Организация обмена через резервированные магистрали локальных сетей управления машинами и агрегатами

Введение. К системам компьютерного управления комплексами машин и агрегатов, в том числе в сфере сервиса, предъявляются жесткие требования по надежности, отказоустойчивости и производительности [1], обеспечение которых, как правило, достигается при резервировании вычислительных и коммуникационных средств, и, в частности, при резервировании магистралей [2-4]. Эффективность компьютерной системы управления во многом зависит от организации взаимосвязи компьютерных узлов через канал с резервированием магистралей, что и обусловливает актуальность исследований алгоритмов такой взаимосвязи и оценки их эффективности.

Использование нескольких магистралей (физических каналов) в одном сеансе передачи данных ведет к появлению вариантности организации обмена [4]. Время передачи кадра по разным магистралям может не совпадать из-за разной пропускной способности и других характеристик магистралей [5]. Если каналы полностью идентичны, время передачи может варьироваться из-за повторных пересылок в случае нарушения целостности кадра или коллизий доступа в канале. Если вариацию времени передачи кадра не учесть при организации обмена через резервированные каналы, в процессе передачи могут возникнуть нарушения в порядке доставки кадров (инверсии), что может привести к невозможности восстановления на приемной стороне исходного сообщения.

Если не предпринимать специальных действий при передаче кадров по физическим линиям для уменьшения числа неудачных передач (таким действием может быть именно повторная отправка отдельного кадра по физической линии), доля повторных пересылок целых пакетов может быть весьма велика.

Модель канала передачи данных с фрагментацией пакетов. Рассмотрим модель массового обслуживания канала передачи данных с фрагментацией пакетов, чтобы продемонстрировать зависимость среднего времени пребывания требования в системе от параметра фрагментации (числа кадров, на которые разбивается пакет перед отправкой).

В канале с высоким уровнем помех рациональным является фрагментация пакета на r кадров, к каждому из которых присоединяется некоторый объем служебной информации . Фрагментация позволяет снизить объем повторно передаваемой информации в случае возникновения ошибок при передаче. Оптималь- ное число кадров, на которые требуется разбить передаваемые пакеты при фрагментации, зависит от вероятности битовой ошибки.

Рассмотрим модель передачи данных через один канал, предусматривающую разбивку пакетов на r кадров.

Исследуемые системы характеризуются неординарностью входящего потока и соответствуют системе массового обслуживания типа M/Er/1 [6].

Производящая функция вероятности того, что вновь поступившее требование застанет систему в состоянии к, когда не выполнены к этапов, определяется формулой [6]:

P (z) = r ц(1 -рХ1 - z) .

r ц + X zr+1 - (X + r ц) z

Заметим, что первая производная от производящей функции, вычисленная в точке z = 1, где z - комплексная переменная производящей функции, дает первый момент исследуемой случайной величины [6]. Первый момент производящей функции после раскрытия неопределенности по правилу Лопиталя опреде- ляется как:

P,(z )= цх(1 -р)(1 + г ) 2(X - ц)2

.

По формуле Литтла среднее время пребывания требования в системе (при фрагментации пакетов на r кадров ) вычисляется как: T_Er = P ' ( 1 ) / r X .

На рис. 1 приведены графики среднего времени ожидания обслуживания: для системы с отправкой пакетов без разбивки, с разбивкой на два кадра, с разбивкой на десять кадров.

Рисунок 1. Зависимость среднего времени пребывания требования в системе при r = 1, 2, 10

Из представленных зависимостей видно, что среднее время пребывания требования в системе уменьшается вместе с ростом числа фрагментов, на которые разбивается пакет. Это связано с уменьшением коэффициента вариации плотности распределения времени обслуживания, так как пересылка большого числа коротких кадров более предсказуема по времени, чем пересылка одного большого пакета (из-за возможных повторных пересылок при возникновении ошибок).

Реализация механизмов организации обмена по резервированным каналам на нижних уровнях сетевой модели. Распределение блоков данных по физическим каналам может быть реализовано на канальном уровне -при этом протоколы канального уровня могут взаимодействовать с одним или несколькими физическими уровнями, контролируя и управляя этим взаимодействием.

Так как протоколы канального уровня взаимодействуют с протоколами физического уровня непосредственно, в алгоритмах работы протоколов канального уровня можно учесть характеристики физических каналов, предоставляющие интерес при распределении кадров по каналам, например:

• •    величина задержки отправки;

• •    вероятность возникновения битовой ошибки;

• •    скорость передачи данных и т.д..

Организацию обмена по резервированным каналам предпочтительнее реализовывать на нижних уровнях, так как на эти уровни можно возложить функции контроля надежности доставки блоков данных. Обеспечение надежной доставки короткого кадра потребует меньших затрат (повторных пересылок, битов контрольных сумм, корректирующих групп и т. д.) по сравнению с отправкой целого пакета без промежуточного контроля достоверности составляющих его кадров.

Использование канального уровня для организации обмена по многомагистральному каналу позволяет достичь существенно большей эффективности использования пропускных способностей физических каналов. Но для достижения высокой эффективности при распределении кадров по физическим каналам требуется учитывать характеристики этих каналов. Однако динамическое распределение кадров по каналам с различными характеристикам (например, пропускными способностями) приводит к возможному нарушению порядка доставки кадров.

Существуют компромиссные решения по организации обмена, позволяющие полностью исключить возникновение инверсий, но вносящие ограничения в эффективность использования пропускных способностей физических каналов. Примером такого решения является организация резервированного обмена по стандарту IEEE 802.3ad.

Согласно этому стандарту, в единый логический канал можно объединить до восьми физических полнодуплексных каналов Ethernet с пропускной способностью 1 Гбит (рис. 2).

Клиент MAC-уровня
I                 t
отправитель		приемник
MAC	MAC		MAC
PHY	PHY		PHY

Клиент MAC-уровня
I
отправитель		приемник
MAC	MAC		MAC
PHY	PHY		PHY

Рисунок 2. Сеть с организацией агрегированных каналов по стандарту IEEE 802.3ad, MAC (Medium Access Control) – уровень доступа к среде, PHY (Physical Layer) – физический уровень

Агрегирование каналов по стандарту IEEE 802.3ad предполагает, что физические каналы, входящие в состав логического:

• •    являются полнодуплексными;

• •    соединяют два узла сети;

• •    имеют одну и ту же пропускную способность.

С точки зрения сетевой модели OSI (Open Systems Interconnection basic reference model — базовая эталонная модель взаимодей- ствия открытых систем) агрегирование каналов происходит под сетевым уровнем и над канальными уровнями каждого физического канала. Таким образом, подуровень агрегирования каналов использует сервисы нескольких канальных уровней физических линий, но и сам предоставляет сервисы канального уровня. Поэтому с точки зрения сетевых протоколов объединение происходит на канальном уровне (рис. 3).

Сетевая модель OSI

Прикладной уровень
Уровень представлений	/ / / / / / /	Сервисы канального уровня
Сеансовый уровень
		Подуровень агрегирования каналов
Транспортный уровень
Сетевой уровень		Канальный уровень Физический уровень		Канальный уровень Физический уровень	…………...	Канальный уровень Физический уровень
Канальный уровень
Физичес кий уровень

Рисунок 3. Архитектурное расположение подуровня агрегирования каналов

Стандарт IEEE 802.3ad не требует использования какого-либо определенного алгоритма распределения кадров по физическим каналам, однако регламентирует, что используемый алгоритм должен обеспечивать:

• •    отсутствие дубликатов кадров;

• •    отсутствие инверсий в порядке следования кадров.

Стандарт IEEE 802.3ad не позволяет обесп ечить устойчивость одной сессии передачи данных к отказам физических каналов. Действительно, стандарт не предусматривает возможности одновременной передачи одного и того же кадра по нескольким физическим линиям, поэтому возникновение отказа на используемом канале неизбежно приведет к потере кадра. Успешной доставки можно добиться с помощью повторных пересылок, однако это может приводить к существенным временны̀ м задержкам, что для определенного класса систем

(системы жесткого реального времени, системы автоматики и телемеханики) недопустимо. Такие системы нуждаются в иных решениях проблемы передачи данных через резервированные каналы.

Анализ вариантов организации обмена по резервированным каналам. В технологиях агрегации используются различные варианты распределения блоков данных по агрегированным каналам, проанализируем некоторые из них.

Первый вариант. Самым простым вариантом организации передачи через агрегированные каналы является передача данных по одному из исправных каналов. В случае отказа используемого канала передача продолжается по следующему исправному каналу.

Для передачи данных от каждого узла используется только одна, заранее определенная магистраль. Прием блоков данных каждое устройство может осуществлять с любой из магистралей. Исходный суммарный поток пакетов распределяется между m магистралями фиксированным, заранее определенным способом. Такая организация доступа к магистралям может быть интерпретирована как совокупность систем массового обслуживания (СМО) типа М/M/1.

Среднее время пребывания требования в системе определяется как [4]: Т = t/(1 -tX/m) , где t = 1/ ц - среднее время обслуживания одного запроса; Ц - интенсивность обслуживания; к - интенсивность входного потока за- просов.

При возникновении отказа в системе с такой организацией агрегированных каналов, пакет, который находился в процессе передачи в момент возникновения отказа, может быть потерян (если контроль доставки не осуществляется на верхних уровнях сетевой модели).

Второй вариант . Более эффективным с точки зрения использования пропускной способности каналов является применение алгоритма распределения RoundRobin, при котором блоки данных, ожидающие отправки, передаются поочередно по каждому из каналов. Этот алгоритм, также называемый алгоритмом циклической диспетчеризации, используется в сетях стандарта IEEE 802.3ad, IMA (Inverse multiplexing over ATM (Asynchronous Transfer Mode)), MLPPP (Multilink Point-to-Point Protocol) и многих других сетях с агрегированием на физическом и канальном уровнях.

Каждый блок данных может быть отправлен по любой магистрали. Такая организация доступа к ресурсам интерпретируется как СМО типа M/M/m. Среднее время пребывания требо- вания в системе определяется как:

Т2 = m / ц + Pm / ц(1 - р), где р = — m ц

Г m-1 (mp)k +(mp)m JL )

Ik% k!     m! 1 -pj p = m

p 0 ^{( m} p ) ^m ( 1 - p ) m !

В сетях стандарта IEEE 802.3ad пакеты, относящиеся к одной сессии передачи данных, передаются только по одному и тому же физическому каналу. Соблюдение этого условия, a также условий, накладываемых на алгоритм передачи пакетов, позволяет гарантировать от -сутствие инверсий в последовательности полученных пакетов. Благодаря такой организации обмена отпадает необходимость в добавлении или изменении каких-либо данных пакета на канальном уровне, а также буферизации или обработки пакетов после приема. Однако это условие, обеспечивающее отсутствие инверсий, является причиной и главного недостатка сетей, организованных по данному принципу: высокая эффективность использования пропускных способностей физических каналов достижима при одновременном ведении нескольких сессий передачи данных, при этом число сессий должно быть не меньше числа физических каналов.

Для количественной оценки эффективности использования пропускных способностей каналов в сети, организованной по стандарту IEEE 802.3ad, построена имитационная модель вычислительной сети. Зависимость коэффициента использования сети p от времени t , измеренная для различного числа одновременных сессий, приведена на рис. 4.

1 сессия                   2 сессии

3 сессии                   12 сессий

Рисунок 4. Сравнение коэффициента использования системы для различного числа сессий передачи данных

Третий вариант . Циклический алгоритм диспетчеризации также может быть использован при объедин ении каналов на самом нижнем – физическом уровне. Примерами технологий с механизмом объединения на физическом уровне являются G.SHDSL [7], EoPDH [8] и др..

Каждый пакет разбивается на части определенного размера (кадры), и 1/ m- я часть пакета отправляется по своей магистрали. Среднее время обслуживания этой части меньше в m раз (интенсивность обслуживания больше в m рaз) по срaʙʜeʜию со средним временем обслужи-ʙaʜия целого пaкетa.

Среднее время пребыʙaʜия требовaʜия в системе определяется мaксимaльным временем пребыʙaʜия кaдрa в одном из кaʜaлов, но тaк кaк пaкет рaзбиʙaeтся ʜa кaдры рaвной длины, a кaʜaлы имеют идентичныe xaрaктеристики (в рaмкaх рaccмaтриʙaeмой модели), то время пребывания всех кадров одинаково между собой и равно: T3 = (t / m)/(1 - tX / m).

Достоинством данного варианта является уменьшение среднего времени пребывания требования в системе. В сравнении с первым вариантом имеется выигрыш во времени в m рaз. Дaʜʜaя зaʙиcимocть не учитыʙaeт повторные пересылки дaже в случae пoтери кaдрa.

Эффективность ʙaриaʜтов оргaʜизaции кaʜaлов срaʙʜиʙaeтся по среднему времени пребыʙaʜия требoʙaʜия ʙ cиcтеме. При построении моделей мʜoгoмaгиcтрaльных систем предположено покaзaтельное рaспределение интервaлoʙ мeжду требoʙaниями и времени их обслужиʙaʜия. Ha рис. 5 предстaʙлeʜa зaʙиcи-мость среднего времени ожидaʜия oбслужиʙa-ния для чиcлa мaгиcтрaлeй m = 5.

Рисунок 5. Зависимость среднего времени пребывания требования в системе от интенсивности входного потока запросов

Из приведенных зaʙиcимocтей видно, что первый ʙaриaʜт, предycмaтривaющий фикca-цию мaгиcтрaлeй зa yзлaми, устyпaeт остaль-ным по среднему времени ожидaʜия oбслужи-ʙaʜия. Фикcaция ресурсов зa пoтребителями – низкоэффективный ʙaриaʜт с точки зрения пропускной способности сети. Этот ʙaриaʜт может быть применен в существующих сетях, где зaмeʜa ycтройств или протоколов нецелесо-обрaзʜa, тaк кaк он не требует изменения общепринятых стaʜдaртов и протоколов.

Haиʙысшую производительность демонстрирует третий ʙaриaʜт оргaʜизaции, при котором кaждый пaкет рaзбиʙaeтcя ʜa кaдры, пе-редaʙaeмые по всем кaʜaлaм.

Заключение. В стaтье проaʜaлизировa-ны рaзличныe ʙaриaʜты aгрегировaʜия кaʜaлoʙ в вычислительных сетях. Покaзaʜo, что оргaʜи- зaция обмeʜa через aгрегировaʜʜые кaʜaлы ʜa кaʜaльном уровне сетевой модeли ʜaиболее эффектиʙʜa, особенно при фрaгмeʜтaции пaке-тoʙ ʜa кaʜaльном уровне. Paccмoтрeнa пробле-мa ʜaрушения порядкa cлeдoʙaʜия кaдров при aгрeгaции кaʜaлов и приведeʜ ʙaриaʜт ее решения с учетом огрaʜичений стaʜдaртa IEEE 802.3ad. С помощью имитaционного моделиро-ʙaʜия пoкaзaʜa целесообрaзность aгрегировa-ния кaʜaлoʙ пo cтaʜдaрту IEEE 802.3ad только для одновременного ведения чиcлa ceccий рaʙ-ного или превосходящего число физических кaʜaлoʙ.