2.  ХАРАКТЕРИСТИКА СЕТЕЙ СВЯЗИ ЭВМ                       

Говоря вообще сети связи ЭВМ характеризуются их функциональным назначением,  эффективностью и стоимостью[2]. Это - три показателя, с помощью которых может быть представлена сеть с точки зрения пользователей.

Функциональные  возможности  -  это  вся  сумма  функций,  которые  пользователь  связывает  с  применением  сети. О функциональном назначении сети много говорилось в предыдущих разделах , характеристику стоимости рассмотрим в разделе, посвященному экономическому анализу, а в этом разделе поговорим об эффективности сети.

С точки зрения пользователя имеется четыре категории параметров эффективности функционирования:                               

·связанные с задержкой, или параметры задержки;                 

·связанные с пропускной способностью ,или параметры пропускной способности;              

·связанные с  целостностью, или  параметры  точности;              

·связанные  с  готовностью,  или  параметры  готовности.              

2.1. Параметры эффективности функционирования

Параметры задержки                                   

Параметры   задержки   относятся   к   классу   параметров,  влияющих   на    возможность   пользователя    управлять   продолжительностью  времени,  в  течение   которого  происходят   желаемые  события или  явления.  Например,  при  поиске  информации  время,  в  течение которого  получен  требуемый  ответ  после  введения  запроса,  представляет   собой   параметр   значительной  важности   для  пользователя.  Позднее  мы  увидим,  что  параметры,  в  свою  очередь, явля- ются   функциями  нескольких  других  параметров,   характеризующих сеть.                                                            

Параметры пропускной способности               

Параметры пропускной способности количественно харарактеризуют общий  объем работы,  который может  выполнить пользователь  за  заданный промежуток  времени.  Например,  в области применения,  связанной с  передачей больших  файлов, эффекттивная скорость, с  которой канал  передает информацию,  или пропускная  способность канала,  является важным  параметром. Аб- солютная  задержка  между моментами  передачи и  приема информации (в пределах известных границ) менее важна.                     

С первого взгляда  может показаться,  что задержка  и пропускная  способноеть  связаны обратной  пропорциональной зависимостью.  Это  не  обязательно.  Напрймер, спутниковый  канал  характеризуется  большой  задержкой,   но  при   односторонней  передаче   информации   с  использованием   соответствующего  протокола  он может обеспечить очень высокую пропускную способность.        

Параметры точности,                   

Параметры,   связанные с точностью,   характеризуют   количественно  целостность  процесса  передачи,  т. е.  точность сообщения,  а  также  точность  процесса  доставки.  Каждое сообщение  (или пакет),  распространяемое  по  сети,  содержит  адрес  доставки.  Как  само  сообщение,  так  и  его  адресная  часть  подвержены  ошибкам  при  передаче.  Искажение  бита  в  адресном  поле приведет  к срыву  доставки.  Время  от  времени  ошибки  могут  появляться  как в  адресе, так и в сообщении.                                       

Параметры готовности                  

Систему  связи  называют  неготовой,  когда  она   не  способна  функционировать  так,  как  спроектирована,  или  когда  ее  эффективность  функционирования    снизилась  ниже   заранее  определенного  уровня.  Восстановление   из  состояния   неготовности  может   быть  автоматическим  (как  после  периода   повторной  синхронизации)  или  с  помощью оператора  (как, например,  при отказе  в устройстве  сети  и  необходимости  устранить  его  вручную)  . Чтобы   эффективно  проектировать  систему  от  “абонента   до  абонента”, пользователю   необходимо   уметь    анализировать   статистические   характеристики готовности.                                       

Эффективность  функционирования  от  ”абонента   до  абонента”, или  общая  эффективность  сети  показанная  на  рис.   2.1,  может  быть отдельно оценена по трем основным компонентам:              

·подсистеме доступа на стороне терминала;                      

·собственно сети;                                              

·подсистеме доступа на стороне главной ЭВМ.                    

Каждый  из  этих  трех  основных  компонентов  может  быть  охарактеризован параметрами  эффективности  функционирования всех   упомянутых   четырех   категорий.   Заметим,   что  подсистема доступа включает также соответствующие оконечные пункты.           

#           Рис.2.1. Основные компоненты компьютерной сети связи

Каждая  из  подсистем  доступа  может  быть  одной  из  множества  возможных,  таких,  как  соединение  на  основе  коммутации каналов,   сеть   выделенных   каналов   или  многоточечная   сеть  выделенных каналов. После начальной задержки в канале, вызванной     установлением    соединения,     канал    телефонной сети  ведет  себя  подобно  выделенному  каналу  (частной  линии). Многоточечная  линия  - это  один канал  частной линии  с несколькими   терминалами,   работающими   с   разделением   во   времени.  Разделение одной  линии между  несколькими терминалами  позволяет  экономить  ресурсы  доступа. В  многоточечных линиях  и  их  терминалах  должна  выполняться  определенная дисциплина,  чтобы  гарантировался  порядок  разделения  линии  передачи между  терминалами.  Одним  из  таких  способов является  процедура опроса.                                                   

Каждая подсистема  доступа описывается  совокупностью  параметров,  входящих  в  четыре категории  параметров  эффективности  функционирования,  описанных   в  п.2.1. Аналогично характеризуется и сама сеть.

При рассмотрении задач такого характера строятся сложные математические модели и применяются  методы имитационного моделирования, Мы остановимся только на параметрах среды передачи и очень важной характеристике (с точки зрения пользователя) как пользовательские ,или интегралбные задержки.                   

2.2. Параметры среды передачи

2.2.1. Задержка                    

Задержка в собственно среде передачи обычно постоянна и равна времени распространения. Значение времени распространения сигнала по аналоговым линиям обратно пропорционально скорости распространения света и равно  3 мкс/км.                                                       

 2.2.2. Пропускная способность    

Пропускная способность собственно среды передачи характеризуется максимальной скоростью передачи данных (бит/с), которая может быть достигнута в ней. Очевидно, что это - максимальная скорость, с которой информация может транспортироваться в среде. Из-за избыточности и ошибок в канале обычно действительная скорость передачи информации в среде будет меньше возможного максимума. Пропускная способность часто выражается в процентах от номинальной канальной скорости.                                                          

 Скорость среды передачи иногда представляют в бодах. Бод просто равен величине, обратно пропорциональной наименьшей длительности сигнала в секундах, который может быть успешно передан в среде (наименьшую длительность сигнала иногда так же представляют как единичный интервал). Например, если единичный интервал равен 10 мс, то линейная скорость равна 100 бод. Для указанной скорости передачи данных в бодах сама по себе форма представления сигнала не важна. Он может быть двоичный или m-ичный (с m уровнями отсчета, а не двумя). Для перехода от  значения в бодах к значениям в битах в секунду и наоборот необходимо  знать  число уровней,  связанных с каждым элементом сигнала и вероятностями их появления. В нашем случае ( среда передачи телефонный канал) можно воспользоваться формулой Шеннона, которая устанавливает связь между шириной полосы пропускания канала в герцах и скоростью передачи в битах за секунду. Математически это соотношение может быть представлено как

С=Wlog₂(1+S/N)                                      (1.7.1) ,

где С-канальная скорость, бит/с ; W-ширина полосы, Гц

       S,N-уровни мощности сигнала и помехи соответственно.

Выражение (1.7.1) дает верхнюю границу канальной скорости в идеальных условиях. Если рассматривать телефонный каналс шириной полосы и отношением сигнал-помеха:

W=3000 Гц; S/N=30 дБ или 10 ³ , то

С=3000 log₂(1+1000)=29880  бит/с.

Эта скорость не может быть достигнута на практике по следующим причинам: 1) телефонная среда не свободна от помех; 2) мощность шума в канале распределена неравномерно. Однако, при применении передовых технологий кодирования и сжатия сигнала этот порог не критичен.

В рассматриваемой нами сети Global X.25 для передачи информации используются те же самые телефонные каналы. Пропускная способность этих телефонных каналов связи составляет 14400 - 19800 бит/с. 

2.2.3. Целостность или точность                          

Целостность передачи - это показатель точности процесса передачи.  Распределение  ошибочных  битов  может  полностью  характеризовать процесс  передачи. Если  биты с  ошибками распределены по случайному   закону, то  вероятность бита  с ошибкой, или частость  ошибочного бита  (ЧОБ), будет  полезным параметром, который может быть  использован для  полной характеристики среды передачи в статистическом смысле.

Исследования показали, что нормы ошибок по битам  при передаче данных  по стандартным телефонным каналам имели следующие результаты(исследования проводились на магистральных каналах с пропускной способностью 14400 бит/с): при использовании протокола Х.25 вероятность передачи ошибочного бита составила   10 ^-5 ; при использовании протокола Х.28 - 10 ^-4 .                                       

2.2.4.  Готовность                                                    

Готовность среды передачи (в общем, любой системы) - это вероятность того, что она находится в рабочем состоянии . Коэффициент готовности может быть рассчитан как                                                                                   

 К= Т₀/(Т₀ + Тв),                                       (1.7.2)                                                         

где То - средняя наработка на отказ; Тв - среднее время восстановления.                                                                        

Мы  рассматриваем здесь только средние или ограниченные значения готовности. В  действительности готовность есть случайная величина. Например,  если готовность измеряется с использованием реальныл объемов данных, она будет изменяться из года в год.                                                  

Выражение (3.8) может быть также записано в виде                                

                        Время работы                                    

К= ------------------------------------------------------                            (1.7.3)                                                           

       Время работы+ Время восстановления                                               

                                                                                  

Знаменатель в выражении (3.9) представляет собой весь период наблюдения. Далее представлены значения показателей для готовности типичной среды передачи .                                                        

Среда передачи                                          Коэффициент  готовности,  %                                                                   

Физическая цепь                                                              99,99                                                            

Канал телефонной коммутируемой сети                       99,96                                            

Космический канал                                                          99,96                                                       

Выделенная линия 4 КГц (160 км)                                  97,50                                           

Нередко надежность системы R (t) определяется как вероятность  того, что система будет в рабочем состоянии (без отказов) в течение временного интервала (0, 1). Функция надежности часто выражается экспоненциальным законом:    

                                        

R (t) = ехр ( - lt).                       (1.7.4)                                                                             

Из выражения (3.10) функция потоков отказов может быть рассчитана как:                                                         

 f (t) = l ехр ( - lt).                      (1.7.5)

Среднюю наработку на отказ Т₀ можно теперь записать в виде

 T₀=1/l                                         (1.7.6)

Параметр l называется потоком отказов системы.                           

Аналогичный подход используется для описания восстановления системы. Функция восстановления часто выражается как  

                                                                     

 М (t) = ехр ( - mt).                     (1.7.7)

Как и ранее, можно показать, что              

                          

 Т_в = 1/m.                                      (1.7.8)

Параметр m называется потоком восстановлений системы.                    

Из (1.7.6) и (1.7.8) для экспоненциально распределенных функций надежности  и восстановления  получаем выражение  для коэффициента готовности в виде                                               

A=(1/l)(1/l+ 1/m)= m /(l+m)                      (1.7.9)

Отметим, что выражение  (1.7.9) пригодно  только для  случая, когда функции надежности и восстановления экспоненциальные.  

С   точки   зрения  пользователя   не  всегда   практично  разделение между   полным   отказом   среды  передачи   и  периодом   высокой  интенсивности   искажений   битов.   По   мнению   МККТТ  поток   ошибок,  превышающий  10 ^-3  в  каждую  секунду  в  течение  более  чем   десяти  следующих  друг  за  другом  секунд,  соответствует  полному  отказу,  т.  е. состоянию неготовности.                                  

Способ, которым  распределены реально  длительности отказов, не  может  быть  предугадан.  Очевидно,  если  функция нахождения  системы  в исправном  состоянии распределена  экспоненциально, то  длительности  отказов могут  быть предсказаны  статистически. Это  положение  существенно  для  расчета функционирования  на уровне пользователя и особенно при  проектировании системы,  которая отвечает требованиям пользователя. Рассмотрим ту  конфигурации, которую имеем мы, точнее один из отрезков ( удаленный пользователь - хост ). Это терминал и подсистема доступа (районного пользователя) , собственно сеть и главная ЭВМ и подсистема доступа (хост ЛВС АВО). Если при данной конфигурации подсистема доступа или сеть отказывают, пользователь будет воспринимать это как  общий отказ системы. Если предположить, что характеристики отказов трех компонентов всей системы статистически независимы, то межконцевая (сквозная) готовность системы может быть выражена как

А = А₁ * А₂ * А₃,                                (1.7.10) 

где А₁ , А₂ , А₃ - коэффициенты готовности подсистем терминального доступа, сети и подсистемы доступа к главной ЭВМ соответственно. Выражение (1.7.10) легко выводится из предположения о независимости.

Из [2] приняв А₁ =А₃=0,9996 и А₃=0,99 , легко расчитать межконцевую готовность:

А = А₁ * А₂ * А₃=0,9892,          или            98,92 % .

2.3. Пользовательские задержки                  

2.3.1.  Значение интегральных задержек             

Основными   факторами,   влияющими   на    интегральные   показатели  функционирования  в  зависимости  от  ограничений, вводимых пользователем  и  его  прикладными  задачами  и   продессами,  являются  среда   доступа  и   функционирование  сетей   общего  пользования.                                                              

Задержки  в  сетях  связи   ЭВМ  могут   быть  проанализированы при  рассмотрении  только  самой  сети или  всей системы  от абонента  до  абонента  (“насквозь”). В  этом пункте  анализируется  среднее   значение  интегральной задержки,  с  которой  сталкивается  пользователь  при работе  с запросно-ответными   прикладными   задачами,  используя   для  взаимодействия  с  удаленной  ЭВМ  коммуникационную программу(программное обеспечение для удаленного доступа) , которую будем называть терминалом , через   линию  доступа  в  сеть  общего  пользования  с  пакетной  коммутацией.

 Коммуникационная программа, прежде чем отправить сообщение формирует информацию в блоки. Поэтому будем рассматривать такую коммуникационную программу как терминал с поблочной передачей Среднее   значение  интегральной   задержки,  в дальнейшем   называемой   средним   временем  ответа   (СВО),  определим  как  среднее  время  от  момента  передачи  последнего символа запроса до момента приема первого символа ответа.                

Задержка  в  сетях  с  коммутацией  пакетов  являлась предметом серьезных исследований в ”Message Path Delays in Packet-Switching Communication Networks” I.Rubin и “Transit Delay Objectives for the Datapac Network” D.Sproule and M.Unsoy [2] Большинство из  них направлено на  исследование  задержек,  возникающих   при  ожидании   в  очередях  и  обработке  транзитных  пакетов  в узлах.  Сеть сама  по себе может   рассматриваться   как   совокупность    узлов,   соединенных между  собой  средствами   передачи  информации.   Сетевая  задержка (т.  е.  интегральная  задержка  за  вычетом  составляющих задержки, связанных   с  подсиетемами   доступа)  представляет   собой,  таким образом,  сумму  задержек  пакета  в  узлах  сети  и  соединяющих их средств передачи.                                                   

В  данной  главе  сеть  с  коммутацией  пакетов рассматривается как  единое  целое,  характеризуемое  переменным  значением  задержки.   Это   оправдано   при  рассмотрении  интегральных  задержек, представляющих  собой  сумму  сетевой  задержки  и   задержек,  связанных с подсистемами доступа.                                      

2.3.2.  Интегральные задержки в сетях  с коммутацией пакетов                      

В   исследованиях,  проведенных   Гарвардским  научно- исследовательским  центрам,  результаты   которых  изложены   в  “Users: See For Yourslelves How Public Data Nets “ S.M.Lauretti, приводилась   оценка   рабочих   характеристик   задержки   и  производительности (пропускной  способности)   нескольких  сетей   с  коммутацией пакетов. Для анализа интегральных задержек мы будем использовать данные, полученные Гарвардскими научно- исследовательскими центрами [2].

Время  ответа  измерялось  для  коротких и  длинных пакетов. Время  между  передачей  последнего  символа  команды  и  приемом одиночного  символа  ответа являлось  временем ответа  для короткого односимвольного  пакета.  Время  ответа для  длинного сообщения  измерялось  с  помощью  команды,  запрашивающей  от  главной  ЭВМ  передачу  2000  символов.  Время  между  передачей  последнего  символа команды  и приемом  первого символа  ответа являлось временем ответа для длинного пакета.                                                            

В табл. 2.1,2.2  представлены статистические данные результатов  измерений времени  ответа для  коротких и  длинных пакетов в различных сетях.                                                                               

Время ответа для коротких пакетов, с                         Таблица 2.1

Наименование сети	Объем    выборки	Среднее   значение	Минимальное значение	Максимальн. значение
Micom	3713	0,33	0,21	0,71
Conn-net	3247	0,41	0,32	0,82
Uninet	2328	0,71	0,44	5,38
Telenet	1753	0,73	0,44	3,57
Tymnet	2327	1,13	0,49	8,52

Время ответа для длинных пакетов, с                           Таблица 2.2

Наименование сети	Объем выборки	Среднее значение	Минимальное значение	Максимальн. значение
Micom	361	0,46	0,38	0,72
Conn-net	323	0,57	0,44	0,77
Uninet	222	1,05	0,70	1,76
Telenet	167	1,13	0,76	1,80
Tymnet	216	1,50	0,65	5,61

2.3.3. Составляющие интегральных задержек                 

Терминал с поблочной передачей хранит  информацию, генерируемую  пользователем, в своем  собственном  буфере. После  того как  блок информации, обычно с  установленним максимальным  размером, сформирован, он передается со скоростью работы линии доступа  в синхронном режиме. На рис. 2.2 изображен терминал с поблочной передачей,составляющие задержки для терминала с поблочной  передачей связанный с удаленной ЭВМ или другим таким же терминалом  через сеть с коммутацией пакетов.                                        

Будем считать, что для рассматриваемых здесь запросно-ответных  прикладных  задач  запросное  сообщение  целиком  входит в один блок. Тем не менее в зависимости от размера  сообщения содержимое одного  блока может  быть преобразовано  начальным узлом в более чем один пакет  для передачи  в узел  пункта назначения.                                                                    

Оценка СВО для терминалов с поблочной передачей производилась отдельно по шести составляющим: T₁-T₆

#           Рис.2.2. Составляющие задержки для терминала с поблочной                                                               передачей

Составляющими  среднего  времени  ответа  являются: Т₁ - задержка сборки первого пакета (запроса) в пункте А; Т₂  - транзитная задержка (задержка в передаче)  от пункта  А к  пункту В;  Т₃  -  задержка  пересылки  сообщения; Т₄  - задержка  в главной ЭВМ; Т₅ - задержка сборки  первого пакета  (ответа) в  пункте В; Т₆ - сетевая задержка (ответа) от пункта В к пункту А.  Из определения СВО, приведенного в разд.

2.3.2., следует, что  терминал  с  поблочной передачей   имеет  ощутимую   задержку,  связанную   с  пакетированием (преобразованием блока  в пакеты)  в сетевом  узле,

взаимодействующем  с  терминалом.  Эта  задержка  равна  задержке  передачи символов,  составляющих  первый  пакет  сообщения.

 Воспользовавшись выражением 2.1 ,приведенным в [2] и условившись, что  параметры   пользовательских  сообщений   прежние,  получим время задержки сборки пакета

1/m₂ = å km₁(1-m1)^k-1+N(1- m₁)=

   (2.1)                                  =(1/m₁)(1-(N+1)(1-m₁)^N+N(1-m₁)^N+1)+N(1-m₁)^N

                                             

T₁=(1/s₁m_i)[1-( N+1)(1-m_i)^N+N(1-m_i )^N+1]+(N/s₁)(1-m_i)^N   , где

 

1/m_i   - среднее значение длины запросного сообщения  _. Для примера возьмем 200 символов.

1/m₀ - среднее значение длины ответного сообщения. Возьмем 400 символов.

N - максимальный размер пакета. Воспользуемся промышленным стандартом - 128 Байт.

s₁ и s₂ - скорости линии доступа со стороны терминала и главной ЭВМ. В нашем случае они одинаковы и равны 14400 бит/с или 1800 байт/с.

Т₁=200/1800 [1-(128+1)(1-1/200)¹²⁸+128(1-1/120)¹²⁹]+128/1800(1-1/200)¹²⁸

 

Получаем

         Т₁=0,054 с

Вторая составляющая  СВО  Т₂  называется   средним  значением транзитной задержки в сети и является рабочей характеристикой сети.Примем Т₂  равной 500 мс или 0,5 с , как среднее значение(руководствуясь[2]). Обычно, транзитная задержка составляет сотни миллисекунд.

 Третья составляющая СВО будет  возникать в  узле назначения и представляет собой время, необходимое для приема всего сообщения  главной ЭВМ  со скоростью  работы линии  доступа. Зная  характеристики запросного сообщения, имеем  

                                                                                                          

Тз = 1/(m_i s₂).

Т₃ = 200/1800 = 0,111 c

Четвертая  составляющая  Т₄   является рабочей характеристикой главной ЭВМ и не связана с характеристиками сети общего пользования и параметрами доступа в сеть. Возьмем ее равной 1 секунде.           

Как уже отмечалось в  разд. 2.3.3  ответное сообщение  будет преобразовываться  в  блочную  форму  и  пакетироваться  до   того,  как будет   направлено   запрашивающему   терминалу.Возникающая при этом  задержка  соответствует   составляюшей  Т₅.   А  так   как  СВО включает время до поступления первого символа ответа, то параметры первого  пакета ответного  сообщения будут  определять значенне  Т₅. Воспользовавшись  выражением  из [2]:

1/m₂ = å km₁(1-m1)^k-1+N(1- m₁)=

       (2.1)                              =(1/m₁)(1-(N+1)(1-m₁)^N+N(1-m₁)^N+1)+N(1-m₁)^N

 и  полагая характеристики ответного сообщения прежними, цолучаем  :

 T₅=(1/s₂m₀)[1-(N+1)(1-m₀)^N+N(1-m₀)^N+1]+(N/s₂)(1-m_i)^N

Т₅=400/1800 [1-(128+1)(1-1/400)¹²⁸+128(1-1/400)¹²⁹]+128/1800(1-1/400)¹²⁸

 

Таким образом, Т₅= 0,061 с

Последняя составляющая СВО Т₆  такая же, как и Т₂. 

Итак, полная задержка в сети составляет :

Т=Т₁+Т₂+Т₃+Т₄+Т₅+Т₆= 0,054 + 0,5 + 0,111 + 1 + 0,061 + 0,5 = 2,226 с               

Следует заметить, что односимвольные задержки, связанные с пересылкой  последнего  символа  запроса  и  первого   символа  ответа,  невелики  и  ими  можно  пренебречь.  Кроме  того,  если  первый  пакет   ответного  сообщения требует  полной  его  разборки  перед  печатью  или  отображением  на дисплее,  то  срок  разборки  пакета  будет  определяться аналогично, как м для Т₅ , но только с заменой s₂ на s_1.