Методы моделирования систем коммуникаций. Особенности работы со специализированными системами имитационного моделирования на примере "GPSS World". Характеристика технологии Ethernet. Построение схемы сети, алгоритма работы. Листинг базовой модели.
Аннотация к работе
В соответствии с протоколом CSMA (Carrier-Sense Multiple Access - метод доступа к сети с контролем несущей), рабочая станция вначале слушает сеть, чтобы определить, не передается ли в данный момент какое-либо другое сообщение. Если "слышится” несущий сигнал (carrier tone), значит, в данный момент сеть занята другим сообщением - рабочая станция переходит в режим ожидания и находится в нем до тех пор, пока сеть не освободится. Если две станции начнут передавать свои пакеты одновременно, передаваемые данные наложатся друг на друга и ни одно из сообщений не дойдет до получателя. Если одна из станций обнаружит коллизию, она посылает специальный сигнал, предупреждающий другие станции о произошедшем конфликте. При увеличении числа станций, приводящей к увеличению загрузки сети, временные задержки между посылками отдельных пакетов по сети возрастают, так как количество коллизий увеличивается.Особое внимание было уделено рассмотрению аналитического и имитационного моделирования сети Ethernet. Решением этой задачи явилось моделирование базовой 10-мегабитной сети Ethernet, изменение числа рабочих станций согласно заданному варианту и анализ полученных результатов моделирования: стандартных отчетов и гистограмм. В результате моделирования базовой модели (100 рабочих станций) было обнаружено, что сеть функционирует удовлетворительно. Коэффициент использования не превышает 48%, а среднее время задержки сообщений меньше 1 мс (т.е. меньше среднего времени поступления сообщений в сеть).
План
Содержание
Введение
Содержание заданий
Задание 1
Технология Ethernet
Аналитическое моделирование сети Ethernet
Имитационное моделирование сети Ethernet
Cxema сети
Алгоритм моделирующей программы на GPSS
Задание 2
Листинг базовой модели
Анализ результатов базовой модели
Листинг модели с дополнительными станциями N=99
Отчет (репорт) модели с дополнительными станциями N=99
Анализ результатов модели с дополнительными станциями N=99
Задание 3
Заключение
Список литературы
Введение
Внедрение новых телекоммуникационных и информационных технологий способствует дальнейшему развитию моделирования сетей и систем телекоммуникаций. Увеличилось многообразие моделей, используемых при проектировании и исследовании, поэтому их изучение является актуальным при подготовке специалистов.
Целью курсовой работы является овладение методами моделирования систем телекоммуникаций.
При аналитическом моделировании математическая модель реализуется в виде такой системы уравнений относительно искомых величин, которая допускает получение нужного результата аналитически (в явном виде) или численным методом. В некоторых случаях аналитическое описание системы становится чрезмерно сложным, что затрудняет получение требуемых результатов. В данной ситуации следует переходить к использованию имитационных моделей.
Имитационная модель в принципе позволяет воспроизвести весь процесс функционирования ТС с сохранением логической структуры, связи между явлениями и последовательности протекания их во времени.
При имитационном моделировании на компьютере имитируется работа проектируемой системы. Математическая модель при этом реализуется в виде программы для компьютера. В результате экспериментов на компьютере собирается статистика, обрабатывается и выдается необходимая информация.
Задачей курсовой работы является овладение метода имитационного моделирования систем телекоммуникаций, приобретение навыков работы со специализированными системами имитационного моделирования, такими как GPSS World. сеть алгоритм ethernet модель
Задание 1. Раскрыть технологию Ethernet. Построить схему сети, описать алгоритм работы.
Задание 2. Внести изменения в базовую модель 10 - мегабитной сети Ethernet, в соответствии с вариантом. Запустить процесс моделирования и получить результаты. Результаты моделирования представить в виде стандартного отчета GPSS World, гистограмм и следующей таблицы: Таблица 1
Число Станций Коэффициент загрузки сети Число коллизий Средняя длина очереди Среднее время ожидания
100
N
N - количество дополнительно введенных станций, определяется по варианту: в моем случае вариант 20, N=99. Сделать сравнительный анализ показателей работы сети до и после ввода дополнительных станций, результатов аналитического и имитационного моделирования.
Задание 3. Провести испытания с разработанной моделью и получить зависимости y=f (x), переменные x и y определить по варианту. Аргумент x - Inter (среднее значение общего количества сообщений, поступающих каждую миллисекунду), значение функции y - Queue (средняя длина очереди). Сделать анализ полученных результатов.
Задание 1
Технология Ethernet
Технология Ethernet была разработана в исследовательском центре компании Xerox в 70-х годах и достигла своего нынешнего лидирующего положения в 80-х. Впервые термин Ethernet был использован Робертом Меткалфом в статье, написанной им в этом исследовательском центре в мае 1973 года.
В соответствии с протоколом CSMA (Carrier-Sense Multiple Access - метод доступа к сети с контролем несущей), рабочая станция вначале слушает сеть, чтобы определить, не передается ли в данный момент какое-либо другое сообщение. Если "слышится” несущий сигнал (carrier tone), значит, в данный момент сеть занята другим сообщением - рабочая станция переходит в режим ожидания и находится в нем до тех пор, пока сеть не освободится. Когда в сети наступает молчание, станция начинает передачу. Collision Detection (метод обнаружения конфликтов) - служит для разрешения ситуаций, когда две или более рабочие станции пытаются передавать сообщения одновременно. Если две станции начнут передавать свои пакеты одновременно, передаваемые данные наложатся друг на друга и ни одно из сообщений не дойдет до получателя. Такую ситуацию называют конфликтом или коллизией (сигналы одной станции перемешаются с сигналами другой).
Если одна из станций обнаружит коллизию, она посылает специальный сигнал, предупреждающий другие станции о произошедшем конфликте. При коллизии уничтожаются все данные в сети. После коллизии станции пытаются передать свои данные повторно. Для того чтобы предотвратить одновременную передачу, был разработан специальный механизм прерываний, который предписывает каждой станции выждать случайный промежуток времени перед повторной передачей. Станция, которой достался самый короткий период ожидания, первая из них совершит попытку передать данные. После первого конфликта каждая станция ждет 0 или 1 единицу времени, прежде чем попытается возобновить передачу. Если снова произошел конфликт, что может быть, если две станции выбрали одно и то же число, то каждая из них выбирает одно из четырех случайных чисел: 0, 1, 2,3. Если и в третий раз произошел конфликт, случайное число выбирается из интервала 0-7 и т.д. После десяти последовательных конфликтов интервал выбора случайных чисел фиксируется и становится равным 0-1023. После шестнадцати конфликтов контроллер отказывается от дальнейших попыток передать кадр и сообщает об этом компьютеру. Все дальнейшие действия по выходу из сложившейся ситуации осуществляются под руководством протоколов верхнего уровня. Такой алгоритм позволяет разрешить коллизии, когда конфликтующих станций немного.
Обнаружение конфликта происходит по алгоритму, в котором осуществляется блокировка при выходе в сеть более чем одной станции. Аппаратное обеспечение станции должно во время передачи "прослушивать" сеть для определения факта коллизии. Если сигнал, который станция регистрирует, отличается от передаваемого ею, значит, произошла коллизия.
Теоретическая производительность сети Ethernet составляет 10 Мбит/сек. Однако нужно учитывать, что изза коллизий практическая пропускная способность никогда не сможет достичь теоретической производительности. При увеличении числа станций, приводящей к увеличению загрузки сети, временные задержки между посылками отдельных пакетов по сети возрастают, так как количество коллизий увеличивается.
Данные, передаваемые в сети Ethernet, разбиты на кадры. Практически каждой сетевой технологии (независимо от ее уровня) соответствует единица передачи данных: Ethernet-кадр, АТМ-ячейка, IP-дейтаграмма и т.д. Данные по сети в чистом виде не передаются. В сети Ethernet к единице данных "пристраивается" заголовок. В некоторых сетевых технологиях добавляется также окончание. Заголовок и окончание несут служебную информацию и состоят из определенных полей.
Следует отметить, что минимальная допустимая длина кадров Ethernet составляет 64 байта, а максимальная - 1518 байт. Так как на служебную информацию в кадре отводится 18 байт, то поле "Данные" может иметь длину от 46 до 1500 байт. Если передаваемые по сети данные меньше допустимой минимальной длины, кадр будет автоматически дополняться до 46 байт. Столь жесткие ограничения на минимальную длину кадра введены для обеспечения нормальной работы механизма обнаружения коллизий.
Аналитическое моделирование сети Ethernet
Механизм разделения среды протокола Ethernet упрощенно описывается простейшей моделью типа M/M/1 - одноканальной моделью с простейшим потоком заявок и показательным законом распределения времени обслуживания. Она хорошо описывает процесс обработки случайно поступающих заявок на обслуживание системами с одним обслуживающим прибором со случайным временем обслуживания и буфером для хранения поступающих заявок на время, пока обслуживающий прибор занят выполнением другой заявки. Передающая среда Ethernet представлена в этой модели обслуживающим устройством, а пакеты соответствуют заявкам.
Пусть на вход одноканальной СМО поступает простейший поток заявок с интенсивностью ?, закон распределения времени обслуживания показательный с интенсивностью ? (рисунок 1).
Рисунок 1 - Одноканальная СМО
Отношение ? = ?/? называется коэффициентом загрузки, который определяет какую часть времени устройство было занято на протяжении всего времени наблюдения за СМО.
В этом случае формулы Полячека-Хинчина для определения средней длины очереди и среднего времени ожидания имеют вид
(1)
Имитационное моделирование сети Ethernet
В качестве базовой модели взята модель 10-мегабитной сети Ethernet, разработанной Minuteman Software и представленной в /8/.
10-мегабитная сеть Ethernet с сотней подключенных в данный момент рабочих станций работает удовлетворительно. Было определено, что сетевой трафик состоит из двух классов сообщений, которые генерируются с одинаковой пропорцией во всех узлах.
Общая структура входящего потока сообщений в час пик может быть смоделирована как пуассоновский процесс со случайным выбором отдельных рабочих станций.
Сообщения поступают экспоненциально и бывают двух типов: короткие и длинные. Выбирается узел и удерживается в течение передачи сообщения и всех выдержек времени в случае коллизии. Каждый узел Ethernet может быть занят одним сообщением до тех пор, пока оно не будет отправлено или пока не произойдет некоторое количество коллизий (во время попыток передачи другими узлами), после чего объявляется постоянная ошибка и узел освобождается. Время измеряется в миллисекундах. Подразумевается, что отдельные узлы отстоят друг от друга на 2,5 м. При расчете окна коллизии для определения разделяющего расстояния используется идентификационный номер узла. Задержки распространения между смежными узлами равны 0,01 микросекунды. Каждый бит перемещается за 0,1 микросекунды. Межкадровый интервал моделируется путем задержки сети передающим узлом на некоторое дополнительное время, после того как он передал свое сообщение. Сообщения представлены транзактами GPSS. Узлы и сеть представлены устройствами GPSS. Дополнительное устройство используется во время передачи преднамеренных помех для предотвращения начала передачи нового сообщения. Коллизия возникает изза нескольких одновременных попыток передачи 2 или более узлов. Задержка распространения сигнала препятствует одновременному распознаванию узлов друг другом, тем самым, приводя к возможности коллизии. Интервал времени, в течение которого сигнал из другого узла может быть обнаружен, называется "окном коллизии". Коллизия представлена лишением передающего транзакта права занимать Ethernet и отправкой его в подпрограмму выдержки времени. Новый занимающий транзакт передает преднамеренные помехи в Ethernet и затем сам выдерживает некоторый временной интервал. Когда отправляется сообщение транзакта, транзакт занимает устройство Ethernet с приоритетом 0 и может быть вытеснен (PREEMPT) только транзактом с приоритетом 1. Когда транзакт передает преднамеренные помехи, он занимает устройство Ethernet с приоритетом 1 и не может быть вытеснен.
Схема сети
Исторически первые сети технологии Ethernet были созданы на коаксиальном кабеле диаметром 0.5 дюйма. В дальнейшем были определены и другие спецификации физического уровня для стандарта Ethernet, позволяющие использовать различные среды передачи данных в качестве общей шины. Метод доступа CSMA/CD и все временные параметры Ethernet остаются одними и теми же для любой спецификации физической среды.
Физические спецификации технологии Ethernet на сегодняшний день включают следующие среды передачи данных: 10Base-5 - коаксиальный кабель диаметром 0.5 дюйма, называемый "толстым" коаксиалом. Имеет волновое сопротивление 50 Ом. Максимальная длина сегмента - 500 метров (без повторителей).
10Base-2 - коаксиальный кабель диаметром 0.25 дюйма, называемый "тонким" коаксиалом. Имеет волновое сопротивление 50 Ом. Максимальная длина сегмента - 185 метров (без повторителей).
10Base-T - кабель на основе неэкранированной витой пары (Unshielded Twisted Pair, UTP). Образует звездообразную топологию с концентратором.
Расстояние между концентратором и конечным узлом - не более 100 м.
10Base-F - оптоволоконный кабель. Топология аналогична стандарту на витой паре. Имеется несколько вариантов этой спецификации - FOIRL, 10Base - FL, 10Base-FB.
Число 10 обозначает битовую скорость передачи данных этих стандартов - 10 Мб/с, а слово Base - метод передачи на одной базовой частоте 10 МГЦ (в отличие от стандартов, использующих несколько несущих частот, которые называются broadband - широкополосными).
Рисунок 2 - Схема сети
Алгоритм моделирующей программы на GPSS
Алгоритм передачи кадра по протоколу CSMA/CD: 1. Станция, собравшаяся передавать, прослушивает среду и передает, если среда свободна. В противном случае (т.е. если среда занята) переходит к шагу 2. При передаче нескольких кадров подряд станция выдерживает определенную паузу между посылками кадров - межкадровый интервал, причем после каждой такой паузы перед отправкой следующего кадра станция вновь прослушивает среду (возвращение на начало шага 1);
2. Если среда занята, станция продолжает прослушивать среду до тех пор, пока среда не станет свободной, и затем сразу же начинает передачу;
3. Каждая станция, ведущая передачу, прослушивает среду, и в случае обнаружения коллизии, не прекращает сразу же передачу, а передает короткий специальный сигнал коллизии - jam-сигнал, информируя другие станции о коллизии, и прекращает передачу;
4. После передачи jam-сигнала станция замолкает и ждет некоторое произвольное время в соответствии с правилом бинарной экспоненциальной задержки и затем возвращается к шагу 1.
Задание 2
Листинг базовой модели
Отчет (репорт) базовой модели
Рисунок 3 - Вид окна TABLE WINDOW для базовой модели
Анализ результатов базовой модели
В отчете из раздела, посвященного устройству, которое представляет сеть Ethernet, мы видим, что оно использовалось в среднем на 47,7%. Посмотрим на количество входов в блок с меткой Collision. В течение процесса моделирования было 3 коллизии. То есть на одно сообщение приходится 0,003 коллизии.
Очевидно, что сеть действует удовлетворительно.
Теперь посмотрим на эффект добавления N = 99 дополнительных рабочих станций.
Производим следующие действия: Command / CLEAR (Команда / CLEAR).
Изменим некоторые параметры эксперимента. Мы сделаем это с помощью интерактивной команды. Сначала изменим количество рабочих станций: Command / Custom. (Команда / Ввести.), наберем Node_Count EQU 99.
Теперь другой параметр - общий интервал между поступлением сообщений. Во второй строке листинга наберем Intermessage_Time EQU 1.0# (99/199).
Запустим процесс моделирования с новыми условиями. Выберем Command / START 1 (Команда / START 1).
Листинг модели с дополнительными станциями N=99
Рисунок 4 - Вид окна Simulation Command (Command / Custom)
Отчет (репорт) модели с дополнительными станциями N=99
Рисунок 5 - Вид окна TABLE WINDOW для модели с доп. станциями N=99
Анализ результатов модели с дополнительными станциями N=99
Как мы видим в окне "Table" ("Таблица"), большое количество сообщений задерживается изза временных задержек в случае коллизий. Средняя задержка сообщения увеличивается до 20,529 миллисекунд.
Конечно, в настоящем исследовании мы проводили бы процесс моделирования намного дольше и запускали бы дисперсионный анализ для установления значимости полученной статистики.
Тем не менее, есть еще один шаг для того, чтобы перейти от средних задержек сообщений к производительности, как она понимается конечным пользователем. Мы должны заключить, что появление этих задержек приведет к серьезным проблемам с производительностью в сети, если мы подключим к сети еще дополнительно N=99 рабочих станций.
Из отчета мы видим, что коэффициент использования устройства Ethernet вырос до 98,4%, за моделируемое время произошло 533 коллизии. У многих транзактов произошло несколько коллизий.
Ясно, что время, затраченное на ожидание перед повтором передачи при возникновении коллизий, составило большую часть от дополнительного времени задержки сообщений.
Вся эта информация доступна в окнах "Facilities" ("Устройства") и "Blocks" ("Блоки").
Сравнительная таблица
Число СТАНЦИЙКОЭФФИЦИЕНТ загрузки СЕТИЧИСЛО КОЛЛИЗИЙСРЕДНЯЯ длина ОЧЕРЕДИСРЕДНЕЕ время ожидания
100 47,7% 3 0,888 0,972
N=99 98,4% 533 42,156 21,685
Задание 3
Проведем испытания с разработанной моделью и получим зависимость y=f (x), где аргумент x - Inter (среднее значение общего количества сообщений, поступающих каждую миллисекунду), значение функции y - Queue (средняя длина очереди).
Аргумент X Значение функции Y
Inter Queue
1 42,156
1,5 108,533
2 75,720
2,5 93,257
3 56,642
3,5 107,556
4 60,682
4,5 56,105
5 69,525
Построим график зависимости в программе Microsoft Excel.
Рисунок 6 - График зависимости Queue (средней длины очереди) от Inter (среднего значения общего количества сообщений, поступающих каждую миллисекунду)
Анализируя полученный график можно заключить, что средняя длина очереди зависит от среднего значения общего количества сообщений, поступающих каждую миллисекунду по нелинейному закону. Мы изменяли значения аргумента Х с шагом 0,5.
Вывод
Теоретическая часть данной работы посвящена изучению технологии Ethernet. Особое внимание было уделено рассмотрению аналитического и имитационного моделирования сети Ethernet.
Основная задача курсовой работы - овладение методом имитационного моделирования систем телекоммуникаций с помощью специализированной системы GPSS World. Решением этой задачи явилось моделирование базовой 10-мегабитной сети Ethernet, изменение числа рабочих станций согласно заданному варианту и анализ полученных результатов моделирования: стандартных отчетов и гистограмм.
В результате моделирования базовой модели (100 рабочих станций) было обнаружено, что сеть функционирует удовлетворительно. Коэффициент использования не превышает 48%, а среднее время задержки сообщений меньше 1 мс (т.е. меньше среднего времени поступления сообщений в сеть). Соответственно и средняя длина очереди не превышает единицы.
При увеличении количества базовых станций на 99 единиц соответственно увеличивается и интенсивность поступления заявок. При этом коэффициент использования составил 98,4%, количество коллизий - 533, а среднее время задержек - 20,529 мс, что во много раз превышает среднее время поступления сообщений. Это приведет к значительным проблемам с производительностью в сети. Решением данной проблемы может быть либо увеличение количества узлов, либо увеличение скорости передачи сообщений.
Для закрепления навыков анализа отчетов моделирования в соответствии с заданным вариантом была получена зависимость средней длины очереди от среднего значения общего количества сообщений, поступающих каждую миллисекунду. Данная зависимость была представлена в виде таблицы и графика.
Список литературы
1. К.Х. Туманбаева. Моделирование систем телекоммуникаций. Методические указания к выполнению курсовой работы (для студентов очной формы обучения специальности 050719 - Радиотехника, электроника и телекоммуникации). - Алматы: АИЭС, 2007. - 24 с.
2. Боев В.Д. Моделирование систем. Инструментальные средства GPSS World: Учеб. пособие. - СПБ.: БХВ-Петербург, 2004.