Оценка функциональной эффективности информационной сети с использованием параметра «Кибернетическая мощность»

УДК 621.391.18.001.57

ОЦЕНКА ФУНКЦИОНАЛЬНОЙ ЭФФЕКТИВНОСТИ ИНФОРМАЦИОННОЙ СЕТИ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ПАРАМЕТРА «КИБЕРНЕТИЧЕСКАЯ МОЩНОСТЬ»

© А.М. Межуев, И.И. Пасечников, Р.В. Суханов

Ключевые слова: информационная сеть; оценка эффективности информационной сети; кибернетическая мощность; топология; имитационная модель; интенсивность входного потока.

В работе предложен комбинированный метод оценки функциональной эффективности информационной сети с заданной структурой на основе обобщенного параметра - кибернетической мощности, с учетом ограничения на временную задержку пакетов. Использование данного метода позволяет сочетать достоинства имитационного и аналитического моделирования, а также выработать рекомендации для выбора топологии сети в зависимости от значения информационной нагрузки.

Анализ публикаций, посвященных вопросам исследования и оценки эффективности систем связи и информационных сетей (ИС), показывает, что для решения данных задач в равной степени используются средства аналитического и имитационного моделирования [1, 2]. С помощью аналитических моделей наиболее полное исследование возможно провести лишь в том случае, когда удается построить в явном виде зависимости, связывающие искомые величины с параметрами системы и начальными условиями ее существования (такие решения можно получить для простых систем). Имитационное моделирование используется при исследовании систем, сложность которых изменяется в широких пределах. Однако в процессе формирования имитационных моделей сталкиваются с проблемами, связанными с трудностями описания функциональных зависимостей основных сетевых параметров.

Таким образом, использование при моделировании сложных информационных систем комбинированного метода, реализующего достоинства как имитационного, так и аналитического моделирования, является актуальным и имеет важное научно-практическое значение. Целью моделирования функционирования ИС, представленного в данной работе, является выработка научно-обоснованных рекомендаций, подтвержденных количественными характеристиками, по использованию топологии сети, обеспечивающей наибольшую эффективность информационного обмена в зависимости от величины внутрисетевого трафика.

Для исследования были выбраны два варианта структурного построения моделей ИС со смешанной топологией (с элементами ячеистой и древовидной структур) и со структурой «звезда».

Учитывая достаточную простоту структуры сетей и алгоритмов их функционирования, для имитационного моделирования работы ИС использован пакет моделирования дискретных систем ОР88/РС. Построенные на его основе модели дают возможность одновременно наблюдать не только процесс прохождения пакетов по сети, но и изменение величин очередей в обслуживающих приборах, время занятости устройств, данные регистрирующих таблиц.

На каждый входной узел коммутации (УК) поступает внешний пуассоновский поток пакетов с суммарной интенсивностью ^ (/) = х  , где X - средняя интенсивность поступления

=1

1969

в 7-м входном КС. Длина пакетов фиксирована и задана в качестве исходных данных для расчета Ьрак = 300 бит. Топология сети Гс задается ориентированным графом G(Л,N), где Л - множество вершин графа, т. е. УК, а N - множество его ребер, соответствующих каналам связи (КС). Каждое ребро имеет длину, эквивалентную «стоимости» ее использования. Последняя определяется пропускной способностью канала.

Для подготовки модели к работе осуществляется ввод исходных данных. На этом этапе задаются: функции распределения входных потоков и обслуживания пакетов в КС; допустимое время нахождения пакетов в системе Тдопзад; таблицы для сбора статистических данных о потерях; значения переменных, используемых для реализации алгоритма управления внешним и транзитным трафиком, а также в процессе функционирования модели. Для имитации псевдо-параллельного режима поступления информации от источников в УК происходит формирование пуассоновского потока пакетов. Распределение пакетов между каналами осуществляется процедурой, в которой реализован метод коммутации пакетов. Здесь согласно заданному условию ключ, имитирующий работу УК, направляет пакеты в очередь на обслуживание к соответствующему КС. Перед поступлением пакетов в очередь выполняется операция управления внешним трафиком. При этом учитывается значение допустимого числа накоплений в выходном УК, маршрут движения пакета (длинный путь) и анализируется текущее состояние очередей в каждом направлении передачи (управление с выхода на вход). Исходя из этого, устанавливается ограничение N доп по числу пакетов, которые могут находиться в очереди на обслуживание к каждому 7-му КС. Если число пакетов на входе в канал N ех превышает допустимое значение, то часть из них направляется в блок потерь, а остальные пакеты, удовлетворяющие условию, проходят в очередь на обслуживание в КС. Обслуживание и передача пакетов в следующий транзитный или выходной (при отсутствии транзитов) УК осуществляется в соответствии с маршрутом следования (направление выдачи пакетов определяется ключом, который работает в статистическом режиме). Если пакеты направляются в транзитный УК, то реализуется процедура управления транзитным трафиком аналогично представленному выше для входных УК. При превышении значения N доп пакет получает отказ в приеме на обслуживание и удаляется из системы с фиксацией потери. Прошедшие пакеты ставятся в очередь, обслуживаются в соответствии с протоколом обслуживания в порядке поступления (ОПП) и передаются в следующий УК. После прохождения всех транзитных УК пакеты попадают в выходной УК, где ставятся в очередь на обслуживание в выходном КС. По итогам работы модели производится сбор статистики и вывод результатов моделирования.

При моделировании определяются следующие показатели ИС:

- число пакетов Nобщ, находящихся в системе,

Пу Пу

Nобщ = 1 Ni кан + 1 Ni тек ,

7=1 7=1

где IN кан - число пакетов на обслуживании в КС; IN тек - накопления в буферах УК

7=1 7=1

при заданном ограничении по временной задержке Тдопзад ;

- производительность сети G в условиях изменения входной нагрузки и с учетом ограничения по пропускной способности каналов;

- число потерь Nпоm, возникающих в ИС вследствие переполнения очередей, а также реализации процедуры управления входным и транзитным трафиком.

Для получения достаточной статистики и исследования установившегося режима функционирования ИС имитация работы ее основных элементов осуществляется в течение (мсд = 30 мин.

Моделирование для структуры «звезда» осуществлялось при следующих значениях набора входных потоков уех: начальный набор у^ нач = (200...1700) пак/с; (унач + 400) - значения интенсивностей каждого из входных потоков увеличиваются на 400 пак/с, далее аналогично; (Уех нач + 800); (уех нач + 1400); (уех нач + 2900). При исследовании ИС смешанной структуры ис-

1970

пользовались следующие значения входного трафика: начальный набор аналогично «звезде» Уех нач = (200...1700) пак/с; (у^ нач + 400); (увх нач + 1200) (промежуточные значения увеличены на 400 пак/с для обеспечения одинаковой загрузки УК в рассматриваемых моделях); (уех нач + + 1800); (Уех нач + 2900).

Получаемые в результате имитации основных процессов, протекающих в ИС, параметры (№общ, О, Ыпот) позволяют найти используемый обобщенный показатель и с его помощью оценить эффективность информационного обмена [3, 4]. Выражение для кибернетической мощности системы связи применительно к разработанным моделям ИС с учетом потерь при заданном Тдопзад. принимает вид

Т

доп.зад.

хобщ

где Кпот =--------------------коэффициент потерь, учитывающий долю потерянных пакетов от

^Гобщ + Nпот

общего их числа, прошедших через сеть за интервал времени; G - производительность ИС, которая определяется значением ^ых и ограничивается значением и і вых (пропускной способности КС выходного УК).

На основании известного представления ИС в виде совокупности составляющих ее одноканальных систем (ОС) полная кибернетическая мощность в разработанных имитационных моделях определяется выражением

к к

Рполн = Х Рі = Х Nі общ 'иї\т ,

і=1 і=1 доп.зад.

где к - число ОС, из которых состоит ИС; Р,/ - кибернетическая мощность /-той ОС; N общ = = N доп + N обсл - допустимое суммарное количество пакетов в ней, при заданном ограничении на временную задержку пакетов Тдопзад и ее производительности ц,; N обсл = ц, - число пакетов, находящихся на обслуживании в КС.

Эффективность информационного обмена в ИС с заданной структурой можно оценить значением к.п.д. в смысле передачи информации

Пис = .

полн

Графики зависимости ПиС от времени моделирования 1мод при различных наборах входных потоков для структуры «звезда» представлены на рис. 1, для смешанной топологии - на рис. 2. Построенные характеристики позволяют адекватно оценить эффективность информационного обмена и определить наилучшие условия функционирования ИС с учетом изменений интенсивности входного трафика.

Достоверность полученных результатов подтверждается их соответствием характеру поведения реальных ИС и систем передачи информации, а также данными аналитического моделирования исследованных ИС на основе тензорной методологии [4].

Результаты моделирования позволяют сформулировать следующие выводы.

1. Разработанные модели позволяют производить оценку эффективности информационного обмена в ИС с заданными структурами на основе параметра - «кибернетическая мощность» значением к.п.д. в смысле передачи информации (ПиС).

1971

Секунды Минуты

Рис. 1.

/с

“V Секунды

'Г~ Минуты

Рис. 2.

2. Анализ полученных результатов показывает, что более эффективна в смысле информационного обмена ИС со структурой «звезда» (при условии отсутствия ограничений на производительность центрального УК). При этом для исследованных ИС определены интервалы изменений входного трафика, обеспечивающие наилучшее качество их функционирования.

1972

3. Результаты моделирования позволяют дать практические рекомендации о целесообразности использования структурного построения сети. В условиях низкой информационной нагрузки, а также при малых изменениях входного потока предпочтительней использовать структуру «звезда». При высокой входной нагрузке, а также резких и нестабильных ее изменениях лучшие результаты дает смешанная топология. Следовательно, выбор оптимальной структуры ИС на основе оценки качества ее функционирования позволяет повысить эффективность информационного обмена.

ЛИТЕРАТУРА

1. Захаров Г.П. Методы исследования сетей передачи данных. М.: Радио и связь, 1982. 208 с.

2. Клейнрок Л. Вычислительные системы с очередями: пер. с англ. / под ред. Б.С. Цыбакова. М.: Мир, 1979. 600 с.

3. Патент 2225074 РФ МПК H 04 L 29/02. Способ оценки информационных возможностей системы связи / Т.Я. Гораздовский, И.И. Пасечников (РФ). № 2002101647; Заявл. 15.01.2002; Опубл. 27.02.2004, Бюл. № 6. 3 с.

4. Пасечников И.И. Методология анализа и синтеза предельно нагруженных информационных сетей: монография. М.: «Машиностроение-1», 2004. 216 с.

БЛАГОДАРНОСТИ: Работа поддержана грантом ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России на 2009-2013 гг.», государственный контракт № 14.740.11.0349.

Поступила в редакцию 10 сентября 2010 г.

Mezhuev A.M., Pasechnikov I.I., Sukhanov R.V. Evaluation of function efficiency of information network with use of the parameter “cybernetic power”

In work the combined method of an evaluation of function efficiency of information network with preset structure is offered on the basis of generalized parameter - cybernetic power, taking into account of limiting on time delay of the packets. The use of the given method allows to combine virtues of imitative and analytical simulation analysis, and also to work out the recommendations for a choice of topology of a network depending on a value of an information load.

Ключевые слова: information network; evaluation of efficiency of information network; cybernetic power; topology; simulation model; intensity of entrance stream.

1973