Метод и алгоритм быстрой коммутации каналов устройств асинхронной передачи данных тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.13.16, кандидат технических наук Десятов, Владимир Борисович

• Десятов, Владимир Борисович
• кандидат технических наук
• 1999

Оглавление диссертации кандидат технических наук Десятов, Владимир Борисович

Список сокращений.

Введение.

Глава 1. Состояние вопроса и постановка задачи исследований.

1.1 Основные понятия и определения.

1.2 Способы объединения сетей.

1.3 Проблема повышения пропускной способности в объединенных сетях.

1.4 Метод быстрой коммутации каналов асинхронных портов.

1.4.1 Сущность метода.

1.4.2 Критерий эффективности метода.

1.4.3 Постановка задачи исследования.

1.4.4 Стратегия решения задачи.

1.5 Выводы.

Глава 2. Построение и исследование натурной модели.

2.1 Построение натурной модели коммутационной сети.

2.1.1 Определение компонент натурной модели.

2.1.2 Устройства асинхронной передачи данных.

2.1.3 Физические линии и модемы.

2.1.4 Коммутатор.

2.1.4.1 Коммутационная матрица.

2.1.4.2 Структурная схема коммутатора.

2.1.5 Алгоритм коммутации.

2.2 Проведение экспериментов на натурной модели.

2.2.1 Цели проведения экспериментов.

2.2.2 Условия проведения экспериментов.

2.2.3 Результаты проведения экспериментов.

2.3 Обоснование построения имитационной модели для проведения дальнейших исследований.

2.4 Выводы.

Глава 3. Построение и исследование имитационной модели коммутационной сети.

3.1 Выбор языка моделирования.

3.2 Построение и оценка адекватности имитационной модели.

3.3 Проведение имитационных экспериментов и анализ результатов

3.3.1 Планирование экспериментов.

3.3.2 Оптимизация показателя эффективности коммутации.

3.3.3 Оптимизация показателя баланса.

3.4 Выводы.

Глава 4. Пример реализации метода быстрой коммутации.

4.1 Постановка задачи.

4.2 Функциональная схема сети.

4.3 Построение верхнего уровня.

4.4 Построение нижнего уровня.

4.5 Оценка эффективности сети.

4.6 Выводы.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Метод и алгоритм быстрой коммутации каналов устройств асинхронной передачи данных»

В настоящее время число объединенных в локальные вычислительные сети (LAN - Local Area Network) компьютеров неуклонно растет[39,42]. Для многих фирм становится характерным наличие нескольких LAN. Все более насущной задачей становится объединение отдельных LAN в одну систему обмена информацией[39,42].

Традиционные сетевые адаптеры позволяют объединять в сеть компьютеры, удаленные максимум на несколько километров (1-2 км) [4,29,34,39] Для объединения LAN, отстоящих друг от друга на большем расстоянии применяют различные глобальные сети (WAN -Wide Area Network)[39].

Одной из важных проблем в объединении LAN является разница между скоростями LAN и WAN сред[39,42,43]. В $ подавляющем большинстве скорости LAN на 1-3 порядка больше скоростей WAN[42]. Большие задержки в WAN не позволяют эффективно использовать многие сетевые приложения[39,43,45]. Постоянное увеличение мощности компьютерных систем, появление новых клиент-серверных и мультимедийных приложений, работающих в сети, все больше повышают актуальность проблемы увеличения пропускной способности WAN[42].

Технические предпосылки решения этой проблемы существуют[ 10,17,22,24,28,42]. В настоящее время существует много различных технологий WAN скорости сред передачи которых превосходят даже скорости LAN сред[39]. Однако стоимость этих технологий WAN очень велика, что обусловлено как стоимостью самого оборудования так и стоимостью каналов[ 17,39,42]. Кроме того существуют старые оборудование и каналы данных, которые до сих пор используются[17,39].

При таких условиях важной задачей является повышение скоростей передачи WAN при стоимостных ограничениях и использования существующего оборудования и каналов данных.

В настоящее время в связи с большой распостраненностью телефонных каналов, отсутствием других каналов, либо их высокой стоимости, телефонная сеть является одной из самых используемых сред применяемых для объединения LAN[ 17,43].

Целью диссертационной работы является повышение эффективности объединения LAN посредством выделенных каналов телефонной сети.

Для этого в работе предлагается создать и исследовать новый метод построения объединительной сети, основанный на идее быстрой коммутации каналов.

Суть метода состоит в быстрой коммутации каналов устройств асинхронной передачи данных на короткое время, необходимое для передачи одного пакета LAN.

Предлагаемый метод позволяет увеличить скорость передачи пакетов за счет сокращения общего количества переходов, которые проходит пакет от одной LAN до другой.

В качестве устройств асинхронной передачи данных, выполняющих роль оконечного оборудования данных, в методе используются стандартные асинхронные порты. В качестве аппаратуры передачи данных применяются асинхронные физические модемы. Широкое распостранение и низкая стоимость этих устройств[17] вместе с минимально требуемым количеством выделенных телефонных линий, необходимых для построения объединительной сети, повышают актуальность и эффективность этого метода.

Эффективность метода в общем случае определяется показателями времени коммутации и стоимостью коммутатора.

Телефонные коммутаторы образуют большие задержки соединения и поэтому не подходят для быстрой коммутации каналов[4,5,26]. Для реализации метода необходимо построить другой, быстрый коммутатор каналов.

Большое количество соединений в сети, образуемых в единицу времени, случайное время их удержания, множество схем взаимодействий станций, конкуренция, параллельность образования соединений характеризуют сеть, построенную на основе быстрой коммутации каналов как сложную систему реального времени и предъявляют высокие требования к надежности и времени работы алгоритмов коммутации.

Большое количество неопределенностей, высокая размерность, сложность взаимосвязей, многовариантность решений сделали необходимым проведение научных исследований при построении метода.

Построение метода осуществляется натурно-имитационным методом, т.е. с применением натурного и имитационного моделирования.

В качестве натурной модели в данной работе были реализованы физическая среда - коммутатор и алгоритм коммутации. Натурная модель позволила:

• определить физические компоненты и принципы построения коммутатора;

• построить алгоритм коммутации;

• получить грубую оценку показателя эффективности коммутации.

Для анализа работы коммутационной сети в полномасштабной конфигурации и последующей оптимизации алгоритмов коммутации использовалось имитационное моделирование. Построение имитационной модели сети осуществлялось на основе концепции параллельно исполняющихся и взаимодействующих между собой объектов. Эта концепция позволила наиболее адекватно отразить процессы коммутационной сети. Для повышения точности в имитационную модель были введены временные задержки, полученные с натурной модели. Имитационная модель позволила:

• исследовать работу сети в полномасштабной конфигурации при различных схемах взаимодействия;

• наблюдать и анализировать внутреннюю работу коммутатора;

• определить и оптимизировать факторы, влияющие на показатель времени коммутации;

• выявить необходимость алгоритма совместного использования среды;

• построить алгоритм совместного использования среды.

Новыми научными результатами диссертационной работы являются:

1. Обоснование нового способа повышения эффективности сетей передачи данных.

2. Создание метода быстрой коммутации каналов устройств асинхронной передачи данных.

3. Выявление эффекта блокирования в сетях быстрой коммутации каналов, а также разработка алгоритма, исключающего эффект блокирования.

Теоретическая значимость работы заключается в разработке методического аппарата проектирования сети быстрой коммутации каналов устройств асинхронной передачи данных.

Практическая значимость работы заключается в том, что созданный метод позволяет повысить эффективность объединения

LAN на основе телефонной сети в области действия асинхронных физических модемов.

Достоверность результатов диссертационной работы обосновывается:

• полнотой анализа существующей технологии объединения LAN;

• принципиальной работоспособностью натурного макета;

• полнотой и корректностью исходных данных для имитационного моделирования, полученных с помощью натурного макета;

• полнотой учета основных факторов и объектов коммутационной сети в имитационной модели;

• согласованностью результатов моделирования с результатами экспериментов, полученных на натурном макете.

С помощью разработанного метода быстрой коммутации устройств асинхронной передачи данных было произведено проектирование одноранговой коммутационной сети на основе операционной системы MS-DOS.

По материалам диссертации опубликованы три печатные работы[12,13,14].

Работа состоит из введения, четырех глав и заключения.

В первой главе вводятся основные понятия и определения сетевых технологий. Приводятся основные методы объединения LAN. Определяется проблема повышения эффективности объединения LAN. Предлагается способ повышения эффективности объединения LAN за счет применения метода быстрой коммутации каналов. Объясняется суть метода, показываются его преимущества, определяется критерий эффективности метода и задачи, которые необходимо решить для построения метода. Предлагается натурно-математический подход к решению этих задач.

Во второй главе определяются принципы и структура коммутационной сети, осуществляются выбор компонентов и построение алгоритма коммутации. Проводятся эксперименты для получения приближенных оценок работоспособности и эффективности метода с целью определения возможности дальнейшего построения метода с выбранными решениями. Обосновывается необходимость применения имитационного моделирования для дальнейшего построения метода.

В третьей главе определяется язык моделирования, осуществляется построение имитационной модели, проверяется адекватность модели и проводятся эксперименты на этой модели. На основе анализа результатов экспериментов определяются оптимальные параметры алгоритмов коммутации и осуществляется построение алгоритма совместного использования среды. Полученные в результате натурно-имитационного моделирования решения по принципам коммутации, принципам построения коммутатора, алгоритму коммутации и совместного использования среды составляют основу метода быстрой коммутации.

В четвертой главе описывается применение метода при проектирование одноранговой коммутационной сети в операционной системе MS-DOS. Полученные в этой сети оценки показателя эффективности коммутации подтверждают состоятельность метода.

В заключении изложены достигнутые результаты и описаны общие варианты применения метода.

Заключение диссертации по теме «Применение вычислительной техники, математического моделирования и математических методов в научных исследованиях (по отраслям наук)», Десятов, Владимир Борисович

4.5 Выводы.

1. Низкая стоимость сети, более широкий охват по сравнению с LAN, развитый сетевой сервис, более высокая скорость передачи по сравнению с маршрутизируемыми сетями, построенными на телефонных модемах, позволили получить эффективную сеть масштаба предприятия.

2. Приведенный пример показывает, что метод быстрой коммутации может применяться не только для построения межсетевого взаимодействия, но для построения конечных

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Метод быстрой коммутации каналов устройств асинхронной передачи данных, полученный в результате проведенных исследований, позволяет эффективно решить задачу объединения LAN в области действия асинхронных физических модемов(до 40км). Это решение основано на построении некоторой коммутационной сети, которая является объединяющей средой LAN.

Метод определяет полностью физический уровень и подуровень доступа к среде канального уровня.

Эффективность метода обосновывается показателями эффективности коммутации и стоимости. С одной стороны низкие временные затраты на коммутацию приближают показатель скорости передачи коммутационной сети к сети с коммутации каналов, т.е. к сети с максимальным количеством каналов. С другой стороны низкая стоимость коммутатора и применение только минимального количества каналов для построения коммутационной сети, приближают коммутационную сеть к стоимости сети с коммутацией пакетов с минимальным количеством каналов, т.е к наименьшей с точки зрения стоимости сети с коммутацией пакетов.

Коммутационная сеть, построенная на основе полученного метода, предоставляет услуги второго уровня модели OSI. Низкий уровень стека сетевых протоколов обеспечивает самый минимальный объем служебной информации в пакетах, переносимых LAN трафик вдоль коммутационной сети. Коммутационная сеть не налагает ограничений на уровень к которому относится переносимый пакет и его размер. В сети могут туннелироваться как пакеты канального уровня, так и сообщения прикладного уровня. Для сокращения времени реакции в интерактивных приложениях и снижения задержек

135 в мультимедийных, пакеты большой длины могут разбиваться на более мелкие части для передачи по коммутационной сети.

Метод может быть реализован в составе моста, маршрутизатора или межсетевого интерфейса.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Десятов, Владимир Борисович, 1999 год

1. Андрианов А.Н.,Бычков С.П.,Хорошилов А.И. Программирование на языке Симула-67.-М.: Наука, 1985.-288с.

2. Бейкер Ф., Как работают маршрутизаторы. LAN, 1997,2.

3. Бертсекас Д.,Галлагер Р. Сети передачи данных: Пер. с англ.-М.: Мир, 1989

4. Блэк Ю. Сети ЭВМ. : Пер. с англ. : М. Мир, 1990.

5. Боккер П. Передача данных.: Пер. с нем.: -М. Связь

6. ВентцельЕ.С. Исследование операций. М.: Советское радио, 1972.

7. Вентцель Е.С. Исследование операций; задачи, принципы, методология. М.: Наука, 1988.

8. Вентцель Е.С., Овчаров JI.A. Теория вероятностей и ее инже нерные приложения. М.: Наука, 1988.

9. Гнеденко Б.В., Коваленко И.Н. Введение в теорию массового обслуживания.-М: Наука, 1966.

10. Ю.Ганьжа Д., Маршрутизаторы в распределенных сетях. LAN, 1997,5.

11. Ганьжа Д., Коммутация KaHanoB.LAN, 1997,7.

12. Десятов В.Б. Метод дискретной коммутации устройств асинхронной передачи данных: "Программные продукты и системы" Международное научно-практическое издание. N2,1999.

13. Десятов В.Б., Местецкий J1.M. Имитационное моделирование дискретной коммутации устройств асинхронной передачи данных. Ученые записки :ТГУ , Тверь 1996.

14. И.Десятов В.Б., Местецкий Л.М Имитационное моделирование в среде Borland Pascal. Программные и технические средствамедико-биологических и технических систем : Сборник научных трудов ТГТУ 1999.

15. Дженнингс Ф. Практическая передача данных.: -М.Мир,1989.

16. Джордейн Р. Справочник функций ОС MS-DOS.: Пер. с англ. -М: Радио и связь., 1992.

17. Евдокименко Е., Обзор российского рынка модемов для физических линий. Сети, 1997,7.

18. Кристиан. К. Программирование на языке Модула-2. : Пер. сангл. Мир, 1990.

19. Киндлер Е. Языки моделирования.: Пер. с чеш.-М.:Энергоатомиздат,1985

20. Клейнрок JI. Вычислительные системы с очередями.-М.:Мир. 197921 .Клейнен Дж. Статистические методы в имитационном моделировании, тт. 1,2. : Пер. с англ. -М: Статистика, 1978.

21. Коммутатор или маршрутизатор. PC Magazine, 1997,18.

22. Крейнес А., ARIS-технология коммутации третьего уровня. Сети, 1998,3.

23. Кульгин М., Коммутация как маршрутизация. LAN, 1997,8.

24. Нанс Б. Программирование в локальных сетях. : Пер. с англ. ТОО ИБС, 1992.

25. Мартин Дж. Вычислительные сети и распределенная обработка данных. : Пер. с англ. : М. Финансы и статистика, 1986.

26. Модем для физических линий М-115. фирма Zelax, Россия.

27. Подольный Е.,Модемы для корпоративных магистралей и узлов. Сети, 1998,1.

28. Протоколы информационно-вычислительных сетей. Справочник под ред. Мизина И.А., 1990.

29. Райе JI. Эксперименты с локальными сетями микроЭВМ: Пер. с англ.-М.: Мир, 1990.

30. Саати T.JI. Элементы теории массового обслуживания.: Пер. с англ. М.: Советское радио,1971.

31. Шеннон Р. Имитационное моделирование систем искусство и наука.: Пер. с англ. - М.: Мир, 1978.

32. Шрайбер Т.Дж. Моделирование на GPSS.: Пер. с англ.-М.: Машиностроение, 1980.

33. Щербо В.К. и др. Стандарты по локальным сетям.: М. Радио и связь, 1990.

34. Хаммел Р.Л. Последовательная передача данных. : Пер. с англ. -М. Мир, 1996.

35. Характеристики модемов для физических линий, фирма Zelax, Россия.

36. Флинт Д. Локальные сети ЭВМ: архитектура, принципы построения, реализация.-М: Финансы и статистика. 1986.-359с.,ил.

37. Ямпольский В.З.,Комагоров В.П.,Солдатов В.Н. Моделирование сетей передачи и обработки информации.-Новосибирск.: Наука, 1986.-136с.

38. Internetworking Design Guide. CISCO Syst,1998.

39. Layer 3 Switching. 3Com Technical Papers, 1998.

40. Product Catalog. RAD DATA Communications Ltd., 1998.

41. Internetworking Techology Overview. CISCO Syst., 1997.

42. Celia Joe, Dual Analog Technology. 3Com Techical Papers., 1997.

43. D. Comer, Internetworking with TCP/IP. Prentice Hall, 1993

44. Boundary Routing System Architecture. 3Com Technical Papers., 1996.