networks, orientated on multimedial appendix. - Manuscript.

The dissertation for the degree of Candidate of Science (Engineering) in speciality 05.13.13. Computers, systems, and networks. - National technical university of Ukraine “Kiev polytechnic institute”, Kiev, 1999.

The dissertation is devoted to development of ways and means of access control to transmitting medium, which allow to enhance the output of local area networks when transmitting multimedial data. Analysis of well-known ways and means of access control to transmitting medium of high-speed networks orientated to transmitting deferent kinds of information and at the first time multimedial data is made in this work.

Mathematical model of evaluation of time parameters of FDDI-II is offered, which allows in comparison with well-known analytical models to take into account more the peculiarity of this standard. A new procedure of realization of FDDI-II protocol, based on mechanism of token early release is offered. On the base of analysis of well-known access methods, a combined method of access to network with bus topology is offered and well-founded, which allows to rise service level of multimedial data transmission without reducing data traffic. And also a new way of evaluation of exact values of lower and upper bounds of packets delay in tree networks with CSMA/CD protocol and wide band of request arrival rates.

Key words: access method, traffic, multimedial information, protocol, FDDI-II, MAC-level.

Ахмад Али Аввад Аль-Зуби. Способы и средства повышения производительности локальных сетей, ориентированных на мультимедийные приложения. - рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.13.13 - Вычислительные машины, системы и сети. Национальный технический университет Украины “Киевский политехнический институт”, Киев, 1999.

Диссертация посвящена разработке способов и средств управления доступом к передающей среде, позволяющих повысить производительность локальных сетей компьютерных сетей при передаче мультимедийных данных. Обосновывается актуальность темы диссертационной работы, формируется цель и задачи исследований, основные положения, выносимые на защиту. В диссертационной работе область и объект исследования, определяются основные требования к передаче мультимедийной информации. С учетом этих требований проводится анализ эффективности известных методов и процедур доступа к передающей среде высокоскоростных локальных сетей. Формируются основные цели и задачи исследований.

В рамках диссертационной работы проведен анализ известных способов и средств управления доступом к передающей среде высокоскоростных локальных сетей, ориентированных на передачу информации различного типа, в первую мультимедийных данных. Проведена разработка и исследование математических моделей расчета временных параметров процедур доступа к коммуникационной среде локальных сетей с целью выбора наиболее эффективных процедур обслуживания информационных потоков.

Приводится аналитическая модель с помощью, которой можно оценить эффективность метода доступа и определить характер потока данных в сетях FDDI, приведен анализ временных параметров протокола MAC - уровня сети FDDI. Произведен анализ синхронного маркерного протокола для коммуникации в реальном времени, предложены способы определения его оптимального желаемого времени вращения маркера (TTRT) и синхронной полосы пропускания.

Разработка и исследование способа повышения эффективности протоколов FDDI-II при передаче мультимедийных данных. Рассматриваются вопросы реализации случайных методов доступа в высокоскоростных локальных сетях, ориентированных на мультимедийные приложения. Предлагается структура высокоскоростной локальной сети, реализованная на основе двух оптоволоконных шин для передачи информации. Рассматривается комбинированный метод доступа, обладающий преимуществами детерминированного и случайного методов доступа.

В работе проводится исследование и рассматриваются вопросы реализации исследование “настойчивого” случайного метода доступа в сетях с древовидной топологией. Предложен способ оценки точных значений нижней и верхней границ задержки пакетов в сетях с древовидной топологией и случайным методом доступа с обнаружением столкновения (Tree/CD) при большом диапазоне интенсивностей поступления заявок. Рассматривается вопрос реализации “настойчивого” случайного метода доступа в сетях с древовидной топологией.

Рассмотрена математическая модель оценки временных параметров сети FDDI-II, позволяющая по сравнению с известными аналитическими моделями более полно учесть особенности данного стандарта. Предложена новая процедура реализации протокола FDDI-II, основанная на механизме раннего освобождения маркера. На основе анализа известных методов доступа предложен и обоснован комбинированный метод доступа в сети с шинной топологией, позволяющий повысить уровень сервиса передачи мультимедийных данных без снижения трафика данных. Предложен новый способ оценки точных значений нижней и верхней границ задержки пакетов в сетях с древовидной топологией и случайным методом доступа с обнаружением столкновения при широком диапазоне интенсивностей поступления заявок.

Практическая ценность результатов диссертационной работы определяется тем, что предложенные способы и процедуры управления доступом позволяют существенно повысить эффективность функционирования локальных компьютерных сетей, обеспечивая при этом требуемый уровень сервиса для мультимедийных приложений. Предложенные математические модели, способы и процедуры доведены до практической реализации в виде программ и могут быть использованы в конкретных локальных сетях.

Достоверность теоретических результатов подтверждается доказательствами основных положений, выводов и рекомендаций, их экспериментальной проверкой.

Основные результаты диссертационной работы обсуждались на:

V - научно-технической конференции “Вимірювальна та обчислювальна техніка в технологічних процесах” (16-19 июня 1998, г. Хмельницкий).

II - международной научной конференции “Компьютерные системы и сети”, (26-27 июня 1998г. , Ржешев, Польша).

Основные результаты диссертационной работы опубликованы в 10 научных работах.

Ключевые слова: методы доступа, трафик, мультимедийная информация, протокол, FDDI-II, МАС-уровень.

Размещено на Allbest.ru