Следует отметить, что активное управление потоком кадров на канальном уровне, присущее Ethernet, вместо распространенного сегодня протокола TCP/IP допускающего потери пакетов, потенциально способно устранить разброс времен задержки при передаче кадров по сети и повысить эффективность использования канала за счет отсутствия в этом случае повторной передачи кадров. Данные возможности весьма существенны для городских и территориально-распределенных сетей передающих мультимедийный трафик.

В Gigabit Ethernet для управления потоком кадров применяется технология Flow Control (FC), описанная в стандарте IEEE 802.3х [3]. Этот стандарт был разработан для локальных сетей ориентированных в основном на передачу трафика данных, поэтому остаются открытыми вопросы обеспечения качества обслуживания [4] при передачи через коммутатор трафика критичного к задержкам (в частности видео и голос).

Анализ рекомендаций IEEE 802.3x [3] показал, что стандарт управления потоком кадров требует чтобы поддерживающее его сетевое устройство реагировало на сообщение о приостановке передачи, но не предписывает устройству выдавать подобные сообщения. Стандартное решение IEEE 802.3x не учитывает класс и приоритет проходящего трафика. Подобные положения снижают управляемость телекоммуникационных систем, и могут приводить к множественным перегрузкам на узлах и каналах сетей. В тоже время опыт эксплуатации технологии Gigabit Ethernet показывает рост масштабов использования этой технологии в крупных сетях с новыми критичными приложениями, такими как передача компрессированного голоса, высококачественного видео, банковских транзакций, трафика Интернет.

Решение по управлению потоком кадров учитывающее класс и приоритет проходящего трафика, и способное выявлять узлы вызывающие перегрузку и целенаправленно на них воздействовать разработано компанией IBM [5]. Но при исследовании качества управления, компанией IBM [5] не была учтена существенная задержка управления возникающая на магистральных каналах связи из-за конечной скорости распространения сигнала.

В связи с вышеперечисленными фактами, исследование устойчивости и оптимальности системы управления потоком кадров при задержках управляющего сигнала является весьма актуальной задачей.

Структура данной работы такова. В разделе 2, предлагается математическая модель системы управления потоком кадров IEEE 802.3x. В разделе 3, исследовано влияние задержки управляющего сигнала на устойчивость и оптимальность системы управления. В разделе 4, представлены выводы, и высказаны рекомендации по продолжению исследований в этом направлении.

На рисунке 2.1 представлена функциональная модель автоматической системы управления входящим потоком кадров.

Критерий управления потоком, состоит в поддержке максимально возможной скорости следования кадров при гарантии отсутствия потерь из-за переполнения входного буфера, т.е.:

где– объем входного буфера,– текущее значение очереди,– межкадровый интервал, – переменная управления.

Согласно стандарту IEEE 802.3x [3] блок УУ выполняет следующие функции:

• контроль размера очереди во входном буфере кадров;
• контроль доступной полосы пропускания для передачи информации;
• управление обслуживающим прибором;
• управление периодом поступления кадров.

В IEEE 802.3x [3] определен закон управления, который удобно описать двумя соотношениями. Первое выражение:

где– максимально допустимая величина переменной управления,– дискрета изменения переменной управления,– момент времени начала передачи кадра,– размер кадра, – функция Хевисайда.

Второе выражение:

где– критическая величина заполнения буфера при которой выдается команда: «Приостановить передачу» (Xoff), – критическая величина заполнения буфера при которой выдается команда: «Возобновить передачу» (Xon). Функцияизображена на рис. 2.2.

Начальным условием управления является равенство

а ограничением тождество

При критерии управления в виде (2.1), система управления при соответствующем быстродействии, гарантирует защиту от переполнения входного буфера если соблюдается разность

где– задержка управления выраженная в количестве кадров находящихся в линии.

В качестве математической модели коммутатора (ОУ) используем модель разработанную и описанную в работе [7]. Так как модель не учитывает активного управления потоком кадров, расширим ее.

где– битовая скорость канала, постоянный аппаратный параметр. Начало передачи кадрахарактеризуется временной отметкой, а окончание отметкой. Технология Gigabit Ethernet передает кадры переменной длины при переменном межкадровом интервале, поэтому минимальный вектор состояния канала характеризуется двумя компонентами [8]:

При необходимости, минимальный вектор состояния канала может быть расширен компонентами из заголовочной части кадра, а также переменными сетевого и транспортного уровней, содержащимися в поле полезной нагрузки.

Кадр Gigabit Ethernet состоит из преамбулы (служит для синхронизации передатчика и приемника физического уровня), служебной части и полезной нагрузки [8]. Размер преамбулы в дуплексном режиме зафиксирован в 64 бита, а служебной части в 144 бит. Минимальное значение “чистого” межкадрового интервала в точности равно времени передачи 96 бит и составляет для Gigabit Ethernet 96 нс, а максимальное значение не ограниченно. Учитывая что преамбула на канальном уровне не обрабатывается, получаем значение “реального” минимального межкадрового интервала в 160 нс.

В итоге получаем, что компонентавекторадискретна по своей природе и определена на битовом отрезке

с дискретой в 8 бит. Компонентанепрерывна и определена на наносекундном полуинтервале

С точностью достаточной для инженерных расчетов, компонентуможно также представить дискретной, с интервалом дискретизации в 1нс. Ошибка дискретизации в этом случае составляет не более. Тогда процесс порождающий минимальный вектор состояния канала, будет дискретен и по времени и по уровню.

Полная структура модели САУ изображена на рис. 2.4.

БД – обозначает дискретизацию функции по временной отметке.

На рис. 2.4 выделен блок УУ разработанный в подразделе 2.2. Остальная часть представляет структуру модели ОУ разработанную в работе [7], и расширенную для учета ею активного управления потоком кадров.

На вход коммутационного устройства от источника трафика (ИТ) поступает поток заявок, который описывается двумя случайными величинами:– длительность межкадрового интервала, и– размер кадра. Битовая скорость коммутациипринимается постоянной, так как является аппаратным параметром. Время обработкив общем случае зависит от размера кадра, времени обработки заголовка процессором(производится проверка контрольной суммы и определяется выходной порт по записи “адрес-порт” в таблице коммутации) и времени остающегося до освобождения выходного порта занятого другими процессами. Две последние величины в нашей модели принимаем случайными, они зависят от конкретной технической реализации коммутатора и от режима его функционирования.

Так как входной буфер коммутатора имеет ненулевую конечную емкость, то для коммутационного устройства справедлив “закон баланса”, выражающийся в равенстве количества поступивших в систему кадров сумме количеств скоммутированных, потерянных, и находящихся в буфере. Потерянные кадры возникают в силу конечной емкости буфера, при возникновении перегрузки и переполнении входного буфера. В качестве математической модели “закона баланса”, используем выражение

Функцию состояния источника трафика в терминах непрерывного временивыразим следующим образом:

где– функция Хевисайда.

Принимая во внимание вышесказанное, функцию сброса кадров определим так:

Функцию состояния коммутационной матрицы (функцию коммутации) в терминах непрерывного времениопределим так:

Учитывая особенности функционирования коммутатора в режиме “store-and-forward” и учитывая дискретность процесса коммутации кадров, моменты времени началаи окончанияобработки кадров выразим следующим образом:

а время обработки через

Время собственно коммутации определяется размером кадраи битовой скоростью коммутации. Выразим

Моменты времени начала и окончания собственно процесса коммутации кадра, выразим следующим образом:

В работе [7] показана адекватность модели реальному коммутатору “Cajun P550”, производства компании “Avaya”, в части оценки его вероятностно-временных характеристик. Максимальная ошибка моделирования не превышает 10%, это говорит о достаточной адекватности модели исследуемому объекту. Данная точность вполне приемлема для практических, инженерных исследований.

Для адекватной оценки качества системы управления в технической кибернетике введены понятия критерия оптимальности и функционала качества управления [9].

Функция Лагранжа состоит из двух слагаемых:

где– нормирующий коэффициент.

В формуле (3.6) в качестве слагаемого характеризующего затраты на управление, была выбрана стандартная квадратичная форма. При этом, если значение управляющей переменной не превышает величины межкадрового интервала, то управление не оказывает никакого влияния на процесс передачи кадров и затраты на управление равны нулю.

Функция штрафаполучена исходя из следующих соображений:

, при– то есть когда значение выходной величины объекта управления лежит в эксплуатационной области, функция штрафа равна нулю;

Таким образом функция штрафа представляется в виде

где– нормирующие коэффициенты, – параметр ограничивающий эксплуатационную область.

Учитывая, что на вход объекта управления действует стохастический процесс, и оптимальность системы управления требуется в большом, период оптимизации в функционале (3.5) составляет весь период функционирования системы [10].

В табл. 3.1 приведены усредненные показатели линий связи для каналов с типичной протяженностью. Диапазон охватывает значения от локальных до глобальных сетей.

Таблица 3.1

В данной работе не рассматривалось влияние алгоритмов управления классами, и очередями на динамику САУ, так как согласно положениям IEEE 802.3x на поведение стандартной системы управления влияния они не оказывают.

На рис. 3.1 приведены графики зависимости функционала оптимальности, а на рис. 3.2 параметров динамики от задержки управления.

В результате проведенного численного моделирования установлено, что при задержке управления более 500 кадров, коммутатор начинает терять кадры. При задержке в 1500 кадров, потери достигают 40%.

Сравнение графиков (рис. 3.1а и рис. 3.2б-е) показывает адекватность функционала оптимальности управления и его высокую чувствительность. В силу этого, анализ оптимальности управления на основе функционала получается более точным по сравнению с анализом на основе параметров динамики коммутатора.

Положительные результаты обнаруживаются для сетей с протяженностью каналов связи менее 5 км. Анализ данных рис. 3.1а показывает, что при увеличении задержки с 1 до 15 кадров, функционал оптимальности возрастает линейно не более чем на 30% от своего первоначального значения. В этом диапазоне задержка управления практически не сказывается на качестве обслуживания. Этот вывод подтверждается и анализом данных приведенных на рис. 3.2б-е.

При задержках управления более 15 кадров, функционал оптимальности растет уже нелинейно (рис. 3.1а). И при задержке более 120 кадров качество управления становится неприемлемым. А качество обслуживания уже значительно ухудшается при задержках управления более 50 кадров.

Одним из главных параметров определяющих качество обслуживания является вероятность потери кадра [4]. Размер буфера и динамика поведения очереди является одной из основных величин влияющих на этот показатель. Принимая во внимание, что при задержке управления более 500 кадров, коммутатор начинает терять кадры. И то, что при таких задержках в линии накапливается более 500 КБ “неуправляемых” данных, можно сделать вывод о неприемлемости стандартного подхода к управлению потоком кадров на магистральных каналах протяженностью свыше 500 км. Вывод о неприемлемости подхода подтверждает сравнение значений функционала оптимальности приведенных на рис. 3.1а и 3.1б. В зоне где начинаются потери кадров (выход за конструкционные ограничения) функционал оптимальности возрастает в 80 раз.

Здесь необходимо отметить, что вышеперечисленные результаты получены для потока трафика содержащего и голос и видео и компьютерные данные. Варианты чистых потоков голоса или видео или компьютерных данных, на сетях с каналами связи более 25 км маловероятны. Это объясняется тем, что конвергенция трафика удешевляет передачу информации на дистанции превосходящие эту величину. Это обстоятельство несомненно положительно влияет на практическую значимость результатов полученных в настоящей работе.

1. Расширенна разработанная ранее модель динамики коммутатора Gigabit Ethernet [7] в части учета ею активного управления потоком кадров IEEE 802.3x.
2. В результате проведенного анализа стандарта IEEE 802.3x показано, что некоторые положения снижают управляемость телекоммуникационных систем, и могут приводить к множественным перегрузкам на узлах и каналах сетей.
3. Моделирование системы управления потоком кадров проводилось на основе математической модели учитывающей переменный размер кадра и вариацию межкадрового интервала, а также уровень загрузки коммутационного устройства. Учет данных параметров позволил точнее исследовать динамику различных режимов функционирования коммутатора и его систем управления, что способствует проектированию более оптимальных устройств и сетей.
4. Показано, что система управления IEEE 802.3x не оказывает существенного влияния на параметры качества обслуживания при каналах связи протяженностью менее 5 км. Это положительно сказывается на возможности применения Gigabit Ethernet на загруженных мультисервисных сетях локального и кампусного масштаба.
5. При применении Gigabit Ethernet на каналах связи протяженностью свыше 5 км, требуется разработка иного закона управления потоком кадров, так как стандартное управление зависящее только от длины очереди значительно ухудшает показатели качества обслуживания. Это делает невозможным применение технологии Gigabit Ethernet на загруженных мультисервисных сетях городского масштаба.
6. При применении Gigabit Ethernet на магистральных каналах протяженностью свыше 500 км, требуется разработка иного подхода к управлению потоком кадров, так как стандартная система управления допускает значительные потери кадров (более 40 %). По всей видимости более оптимальным решением является разработка нового подхода к управлению потоком кадров не для Gigabit Ethernet, а для разрабатываемой в настоящее время технологии на 10 Gigabit Ethernet. Применение именно этой технологии более вероятно на магистральных зоновых сетях в комбинации c DWDM [2].

В настоящий момент проводится исследование на предмет разработки более оптимальной и качественной системы управления потоком кадров нежели стандартная.

Автор признателен С. Н. Кузнецову за внимательное прочтение первоначального варианта рукописи статьи, ряд ценных замечаний и конструктивную помощь.

ЛИТЕРАТУРА