Исследование и разработка программно-аппаратных средств построения территориальных сетей интегрального обслуживания тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.13.13, кандидат наук Борец, Борис Юрьевич

• Борец, Борис Юрьевич
• кандидат наук
• 1999

Оглавление диссертации кандидат наук Борец, Борис Юрьевич

1.4 Выводы

2. ПОСТРОЕНИЕ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНОГО КОМПЛЕКСА НА БАЗЕ ТЕРРИТОРИАЛЬНЫХ СЕТЕЙ С ИНТЕГРИРОВАННЫМ ОБСЛУЖИВАНИЕМ

2.1. Определение характеристик коммутаторов для сети с

интегрированным обслуживанием

2.2. Оценка параметров трафика в сети с интегрированным обслуживанием

2.3. Организация вычислительной подсети в сети с интегрированным

обслуживанием

/

2.4. Выводы

3. РАЗРАБОТКА КОММУТАТОРА ДЛЯ СЕТЕЙ С ИНТЕГРИРОВАННЫМ ОБСЛУЖИВАНИЕМ

3.1. Исследование принципов построения коммутаторов для сетей с коммутацией пакетов

3.2. Разработка коммутатора

3.3. Способы масштабирования коммутатора

3.4. Выводы

4. РЕАЛИЗАЦИЯ ПАРАЛЛЕЛЬНОЙ ОБРАБОТКИ ЗАДАЧ В СЕТИ С ИНТЕГРИРОВАННЫМ ОБСЛУЖИВАНИЕМ

4.1. Организация вычислительного процесса на территориально-распределённом вычислительном комплексе

4.2. Алгоритмы функционирования узла коммутации

4.3. Моделирование работы фрагмента сети с интегрированным обслуживанием

4.4. Выводы

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

ПРИЛОЖЕНИЕ 1

ПРИЛОЖЕНИЕ 2

ПРИЛОЖЕНИЕ 3

ПРИЛОЖЕНИЕ 4

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Исследование и разработка программно-аппаратных средств построения территориальных сетей интегрального обслуживания»

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы. В последнее время большое распространение получили средства автоматизированной разработки и проектирования. Использование математического моделирования, по сравнению с физическим экспериментом, позволяет значительно ускорить процесс создания новых механизмов и устройств. Существует большой класс задач для которых реализуемая математическая модель не может быть построена с использованием отдельной цифровой машины в качестве моделирующего устройства.

Например, при моделировании взаимодействия трёх тел по закону всемирного тяготения (полёт неуправляемого спутника в системе Земля - Луна) необходимо решить нормальную систему восемнадцатого порядка. Исходные положения тел в трёхмерной системе координат задаются в качестве начальных условий. При решении системы находятся функции изменения каждой координаты от времени для каждого из тел, т. е. на выходе получается девять функций. Решение даже одного дифференциального уравнения, отвечающего заданным начальным условиям, вообще не выполнимо с помощью конечного числа математических операций. Тем более это невозможно для системы дифференциальных уравнений. [1] Это обстоятельство приводит к тому, что используются методы приближённого решения, а результаты представляются в табличном виде.

При практическом использовании вычислений результаты моделирования сложных динамических объектов необходимо, получать, ввиду сложности модели, в реальном или даже ускоренном масштабе модельного времени. При этом по данным, приведённым в [2] для моделирования общей стратегии функционирования радиолокационной или гидроакустической станции при частоте посылок 102-104 Гц быстродействие системы должно составлять от 0,6 до 60 Гфлопс. Отдельная ЭВМ не может применяться в качестве

моделирующего устройства из-за ограниченного быстродействия (необходима производительность порядка 1010-Ю12 Flops).

Одним из существующих подходов к решению подобных задач является объединение ЭВМ в вычислительные комплексы. Развитие современной вычислительной техники достигло того уровня, при котором персональные

о

ЭВМ имеют производительность порядка 10 оп/с. Кроме того, широкая доступность и высокий технический уровень средств обмена информацией позволяют организовать высокоскоростные глобальные сети обмена данными. Необходимо также отметить, что, как правило, большинство персональных компьютеров, подключенных к сети, не полностью используют свою вычислительную мощность. Таким образом, имеется возможность построения террйториально-распределённых вычислительных комплексов большой мощности. [3] Теоретические основы построения и применения многомашинных вычислительных комплексов отражены во многих трудах отечественных и зарубежных исследователей. Однако, при организации территориально-распределённых вычислительных комплексов, традиционные методы проектирования многомашинных систем оказываются недостаточно пригодными. Это связано с тем, что сети изначально предполагают одновременную работу нескольких пользователей с одним и тем же ресурсом сети, например физическим каналом. Данный факт приводит к тому, что для вычислительной подсети остальные пользователи являются своего рода "помехой". Поэтому многими исследователями в области сетевых технологий ведется поиск эффективных решений программно-аппаратных средств построения территориальных сетей интегрального обслуживания.

На сегодняшний день можно выделить три основных подхода к построению коммутационного оборудования: применение коммутационной матрицы с пространственным разделением; с общей средой или с коллективной памятью.

-6В реальных коммерческих системах наиболее распространенным

является использование различного рода комбинаций базовых архитектур.

Наиболее яркими примерами могут служить следующие изделия: коммутатор

Sunshine - пример проекта с объединением различных ключевых решений, в

этом коммутаторе одновременно используются рециркуляция с возвратом во

входной порт, параллельные структуры и групповая магистраль между

внутренними узлами; ASX-100 от Fore Systems - построен с применением не

блокируемых раздельно используемых параллельных шин, работающих на

скорости в 16 раз превышающую скорость отдельного порта; Lattiscell от

Synoptic Communications с многоэтапной внутренней архитектурой и

пространственным разделением.

Наибольший интерес представляют системы с изначальной ориентацией на использование разделяемой памяти. На сегодняшний день это самые эффективные с точки зрения использования аппаратных средств коммутаторы. В качестве примера можно привести коммутационное оборудование фирмы Cisco.

Однако в рамках существующих программно-аппаратных решений существует ряд проблем, один из возможных вариантов решения которых рассматривается в данной работе. Перечислим это проблемы:

• экстенсивное использование ширины диапазона пропускной способности канала приводит к возникновению блокировок и нерациональному расходованию ресурсов оборудования. Это обстоятельство приводит к тому, что такой подход весьма невыгодно использовать с экономической точки зрения;

• архитектура коммутатора, применяющая сложные протоколы для установления соединения и маршрутизации не позволяет эффективно использовать всю ширину диапазона внутренних линий коммутатора;

• отсутствует стандартная математическая модель трафика в сетях с интегрированным обслуживанием и стандартное описание поведения

коммутационного оборудования при передаче информации от разнородных источников.

Объект исследований. Объектом исследования являются современные сетевые технологии глобальных сетей с интегрированным обслуживанием, основные архитектурные решения коммутационного оборудования для высокопроизводительных глобальных сетей.

Цель и задачи работы. Целью диссертационной работы является разработка структуры программно-аппаратных средств для коммутационного оборудования глобальных сетей передачи данных с интегрированным обслуживанием. В процессе достижения поставленной цели решаются следующие задачи:

• исследование протоколов и методов управления трафиком в глобальных сетях передачи данных с интегрированным обслуживанием;

• рассмотрение современных сетевых технологий с интегрированным обслуживанием, позволяющих построить территориально-распределённый вычислительный комплекс;

• разработка методов управления и аппаратных средств транспортной сети, обеспечивающих обработку разнородного трафика с гарантированным качеством обслуживания;

• оценка эффективности функционирования предложенных программно-

л

аппаратных средств;

• построение программной модели сети и экспериментальная проверка предложенных решений.

Методы исследований. При решении поставленных задач использовались методы теории вычислительных систем, теория вероятности, теория массового обслуживания, методы вычислительной математики и имитационного моделирования.

Основные положения выносимые на защиту. На защиту выносятся следующие положения и результаты:

• архитектурное решение на базе современных сетевых технологий с интегрированным обслуживанием, позволяющее построить территориально-распределённый вычислительный комплекс.

• структурная схема коммутатора транспортной сети, обеспечивающей обработку разнородного трафика с гарантированным качеством обслуживания.

• математические модели для оценки эффективности функционирования предложенной структуры.

Научная новизна. Научная новизна заключается: в предложенных архитектурных решениях построения коммутационного оборудования, позволяющих более эффективно использовать аппаратное обеспечение коммутационного оборудования; в методах анализа трафика в сети с источниками различного типа, позволяющих прогнозировать нагрузку сетей, что помогает прогнозировать среднюю задержку и среднее изменение среднего времени задержки при передаче по сети данных, критичных к его колебаниям.

Основные научные результаты заключаются в следующем:

• исследованы основные протоколы и методы управления трафиком в глобальных сетях передачи данных с интегрированным обслуживанием, определена возможность создания распределённого вычислительного комплекса на базе глобальных информационных сетей;

• исследованы современные сетевые технологий с интегрированным обслуживанием, позволяющие построить территориально-распределённый вычислительный комплекс, и предложены требования, выполнение которых позволяет использовать территориально-распределённый вычислительный комплекс для решения задач математической физики;

• на программном эмуляторе проведена оценка эффективности функционирования предложенных программно-аппаратных средств.

Практическую ценность работы представляют:

• разработанные математическая модель коммутационного оборудования и алгоритм построения вычислительной подсети в рамках сети с интегрированным обслуживанием;

• разработанная структурная схема коммутатора с совместным использованием памяти.

Использование результатов работы. Теоретические и практические результаты диссертационной работы использованы при разработке региональной сети персонального радиовызова (СПРВ) РЭП "Октябрь" и информационно-управляющей сети ООО "Цифровые телефонные сети". В частности, разработано программное обеспечение узлов сети СПРВ, которое установлено и успешно функционирует в ряде городов Ростовской области, в том числе Ростове-на-Дону, Таганроге, Шахтах, Новочеркасске. Предложенные алгоритмы преобразования существующих информационных сетей доведены до практической реализации и были использованы при построении информационно-управляющей сети ООО "Цифровые телефонные сети". Также по результатам диссертационной работы разработанна программа быстрого декодирования разделённых помехоустойчивых блочных кодов Боуза-Чоудхури-Хоквингема, которая используется в системе контроля радиоэфира.

Апробация работы. Основные результаты работы докладывались и обсуждались на Всероссийской научной конференции студентов и аспирантов "Радиоэлектроника, микроэлектроника, системы связи и управления" (г.Таганрог, 1997 г.), Межрегиональной научно-практической конференции "Проблемы экономики регионов России" (г. Гуково, 1998 г.), III межгосударственной научно-практической конференции "Экономико-организационные проблемы проектирования и применения информационных систем" (г. Ростов-на-Дону, 1998 г.), Всероссийской научно-технической конференции с международным участием "Компьютерные технологии в инженерной и управленческой деятельности" (г. Таганрог, 1998 г.),

-10-

Межрегиональной научно-практической конференции студентов и молодых учёных "Экономические проблемы становления товарного рынка" (г. Ростов-на-Дону, 1999 г.)

Публикации. По результатам диссертационной работы опубликовано 6 печатных работ. Кроме того, тезисы доклада на XV Международной конференции "Информационные технологии в задачах математического моделирования" были помещены в Internet по адресу http://www.ict.nsc.ru/comp_tech/abstracts/

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения* четырех глав и заключения. Диссертация изложена на 162 страницах, из них 7 страниц приложений, 147 страниц основного текста. Содержит 30 рисунков. Список использованных источников включает 96 наименований.

В результате проведённых исследований предложена структурная схема оборудования для узлов коммутации сетей с трансляцией ячеек. Разработаны методы анализа функционирования коммутационного узла, обеспечивающего работу распределённой вычислительной системы на базе сетей с интеграцией разнородного трафика. При этом вопросы распределения задачи по отдельным ЭВМ и управление вычислительным комплексом не рассматриваются.

1. ИССЛЕДОВАНИЕ СОВРЕМЕННЫХ СЕТЕВЫХ ТЕХНОЛОГИЙ С ИНТЕГРИРОВАННЫМ ОБСЛУЖИВАНИЕМ

1.1. Анализ решаемого класса задач

1.1.1. Природа телеобработки

Существуют две основные причины для посылки заданий и данных на удалённую машину. Первая из них заключается в недостаточной мощности местной машины: может оказаться, что для обработки. необходима большая вычислительная мощность. Вторая причина состоит в том, что необходимые данные могут храниться где-то на удалённой машине. [4] Многие коммерческие задачи - основная пища индустрии обработки данных - не требуют большой вычислительной мощности. Они могут обрабатываться небольшими компьютерами или группами терминалов с контроллерами в месте размещения пользователя. Следовательно, главная причина телеобработки в коммерческой сфере связана не с проблемой получения вычислительной мощности, а с проблемой получения данных.

Несколько иначе дело обстоит при использовании вычислительной техники для решения научных задач. Несмотря на бурное развитие аппаратных средств и существование большого числа разнообразных архитектур, существует ряд областей, в которых либо нет возможности получить решение с приемлемыми затратами, либо желательны другие методы и средства решения. [5,6,7] К ним относятся как традиционные вычислительные задачи такие как решение систем линейных алгебраических уравнений (СЛАУ), задачи в частных производных, обработка слабообусловленных матриц и т. п., так и новые задачи управления, связанные с проблемой искусственного интеллекта.

Требования к быстродействию со стороны таких задач превысили возможности существующих машин. Тем не менее, сохранилась возможность достижения цели путём распределения функций между несколькими машинами. [8] Развитие технологии СБИС [9] привело к росту производительности персональных компьютеров и созданию "desk-size" суперкомпьютеров. Однако, требования, предъявляемые прикладными задачами и программным обеспечением к числу выполняемых в секунду команд, растут намного быстрее, чем производительность самых мощных разрабатываемых машин. До настоящего момента развитие обработки задач на территориально-распределённых вычислительных комплексах сдерживалось отсутствием сетевых «технологий, обеспечивающих необходимые параметры транспортной подсистемы вычислительного комплекса.

В принципе, аргументы "за" и "против" распределённой обработки в некоторой конкретной системе распадаются на три группы, касающиеся обработки, хранения данных и управления. Каждая из этих групп требует особого рассмотрения. Могут быть аргументы "за" централизацию одних данных и рассредоточение других, причём они могут не совпадать с аргументами в пользу распределения собственно обработки. Наконец, в системе может быть в большой степени территориально рассредоточена обработка, а общие механизмы управления локализованы. В данной работе рассматривается возможность организации транспортной подсистемы территориально-распределённого вычислительного комплекса.

1.1.2. Влияние параллельной обработки на эффективность решения

задачи.

Проанализируем требования, предъявляемые к аппаратуре для решения ряда задач типовых классов. При этом необходимо учесть два основных

требования: существование эффективного параллельного алгоритма решения задачи и возможность территориально рассредоточенной обработки.

1.1.2.1. Обработка изображений. Компьютерная обработка изображений проводится с целью их коррекции и извлечения определенной информации. Характер и цель такой обработки определяются конкретной областью применения (системы обработки банков видеоданных, системы технического зрения управляющих систем, и т. д.). Это может быть коррекция искажений, выявление и классификация объектов изображения, определения структуры и взаимосвязей представленных объектов, построение трёхмерных пространственных образов, и многое другое.

Характерным отличием цифровой обработки изображений является большой объём вычислений и передаваемых данных. Чаще всего изображения задаются цифровой функцией Щ,]) в виде двумерного массива. [10] Элементы цифрового изображения (пикселы) в ьм столбце и ,)*-й строке могут быть заданы как бинарные чёрно-белые (две градации), многоградационные (например, 256 градаций) или в виде многоградационного вектора (например, 256 градаций по каждой из составляющих - красной, зелёной и синей). Среднее изображение содержат 1024x1024 элементов, что для цветного варианта требует хранения 3 Мбайт информации. [11,12] В случае обработки трёхмерных изображений эта цифра возрастает на порядки. При построении систем слежения и управления, основанных на анализе видеоданных, например спутниковые системы, к этим объёмам добавляется ещё и значительная скорость поступления информации. Для переработки таких объёмов информации в режиме реального времени требуется значительная вычислительная мощность. [13]

Таким образом, для эффективной работы с алгоритмами обработки изображения и равномерной загрузки оборудования, желательно иметь возможность параллельного проведения вычислений с адаптацией к требованиям конкретной задачи.

-141.1.2.2. Вычислительные задачи. Решение матричных задач [14] является классическим примером применения матрично-потоковых систем. Решение систем линейных алгебраических уравнений (СЛАУ) вида Ах=Ь с невырожденной матрицей А размера тхп, задача расчёта распространения волны, задачи геофизики, молекулярной биологии, обтекания тела жидкостью или газом, задача тепло-массо переноса - всё это задачи большой операционной сложности, требующие быстродействия системы порядка 106 - 109 оп/сек. [15] При этом проблема точности вычислений остаётся весьма актуальной.

При решении дифференциальных уравнений уменьшение шага дискретизации резко повышает время расчёта. Это относится не только к краевым задачам, решение которых сводится к решению СЛАУ, но и к дифференциальным задачам с начальными условиями. При этом требования к точности вычисления могут сильно изменяться в ходе решения. Так, для задач сейсморазведки характерны большие объёмы вычислений (при размерах исследуемой поверхности около 500x500 км - порядка 1010 разностных точек) при высокой неравнвмерности их информативности. Основную информацию по структуре и составу породы получают в точках разломов, где требуется расчёт по иным формулам и с иной точностью. Остальная площадь может быть рассчитана загрублённо. Реализация данной задачи на распределённом вычислительном комплексе позволяет разделить её на подзадачи. При этом одновременно достанется двойная выгода. Во-первых, возможно выполнение расчётов для точек с высокой информативностью на быстродействующих ЭВМ и с использованием более точных алгоритмов. Во-вторых, время решения задачи существенно уменьшится из-за применения параллельной обработки расчётного поля.

Вообще всё вышесказанное можно отнести к большинству вычислительных задач. К примеру, для задачи обтекания также характерна информативная неравномерность различных точек исследуемой области; при решении задач, связанных с разработкой нефтяных месторождений, требуется

на каждый момент расчетного времени определить поле давлений в нефтяном пласте. [6] Использование распределённой обработки позволит значительно сократить временные и аппаратные затраты на реализацию вычислительного процесса за счет оптимального распределения вычислительной мощности для различных областей и граничных условий. Рассмотрим сказанное на примере конкретных задач.

1.1.3. Решение уравнений вязкого газа на подвижных сетках

При численном моделировании уравнений газовой динамики (уравнений Навье-Стокса), описывающих обтекание тел вязким сжимаемым теплопроводным газом для повышения точности расчётов обычно используются преобразования координат, сгущающие узлы разностной сетки в области больших градиентов. Решение таких систем линейных алгебраических уравнений на однопроцессорной ЭВМ требует больших затрат времени. Для сокращения времени расчёта используют распараллеливание вычислений по разностной схеме [16].

В этом случае полные уравнения газовой динамики для сверхзвукового потока с учётом эффектов вязкости и теплопроводности газа могут быть представлены в векторной форме в виде расщепления по физическим процессам и пространственным переменным:

О!

где ^ - вектор с компонентами (р, и, V, е), р - плотность газа; и, V - проекции вектора скорости на оси координат х, у; 8 - внутренняя энергия газа.

Дифференциальные матричные операторы О] и учитывают члены переноса и вязкие члены в направлениях х и у соответственно, а П3 и ■ члены с давлением в уравнениях движения и члены вида сНу у в уравнениях

неразрывности и энергии по каждому направлению, где v- вектор скорости с компонентами u, v. Оставшиеся члены уравнения учтены в BW, где BW -вектор с компонентами (Нр, Hu, Hv, Не). Hq, где q=p, u, v, s, являются функциями параметров р - давления, р - плотности, Т - температуры, |ii и С, - коэффициентов вязкости, х - коэффициента теплопроводности Нь Н2, Н3 - коэффициентов Ляме, а также частных производных первого и второго порядка по пространственным координатам х, у от различных комбинаций данных параметров. Конкретный вид функций не приводится из-за громоздкости выражений.

Для замыкания системы (1.1) заданы уравнение состояния: р=р(р, в) (1.2)

и законы зависимости коэффициентов вязкости и теплопроводности от температуры:

р=ц(Т),С=С(Т),х=х(Т).(1.3)

В качестве вычислительной системы применяют вычислительный комплекс из п машин, связанных двунаправленными каналами связи. Каналы могут функционировать независимо от машин. Для оценки эффективности параллельного решения задачи применяют показатель: [17]

п

где Ti - время решения задачи на 1 машине, Тп - время решения на п машинах, к(0) - коэффициент пропорциональности (0<к(О)<1), характеризующий относительную долю времени работы процессора ЭВМ; 0 - отношение tnep времени передачи по каналу связи (включая времена постановки данных в очередь на передачу в исходном узле и выборки из очереди в выходном узле) и ton - времени обработки в ЭВМ. По оценкам, проведённым в [17], коэффициент к(0) обратно пропорционален 0 и составляет в среднем 0,6.

При этом эффективность функционирования комплекса зависит от способа обработки данных, степени адекватности вложения структурной схемы алгоритма в структуру комплекса и числа машин. [18]

Однако, как было показано в [17]

Нт к(@) = 1.

©->о

Таким образом, при использовании высокоскоростных каналов передачи данных, становится возможным повысить эффективность работы вычислительного комплекса.

1.1.4. Задача моделирования разработки нефтяного месторождения

Решение задачи разработки нефтяного месторождения (РНМ) сводится к моделированию процесса разработки неоднородного нефтесодержащего пласта произвольной формы, дренированного скважинами с заданным режимом работы с целью оптимизации последнего. [7]

При этом решается система нелинейных дифференциальных уравнений в частных производных и задача двухфазовой фильтрации несжимаемой жидкости в нефтеносном пласте в системе скважин без учета гравитационных и капиллярных сил, которая может быть сформулирована следующим образом. [6]

6х

/ . КН ! "-в

* Л

кН

ч^н М-ву

5 (к*в тт 5иЛ

---Н —

&Ч|1В 5ху

Ш 5х

+

5у

Кн

* Л

кН

би

+ ■

5у

'к^би

кв

чИн Иву

Л тт О^Д

= -шН в

Ив 6У

5у

бсУг

= 0

/

51

(1.4)

при начальных ав = ов (х,у,0)

и граничных: и| = и(х,у,1:), ав|г = ав(х,у,0 условиях,

где и - давление в нефтеносном пласте, св- водонасыщенность нефтяного пласта, к - гидродинамическая проницаемость среды, к^ и кв - относительные фазовые проницаемости соответственно нефти и воды, цн и - вязкость нефти и воды соответственно, ш - пористость среды, Н - мощность (толщина) пласта.

Очередной цикл решения начинается с вычисления фазовых проницаемостей по значениям водонасыщенности, полученным на предыдущем цикле, либо по начальному их значению, если выполняется первый цикл вычислений. Расчет фазовых проницаемостей выполняется по эмпирическим зависимостям, в частности, в виде полинома: кн =а1ст|+Ь1СТв- + с1ав+<11 . кв =а2а3в+Ь2<4+с2ав+(12 где а^Ь^с^ф (1=1,2) - коэффициенты, постоянные для конкретной задачи.

Далее вычисляется значение функции Бакалея-Леверетта, характеризующее в данном случае долю воды в общем потоке, и равное:

ц0кв + кн ц.в

Для этой функции исходными данными служат значения фазовых проницаемостей и |10. По полученным значениям определяются гидродинамические проводимости между соседними узловыми точками для всего поля области решения задачи по формуле:

В

(¡-У)

(¡-У)

л * л

кв

*

ЧУ)

к(У)Н(У)

л * \

кв

*

^ ЛУ)

и выполняется очередной шаг моделирования уравнения (1.4) (решение его методом сеток). Фактически, вычисляются значения давлений во всех узловых

точках сеточной области, которой заменяется непрерывная среда, с использованием пятиточечного шаблона по формуле:

Ufr'j * Gf-y + U^+ij * Ggj + ua * Gy-i + U^! * Gf,j + (Ejj * GyVIjj) G^ + Gu+GL-i+GL + Gb

где и|Гд; Uj^y; Uy.1,; Ufj], - значение давлений в соседних точках; G^jiGyG^jG^Gfj - параметры среды; ELJ *G[ |(gi1| фо) - граничное условие первого рода; Iy (g| j ф о) - граничное условие второго рода.

Задача РНМ имеет высокую вычислительную стоимость. Например, для области на 50000 точек и периода разработки 20 лет с шагом 15 суток, расчет на суперЭВМ CDC-6600, CDC-7700 обходится в 15-20 тысяч долларов. [5] При этом режим работы ЭВМ достаточно "жесткий": так, для "Сгау-1" время расчета - около 110 минут, а среднее время бесперебойной работы этой машины - 2 часа. [19] На практике это приводит к снижению расчетного периода до 5-8 лет и временных шагов до 30-40 дней, уменьшению точности разностных схем и т. д. Основное машинное время (до 90%) на каждом шаге затрачивается на расчет поля давлений в неоднородном нефтесодержащем пласте, т. е. на решение линейной краевой задачи с произвольно заданными в пространстве граничными условиями первого, второго и третьего рода и произвольной конфигурацией границы неоднородной области. Эти особенности задачи вызывают повышенные требования к величине относительной невязки р получаемых величин (р<10~6-П0~7) для обеспечения условий соблюдения материального баланса и устойчивости решения во времени. Решение задач РНМ методом "дискретное пространство - дискретное время" осложняется еще и тем, что при увеличении размерности задач РНМ резко возрастают требования к вычислительной мощности и точности используемых ЭВМ. [5] Рассмотрим теперь несколько подробнее, каким

Заключение диссертации по теме «Телекоммуникационные системы и компьютерные сети», Борец, Борис Юрьевич

4.4. Выводы

Разработана программная модель транспортной подсистемы вычислительного комплекса, позволяющая оценить основные параметры работы аппаратной и программной частей коммутатора без построения макета оборудования.

Приведены основные характеристики коммутационного оборудования при передаче высокоприоритетного трафика и доказано:

• в коммутаторе предложенной структуры не происходит потерь пакетов из-за переполнения буферов;

• длины очередей в вычислительной подсети не превышают значений полученных в результате теоретического расчёта по методике, описанной во второй главе диссертационной работы;

• средняя задержка передачи данных вычислительной подсети, полученная в результате моделирования удовлетворяет требованиям временной прозрачности сети и не превышает значений определённых теоретическим расчётом.

Разработанная программная модель показала общую эффективность решений, предложенных в диссертационной работе.

- 146 -ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В диссертационной работе рассмотрен набор теоретических и практических вопросов, посвящённых решению задачи создания программно-аппаратных средств построения территориальных сетей интегрального обслуживания. В ходе выполнения работы были получены следующие результаты:

1. Исследованы различные классы задач и показано, что вычислительные комплексы на базе территориально-распределённых вычислительных сетей обеспечивают повышенную эффективность решения за счёт сокращения расходов на организацию комплекса и увеличения загрузки ЭВМ, входящих в состав сети. Определены основные требования к транспортной подсистеме территориально-распределённого вычислительного комплекса. Исследованы возможности различных высокопроизводительных сетевых технологий и показано, что наиболее оптимальной для организации транспортной подсистемы территориально-распределённого вычислительного комплекса является технология с коммутацией ячеек (ATM).

2. На основании проведённых исследований предложен алгоритм организации транспортной подсистемы территориально-распределённого вычислительного комплекса на базе глобальной информационной сети. Разработана математическая модель трафика в широкополосных цифровых сетях интегрального обслуживания, учитывающая поток заявок пользователей различных служб и потребности служб в пропускной способности; аналитические соотношения для расчета необходимой пропускной способности цифровых трактов связи и производительности коммутаторов пакетов.

- 1473. Исследованы различные варианты размещения и организации буферных устройств в коммутационном оборудовании и доказано, что наиболее выгодным, с точки зрения эффективности использования ресурсов, является использование совместного буфера.

4. Проведены исследования существующих архитектурных решений коммутационного оборудования и разработана структурная схема одноэтапного коммутатора с общей памятью. Доказано, что данная структура позволяет минимизировать задержку при передаче высокоскоростных цифровых потоков по сравнению с существующими. Предложен способ масштабирования количества портов коммутатора, отличающийся от применяемых в настоящее время меньшими затратами оборудования и меньшим числом этапов коммутации.

5. Разработана программная модель транспортной подсистемы вычислительного комплекса, позволяющая оценить основные параметры работы аппаратной и программной частей коммутатора без построения макета оборудования; показана общая эффективность решений, предложенных в диссертационной работе.

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Борец, Борис Юрьевич, 1999 год

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Демидович Б. П., Марон Б. П., Шувалов Э. 3. Численные методы анализа. М.: Государственное издательство физико-математической литературы, 1962.

2. Шендеров Е. Л. Волновые задачи гидроакустики. Л.: Судостроение, 1972.

3. Шибанов В. С., Греков В. В. Новые телекоммуникационные технологии. Телекоммуникационные технологии. Вып. 1, 1995.

4. Мартин Дж. Вычислительные сети и распределённая обработка данных. Пер с англ. /Под ред. Штаркмана В. С. М.: Финансы и статистика. 1985.

5. Максимов М. М. О современных методах решения краевых задач. Электронное моделирование. №2, 1985.

6. Азиз X., Сеттари Э.. Математическое моделирование пластовых систем М.: Недра, 1.982.

7. Максимов М. М., Катков А. Ф., Романцев В. П., Щербаков Б. Д. Аналого-цифровой вычислительный комплекс, ориентированный на решение двухмерных задач разработки нефтяного месторождения. Электронное моделирование. Т. 2, №2,1987.

8. Мартин Дж. Системный анализ передачи данных. Т. 2. М.: Мир, 1975.

9. Компьютеры на СБИС : В 2-х книгах / Пер. с япон. Моотока и др. М.: Мир, 1988.

10. Василенко В. А. Сплайн-функции: теория, алгоритмы, программы. Новосибирск: Наука, 1983.

11. Эндерле Г. и др. Программные средства машинной графики. Международный стандарт GKS: Пер. с англ. / Г.Эндерле, К.Кэнси, Г.Пфафф. М.: Радио и связь, 1988.

12. Уилтон Р. Видеосистемы персональных компьютеров IBM PC и PS/2. Руководство по программированию: Пер. с англ. / Под ред. Григорьева В. Л, М.: Радио и связь, 1994.

13. Де Бор К. Практическое руководство по сплайнам: Пер. с англ. М.: Радио и связь, 1985.

14. Хейгман JL, Янг Д. Прикладные итерационные методы. Пер. с англ. М.: Мир, 1986.

15. Золотовский В. Е. Разработка теории и методов структурной организации функционально-ориентированных многопроцессорных систем с программируемой архитектурой. Диссертация на соискание ученной степени доктора технических наук, Таганрог, 1986.

16. Ковеня В. М., Яненко H. Н. Разностная схема на подвижных сетках для решения уравнений вязкого газа. - ЖВМ и МФ Т. 19, №1, 1979.

17. Корнеев В. В., Тарков М. С. Об организации параллельных вычислений при решении уравнений вязкого газа на подвижных сетках. В сб. Распределённая обработка информации (Вычислительные системы, вып. 105), Новосибирск, 1984.

18. Хорошевский В. Г. Анализ производительности вычислительных машин и систем. В сб. Распределённая обработка информации (Вычислительные системы, вып. 105), Новосибирск, 1984.

19. Wollis J. R., Crishum J. Petroleum reservior simulation on the Cray-1 and on the FPS-164. Computer. May, 1981.

20. Захаров Г. П. Статистика телефонной связи зарубежных стран. Техника средств связи. Сер. ТИС, вып. 1., 1989.

21. Захаров Г. П., Симонов М. Б., Яновский Г. Г. Службы и архитектура широкополосных цифровых сетей интегрального обслуживания. М.: Эко-Трендз. Сер. Технологии электронных коммуникаций. Том 41, 1993.

22. ITU-T. Recornendation 1.350. General Aspects of Quality of Service and Network Performance in Digital Networks. Including ISDN. 1988.

23. ITU-I. Recommendation G.164. Stability and Echo. Rev. 1, Geneva, 1991.

24. David E., McDysan, Darren L. Spohn. ATM: Theory and application. Mc Graw-Hill. 1994.

25. Шварц М. Сети связи: протоколы, моделирование и анализ. М.: Наука,

1992.

26. Боккер П. ISDN. Цифровая сеть с интеграцией служб. Понятия, методы, системы. М.: Радио и связь, 1991.

27. ITU-I. Recommendation 1.413. Basic User-Network Interface. Rev. 1, Geneva,

1993.

28. ITU-I. Recommendation 1.430. Basic User-Network Interface - Layer 1 Specification. Rev. 1, Geneva, 1993.

29. ITU-I. Recommendation 1.411. ISDN User-Network Interface - Refrence Configurations. Rev. 1, Geneva, 1993.

30. ITU-I. Recommendation 1.321. ISDN Protocol Refrence Model and its Application. Geneva, 1991

31. ITU-I. Recommendation 1.320. ISDN Protocol Refrence Model. Blue Book, Fascicle III.8, Geneva, 1988.

32. Волобуев В. Технология ISDN в информационных сетях. Сети. №2, 1997.

33. Мельников Д. Frame relay для профессионалов и не только. Сети. №10, 1997.

34. ITU-I. Draft Recommendation 1.555. Frame Relay Bearer Service Internetworking. Geneva, 1993.

35. Белов С. А. Практика построения ведомственных сетей Frame Relay в России. Сети. №5, 1997.

36. Кузнецов С. Б., Каплан В. В. Построение сети передачи данных на основе протокола Frame Relay. Сети. №6, 1996.

37. ITU-I. Recommendation G.707. Sinchronous Digital Hierarchy Bit Rates. Rev. 2, Geneva, 1993.

38. ITU-I. Recommendation G.708. Network Node Interface for Sinchronous Digital Hierarchy. Rev. 2, Geneva, 1993.

39. ITU-I. Recommendation G.709. Sinchronous Multiplexing Structure. Rev. 2, Geneva, 1993.

-15140. Слепов Н. Н. Синхронные цифровые сети SDH. М.: ЭКО-ТРЕНДЗ, 1997.

41. Симонов М. В. АТМ: Технология высокоскоростных сетей. М.: ЭКО-ТРЕНДЗ, 1997.

42. ATM Forum. 53 Bytes Newsletter. Volume 2. Issue 1. January, 1994.

43. ATM Forum. Native ATM Services: Semantic Description. Versión 1.0. 1996.

44. Симонов M. В. Технология XXI-го века. Read Me Magazine. №6-7, 1995.

45. ATM Forum. ATM User-Network Interface Specification. Versión 3.0. 1993.

46. ATM Forum. ATM User-Network Interface Specification. Versión 2.0. 1992.

47. Бриер Д., Хекарт К. Коммутируемые виртуальные каналы и их будущее. Сети. №3, 1997.

48. ATM Forum. LAN Emulation Over ATM. Versión 1.0. 1995.

49. Борец Б. Ю. Анализ протоколов и механизмов управления в современных высокопроизводительных сетях передачи данных. Материалы Всероссийской НТК студентов и аспирантов "Радиоэлектроника, микроэлектроника, системы связи и управления", Таганрог, ТРТУ, 1997, с. 146

50. Борец Б. Ю. Анализ сетевых технологий с точки зрения возможности построения распределённой вычислительной системы для решения задач математической физики. Материалы Всероссийской НТК с международным участием "Компьютерные технологии в инженерной и управленческой деятельности", Таганрог, ТРТУ 1998, с. 151-155

51. Борец Б. Ю. АТМ - перспективная технология для глобальных сетей с интегрированным обслуживанием. Материалы межрегиональной научно-практической конференции "Проблемы экономики регионов России", II часть , Ростов-на-Дону, РГЭА, 1999, с. 77-91

52. Макстеник М. Сравнение сетевых архитектур. Сети. № 2, 1997.

53. АТМ Forum. Network Management. AAL Management for the M4 NE View Interface. 1997.

54. Kyo Ф. Ф. Протоколы и методы управления в сетях передачи данных. М.: Радио и связь, 1985.

-15255. ATM Forum. Integrated Local Management Interface (ILMI) Specification. Versión 4.0. 1996.

56. Мещеряков С. П., Симонов М. В. Технология АТМ - решение проблемы создания единого информационного пространства. В сб. Развитие телекоммуникации Северо-Западного региона. С.-Пб. 1996.

57. Греков В. В., Мещеряков С. П.;, Симонов М.В. Региональные сети связи на технологии АТМ. Сб. науч .тр. С.-Пб.: РИ-95. 1995.

58. Греков В. В., Симонов М. В., Шибанов В. С. Математическое моделирование основных процессов транспортирования информации в ШЦСИО. Сб. науч. тр. С.-Пб.: РИ-95. 1995 г.

59. АТМ Forum. АТМ Ñame System Specification. Versión 1.0. 1996.

60. Блейхут Р. Теория и практика кодов, контролирующих ошибки. Пер. с англ. М.: Мир, 1986.

61. Клейнрок JI. Теория массового обслуживания. М.: Машиностроение, 1979.

62. Жожикашвили В. А., Вишенвский В. М. Сети массового обслуживания. Теория и применение к сетям ЭВМ. М.: Радио и связь, 1988.

63. Филлипс Д., Гарсиа-Диас А. Методы анализа сетей. М.: Мир, 1984.

64. Борец Б. Ю. Математическая модель АТМ коммутатора. Материалы межрегиональной научно-практической конференции студентов и молодых учёных "Экономические проблемы становления товарных рынков", Ростов-на-Дону, РГЭА, 1999.

65. Garcia-Haro J., Jajszczyk А. АТМ Shared-Memory Switching Architectures. IEEE Net. July/August, 1994.

66. Клейнрок Л. Коммутационные сети. Стохастические потоки и задержки сообщений. Пер. с англ. М.: Наука, 1970.

67. Клейнрок Л. Вычислительные системы с очередями. Пер. с англ. М.: Наука, 1979.

68. Математическая энциклопедия. Под ред. Виноградова И. М. М.: Советская энциклопедия. Т. 1-5 , 1985 .

70. Пискунов Н. С. Дифференциальное и интегральное исчисления для втузов. М.: Физматгиз, 1962.

71. Феллер В. Введение в теорию вероятностей и её приложения. Т. 1. М.: Мир, 1984.

72. Теория телетрафика. Пер. с нем. /Под ред. Башарина Г. П. М.: Связь, 1971.

73. Захаров Г. П., Смирнов М. В. Влияние надёжности участка сети передачи данных на время доставки кадра данных. Техника средств связи. Сер. ТПС, вып. 10, 1990.

74. Rooholamini R., Cherkassky V. Finding the Right ATM Switch for the Market. Computer. Apri,l 1994.

75. Вентцель E. С. Теория вероятностей. M.: Наука, 1968.

76. Золотовский В. Е., Борец Б. Ю. Коммутаторы для организации территориально распределённых информационных систем. Материалы 3-й межгосударственной научно-практической конференции "Экономико-организационные проблемы проектирования и применения информационных систем", Ростов-на-Дону, РГЭА, 1998.

77. Лившиц Б. С., Фридлин Я. В., Харкевич А. Д. Теория телефонных и телеграфных сообщений. М.: Связь, 1971.

78. Захаров Г. П., Ревельс В. П., Симонов М. В., Греков В. В. Статистическое уплотнение цифровых трактов связи. Техника средств связи. Сер. ТПС, вып. 4, 1990.

79. DePrycker М. Asynchronous Transfer Mode: A solution for the broadband ISDN. Ellis Horwood. 2nd edition, 1993.

80. Пийль E. И. Об одном подходе к описанию и организации взаимодействия параллельных процессов. В сб. Распределенные системы передачи и обработки информации. М. Наука 1985.

-15481. Newman P. A Fast Packet Switch for the Integrated Services Backbone

Network. IEEE J. V. 6, №9, Dec. 1988.

82. Eng K. Y, Karol M. J. and Yeh Y.-S. A Growable Packet (ATM) Switch Architecture: Design Principles and Applications. IEEE Trans. Commun. Vol. 40, Feb. 1992.

83. Тобаги Ф. А. Архитектуры высокоскоростных коммутаторов пакетов для широкополосных цифровых сетей интегрального обслуживания. ТИИЭР. №1, 1990.

84. Weng С. Н., Li J.-J. Solution for Packet Switching of Broadband ISDN. IEEE Proc., Octouber 1991,

85. Yoon H., Liu M. and Lee K. The Knock-out Switch under Nonuniform Traffic. IEEE Press, 1988.

86. Kuwahara H. A Shared Buffer Memory Switch for an ATM Exchange. IEEE J. June, 1989.

87. Борец Б. Ю. "Архитектура ATM коммутаторов с разделяемой памятью", депонированная статья в ВИНИТИ №1503-В98 от 19 мая 1998.

88. Корнеев В. В., Монахов О. Г. О децентрализованном распределении заданий в вычислительных системах с программируемой структурой. Электронное моделирование, №6, 1981.

89. Евреинов Э.В., Хорошевский В. Г. Однородные вычислительные системы. Наука: Новосибирск, 1978.

90. Барский А. Б. Планирование параллельных вычислительных процессов. М.: Машиностроение, 1980.

91. Вайрадян А. С., Коровин А. В., Удалов В. Н. Эффективное функционирование управляющих мультипроцессорных систем. М.: Радио и связь, 1984.

92. Потапова Ю. Н. О распределении пакета задач по машинам вычислительной системы В сб. Распределённая обработка информации (Вычислительные системы, вып. 105), Новосибирск, 1984.

-15593. Бусленко И. П. Моделирование сложных систем. М.: Наука, 1968.

94. Монахов О. Г., Монахова Э. А. Организация межмашинных взаимодействий в вычислительной системе с программируемой структурой МИКРОС. В сб.: Распределённая обработка информации (Вычислительные системы, вып. 105). Новосибирск, 1984.

95. Вейцман К. Распределённые системы мини- и микро- ЭВМ. М.: Финансы и статистика, 1983.

96. Корнеев В. В., Монахов О. Г., Тарков М. С. Ядро операционной системы ЭМ вычислительной системы с програмируемой структурой. В сб. Однородные вычислительные системы. (Вычислительные системы вып. 90) Новосибирск, 1981.