Анализ процессов информационного обмена в единой информационной образовательной среде

Размещено на http://www.allbest.ru/

Орловский государственный технический университет

Анализ процессов информационного обмена в единой информационной образовательной среде

Савенков А.Н., ведущий инженер-программист

г. Орел

Аннотация

Основной целью разработки и внедрения новых информационных технологий в единой информационной образовательной среде (ЕОИС) является повышение скорости обмена информацией. Рассмотрению механизмов повышения надежности процессов информационного обмена и посвящена данная статья.

Annotation

The main aim of development and introducing new information technologies in the united information educational environment (UIEE) is increasing of velocity exchange by information. The given article is denoted to consideration of mechanisms of increasing reliability processes of information exchange.

Основная часть

В качестве основного, при построении ЕОИС, рассматривается стек протоколов TCP/IP. При этом, протоколы передачи данных TCP/IP рассматриваются как наиболее устойчивые к возможным помехам, задержкам при передачи информации, а также ее утере. Поэтому естественным образом возникают предпосылки для использования данного протокола в единой информационной образовательной среде и изучения процесса обмена данными в профиле протоколов, а также механизмов позволяющих повысить оперативность доступа к интегрированным ресурсам и обеспечить надежность среды передачи.

Основными деструктивными воздействиями на передаваемую в канале информацию являются:

- появление ошибок в различных частях передаваемых сообщений;

- пропадание сообщений;

- дублирование сообщений;

- появление дополнительной задержки на передаче;

- замена одного сообщения протокола другим.

Для определения возможностей деструктивного воздействия на сигналы в стеке протоколов ТСР/IP важное значение имеет процедурная характеристика ТСР (рис.1), которая включает три фазы информационного обмена: установление соединения, передача данных и разъединение. Важной особенностью процедурной характеристики ТСР является то, что на всех этапах обмена сообщениями используется только один формат сегмента. Различие этапов определяется с помощью кодирования поля “тип сообщения” [1]. информационный обмен технология образовательный

Изначально ПО, реализующее ТСР протокол, загружено и находится в состоянии “пассивного ожидания”.

Приложение-инициатор соединения обращается к своей ОС с запросом на установление соединения: на прием или на передачу. Запрос на прием переводит протокол в состояние “ожидания приема”, в котором протокол ТСР ожидает установления соединения, а запрос на передачу - в состояние “передачи сообщения инициализирующего соединения”. ОС выделяет процессу-инициатору адрес порта.

Рисунок 1 Блок-схема процедурной характеристики протоколов TCP

Установление соединения производится в три этапа.

В этой фазе возможна дополнительная задержка с целью подстройки и апробации возможностей деструктивного воздействия в фазе передачи данных. Однако это приводит к дополнительному понижению качества передачи.

Фаза передачи данных ТСР - занимает намного больший промежуток времени, чем другие фазы. Поэтому основные воздействия, имеющие целью оптимизировать процесс передачи данных, разумно проводить именно в этой фазе. Протокол ТСР обеспечивает надежную доставку информации в том смысле, что он организует прямое подтверждение (квитирование) корректного приема информации получателем. Для этого могут использоваться как механизм простого квитирования, так и механизм кумулятивного квитирования.

В процессе доставки данные могут быть подвержены воздействию и поэтому получатель, если он принял сегмент, проверяет его корректность путем расчета контрольной суммы. Если контрольная сумма правильна, т.е. данные получены без искажений, то адресат отправляет квитанцию-подтверждение приема; если контрольная сумма не сходится, то никакая квитанция не высылается. Отправитель ожидает квитанции, и при её получении отправляет следующий сегмент данных. Такой механизм называется механизмом простого квитирования.

Теоретически ожидание квитанции может быть бесконечным. Для выхода из такого состояния используется механизм тайм-аута. Сущность его заключается в том, что отправитель, передав в канал сегмент, включает счетчик времени и ожидает квитанцию в течение некоторого временного интервала с момента передачи. По истечении этого времени отправитель считает, что пакет утерян или искажен, и повторяет передачу. Эти особенности механизма позволяют за счет формирования дополнительной задержки при передаче данных повысить качество приема анализируемого сигнала.

Существенным недостатком рассмотренного механизма является то, что в ЕОИС нельзя заранее принять конкретное усредненное значение длительности тайм-аута.

В основе механизма оптимизации длительности тайм-аута лежит измерение протоколом ТСР (после отправки сегмента) времени до прихода квитанции (RTT, round trip time - время двойного прохода). Результаты измерений усредняются с более ранними значениями RTT [2].

На практике длительность тайм-аута выбирается пропорционально усредненному RTT. Однако, при коэффициенте пропорциональности меньшем 2, алгоритм адаптации является неустойчивым.

Время двойного прохода измеряется только для сообщений, успешно доставленных с первой же попытки, поскольку квитанции на одно и то же сообщение протоколом ТСР не различаются, и невозможно понять, пришла ли данная квитанция на первый или повторно переданный сегмент. В случаях, когда квитанция вовремя не получена, производится увеличение длительности тайм-аута. Для адаптации алгоритма к сетям с большим разбросом времени двойного прохода производится учет не только среднего значения, но и средней девиации RTT. Такой подход создает благоприятные условия для внесения дополнительных задержек при передаче квитанций о приеме блоков.

Рассмотренный механизм позволяет при тестировании устройств, реализующих стек протоколов ТСР/IP вычислить тайм-аут, оптимизирующий передачу информации в физических сетях с различными скоростями передачи данных, числом промежуточных ретрансляторов и показателями надежности каналов.

Схема простого квитирования каждого сегмента приводит к тому, что пропускная способность канала связи используется чрезвычайно неэффективно: время передачи одного сегмента может быть во много раз меньше, чем интервал времени, в течение которого транспортный протокол ожидает квитанцию.

Чтобы избежать этого, используется механизм скользящего окна. Протокол ТСР реализует оконное управление квитированием на уровне байтов.

На основе метода “скользящего окна” работает механизм кумулятивного квитирования, заключающийся в следующем (рис. 2). При установлении соединения счетчики последовательностей сегментов у отправителя и получателя устанавливаются в одинаковые состояния. Получатель, приняв несколько подряд следующих сегментов, в ответном сообщении-квитанции передает отправителю номер следующего байта данных, который он намерен принять (номер последнего байта, в последнем корректно принятом сегменте, плюс единица).

Рисунок 2 Фаза передачи данных (группового квитирования)

Управление квитированием методом “скользящего окна” предоставляет возможность управления потоком в целях повышения качества приема пакетов в сети. Размер окна есть не что иное, как число байтов, направленных в сеть конкретным источником. Изменяя размер окна для множества источников информации, можно не только эффективно управлять перегрузками на отдельных участках сети, но и манипулировать числом сегментов в ней.

Механизм защиты от перегрузок используется протоколом ТСР для решения двух совершенно разнородных задач.

Первая задача - это ликвидация перегрузки на промежуточных узлах сети. Ее решают маршрутизаторы, “испытывающие” перегрузку, направляя протоколам конечных станций требования на уменьшение размеров окон.

Вторая задача - защита от перегрузки буфера самого протокола ТСР, принимающего данные. Протокол-получатель, квитируя некоторую последовательность сегментов, сообщает протоколу-отправителю, какое количество байтов информации он готов бесконфликтно принять. Тем самым обеспечивается защита приемного устройства от перегрузки. Этот метод называют декларацией приемного окна. Если протокол-отправитель “не справляется” с входящим потоком, то он может декларировать окно нулевого размера, отказываясь тем самым от приема информации.

Однако отказ от приема данных может войти в противоречие с требованиями прикладных задач, которым может понадобиться произвести некоторые срочные действия, например, экстренно прервать процесс передачи. В этом случае протоколу-отправителю разрешается послать данные с пометкой “срочно”, которые протокол-получатель обязан принять, даже если при этом будет утеряна часть находящихся в приемном буфере данных.

Техника декларирования приемного окна содержит в себе логическое противоречие, которое возникает в том случае, если процесс-получатель декларирует нулевой размер окна для ликвидации у себя перегрузки. Протоколу-отправителю нельзя посылать данные, поскольку получатель не может их принять, а протокол-получатель не имеет полномочий проявить инициативу и сообщить о том, что перегрузка ликвидирована. Разрешается это противоречие следующим образом: отправитель информации, получивший декларацию окна нулевого размера, имеет право периодически отправлять сегменты с нулевым блоком данных, “напоминая о себе”, а протокол-получатель, квитируя такой сегмент, может декларировать приемное окно ненулевой длины.

Разъединение происходит по инициативе одной из сторон, присылающей запрос на завершение соединения (бит “FIN” поля “тип сообщения” - в состояние “1”). Процесс завершения соединения трехступенчатый, последней ступенью которого является состояние “ожидания квитанций подтверждения завершения соединения”, которое есть не что иное, как защита от потери квитанций в процессе завершения соединения. В случае неприхода квитанций на сегмент-запрос, в котором бит “FIN” поля “тип сообщения” установлен в состояние “1”, по истечении определенного времени (обычно оно равно двукратному времени жизни пакета в сети) протокол самостоятельно принимает решение о завершении соединения и переходит в состояние “пассивного ожидания”.

Использование механизма оптимизации длительности тайм-аута и изменение размера окна являются наиболее мощными средствами управления потоком. Однако на практике для повышения надежности необходима разработка механизмов гибко реагирующих на изменения в среде передачи и обеспечение восстановительных процессов информационного обмена с исходной позиции после несанкционированного разъединения.

Литература

Бакланов И.Г. Технологии измерений в современных телекоммуникациях. М.: ЭКО-ТРЕНДЗ. 1997. 139 с.

Мельников Д. А. Информационные процессы в компьютерных сетях. Протоколы, стандарты, интерфейсы, модели. М.: КУДИЦ-ОБРАЗ, 1999. 256 с.

Шварц М. Сети связи: протоколы, моделирование и анализ. Часть 1. Пер. с англ. М.: Наука. Гл. ред. физ.-мат. лит., 1992. 335 с.

Щербо В.К. Стандарты вычислительных сетей. Взаимосвязи сетей. Справочник. М.: КУДИЦ-ОБРАЗ, 2000. 268 с.

Размещено на Allbest.ru