Первый этап построения концептуальной модели системы и её формализации

 

Первый этап машинного моделирования — этап построения концептуальной модели системы S и ее формализации. Цель этапа — формулировка замысла модели и построение ее формальной схемы. Таким образом,
основным назначением этого этапа является переход от содержа-
тельного описания объекта, к его математической модели, другими
словами, процесс формализации. В настоящее время моделирование систем на ЭВМ — это наиболее универсальный и эффективный метод оценки характеристик сложных систем (в том числе, естественно, и информационно-управляющих систем широкого на-
значения). Наиболее ответственными и наименее формализован-
ными моментами в этой работе являются проведение условной
границы между системой и внешней средой Е, упрощение опи-
сания системы и построение сначала концептуальной, а затем
формальной модели системы. Модель должна быть адекватной,
иначе невозможно получить положительные результаты моделирования, т. е исследование процесса функционирования системы
S на неадекватный модели вообще теряет смысл. Под адекватной моделью будем понимать модель, которая с определенной степенью приближения на уровне понимания моделируемой системы S
разработчиков модели отражает процесс ее функционирования во
взаимодействии с внешней средой Е.

Наиболее рационально строить модель функционирования
системы по блочному принципу. При этом можно выделить три автономные группы блоков такой модели:

• блоки первой
  группы представляют собой имитатор воздействий внешней среды
  Е на систему S;
• блоки второй группы являются собственно моде-
  лью процесса функционирования исследуемой системы S;
• блоки
  третьей группы — вспомогательными и служат для машинной реа-
  лизации блоков двух первых групп, а также для фиксации и обра-
  ботки результатов моделирования.

Для примера в качестве объекта моделирования выберем
систему, процесс функционирования которой можно описать в
понятиях и терминах, уже известных студентам из ранее изученных дисциплин примерного учебного плана подготовки специалистов.

Пусть необходимо провести моделирование с целью получения оценок вероятностно-временных характеристик процесса
функционирования фрагмента сети передачи данных (СПД). Напомним основные понятия и определения из этой предмет-
ной области.

Данные — это факты и (или) понятия, описанные в формализованном виде. В СПД различают пользовательские и управляющие
данные.

Пользовательские данные — это данные, вводимые пользователями в СПД или получаемые ими из сети.

Управляющие данные — это данные, используемые для управления работой СПД.

Сеть передачи данных представляет собой совокупность
средств для передачи и распределения данных, Выделяют магистральную (базовую) и терминальную (абонентскую) части СПД
(рис. 4.1). Магистральная СПД служит для передачи данных между вычислительными комплексами ВК (или локальными сетями
(ЛС), ресурсы которых доступны для пользователей сети, и включает в себя узлы коммутации УК и соединяющие их каналы связи
КС. Узел коммутации выполняет функции управления, маршрутизации, передачи и коммутации данных и имеет для этого соответствующие аппаратно-программные средства. Канал связи представляет собой совокупность технических средств и среды распространения, которая обеспечивает доставку данных в нужную точку
сети. Терминальная СПД используется для подключения непо-
средственно, либо через концентраторы нагрузки КН абонентских
пунктов АП итерминалов пользователей ТП. Концентратор представляет собой устройство, обеспечивающее сопряжение входных
низкоскоростных каналов связи с выходными высокоскоростными КС. Абонентские пункты оборудуются аппаратурой передачи
данных и устройствами ввода-вывода, т. е. терминалами, осуществляющими доступ к вычислительным ресурсам и базам данных
сети. Обычно терминалы группируются и подсоединяются к терминальной сети (или прямо к ВК) непосредственно либо с помощью АП. В качестве терминалов могут быть использованы как простейшие устройства ввода-вывода, так и персональные (интеллектуальные) терминалы и ЛС.

 

Рис. 2. Структура сети передачи данных

В рассматриваемой СПД реализован режим коммутации паке-
тов, представляющей собой такой способ передачи, при котором
данных из сообщений пользователей разбиваются на отдельные
пакеты, маршруты передачи которых в сети от источника к полу-
чателю определяются в каждом УК, куда пакеты поступают.

Под
сообщениями понимается конечная последовательность символов,
имеющая смысловое содержание.

Пакет — это блок данных с заголовком, представленный в установленном формате и имеющий
ограниченную максимальную длину. Обычно в СПД используются пакеты постоянной длины, содержащие от 500 до 2000 двоичных знаков (бит). Отметим, что СПД с коммутацией пакетов обладают высокой эффективностью благодаря возможности быстрой
перестройки путей передачи данных (маршрутизации) при возникновении перегрузок и повреждении элементов СПД. Эффективность различных вариантов построения СПД и ее фрагментов
оценивается средними временами доставки данных пользователям и вероятностями отказа в установлении требуемого пользователю соединения в данный момент времени. Совокупность таких
показателей для оценки эффективности процесса функционирования СПД принято называть ее вероятностно-временными характеристиками.

Для упрощения объекта моделирования (в данном случае исхо-
дя из необходимости упрощения учебного примера с точки зрения
его наглядности и, что также важно, уменьшения затрат машин-
ных ресурсов на его реализацию) рассмотрим процесс функцио-
нирования фрагмента СПД, представляющий собой взаимодейст-
вие двух соседних узлов коммутации СПД, обозначенных УК1 и
УК2. Эти узлы соединены между собой дуплексным дискретным
каналом связи (ДКС), позволяющим одновременно передавать
данные во встречных направлениях, т. е. имеется два автономных
однонаправленных ДКС. Считаем также для определенности, что
все сообщения, поступающие в СПД, являются однопакетными.

Структурная схема варианта УК представлена на рис. 3, где
обозначено: Вх БН и Вых БН — входные и выходные буферные накопители соответственно; К — коммутаторы; ЦН — центральный
процессор. Этот УК функционирует следующим образом. После
поступления пакета из одного из входных КС узла он помещается в
Вх БН. Затем ЦП на основе заголовка пакета и хранимой в УК маршрутной таблицы определяет требуемое направление дальнейшей
передачи пакета и помещает его в соответствующий Вых БН для
последующей передачи по выходному КС.

Рис. 3 Структурная схема варианта узла коммутации

Структурная схема варианта ДКС с решающей обратной связью показана на рис. 4.3, где обозначено: КУ и ДКУ — кодирующее
и декодирующее устройства соответственно; УУК — устройство
управления каналом; КА — каналообразующая аппаратура.

Рис. 4 Структурная схема дискретного канала связи

На передающей стороне пакет из Вых БН узла коммутации попадает в
КУ, где производится кодирование, т. е. внесение избыточности,
необходимой для обеспечения помехоустойчивой передач и по КС.
Согласование с конкретной средой распространения реализуется
КА (например, организация коротковолнового радиоканала через
спутник-ретранслятор для распределенной СПД или оптического
канала с использованием световода для локальной СПД). На приемной стороне из КА пакет попадает в ДКУ, которое настроено на
обнаружение и/или исправление ошибок. Все функции управления КУ, ДКУ (в том числе и принятие решений о необходимости
повторного переспроса копии пакета с передающего УК) и взаимодействия с центральной частью узла реализуются УУК, которое
является либо автономным, либо представляет собой часть процедур, выполняемых ЦП узла.

Рассмотрим содержание подэтапов первого этапа моделирования (см. рис. 3).