Важнейшие элементы проектирования компьютерных сетей

Выше было показано, что проектирование програм­мируемых устройств компьютерных сетей содер­жит два макроэтапа — системного и технического проек­тирования. Детализируем последовательность и содер­жание этих этапов.

Первым шагом системного этапа проектирования яв­ляется анализ и уточнение технического задания (ТЗ) на устройство (рис. 2.3). На этом шаге производится оп­ределение внешних параметров, которые описывают уст­ройство с точки зрения заказчика или потребителя; уточняются ограничения, которым должны удовлетворять внешние параметры.

На первом шаге производится также выделение и уточнение множества А={}задач, решаемых устрой­ством, и определяются нагрузочные характеристики уст­ройства. Наиболее важное (критичное) место занимают канальные нагрузочные характеристики, которые опре­деляют структуру и объемы потоков информации от уст­ройства в КС и из КС в устройство. Характеристики по­токов сообщений в общем случае могут быть заданы в виде распределений интервалов между моментами по­ступления сообщений, условных вероятностей появления сообщений определенной категории срочности и распре­делений длин сообщений с детализацией по категориям срочности.

Связь между процессами в современных СОИ стан­дартизируется иерархической системой протоколов. Важным в этом случае является определение ряда си­стемных параметров протокола применительно к задан­ному КС или классу КС.

Вторым шагом системного этапа является задание критерия эффективности, позволяющего оценивать опти­мальность решения в процессе проектирования устрой­ства. Задача выбора критерия Кмпу занимает одно из важнейших мест при разработке.

При проектировании микропроцессорного устройства компьютерных сетей требуется определить множество его внутренних параметров (быстродействие, объем ЗУ, тип интерфейса и т.п.), они играют роль независимых переменных задачи проектирования и одновременно однозначно определяют значения внешних параметров.

В общем случае задача проектирования оптимального микропроцессорного устройства может быть решена толь­ко путем полного перебора различных вариантов сово­купностей внешних параметров устройства (удовлетво­ряющих системе ограничений Фх на внутренние параметры) с последующим их сравнением. Таких ва­риантов может быть очень много. Поэтому в практике проектирования сложился подход, когда на основе опы­та проектирования и ряда умозрительных соображений выбирается ограниченное число вариантов совокупно­стей основных технических характеристик, среди кото­рых и ищется вариант, обеспечивающий максимальное значение критерия эффективности.

Ограниченный ряд МП семейств, использование ти­повых периферийных БИС, типизация структур и т. п. уменьшают количество вариантов структур МП устройств СПИ, однако и в этом случае необходимо ввести ограни­чения на класс рассматриваемых физических структур. На 3-м шаге системного этапа кроме ограничения такого вида могут также быть введены ограничения на число используемых МП в структуре, тип интерфейса с УВВ и т.д.

Путем анализа множества А задач на 4-м шаге не­обходимо выделить полную логическую структуру F уст­ройства. Множество F в дальнейшем используется для формирования вариантов программно-аппаратного рас­пределения функций в устройстве с целью их реализа­ции.

Основными элементами физической структуры МПУ являются БИС МП-семейств. В настоящее время выпус­кается несколько десятков таких наборов. Исходя из наличия, доступности, стоимости, массогабаритных характеристик, параметров надежности, допустимого темпера­турного диапазона и т. п., на 5-м шаге системного этапа целесообразно ограничить ряд МП-семейств с целью уменьшения допустимого множества вариантов структур.

Для МПУ, характеризуемого заданной логической структурой и выбранной физической структурой, суще­ствует множество способов отображения логической структуры на физическую, задающих множество программно-аппаратных разбиений функций. Формирование множества производится на шаге 6 си­стемного этапа. Число элементов существенно за­висит от таких факторов, как: выбор программной реа­лизации функций обмена с УВВ, использование для со­пряжения с УВВ периферийных БИС или аппаратной логики; реализация сетевых функций на специализиро­ванном сетевом МП или программно-аппаратная реали­зация с использованием периферийных схем различной степени интеграции; выбор принципа обработки преры­ваний в МП (программный, аппаратный); наличие в МП-системе БИС прямого доступа к памяти; выбор принципа распределения функций по МП мультимикро-процессорной системы (равномерная средняя загрузка МП, минимизация обращений к общей памяти, концентрация функций подмножеств Р{ на одном МП и т.д.). Перечис­ленные факторы делают данный этап весьма трудоем­ким. Формирование часто основывается на анали­зе однотипных разработок, зависит от сложности алго­ритмов обработки при реализации той или иной функ­ции.

Рис. 2.3. Последовательность этапов проектирования устройств компьютерных сетей

На основе анализа {а} относительно их критично­сти к реальному масштабу времени и с использованием Ф_у определяется допустимое в устройстве подмножество принципов диспетчеризации, которое в простейшем слу­чае может быть задано как (1, К) — число, задающее приоритетность задачи. Задание под­множества {} осуществляется на 8-м шаге системного этапа.

Элементы сети могут быть исследованы только в случае получения хотя бы ориентировочных реализаци­онных характеристик для основных элементов логичес­кой структуры Р, каковыми являются время выпол­нения функции и требуемая емкость ЗУ. Поскольку проверка носит приближенный характер, то при проведении ее цесесообразно учиты­вать только те а_i, которые выполняются в реальном мас­штабе времени и обеспечивают заданные скорости приема и передачи. Подходящими моделями для такого ана­лиза являются системы массового обслуживания, синхро­низированные сети Петри. Последние позволяют, отра­зить асинхронные параллельные процессы при цикличе­ском режиме функционирования.

Аналитические методы исследования не отражают ряд существенных особенностей программируемых МПУ. В связи с этим в качестве основного метода анализа структуры и характеристик программируемых МПУ компьютерных сетей на системном этапе широко используется имитаци­онное машинное (программное) моделирование, в осно­ве которого лежит метод статистических испытаний. При разработке и построении имитационных моделей уст­ройств компьютерных сетей применяются различные математические схемы. Большие преимущества в этом смысле дает при­менение аппарата Е-сетей. Во-первых, Е-сеть служит средством задания структуры и параметров имитацион­ной модели, дающим наглядное представление об ин­формационных потоках в системе, во-вторых, при про­граммной реализации Е-сетевых модулей упрощаются процессы разработки и модификации моделирующей программы. Разработка Е-сетевой модели и соответст­вующей программы моделирования осуществляется на 11-м шаге системного этапа.

Процедура моделирования программируемого МПУ компьютерных сетей (12-й шаг) позволяет получить основные характе­ристики множества внешних параметров устройства и оценить рассматриваемую структуру ) по крите­рию эффективности К_мпу. Основным в этом шаге является синтез через анализ различных допустимых вариан­тов реализации сети. Системный этап проектирования завершается выбором некоторого элемента {е_у}_у обеспечивающего максимальное значение критерия К_мпу(13-й шаг).

На этапе технического проектирования компьютерных сетей выполняются обычные для систем процессы разработки дополнительных аппаратных средств и макета, ПО, тестовых и диагностических средств, испытания си­стемы.

При техническом проектировании возможна дальней­шая оптимизация выбранного варианта г_у по критерию К_мпу. Наиболее широкий диапазон для этого представ­ляет разработка ПО устройства. Ряд функций допус­кает различные способы их алгоритмической реализации, существенно отличающиеся по параметрам.

Из изложенного следует, что изучение свойств МПУ компьютерных сетей и развитие методов их конструирования проводят­ся с помощью различных математических моделей и ме­тодов в зависимости от степени детализации структуры МПУ и их свойств, характера исследуемых проблем.

Специфика МПУ компьютерных сетей определяется наличием в их составе СП. Учитывая, что микропроцессорными уст­ройствами компьютерных сетей являются ЭВМ специального назначения, при исследовании характеристик СП используют опыт применения математических моделей для описания функ­ционирования вычислительных систем (ВС).

Математические модели микропроцессорных СП мо­гут быть как аналитическими, так и имитационными.

В последующих параграфах этой главы дается крат­кая характеристика некоторых особенностей применения наиболее используемых в настоящее время для исследо­вания ВС математических моделей: моделей СМО, сетей Петри и имитационных.

Модели СМО могут быть использованы для прибли­женной оценки ряда показателей качества МПУ СПИ. Так, например, для систем с очередями, к которым носятся МПУ СПИ, необходимо прежде всего оценить загруженность системы, простейшей мерой которой является отношение средней длительности обслуживания заявки (обработки сообщения в СП) к среднему време­ни между моментами поступления заявок (сообщений на вход СП). Зная интенсивности потоков сообщений на входах устройств СПИ, можно предъявить определен­ные требования к средней скорости их обработки микро­процессорной системой. Другим показателем качества компьютерных сетей является их пропускная способность — сред­нее число заявок (сообщений), обслуженных за единицу времени. Это очень важный показатель, поскольку про­пускная способность того или иного пути в СОИ определяется пропускной способностью элемента (узла, ка­нала) пути с минимальной интенсивностью обслужива­ния. Среднее время пребывания заявки в СМО, которое обычно складывается из времени ожидания обслу­живания и времени обслуживания, характеризует среднее время задержки сообщения в устройстве СПИ. Важной мерой загруженности является «длина оче­реди», изучение распределения которой требуется, на­пример, при оценке объема буферной памяти, необ­ходимой в устройствах компьютерных сетей для размещения посту­пающих из каналов связи и передаваемых в каналы.

Важным подмножеством сетевых функций является реализация протокольных процедур в СП. Поскольку описание протоколов в большинстве случаев имеет не­формальный характер, то это приводит к неоднозначной трактовке процедур разными проектировщиками и ус­ложняет процесс разработки СП. Применение формаль­ного аппарата сетей Петри на 4-м шаге позволяет суще­ственно упростить и ускорить процесс создания СП, опи­сать и исследовать алгоритмы функционирования протокольных станций и различные аспекты взаимодейст­вия, является основой автоматизации процедур анализа протокольных структур.

Применение Е-сетей на 11-м шаге в качестве матема­тической схемы для имитационного моделирования (12-й шаг) наряду с отмеченными достоинствами обусловлено простотой и наглядностью Е-сетевого описания; большой моделирующей мощностью, позволяющей отобразить ди­намику взаимодействия и асинхронный характер проце­дур; возможностью перенесения методов моделирования МПУ на область протоколов, что определяет единообразие описания моделей про­токолов и вычислительных устройств, их реализующих; принадлежностью Е-сетейи сетей Петри к одному классу моделей.

Имитационное моделирование используется как для проверки аналитических оценок, так и самостоятельно для получения оценок в тех случаях, когда аналитические методы неприменимы или не обеспечивают необхо­димую точность. При изложении метода имитационного моделирования, достаточно хорошо известного и широ­ко применяемого на практике, основное внимание обра­щено на особенности моделирования редких событий, ха­рактерных для процесса функционирования устройств компьютерных сетей (например, вероятность блокировки и искажения информации для реальных СП порядка 10^-5...10^-6).