Разработка и исследование моделей оценки производительности коммуникационных протоколов для каналов с помехами тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.13.18, кандидат наук КУШНАЗАРОВ ФАРРУХ ИСАКУЛОВИЧ

• КУШНАЗАРОВ ФАРРУХ ИСАКУЛОВИЧ
• кандидат наук
• 2016

Оглавление диссертации кандидат наук КУШНАЗАРОВ ФАРРУХ ИСАКУЛОВИЧ

ВВЕДЕНИЕ

1. ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ РАЗРАБОТКИ МЕТОДОВ ОЦЕНКИ ПРОИЗВОДИТЕЛЬНОСТИ СЕТЕВЫХ ПРОТОКОЛОВ КАНАЛЬНОГО УРОВНЯ

1.1. Помехи. Влияние помех на процесс передачи данных на канальном уровне ЭМВОС

1.2. Виды каналов передачи данных и их классификация

1.3. Анализ существующих методов оценки производительности протоколов канального уровня

1.4. Современное состояние каналов передачи данных на железнодорожном транспорте

1.4.1. Применение радиоканалов в современных системах ЖАТ

1.5. Анализ помехоустойчивости каналов передачи данных на

железнодорожном транспорте

1.6. Постановка задачи исследования

Выводы по первой главе

2. РАЗРАБОТКА МОДЕЛИ ОЦЕНКИ ПРОИЗВОДИТЕЛЬНОСТИ

2.1. Анализ влияния параметров на производительность протоколов канального уровня

2.2. Определение реальной скорости передачи данных в зашумленных каналах связи

2.3. Зависимость реальной скорости передачи данных от метода (организации) ретрансмиссии кадров

2.4. Условия оптимизации реальной скорости передачи данных в стандартных

протоколах канального уровня

Выводы по второй главе

3. ПОМЕХОУСТОЙЧИВОЕ КОДИРОВАНИЕ В КАНАЛАХ ПЕРЕДАЧИ ДАННЫХ

3.1. Применение помехоустойчивого кодирования в протоколах канального уровня

3.2. СЯС-коды. Влияние вида порождающего полинома на качество обнаружения ошибок в кадрах

3.3. Сверточные коды. Описание и характеристики сверточных кодов. Оценки исправляющих характеристик алгоритма Витерби. Выбор правильного пути

3.4. Использование помехоустойчивых кодов для протоколов канального

уровня как инструмент повышения производительности

Выводы по третьей главе

4. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ПРОИЗВОДИТЕЛЬНОСТИ ПРОТОКОЛОВ КАНАЛЬНОГО УРОВНЯ

4.1. Формальная модель экспериментального исследования

4.2. Этапы и элементы измерительных экспериментов

4.3. Формирование потока ошибок в передаваемых кадрах

4.4. Интерпретация результатов измерений

Выводы по четвертой главе

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

ПРИЛОЖЕНИЕ

ПРИЛОЖЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ

Вопросы оценки производительности коммуникационных протоколов вычислительных сетей исследуются с середины прошлого столетия, и полученные методические и теоретические результаты [14-17, 48, 51, 58] не охватывают все аспекты, возникающие при передаче данных в каналах связи, подверженных воздействию помех.

Работы таких ученых, как Авен О.И., Велихов Е.П., Вишневский В.М., Гурин Н.И., Коган Я.А., Кузнецов H.A., Петрова И.Ю., зарубежных ученых Байцера Б., Феррари Д., Клейнрока Л, Купмана П., Халсалл Ф. и др. внесли вклад в развитие методов оценки производительности вычислительных сетей.

Снижение производительности протоколов канального уровня приведет к задержкам или даже потере передаваемых данных. В свою очередь, задержки в каналах передачи данных в системах реального времени могут привести к опасным последствиям. Основной причиной, снижающей производительность протоколов канального уровня, является наличие помех в каналах связи. Помехи могут быть как преднамеренными (помехи создаются злоумышленниками), так и непреднамеренными. В настоящее время значительное количество сетей реализуется на основе беспроводных каналов связи, в том числе сетей на железнодорожном транспорте (GSM, TETRA, CDMA и др.). Как известно, беспроводные каналы связи больше подвержены воздействию помех, нежели проводные каналы, в связи с этим вопрос изучения влияния помех на производительность протоколов канального уровня является особенно актуальным для них.

Многосторонний анализ производительности коммуникационных протоколов канального уровня основывается на двух главных аспектах: определении реальной скорости передачи данных и оценке возможностей использования помехоустойчивых кодов.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Разработка и исследование моделей оценки производительности коммуникационных протоколов для каналов с помехами»

Актуальность исследований

На сегодняшний день корректность передачи информации по каналам связи играет большую роль. Это нашло отображение в многочисленных стандартах и систем требований к каналам передачи данных. В тоже время анализ тенденции развития систем передачи данных указывает на недостаточность развития методов оценки производительности протоколов канального уровня, которые в основном направлены на улучшение аппаратных и программных составляющих, а также разработку рекомендаций по настройкам критических параметров протоколов канального уровня (размер кадра, тайм-аут и др.).

При этом существенным фактором влияния на производительность является наличие помех в каналах передачи данных: необнаружение ошибки в передаваемой информации может привести к катастрофическим последствиям, особенно в транспортных системах. Важность сохранения целостности передаваемых данных, в особенности связанных с обеспечением безопасности жизни людей, приведена в доктрине информационной безопасности Российской Федерации [31]. Необходимость передачи информации без искажения и без задержек отражена в отраслевых стандартах [55-57, 69-70]. Цель и задачи исследования

Целью работы является разработка и исследование моделей оценки производительности коммуникационных протоколов, обеспечивающих гарантированную доставку данных в каналах связи с помехами на основе варьирования базовыми параметрами.

Для достижения цели поставлены следующие научные задачи:

1. Провести анализ методов кодирования информации в каналах связи с помехами с учетом определения основных влияющих факторов.

2. Исследовать режимы работы протоколов канального уровня при передаче данных и их влияние на производительность сетей.

3. Разработать математическую модель предлагаемого метода оценки производительности с учетом особенностей вычислительных алгоритмов

при реализации режимов обнаружения (исправления) ошибок при передаче информации.

4. Разработать рекомендации по настройкам протоколов канального уровня для достижения заданного уровня производительности. Методы исследования

Для решения поставленных в работе задач были использованы методы теории вероятностей и статистики, вычислительной и дискретной математики, теории управления системами, стохастических систем и математического моделирования.

Основные положения, выносимые на защиту

1. Модель оценки производительности протоколов канального уровня на этапе рабочего проектирования.

2. Модель оценки производительности протоколов канального уровня на основе математической и имитационной модели.

3. Методика использования результатов анализа производительности протоколов канального уровня в программном и информационном обеспечении процессов передачи данных на канальном уровне.

4. Рекомендации по результатам оценки испытаний помехоустойчивых кодов, используемых в наиболее популярных стандартизированных протоколах канального уровня.

Внедрение результатов исследования. Теоретические положения и практические рекомендации диссертации были внедрены и использованы:

* на предприятии ООО «Эл-Куб» («L-Cube») для увеличения производительности сети передачи данных на этапе проктирования был использован программный комплекс для оценки производетельности протоколов канального уровня;

* на предприятии ООО «Домус Сапиенс» («Domus Sapiens») для улучшения качества передачи данных в беспроводных сетях была осуществлена оценка производительности протоколов, при этом использованы результаты расчетов данной работы;

* в ФГБОУ ВПО ПГУПС в учебном процессе кафедры «ИВС» при проведении лекционных занятий и практических работ по дисциплинам «Инфокоммуникационные системы и сети» и «Сети и телекоммуникации». Научная новизна

В диссертации получены следующие основные результаты, являющиеся

новыми:

* Предложен метод оценки производительности протоколов канального уровня, работающих в информационно-телекоммуникационных сетях с помехами.

* Разработана модель процессов передачи данных и исследованы основные параметры (скорость передачи данных, задержки в доставке кадров, допустимые форматы сообщений и пр.) при реализации модели.

* Создан комплекс программ, работа которого подтверждает теоретические результаты, и который, наряду с демонстрацией возможностей предлагаемой модели, пригоден для оценки производительности протоколов канального уровня.

Практическая ценность работы

1. Разработанная модель может быть адресована администраторам и разработчикам вычислительных сетей при настройках протоколов канального уровня заданной производительности.

2. Предложенная модель позволяет обеспечить гарантированную доставку данных путем варьирования базовыми настроечными параметрами.

3. Предложенный научно-методический аппарат позволяет осуществлять многоаспектное исследование режимов функционирования протоколов канального уровня и оценку их производительности.

4. Исследование помехоустойчивых кодов позволяет оценить границы их применения с точки зрения повышения производительность протоколов канального уровня.

Личный вклад автора

Основные результаты методов, модели оценки производительности коммуникационных проколов и комплекс программ в диссертационной работе разработаны лично автором.

Апробация научных результатов.

Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на Международных научных (научно-практических) конференциях «Транспорт: проблемы, идеи, перспективы» (Санкт-Петербург, 2013-2015), ИНФОТРАНС-2013 (Санкт-Петербург) и 1^С18-2012 (Ташкент, Узбекистан).

Публикации.

По материалам диссертации опубликовано 11 научных статей [1, 38-47], а также получены две свидетельства о регистрации программного продукта [43,46]. Четыре статьи [39, 41, 45, 47] опубликованы в журналах из перечня ведущих рецензируемых научных журналов и изданий ВАК Российской Федерации.

Структура и объем работы.

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы и приложений.

1. ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ РАЗРАБОТКИ МЕТОДОВ ОЦЕНКИ

ПРОИЗВОДИТЕЛЬНОСТИ СЕТЕВЫХ ПРОТОКОЛОВ КАНАЛЬНОГО УРОВНЯ

1.1. Помехи. Влияние помех на процесс передачи данных на канальном уровне ЭМВОС

Помехоустойчивость каналов передачи данных является одной из важнейших их характеристик, так как целостность передаваемых данных напрямую связана с помехами, действующими в средах передачи данных. Помехи, воздействующие на линии связи в проводных системах, в ВОЛС (волоконно-оптических линиях связи), АОЛС (атмосферных оптических линий связи), при беспроводной передаче данных и других средах передачи данных в большинстве случаев представляются в виде мешающих электромагнитных полей различной природы. Источниками и причинами помех могут быть атмосферные разряды, статическое электричество, промышленное электромагнитное излучение, "шумящее" оборудование, некачественные базовые сети электропитания, переключаемые сетевые нагрузки, перекрестное влияние каналов передачи данных и др. Общая схема передачи информации представлена на рис.1.1. В связи с воздействием помех на каналы передачи данных, используют кодирующие и декодирующие устройства, которые кодируют и декодируют сообщение с помощью помехоустойчивых кодов для повышения надежности и обеспечения целостности передачи сообщений.

и и н ни е

^ о В

н ю

с о

К о с

е о О И

& £ и ¡Г

й

чд е а е

* £

о ^ еП

► Канал связи

и

и н

%

<а

и £

ш

<а

2 е

Я О

^ &

о о

и ^

и ^

Помехи

Рис.1.1. Общая схема передачи информации

Помехи заранее не известны, в связи с этим невозможно полностью их устранить. Они весьма разнообразны как по своему происхождению, так и по

физическим свойствам. По происхождению помехи в каналах связи можно разделить на преднамеренные и непреднамеренные. Помехи естественного происхождения являются непреднамеренными помехами, которые можно классифицировать по месту их возникновения:

• атмосферные помехи - электрические заряды в атмосфере, например, грозовые разряды;

• промышленные (индустриальные) помехи возникают из-за резкой разности тока в электрических цепях во всевозможных электроустановках. К ним можно отнести помехи, создаваемые от систем зажигания двигателей, электротранспорта, медицинских установок, электрических моторов и т.д.;

• космические помехи являются радиоизлучением внеземных источников. При этом они проявляют общий шумовой фон и становятся причиной появления помех в ультракоротких волнах;

• электризационные помехи, причиной возникновения которых считаются наэлектризованные снежные частицы или песчинки во время пурги или песчаной бури. Эти помехи могут возникнуть при скорости ветра свыше 5,5 м/с и становятся ощутимыми при частоте ниже 15 МГц;

• стационарные помехи - помехи, создаваемые посторонними каналами связи. В основном, причиной этого типа помех выступают посторонние радиостанции. Наиболее часто подобные помехи встречаются в коротковолновом диапазоне;

• внутренние шумы.

Очевидным примером возникновения мешающих помех на железнодорожном транспорте является нестационарность при работе тяговых двигателей, во время изъятия мощностей из системы энергообеспечения (пантограф) или при включении-выключении двигателей - тогда вероятность появления помех на каналах связи существенно возрастает.

Преднамеренные помехи - искусственно создаваемые помехи. Обычно создаются злоумышленником для изменения или копирования отправляемых сообщений. Возьмем простой пример, когда источник сообщения отправляет 8 бит информации 00110100, использовав при этом код СЯС8 для кодирования. На выходе кодирующего устройства будет последовательность «00110100 01011000». Злоумышленник, перехватив эти данные, может изменить последовательность на «11111111 01011000», при этом получатель сообщения не заметит изменения в данных, так как у последовательностей «00110100» и «11111111» при кодировании по СЯС8 будут одинаковые коды, что приведет к невозможности обнаружения искажения информации программно-аппаратными средствами.

К системам, осуществляющим передачу сообщений по каналам связи, предъявляются определенные требования. Эти требования можно разделить на две группы: требования к организации процесса передачи данных и требования к техническим и программным средствам при процессе передачи данных. В числе требований к техническим и программным средствам систем передачи данных выделяют следующие:

1. Стандартизованные и унифицированные технические и программные средства для уменьшения стоимости их эксплуатации.

2. Обладание возможностью взаимного обмена сообщениями, т.е. системы должны быть открытыми.

В данной работе процесс возникновения ошибок рассматривается на основе модели ДСК (двоичный симметричный канал, рис.1.2). При передаче сообщения по ДСК в каждом бите сообщения с вероятностью р может произойти ошибка, независимо от наличия ошибок в других битах. Ошибка заключается в замене символа 0 на 1 или 1 на 0. Переданный символ может быть принят ошибочно с фиксированной вероятностью рош и правильно с вероятностью q = 1 - рош.

Рис.1.2. Переходные вероятности в двоичном симметричном канале

При передаче двоичной последовательности по ДСК под влиянием помех существует вероятность битовых ошибок BER (Bit Error Rate). Битовые ошибки являются причиной ухудшения качества связи, что приводит к искажению речи в телефонных каналах связи, недостоверности передачи сообщении или снижению номинальной пропускной способности передачи данных, определяются статистическими параметрами и нормами на них и, в свою очередь, определены соответствующей вероятностью выполнения этих норм [1]. Эти нормы приведены в рекомендациях стандартов ITU-T G.821, G.826, М.2100, М.2110 и М.2120. В стандарте М.2100 приведены критерии ошибок [3]:

• низкий уровень помех — BER < 10-6;

• средний уровень помех — 10-6 < BER < 10-3;

• высокий уровень помех — BER > 10-3.

В данной работе рассматриваются проколы канального уровня, передаваемая последовательность сообщений представляется в форме потока кадров. В передаваемом кадре под воздействием помех могут появляться ошибки. Проявляемые ошибки по основным свойствам можно разделить на классы:

1. Одиночные ошибки. Характерны при низком соотношении сигнал/шум в физических каналах связи. Описываются постоянной во времени вероятностью возникновения ошибки в принятом бите Pber.

2. Кратные ошибки. Характерны для импульсных радиопомех, для мобильных абонентов или связи в коротковолновом диапазоне, когда величина Pber

изменяется во времени вследствие перемещения абонента или замираний несущего радиосигнала.

Пакетные ошибки - случаи, когда начальный и конечный бит ошибочны, хотя между ними может и не быть ошибочных битов. Таким образом, пакетная ошибка определяется как число битов между двумя последовательными ошибочными битами. Кроме того, два идущих подряд ошибочных пакета должны быть отделены друг от друга количеством безошибочных битов, равным или превышающим размер первого ошибочного пакета. Пример двух различных длин пакетных ошибок показан на рис.1.3. При этом, первый (0->1, в третьем разряде) и третий (1->0, в 13-м разряде) ошибочные биты не могут быть 11-битной пакетной ошибкой, так как в следующих 11 битах существуют ошибочные биты.

Отправленные данные = 1 1 Полученные данные = 1 1

0 1 1 0 1 1 1 1

1 1 1 1 1 1 1 1

0 1 0 1

1 1 1 0 0 0 0 1 1 1 1 1

С

1 1 1 1 1 0 1 1 * * * 1 1 1 1 1 0 1 1 * * *

минимум 6 безошибочных битов 6 битовая пакетная ошибка минимум 4 безошибочных бита

Рис.1.3. Пример пакетной ошибки в кадре

Основные методы борьбы с ошибками в ДСК можно разделить на несколько составляющих:

1. Совершенствование аппаратно-программных решений обработки потоков кадров.

2. Переход на использование среды передачи с меньшим значением БЕЯ (экранированная витая пара, ВОЛС).

3. Снижение уровня помех в каналах передачи данных путём исключения источника помех.

4. Использование помехоустойчивых кодов с более высокими свойствами обнаружения или исправления ошибок.

5. В случае пакетных ошибок целесообразно использование перемежения символов. При перемежении символов пакетные ошибки трансформируются в кратные или одиночные ошибки [4].

Перемежение — перестановка разрядов передаваемой кодовой последовательности для «дробления» длинных пачек ошибок на короткие фрагменты. Обратная операция называется деперемежением и выполняется перед декодированием. На рис.1.4 показан пример блочного перемежения, в котором число строк матрицы равно 4, а количество столбцов равно 5. Красным выделена пакетная ошибка передаваемой последовательности. Исходная последовательность записывается после кодирования по столбцам, а выдается для передачи по строкам. После восстановления соседние искаженные разряды, образующие в канале «пачку» ошибок, оказываются разнесенными в разные строки матрицы.

Чтение

Л

о

и

с

ей

СП

1 2

5

6

-►

9 13 17

10 14 18

11 15 19

12 16 20

Выходная последовательность: 1, 5, 9, 13, 17, 2, 6, 10, 14, 18, 3, 7, 11, 15, 19, 4, 8, 12, 16, 20

Пакетная ошибка после воздействия помех:

1, 5, 9, 13, 17, 2, 6, 10, 14, 18, 3, 7, 11, 15, 19, 4, 8, 12, 16, 20

Рис.1.4. Пример блочного перемежения В литературе помехозащищенные коды делятся на два основных типа: коды с обнаружением ошибок и коды, исправляющие ошибки. Большинство протоколов канального уровня, таких как Ethernet, Fast Ethernet, Token Ring, Token Bus, HDLC и др., используют циклические коды только для обнаружения ошибок в кадрах. В каждом протоколе используются разновидности циклических кодов, например, CRC-16 или CRC-32 и т.д. Примером кодов с исправлением ошибки являются сверточные коды. Сверточные коды исправляют одиночные и кратные ошибки, но чувствительны к пакетным ошибкам [52], поэтому их часто применяют вместе с перемежением. Кроме этого, системы, основанные на исследовании сверточных кодов, требуют более высоких вычислительных мощностей, таких как память и процессор, для скоростной обработки данных при выборе правильного пути

4

8

восстановления сообщения. Сверточные коды главным образом применяются в спутниковых каналах передачи данных, так как в протяженных каналах связи повторные передачи кадров могут привести к существенным задержкам. В главе 2 тема, связанная с применением помехоустойчивых кодов, рассматривается более детально.

1.2. Виды каналов передачи данных и их классификация

Для передачи данных необходим канал связи, в качестве которого могут выступать проводные (электрические, оптические) или беспроводные каналы связи. Например, передача данных по электрическим проводам рассматривается как протекание электрического тока по проводу, которая может прерываться или изменяться с передатчика, расположенном в одном из узлов сети. Приемник, обнаружив прерывание или изменение тока, принимает его как сигнал или символ, посланный передатчиком. Информация, передаваемая беспроводным каналом связи, представляет собой электромагнитное излучение, распространяющееся в вакууме. Передача сигналов в беспроводных каналах связи является результатом колебаний электрического и магнитного полей. Электромагнитное излучение представляет собой такие волны, как инфракрасные лучи, видимый свет, ультрафиолетовые лучи, волны радио и телевидения, микроволны, рентгеновские и гамма-лучи. Электромагнитные излучения можно характеризировать по частоте колебаний, например, по низкочастотному концу спектра можно соотнести радиоволны, а по высокочастотному — гамма-лучи.

Канал связи — система технических средств и среда распространения сигналов для передачи сообщений (не только данных) от источника к получателю и наоборот. Канал связи, понимаемый в узком смысле (тракт связи), представляет собой только физическую среду распространения сигналов, например, физическую линию связи [24].

Канал связи предназначен для передачи сигналов между удаленными устройствами. Сигналы несут информацию, предназначенную для представления пользователю либо для использования прикладными программами ЭВМ.

Канал связи включает следующие компоненты:

1) передающее устройство;

2) приемное устройство;

3) среду передачи различной физической природы (рис. 1.1).

Формируемый передатчиком сигнал, несущий информацию, после

прохождения через среду передачи поступает на вход приемного устройства. Далее

информация выделяется из сигнала и передается потребителю. Физическая природа сигнала выбирается таким образом, чтобы он мог распространяться через среду передачи с минимальным ослаблением и искажениями. Сигнал необходим в качестве переносчика информации, сам он информации не несет. Каналы связи можно подразделить на (рис.1.5):

• непрерывные (на входе и выходе канала - непрерывные сигналы);

• дискретные, или цифровые (на входе и выходе канала - дискретные сигналы);

• непрерывно-дискретные (на входе канала - непрерывные сигналы, а на выходе - дискретные сигналы);

• дискретно-непрерывные (на входе канала - дискретные сигналы, а на выходе - непрерывные сигналы);

Также возможна классификация каналов связи по диапазону частот.

Системы передачи информации бывают одноканальными и многоканальными. Тип системы определяется каналом связи. Если система связи построена на однотипных каналах связи, то ее название определяется типовым названием каналов. В противном случае используется детализация классификационных признаков.

1. Классификация по диапазону используемых частот [72]:

• километровые (ДВ) 1-10 км, 30-300 кГц;

• гектометровые (СВ) 100-1000 м, 300-3000 кГц;

• декаметровые (КВ) 10-100 м, 3-30 МГц;

• метровые (МВ) 1-10 м, 30-300 МГц;

• дециметровые (ДМВ) 10-100 см, 300-3000 МГц;

• сантиметровые (СМВ) 1-10 см, 3-30 ГГц;

• миллиметровые (ММВ) 1-10 мм, 30-300 ГГц;

• децимилимитровые (ДММВ) 0,1-1 мм, 300-3000 ГГц.

2. По типу линий связи (рис.1.5):

- проводные:

• коаксиальные;

• витые пары на основе медных проводников;

• волоконнооптические.

- беспроводные:

• прямой видимости;

• тропосферные;

• ионосферные;

• космические;

• радиорелейные (ретрансляция на дециметровых и более коротких радиоволнах).

3. По типу передаваемых сообщений:

• телеграфные;

• телефонные;

• передачи данных;

• факсимильные.

4. По типу сигнала:

• аналоговые;

• цифровые;

• импульсные.

5. По виду модуляции (манипуляции):

- в аналоговых системах связи:

• с амплитудной модуляцией;

• с однополосной модуляцией;

• с частотной модуляцией.

- в цифровых системах связи:

• с амплитудной манипуляцией;

• с частотной манипуляцией;

• с фазовой манипуляцией;

• с относительной фазовой манипуляцией;

• с тональной манипуляцией (единичные элементы манипулируют под несущим колебанием (тоном), после чего осуществляется манипуляция на более высокой частоте).

6. По значению базы радиосигнала:

• широкополосные;

• узкополосные.

7. По количеству одновременно передаваемых сообщений:

• одноканальные;

• многоканальные (частотное, временное, кодовое разделение каналов).

8. По направлению обмена сообщений:

• односторонние;

• двусторонние.

9. По порядку обмена сообщениями:

• симплексная связь — односторонняя, при которой информация передается только в одном направлении;

• дуплексная связь — наиболее оперативная связь, передача и прием осуществляются одновременно;

• полудуплексная связь — связь, в которой предусматривается поочередный переход с передачи на прием.

10. По способам защиты передаваемой информации:

• открытая связь;

• приватная (засекреченная) связь.

11. По степени автоматизации обмена информацией:

• неавтоматизированные — управление станцией и обмен сообщениями выполняется оператором;

• автоматизированные — вручную осуществляется только ввод информации;

автоматические — процесс обмена сообщениями между автоматическим устройством и ЭВМ происходит без участия оператора.

Рис.1.5. Классификация линий связи

С помощью электромагнитного излучения невозможно передавать сигналы любой частоты. Радиочастотные волны передаются в пределах от 1 до 30 000 МГц. Например, АМ-радиовещание охватывает частоты от 0,5 до 1,5 МГц, а ЧМ- и телевизионное вещание — примерно середина частот попадает в частоту 100 МГц, при этом используют широкий диапазон частот. Спутниковая связь использует микроволновые сигналы в диапазоне от 4 000 до 14 000 МГц и даже выше.

Рассмотрим наиболее распространённые способы или среды передачи данных, а также их характеристики:

Лазер. Излучает свет одной частоты. Использование монохроматического излучения дает возможность генерации электромагнитных волн очень высокой частоты (ОВЧ). Из-за использования широкого диапазона частот (от 5*108 до 109 МГц) возможно передавать большой объем информации. Например, в этом

диапазоне можно разместить 80 млн. ТВ-каналов или обеспечить 50 млрд. телефонных разговоров одновременно.

АОЛС (Атмосферная Оптическая Линия Связи). Является разновидностью электромагнитных волн, которая использует оптические диапазоны (свет), средой передачи выступает атмосфера. Основой технологии АОЛС является инфракрасное излучение, применяется для организации высокоскоростных каналов связи. По сути, между передатчиком и приемником создается оптическое соединение без использования стекловолокна для передачи данных. Длина волны варьируется в пределах 700 - 950 нм или 1550 нм. Протяжение и качество передачи данных в АОЛС зависит от погодных условий. Например, в неблагоприятных погодных условиях рекомендуется уменьшить протяженность канала связи АОЛС [58].

Спутники связи. Начиная с 1960-х годов спутники связи начали размещать на околоземных орбитах и использовать в качестве ретрансляторов сигнала. Современные спутники связи работают на геостационарной орбите (35 900 км над поверхностью земли) при этом имея 10 и больше микроволновых приемников и передатчиков. Спутник позволяет передавать данные на большие расстояния (через океаны, целые континенты), при этом обеспечивает вещание нескольких телевизионных программ и работу более 10 000 телефонных каналов.

Для вышеперечисленных каналов связи можно указать основные характеристики:

1. Передаточная функция канала является амплитудно-частотной характеристикой (АЧХ), которая сравнивает амплитуды синусоиды на входе канала связи и на выходе с целью определения затухания, при этом сравниваются все частоты передаваемого сигнала. С помощью АЧХ реального канала возможно определить форму выходного сигнала для заданного входного сигнала.

2. Полоса пропускания является производной характеристикой от АЧХ. Полосой пропускания является диапазон частот сигнала, передаваемый по каналу связи с меньшим количеством искажений, определяемым отношением амплитуды выходного сигнала к входному, который превышает заранее заданный предел.

Полоса пропускания отсчитывается на уровне 0,7 от максимального значения АЧХ. В основном, скорость передачи данных в каналах связи зависит от ширины полосы пропускания.

Затухание [24] определяется как относительное уменьшение амплитуды или мощности сигнала при передаче по каналу сигнала определенной частоты. Часто при эксплуатации канала заранее известна основная частота передаваемого сигнала, то есть та частота, гармоника которой имеет наибольшую амплитуду и мощность. Поэтому достаточно знать затухание на этой частоте, чтобы приблизительно оценить искажения передаваемых по каналу сигналов. Более точные оценки возможны при знании затухания на нескольких частотах, соответствующих нескольким основным гармоникам передаваемого сигнала. Затухание обычно измеряется в децибелах (дБ) и вычисляется по следующей формуле:

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук КУШНАЗАРОВ ФАРРУХ ИСАКУЛОВИЧ, 2016 год

Источник

Получатель

стоп старт

I(N)

i-Таймер-)

стоп старт

I(N+1)

#

i-Таймер

I(N+2)

У *

I(N) I(N+1) I(N+2)

время

Рис.2.1. Схема ретрансмиссии по методу ждущего режима

На рис.2.1 показана работа таймера в ждущем режиме, как параметр время тайм-аута для ожидания квитанции. При отправке следующего кадра источник сообщения запускает таймер ожидания квитанции: если установленное время тайм-аута истекло, а квитанция не пришла, кадр или квитанция считаются утерянными, и организуется повторная передача неподтвержденного кадра. Время тайм-аута является основным параметром настройки протоколов, работающих в соответствии с алгоритмом ждущего режима. Маленькие значения времени тайм-аута могут вызвать простои в каналах передачи данных и, в свою очередь, снижение производительности протоколов канального уровня. В основном

простои возникают в больших составных сетях, в которых работают перегруженные маршрутизаторы, медленно обрабатывающие потоки кадров. В случаях, когда АСК пришел с задержкой, кадр отправляется вновь, хотя корректно был принят получателем сообщения.

Выбор времени тайм-аута осуществляется относительно таких показателей, как номинальная скорость передачи данных, протяженность среды передачи данных и др. В протоколе TCP время тайм-аута определяется временем оборота, умноженным на коэффициент (значение коэффициента должно превышать 2). Время оборота — время, потраченное на отправку кадра максимального размера кадра, умноженное на два. Значения времени оборота усредняются с весовыми коэффициентами, возрастающими от предыдущего замера к последующему. В некоторых сетях учитывается дисперсия времени оборота при выборе тайм-аута.

В методе «возврат на N шагов» передача осуществляется непрерывно со стороны отправителя без ожидания подтверждения. Параметр N показывает номер кадра, в котором впервые была обнаружена ошибка. Рассмотрим действие метода «возврат на N шагов» при ошибках в кадрах, как показано на рис.2.2 (фигура Х на линии между отправителем и получателем сообщения показывает, что в передаваемом кадре под воздействием помех были изменены данные, что привело к ошибке в кадрах):

1. Источник сообщения, не дожидаясь квитанции, по очереди отправляет кадры, но кадры N и N+1 передается ошибочно.

2. Получатель, обнаружив ошибки в кадрах N и N+1, по очереди отправляет источнику сообщения NAK для N-го кадра и NAK для кадра N+1. В этот момент времени источник отправил кадр N+2.

3. Источник, получив NAK(N) и NAK(N+1), останавливает передачу кадра N+3 и формирует очередь передачи с N-го кадра.

4. Получатель, приняв безошибочно N-й кадр, отправляет ACK(N) источнику сообщения.

5. Источник, приняв ACK(N), удаляет кадр N из очереди буфера и продолжает отправку следующих кадров.

t(N) t(N+1) t(N+2) t(N+3) t(N+4) t(N+5) t(N+6) t(N+7)

Рис.2.2. Метод «возврат на N шагов»

На рис.2.2 видно, что получатель сообщения принял правильно кадр N+2, но не отправил положительную квитанцию, так как должен сперва получить кадры N и N+1.

Обычно метод «возврат на N шагов» называют алгоритмом скользящего окна, так как при каждом получении АСК окно перемещается (скользит), отправляя следующие кадры, передающиеся без подтверждения.

Метод «возврат на N шагов» имеет два параметра — размер окна и время тайм-аута ожидания прихода квитанции. Оба параметра влияют на реальную скорость передачи данных. В сетях со значением BER > 10-6 обычно устанавливаются большие значения размера окна и тайм-аута, а в сетях со значением BER < 10-4 устанавливаются меньшие значения окна и тайм-аута.

Такие протоколы, как LAP-B, LAP-D и LAP-M семейства HDLC, используемые в территориальных сетях, протокол V.42, работающий в современных модемах, протоколы SPX, TCP, используют метод «возврат на N шагов» для повышения производительности.

На рис.2.3 показан пример последовательности кадров, который иллюстрирует функционирование метода «селективный повтор». Рассмотрим

последовательность работы селективного повтора при возникновении ошибки в

информационном кадре:

1. Источник последовательно отправляет кадры и для каждого кадра получатель отправляет квитанции.

2. Предположим, кадр N+1 поврежден или потерян.

3. Получатель, приняв кадр N и кадр N+2, обнаруживает, что нет кадра N+1 и отправляет NAK для кадра N+1 источнику.

4. Источник, получив NAK для кадра № 1, вновь отправляет кадр N+1; при этом источник останавливает отправку следующих кадров. На рис.2.3 в момент получения NAK для кадра N+1 отправляется кадр N+4, и после него отправится кадр N+1, а не кадр N+5.

5. После этого устанавливается тайм-аут для получения квитанции для кадра N+1.

6. Если тайм-аут для N+1 истек и квитанция не получена или источник получает NAK, то кадр N+1 вновь отправляется получателю.

7. При получении ACK для кадра N+1 источник продолжает отправку следующих кадров, на рисунке — N+5.

«М)

ЦМ+1)

I

ЦМ+2)

М+1

ЦМ+3)

I

М+2

М+1

ЦМ+4) ЦМ+5)

М+3

М+2

М+1

М+4

М+3

М+2

М+1

ЦМ+6)

М+5

М+1

М+4

М+3

М+2

ЦМ+7)

М+6

М+5

М+1

М+4

М+3

М+7

М+6

М+5

М+1

М+4

т

«М)

М+2

т

ЦМ+2)

М+3

М+2

т

ЦМ+3)

М+4

М+3

М+2

т

ЦМ+4)

М+1

М+4

М+3

М+2

т

ЦМ+1)

М+5

М+1

М+4

М+3

М+2

т

ЦМ+5)

Очередь в буфере у источника

Источник 1(М) 1(М+1) 1(М+2) 1(М+3) 1(М+4) 1(М+1) 1(М+5) 1(М+6)

время

Получатель 1(М) 1 I (М+2) 1(М+3) 1(М+4) 1(М+1) 1(М+5)

Буфер полученных кадров у получателя

М

М

М

М

М

М

М

М

М

Рис.2.3. Метод селективного повтора

Каждый из методов — «ждущий режим», «возврат на N шагов», «селективный повтор» — имеет свои преимущества и недостатки относительно среды передачи данных, типа отправляемых данных и уровня зашумленности канала.

При настройке сети необходимо различать номинальную и реальную скорость передачи данных. Реальная скорость передачи данных — гарантированная передача пользовательских данных в единицу времени [38]. Реальная скорость передачи данных будет ниже номинальной скорости передачи данных из-за наличия в кадре служебной информации, помех в каналах связи, а также пауз между передачей отдельных кадров.

2.2. Определение реальной скорости передачи данных в зашумленных каналах связи

В вычислительных сетях управление ошибками (EC — error control) и управление потоками данных (FC — flow control) являются важнейшими функциями протоколов канального уровня, исполнение которых существенно влияет на их производительность. Существующие методики оценки производительности протоколов канального уровня разработаны в предположении отсутствия воздействия помех различной природы на каналы передачи данных. В этой главе рассмотрены вопросы влияния уровня помех в канале, физической длины канала и формата кадров на вероятность появления ошибки в кадрах и число попыток до успешной передачи кадра.

Как показано в разделе 2.1, для управления потоком и контроля ошибок на канальном уровне используются три метода: «ждущий режим», «возврат на N шагов» и «селективный повтор». Последние два метода представляют собой специальные случаи техники скользящего окна. Рассмотрим вначале протокол с ожиданием.

Протокол с ожиданием предусматривает, что после получения каждого посланного кадра должно быть возвращено подтверждение. Если в течение определённого промежутка времени подтверждение не пришло, то считают, что кадр не принят корректно и должен быть отправлен вновь. Этот вид сервиса используется в ненадежной физической среде передачи, например беспроводной. Рассмотрим алгоритм работы ждущего режима:

• Источник сообщения отправляет 1(^-кадр (информационный кадр) и запускает таймер (рис.2.4.).

• Получатель при получении 1(^-кадра проверяет, не искажен ли кадр. Если кадр искажен, получатель отправляет отрицательную квитанцию NAK.

• Источник, получая отрицательную квитанцию, сбрасывает таймер и отправляет вновь !^)-кадр и запускает таймер (рис.2.4).

старт

стоп старт

стоп старт

Источник

Получатель

Таймер--Таймер-

I(N)

I(N) I(N)

\ - -2У

-Таймер-

W

время

Рис.2.4. Схема ждущего режима для случая доставки искаженного кадра

• Получатель при получении 1(К)-кадра проверяет, не искажен ли кадр. Если кадр не искажен, получатель отправляет положительную квитанцию ACK.

• Источник ждет определенное время (тайм-аут). Если за это время положительная квитанция не приходит (ACK потерялась из-за помех в канале связи), то источник сбрасывает таймер и отправляет этот же 1(К)-кадр снова. Если такая ситуация повторяется несколько раз подряд, передатчик приостанавливает передачу, считая, что произошел катастрофический отказ в канале.

Время тайм-аута (Ttimeout) является важной составляющей, результат выбора которой влияет на производительность протоколов канального уровня. Значение тайм-аута не должно быть небольшим во избежание повторных передач, так как отправителю квитанция придет позже, а источник по истечению тайм-аута повторно отправит этот же кадр. Однако это значение не должно быть и слишком большим — это приведет к длительным простоям в каналах связи в ожидании потерянной квитанции.

Расчет времени тайм-аута осуществляется по формуле 2.1.

^timeout = RTT * ^коэф С2.1),

Здесь RTT (RTT - Round-Trip Time) — время оборота, рассчитывается как

ДГГ = 2 * ¿сеть 5

где ^егь — время передачи данных с максимальным размером кадра, разрешенным стандартом протокола.

Рассмотрим пример, когда источник передает кадр с размером 1 500 байт по технологии Ethernet DIX. Для передачи кадра с этим размером понадобится 1230,4 мкс. При подстановке в формулу (2.1) для расчета времени тайм-аута будем считать, что весовой коэффициент равен 2, тогда Ttimeout = 2*1230.4*2 = 4921,6 мкс. Но обратно от получателя к источнику сообщения отправляется квитанция (обычно с минимальным размером кадра, в Ethernet DIX — 64 байта) и время для отправки квитанции равно 67,2 мкс. Если учесть, что время доставки от отправителя к получателю равно 1230,4 мкс, а обратно 67,2 мкс, то выигрыш во времени будет 2460,4 - 1297,6 = 1163,2 мкс.

В данной работе предлагается несколько иной подход для расчета времени RTT и таймаута, а именно:

КТТ = ^ + ЩЦ1+ -+ 2 *ГИНТ (2.2),

п п ^расп.сигн

где R — номинальная скорость протокола канального уровня,

N — длина кадра,

Гинт — временной интервал между кадрами,

Nmum — число битов в кадре квитанции,

Rpacn.cuH — скорость распространения сигнала в среде передачи,

^расп.сигн ^ * Д,

где c — скорость распространения сигнала в вакууме,

Л — соотношение реальной скорости распространения сигналов в вакууме.

Для наиболее распространенных кабельных систем л справедливо

Коаксиальный кабель — л = 0,66

Витая пара cat3 - кабель — л = 0,65-0,71

Оптоволоконный кабель — л = 0,66-0,78 [9, 12, 54].

Также существует вероятность появления ошибки в заголовке отправляемой квитанции — в этом случае отправитель считает, что квитанция не получена, и по окончании времени тайм-аута кадр отправляется вновь. В свою очередь, это приведет как минимум к двойной затрате времени, так как кадр уже получен, отправлялся ACK, но он не принят из-за ошибки в заголовке кадра.

Как следствие — к дополнительным задержкам при передаче данных, соответственно, отрицательно повлияет на производительность протокола канального уровня.

Кроме того, можно отправить две подряд квитанции — алгоритм DIDD (Double Increment Double Decrement) как улучшение функции DCF (Distributed Coordination Function, DCF) в стандарте IEEE 802.11. Алгоритм DIDD существенно улучшает производительность проколов канального уровня в беспроводных сетях [2, 62]. В связи с этим, в данной работе предлагается вариант отправки двух квитанций подряд, если они АСК, так как в случае ошибки или потери NAK сработает таймер, и вновь отправится кадр. При отправлении двух АСК получателю сообщения, если возникнет ошибка в первом АСК, вероятность безошибочного приема второй АСК высока, но в этом случае в формулу (2.2) следует добавить время отправки и приема второй АСК. В свою очередь источник сообщения при получении первой АСК безошибочно начнет отправку следующего кадра и, получив второй дублирующий АСК, удалит его из памяти. Если источник сообщения получил первой АСК с ошибками или не получил вовсе, то он получить второй АСК по окончании таймера. Из расчета по формуле 2.9 и по рис.2.6 виден выигрыш по времени относительно других методов. Расчет времени RTT для случая двойного отправки АСК:

N 2 * Мквит 5 Я7Т = - +--=+ --+ 2*7Инт.

^ ^ ^расп.синг

В ждущем режиме источник кадров генерирует в канал очередной информационный кадр только по получении положительного или отрицательного подтверждения от получателя, ACK или NAK соответственно.

Очевидно, что канальная задержка D при передаче этих служебных кадров определяется в общем случае выражением

S

D = +

D D

расп.сигн

где 5 — длина канала передачи данных, NAСК — длина квитанции (АСК или NAK).

В условиях зашумленности канала для оценки времени передачи N бит информационного кадра введем реальную скорость передачи данных V [45]:

N -С

т/ кадр ° , Л

К =---*р (2.3),

где ^кадр — длина кадра в битах,

C — число служебных битов в кадре, T — время передачи кадра (включая АСК),

N 5 Г = +-+ Гинт (2.4)

^ ^расп.сигн

Вероятность успешной передачи кадра в i-й попытке [39]

^ = (1 - 9)(1 + Ч + + 93 + ••• + ^ = 1 - ц = (1 - £ЕД)П, р = 1 -р = 1 - (1 - £ЕД)П (2.5),

где q — вероятность успешной передачи кадра, р — вероятность неуспешной передачи кадра, п — длина кадра,

BER — вероятность битовых ошибок в канале.

Определим число попыток повторной передачи кадра, при котором достигается заданная вероятность его успешной передачи [45]:

^зад = 1-р£,

откуда

т = ---— (2.6)

lgp

Рис.2.5. Зависимость числа необходимых ретрансмиссий успешной передачи кадра при разных значениях БЕЯ в зависимости от размера кадра

На рис.2.5 для Рзад = 0,97и при БЕЯ = 10-3 с увеличением размера кадра резко увеличивается количество повторов. При БЕЯ < 10-3 количество повторов кадра не превышает двух. Если в расчетах принять БЕЯ = 10-2, то количество повторов резко увеличится, начиная с размера 500 байт.

Рассмотренный процесс доставки информационных кадров соответствует случаю неискаженной передачи служебных кадров АСК (КАК). В противоположном случае для обеспечения гарантированной доставки кадров на стороне отправителя реализуется механизм тайм-аута [4].

Рассмотрим возможные ситуации, связанные с введением этого механизма:

1. В случае безошибочной передачи кадра получатель передает отправителю служебный кадр АСК (подтверждение). По его получении источник сбрасывает таймер. Время доставки кадра (рис.2.6) рассчитывается по формуле (2.7).

2. В случае, когда кадр при передаче подвергается воздействию помех, получатель передает отправителю кадр КАК, что требует повторной передачи кадра и, соответственно, повторного запуска таймера. Если подобная ситуация повторяется т раз, время гарантированной доставки кадра составит соответственно т * Т (рис.2.6).

3. При возникновении ошибки (искажение или пропадание) при передаче получателем кадров КАК или АСК, на стороне отправителя сбрасывается таймер, осуществляется повторная передача информационного кадра и

повторный запуск таймера. В этом случае время таймера берется с запасом (на время доставки кадра максимальной длины, рис.2.6). Если аналогичная ситуация повторяется m раз, общее время доставки кадра Тобщ составит

^общ ^ * (Ткадр мах +

где Ткадр мах — время отправки кадра максимальной длины. Отсюда,

N 5

Ткадр мах п + п (2,7),

^ ^расп.сигн

^тох 5

Я Я ' " Rr

^общ = т*(-^ + ^ + 2*--) (2.8),

1расп.сигн,

4. Эта ситуация похожа на третью, за исключением того, что при расчетах учитывается реальный размер отправляемого кадра (рис.2.7). Общее время доставки кадра Тобщ составит

^общ = ш * (Г + Я).

Отсюда,

^ ^ 5

Я ' Я ' " Яг

^ = ™*(- + ^ + 2* „-) (2.9).

1расп.сигн,

5. Рассмотрим ситуацию, когда квитанция дублируется, т.е. источник отправляет получателю сообщения последовательно две квитанции. Основываясь на расчетах по формуле (2.7), находим (рис.2.7), что при размерах информационного кадра меньше 100 байт количество повторов не превышает двух. В связи с этим можно предположить, что как минимум одну из двух квитанций источник сообщения получает достоверно [42].

^общ = m*T + 2*D.

Отсюда,

^общ = т*(^ + —+ + —S—\ (2.ю).

Лрасп.сигн/ \ Л Лрасп.сигн/

Параметры, входящие в выражения (2.7) и (2.8) определены так:

С = 32 бита, Nack = 72 байта [73], R = 107 б/с, BER = 10-3,

Ярасп.сигн = 1,98*1Q8 (бит в метр)/с, Рзад = 0,98, S = 500 м.

0,25 J "С =г 0,2 ю о н & Si 0,15 X S у (С ct И 0,1 Ф с к § ф £ 0,05 0 0

к 00

✓ в / / Г

✓ ✓ ✓ у

^ mm ^ ^ ~

20 Ю 4 50 6 дли Ю 8 на кадра N /1Я 1 0 10 (байт) 00 12 Ситуация 2 00 14 -► 00 16

Рис.2.6. Время передачи кадра в ситуациях 1 и 2

С увеличением размера кадра время передачи информационного кадра увеличивается (ситуация 2) — это связано с ожидаемым количеством повторов для достоверной передачи кадра получателю. Количество ожидаемых повторов рассчитывается по формуле (2.2.7). В ситуации 1 предполагается, что при каждой отправке получатель сообщения достоверно получает кадр.

В формуле (2.8) в ситуации 3 рассматриваем технологию Ethernet. При этом устанавливаем таймер времени отправки кадра максимального размера и время

приема подтверждения по каналу связи к приемнику (рис.2.7). В ситуации 4 (формула 2.9) устанавливаем таймер времени отправки текущего кадра и время приема подтверждения по каналу связи к приемнику (рис.2.7). В ситуации 5 (формула 2.10) устанавливаем таймер времени отправки текущего кадра и удвоенное время приема подтверждения по каналу связи к приемнику (рис.2.7). Из рис.2.7 видно выигрыш ситуации 5 по времени для приема кадра без ошибок получателем сообщения по сравнению с ситуациями 3-4, где отправляется одна квитанция; в связи с уменьшением времени передачи кадра увеличивается производительность протокола, так как время передачи кадра обратно пропорционально реальной скорости (формула 2.4).

Рассмотренные отношения показывают влияние длины канала связи на реальную скорость передачи данных и на время передачи кадра. С увеличением длины канала уменьшается реальная скорость передачи данных (рис.2.6). На реальную скорость передачи данных также влияет скорость распространения сигнала в каналах связи: чем ближе скорость распространения сигнала в среде к скорости распространения сигнала в вакууме, тем ближе реальная скорость канала к номинальной скорости канала. Расчеты (2.4 - 2.10) дают возможность оценки реальной скорости канала, учитывая такие параметры, как уровень помех в канале, длина канала, размер кадра и тип кабеля.

2.3. Зависимость реальной скорости передачи данных от метода (организации) ретрансмиссии кадров

Моделирование производительности методов управления потоком и контроля ошибок оказывается исключительно сложной задачей. Простейший случай заключается в использовании управляющего канального протокола, работающего между двумя устройствами, соединенными двухточечным соединением. Здесь нас будут интересовать только постоянная задержка распространения данных между двумя устройствами, постоянная скорость передачи данных, вероятностная частота ошибок и статистические характеристики трафика [47].

Методы контроля ошибок используются для восстановления после потери или повреждения протокольных модулей данных при их прохождении от отправителя к получателю. Как правило, контроль ошибок включает обнаружение ошибок на базе контрольной последовательности кадра (Frame Check Sequence, FCS) и повторную передачу протокольного модуля данных. Контроль ошибок и управление потоком реализуются вместе в едином механизме, регулирующем поток протокольных модулей данных и определяющем, когда следует повторить передачу одного или нескольких протокольных модулей данных. Таким образом, контроль ошибок, как и управление потоком, представляет собой функцию, реализуемую на различных протокольных уровнях.

Для контроля ошибок и управления потоком на уровне передачи данных, как правило, используются три метода: «ждущий режим», «возврат на N шагов» и «селективный повтор». Последние два метода представляют собой специальные случаи техники скользящего окна.

Рассмотрим две оконечные системы, соединенные напрямую каналом связи. Источник сообщения собирается послать сообщение его получателю. Сообщение разбиваются на кадры, кадры в свою очередь последовательно пересылаются получателю сообщения. Следующие пункты являются причиной процедуры разбивки сообщения на кадры:

• Конечность размеров буфера у получателя сообщения.

• Время передачи напрямую связано с вероятностью появления ошибки в кадрах, в результате этой ошибки потребуется повторная передача целого кадра.

Рассмотрим влияние некоторых событий (ошибка в кадре, ошибка в квитанции, дублирование и др.) на производительность протоколов канального уровня в разных методах. Ждущий режим

При передаче кадра, если не возникла ошибка (в кадре или в квитанции), то по истечении времени таймера источник получает АСК и отправляет следующий кадр, как показано на рис.2.1. Но в каждой среде передаче данных действует помехи, которые могут вызвать ошибки как в информационных кадрах, так же в служебных кадрах (квитанциях).

На рис.2.8, а показан случай, когда при воздействии помех получатель принял ошибочный К-й кадр и отправил КАК. Источник, получив КАК, вновь отправит К-й кадр (он может отправлять К кадр до тех пор, пока не получит АСК).

Предположим, помехи воздействовали на служебный кадр (рис.2.8, б), где источник не получает АСК и по истечении времени таймера вновь отправляет К-й кадр получателю сообщения.

В сетях передачи данных ввиду наличия промежуточного оборудования могут возникнуть непредвиденные задержки. По этому квитанции могут прийти с опозданием, по истечении времени таймера. Если с опозданием придет КАК, то это опоздание не повлияет на производительность протоколов канального уровня, а если придет с опозданием АСК (рис.2.8, в), то по истечении времени таймера источник вновь отправляет №й кадр, при этом у получателя появится дублирующий кадр. Обычно получатель отбрасывает дубликат кадра, но все равно отправляет АСК для дублированного кадра. В таких случаях производительность протоколов канального уровня может уменьшиться в два раза, во избежание подобных ситуаций значение весового коэффициента для расчета времени тайм-аута необходимо взять Вкоэф > 2 (формула 2.1).

Источник

Получатель

старт

стоп старт

стоп старт

-Таймер

» время

в)

старт

Та йме р

Источник

Получатель

> время

Рис.2.8. ARC схема для EC: а) ошибка в кадре; б) ошибка в квитанции; в) квитанция пришла с опозданием.

В вышеперечисленных случаях (при возникновении ошибки в информационных или служебных кадрах или задержке в каналах связи) процедура повторной передачи будет иметь место до тех пор, пока получатель не примет

безошибочно все информационные кадры, а источник не получит безошибочно и без задержки все квитанции. Максимальное количество попыток определяется стандартами протоколами канального уровня. Метод возврата на N шагов

Наиболее актуальными вопросами метода «возврат на N шагов» являются:

• Размер окна передачи.

• Временные задержки, таймеры.

• Действия метода при ошибках в служебном кадре.

• Влияние BER на производительность метода.

Рассмотрим параметры, которые контролируются стандартами протоколов. Максимальный размер окна обычно задается спецификацией протокола. Например, в протоколе HDLC (рис.2.9) максимальный размер окна может быть 7 кадров (если поле управления один байт, из них только 3 бита отведены для нумерации кадра (N(S), N(R)) или 127 кадров (если поле управления 2 байта, из них 7 битов отведены для нумерации кадра).

Флаг Адрес Управление Информация FCS Флаг

01111110 1, n 1 или 2 2 или 4 01111110

0 N(S) P /F N(R)

1 0 C C P/F N(R)

1 1 M M P/F M M M

S-кадр U-кадр

I- кадр

N(S), N(R) — порядковые номера кадра при передаче (приеме), P/F — бит «запрос передачи (poll)/последний кадр (final)», C — бит управления (control bit), M — бит модификатора (modifier bit)

Рис.2.9. Формат кадра HDLC

Таким образом, число кадров в окне Komo считается как

К = 2У — 1

,vOKHO ^ J-5

где y — разряд, отведенный для нумерации кадров в служебных кадрах.

Максимальное значение времени занятия канала методом для отправки всех кадров в окне устанавливается также протоколом, так как протокол, имея номинальную скорость и протяженность канала связи, может просчитать общее время передачи всех кадров с учетом того, что для всех получены ACK.

При отсутствии ошибок получатель сообщения будет подтверждать принятые кадры (сообщениями RR или подтверждениями «на попутных» модулях данных, как это принято в протоколе HDLC). Если получатель сообщения обнаруживает в кадре ошибку, она отправляет источнику сообщения отрицательное подтверждение REJ (REJect — отказ) для этого кадра. Получатель сообщения отбросит этот и все последующие входящие кадры, до тех пор, пока не примет правильную копию ошибочного кадра. Источник сообщения, получив сообщение REJ, передает повторно ошибочный кадр и все последующие кадры, которые уже успел отправить.

Определим временные характеристики метода. Например, как поведет себя метод после отправки последнего кадра (рис.2.10), на сколько должен включиться таймер для получения последний квитанции и что произойдет, если последняя квитанция не придет по истечении времени таймера. В формуле (2.2) мы уже определили таймер для метода «ждущий режим». В методе «возврат на N шагов» следует учесть некоторые моменты, связанные с принятием предыдущие квитанции. Рассмотрим пример (рис.2.10). После отправки последнего кадра с номером N+4 следует включить таймер, но перед включением таймера нужно также узнать последний принятый АСК, это ACK (N+2), и при этом в тайм-аут необходимо включить временные интервалы между отправлением кадров и время на обработку кадра и это соотношение выглядит так:

N /^квит \ .Ь

^ТОкно = ^ + (^окно — Ккв.тек) * I + 2 * 7^1 + „- (2.11),

^ \ п / ^расп.синг

где Кв.тек — текущая квитанция, принятая отправителем,

Я — номинальная скорость протокола канального уровня, N — длина кадра,

Гинт — временной интервал между кадрами, Nвит — число битов в кадре квитанции,

Ярасп.сигн — скорость распространения сигнала в среде передачи.

N N+1 N+2 N+3 N+4

Рис.2.10. Метод возврата на N шагов, работа таймера

Если в модели «ждущий режим» при ошибках в АСК требовалась отправка одного кадра, то в модели «возврат на N шагов» требуется отправить все предыдущие кадры (например, источник отправил N+5 кадров, а пришел NAK (N+1), тогда источник должен вновь отправить 4 кадра от N+1 до N+5), что может привести к уменьшению производительности. На рис.2.11 показан случай, когда для кадра N квитанция АСК не принята или принята с ошибками, и источник считает, что кадр с номером N не доставлен и отправляет вновь, однако у получателя сообщения кадр принят корректно. Расчет времени ТошАСК, потраченного из-за ошибок в АСК:

^ош.АСК (^кадр + 7Кв) * (^пр.кадр + 1),

где Ткадр — время отправки кадра от отправителя к получателю, Ткв — время отправки квитанции от отправителя к получателю, Кпр.кадр — количество кадров, принятых получателем сообщения правильно.

N N+1 N+2 N+3 N+4 N+5

Рис.2.11. Метод возврата на N шагов, ошибки в АСК

Рассмотрим математическую модель скользящего окна. Изменяя формулу (2.5), можно найти вероятность неискажения кадра рк в окне с размером кадра N и количеством кадров К:

Як = (1-(1- ВЕЯ)п)к Рк = 1-Як (2.12), ВЕЯ — вероятность битовых ошибок в канале.

Определим число попыток повторной передачи кадра, при котором достигается заданная вероятность его успешной доставки:

Рзад = 1-Я1, откуда 18(1 - Рзад)

т =

18Чк

Математическое ожидание числа попыток до первой успешной доставки всех кадров в окне:

м(0 = £

Р; * I

¿ = 1

г — номер попытки,

Рг — вероятность доставки неискаженного кадра на г-й попытке,

рк — вероятность доставки неискаженных к кадров в окне,

Рк = 1 - Чк

М(0 = тт-^Цг = — , (1 - р*

что определяет жесткую зависимость производительности протокола от уровня помех в канале.

Для простоты расчетов возьмем идеальный канал передачи данных, в котором БЕЯ равно 0, другими словами, в канале передачи данных кадры не будут повреждены. Из рис.2.2 видно, что в канале передачи данных не ожидается квитанции и можно исключить время ожидания получения квитанции. По мере отправки кадров получаем положительные квитанции.

Помимо задержек, связанных со временем на передачу информационных и служебных кадров, необходимо также учитывать реальную задержку на распространение сигналов в передающей среде (электрические и оптические кабели и др.).

В условиях зашумленности канала для оценки времени передачи N бит информационного кадра, введём реальную скорость передачи данных V в модели «возврат на N шагов»:

,, (^кадр О * ^окно , _ „ гъ *

У =--* Р* + О * Кокно * Рс (2.13),

где Nкадр — длина кадра,

рк — вероятность неискажения кадра в окне (формула 2.12),

рс — вероятность неискажения служебных кадров в окне (находим, изменяя формулы (2.11) и (2.12)):

= 1 - (1 - (1 - ВЕЯ)п)с,

Рс = 1-Чс ,

Гк — время передачи всех кадров в окне; для определения этого параметра воспользуемся формулой (2.4), где

N 5

р р

Л Лрасп.сигн

откуда

N * к 5 Тк=^-+ -+ Тинтв*к + Б*р (2.14).

^ ^расп.сигн

Метод селективного повтора

В схеме работы метода селективного повтора (рис.2.3) отправляются вновь только кадры с ошибками или потерянные кадры, для которых источник сообщения получает NAK, а также кадры, для которых время тайм-аута истекло.

Алгоритм селективного повтора кажется более производительным, чем схема с возвратом на N шагов, так как этот метод позволяет минимизировать количество вновь отправляемых кадров. С другой стороны, получатель должен управлять буфером, достаточно большим, чтобы сохранять все кадры, полученные после отправки им кадров NAK, до тех пор, пока ошибочный кадр не будет передан вновь. Также получатель сообщения должен сам расставлять получаемые кадры в правильном порядке. Источник также должен обладать более сложной логикой, позволяющей передавать кадры не по порядку. В связи с его большей сложностью, алгоритм селективного повтора получил значительно меньшее распространение, чем метод возврата на N шагов.

Буфер памяти для сохранения кадров в селективном повторе существенным образом влияет на производительность этого метода. Он нужен не только для сохранения полученных кадров, но и для их сортировки. Кроме того, должно быть достаточно памяти и вычислительной мощности для сортировки и сохранения результатов сортировки.

В селективном повторе время для сортировки кадров будем считать достаточным. Но может не хватать размера буфера: например, если размер окна

равен M*N (Ы — количество байтов в кадре, М — размер окна) байтов, для сортировки как минимум нужен будет буфер с размером М*№1о§(М*^. В связи с этим есть необходимость нахождения наибольшей вероятности появления ошибки в кадре (в каком номере кадра) в окне, например, появления ошибки в первом кадре, или 10-м кадре, или в кадре М.

Вероятность появления ошибки в к кадрах при отправлении т кадров определяется по биномиальному распределению [24]:

= С* * Р™ * 4т-к

где р = 1 — (1- е)^ — вероятность появления ошибки в кадре ^ — количество битов в кадре), т — количество кадров в окне, к — кадр, в котором, возможно, произойдет ошибка, Я = 1 — Р,

С^ = — биномиальный коэффициент.

Найдем математическое ожидание числа попыток до первой успешной передачи всех т кадров в окне [42]:

1

М(х) = - (2.15)

Р

Дисперсия число попыток до первой успешно передачи всех т кадров в окне:

Р

= (ТТ^Т (2-16)

Определим вероятность того, что хотя бы один кадр будет ошибочным:

= 1 — (2.17)

В таблице 2.1 приведены математическое ожидание и дисперсия для разных БЕЯ при размере окна 1000 кадров, размере кадра 1120, рассчитанные по формулам (2.15) и (2.16).

Таблица 2.1. Математическое ожидание и дисперсия числа попыток до первой успешно передачи всех т кадров для разных ВЕК

№ ВЕЯ М(х) О(х)

1 10-3 673,9029927 219,7577491

2 10-4 105,9607495 94,73306904

3 10-5 11,13756888 11,01352344

4 10-6 1,119373593 1,118120596

5 10-7 0,111993734 0,111981191

6 10-8 0,011199937 0,011199812

7 10-9 0,001119999 0,001119998

Для расчетов по формуле (2.17) в среде МаНаЬ была написана программа нахождения вероятности того, что хотя бы один из кадров в передаваемом окне будет с ошибками. Входные параметры определены так: размер кадра — 1120 байт, максимальный размер окна — 1 000 кадров, шаг изменения размера окна — 5 кадров. Из рис.2.12 и по расчетам, произведенным в среде МаНаЬ, при больших ВЕЯ в каналах связи использование оконного режима нецелесообразно, так как при ВЕЯ = 10-4 размер окна равен 6 кадрам; при ВЕЯ = 10-5 размер окна равен 23 кадрам; при ВЕЯ = 10-6 размер окна составляет 57 кадров. При ВЕЯ<=10-8 вероятность появления хотя бы одной ошибки в кадре не увеличивается резко с увеличением размера окна, а при ВЕЯ = 10-9 значение Р1/тне становится больше 0,007.

Рис.2.12. Вероятность появления хотя бы одной ошибки в кадрах

при селективном повторе

Рассмотрим математическую модель селективного повтора.

Вероятность успешной передачи кадра определяется подобно методу отправки с ожиданием по формуле (2.15), так как в случае ошибки в кадре вновь отправляется только кадр, для которого получен КАК.

Для расчета реальной скорости передачи данных в модели селективного повтора используем формулу (2.3), (канальная задержка D не включается в формулу (2.4)), которая имеет вид:

т/ (^кадр -С)* к V =-^-* Р

тг

(2.18),

где

кадр

N * к

_ ^*кадр а -"кадр " +

5

Я

Я

_1_ т * ь ' 1интв ^

(2.19).

расп.сигн

При этом надо учесть следующее:

1. Размер буфера. Зависит от размера памяти устройства, разрешенный размер окна задан протоколом.

2. Размер кадра. Можно взять оптимальный размер кадра при методе отправки с ожиданием.

3. Время тайм-аута. Источник сообщения по мере отправления кадров получает квитанции (рис.2.3), также источник сообщения после отправки кадра запускает таймер. Если под воздействием ошибок в канале связи квитанция не была получена источником сообщения, то по истечении времени тайм-аута источник сообщения отправляет вновь тот же кадр.

Предположим (рис.2.13), что после отправления последнего кадра в окне (N+5) необходимо запустить таймер для принятия положительной или отрицательной квитанции. В этом случае следует использовать формулу (2.11).

_ Начала таймера для _.

N N+1 N+2 N+3 N+4 приёма квитанции N+4

Рис.2.13. Метод селективного повтора, работа таймера

Случай потери АСК не является столь критичным, как в методе возврата на N шагов, так как потеря или принятие с ошибками АСК обнаружится при получении следующей квитанции (ACK (N+2), рис.2.13); у источника кадр

добавится в буфер кадров, для которых не получен АСК. Вновь отправляемый кадр N+1, будет отправляться после кадра N+3, получатель сообщения, приняв N+1 кадр, обнаружит в буфере уже существующий или дублирующий кадр и удалит вновь принятый N+1 кадр, при этом отправит АСК (N+1) отправителю. Для обнаружения дублирующих кадров получатель сообщения должен хранить в буфере полученных кадров все кадры для текущего окна, которые правильно принял от источника сообщения. В связи с этим можно сделать еще один вывод по размеру буфера, а именно: минимальный размер буфера должен совпадать с размером окна и будет равным ^адр* Кокно.

2.4. Условия оптимизации реальной скорости передачи данных в стандартных протоколах канального уровня

Рассмотрим влияние размера кадра относительно помех в каналах связи на производительность различных протоколов канального уровня при разных методах передачи данных. Ясно, что реальная скорость связана с размером информационного поля кадра [38-40, 45]. Существует множество протоколов канального уровня, и у каждого протокола есть ограничение по минимальному и максимальному размеру кадра, размеру служебной части кадра, временным интервалам между кадрами, а также существует зависимость от передающей среды (скорость распространения сигнала). В данной главе находим оптимальный размер кадра при разных значениях BER для разных протоколов канального уровня, при котором реальная скорость достигнет наивысшей точки в условиях допустимых входных значений (так как оптимальный размер кадра может находиться вне допустимых разработанным стандартом значений протоколов канального уровня).