Это время прямым образом входит в запаздывание выдачи управляющих воздействий в системе управления стс, в которую входит данная лвс.

Причем суммарное время вносимого сетью запаздывания определяется как передачами информации со всех датчиков в системную ЦВМ, так и передачей команд на все исполнительные органы из системной ЦВМ.

Взаимодействие шины ЛВС с абонентами можно рассматривать с позиций теории систем массового обслуживания (теории очередей), где шина - обслуживающее устройство, а поступающие запросы на передачу сообщений (данных и команд) - заявки на обслуживание, которые исполняются в системе (передаются) течение времени tобсл, которое является только частью времени отклика или временной задержки передачи. Другая часть – время пребывания в очереди к шине в ожидании её освобождения от передачи текущего сообщения. Причем в сетях с распределенным доступом абонентов на ЛПИ очередь – виртуальная, а в сетях с централизованным доступом абонентов к ЛПИ сети очередь в явном виде находится в ЦВМ-контроллера сети.

В общем случае заявки на обслуживание (передачу) поступают на шину в случайные моменты времени. Также является случайным объем передаваемых данных т.е. время передачи информации. Это является причиной очередей и ожидания начала передачи, так как заявка, застав общий ресурс - шину занятым обслуживанием предыдущей заявки, встает в обобщенную очередь ожидающих своего обслуживания заявок, но не пропадает.

Время передачи сообщений по шине tобсл, таким образом, является случайным и в случае регулярного входного потока заявок на передачу.

Теория массового обслуживания - теория очередей даёт ответ на поставленный вопрос о времени пребывания сообщения в ожидании освобождения шины и начала передачи. Правда этот ответ оговаривается некоторыми упрощениями и допущениями, делающий его приближенным. Зато модели систем массового обслуживания (СМО) позволяют понять, выделить и определить основные временные характеристики процесса передачи информации, как процесса обслуживания заявок при некоторых предположениях о законах распределения вероятности появления заявок и времени обслуживания (времени передачи сообщений).

Важность результатов этих моделей мы ощутили в курсе НИКПО, когда установили, что даже в случаях рекомендуемых и вполне приемлемых загрузок обслуживающего устройства решением задач время нахождения заявки в очереди в ожидании начала обслуживания равно или в несколько раз больше, чем время непосредственно обслуживания. Более точные результаты можно получить методами математического имитационного моделирования, но для этого нужно создать компьютерную модель сети.

Простейший поток событий и очереди к обслуживающему устройству

Потоком событий называется последовательность однородных событий следующих одно за другим, как правило, в случайные моменты времени

Часто используемое упрощение связано с тем, что рассматривается случайный поток событий (заявок)с пуассоновским законом распределения количества заявок (К) на интервале времени t. Такой поток называется простейшим и обладает свойствами стационарности, ординарности, отсутствием последействия. Для такого потока вероятность поступления на интервалеt ровно К событий определяется формулой

 

(lt)^к

Рк (t) = ---------- е^-lt - пуассоновский закон распределения вероятностей.

К!

Рк() – вероятность того, что на интервале появится ровно К заявок,

l - средняя интенсивность появления заявок – среднее число заявок за единицу времени;

- среднее число поступивших заявок на интервале .

Приводим без доказательств:

1. Для простейшего потока интервал времени T между двумя соседними заявками распределен по показательному закону с плотностью вероятности.

f(t) = l e^{-lt (t )}

2. Для случайной величины, распределенной по показательному закону математическое ожидание m равно среднеквадратичному отклонению и равно 1/ .

Поэтому для случайного распределения интервала между заявками в простейшем потоке коэффициент вариации, определяемый как

=1

Для регулярного потока и коэффициент вариации v_T также равен нулю.

Для большинства потоков, встречающихся на практике коэффициент вариации находится между 0 и 1 и может служить мерой его регулярности. Простейший поток в этом случае наиболее «случаен».

Для простейшего потока характерны «сгустки» поступающих заявок, так как малые интервалы между заявками(t около 0) имеют большую вероятность появления, чем большие(см. f(t)). Это и приводит к возникновению очередей.

Простейший поток в теории СМО играет особую роль, поскольку обладает предельными свойствами среди потоков заявок с различными законами распределения числа заявок на заданном интервале времени. При суммировании большого числа независимых стационарных потоков с произвольным законом распределения вероятностей интервалов между заявками получается поток близкий к простейшему.

К тому же с точки зрения величины задержек он - наихудший и дает наибольшее время отклика. Это обусловило его широкое применение в инженерной практике, так как его использование дает гарантированное решение. Т.Е. мы добъемся того, что для простейшего входного потока у нас система получается с заданными характеристиками качества функционирования, то для всех остальных входных потоков характеристики будут только лучше.

Мы также будем рассматривать регулярный входной поток, в котором события следуют одно за другим через равные промежутки времени, помятуя о встроенных в системы ЦВМ, имеющие фиксированный набор задач, решаемых с определенным периодом.

 

Время отклика обслуживающего устройства и его связь со средней загрузкой для простейшего и регулярного входного потока

 

Время отклика Тсист равно промежутку времени от момента поступления заявки на обслуживание (возникновения в узле необходимости передачи сообщения и попытке реализации этой операции) до момента окончания ее обслуживания (передачи сообщения адресату). Именно Тсист определяет динамику системы с управляющей сетью ЦВМ.

Теория систем массового обслуживания позволяет связать Тсист с другой важной характеристикой - средней загрузкой r вычислительной машины, определяемой отношением времени работы шины по передаче информации на определенном временном интервале к величине этого интервала. Эти две характеристики функционирования шины во времени тесно между собой связаны. Чем меньше загрузка системы – тем меньше вероятность ожидания в очереди вновь пришедшей заявки, тем меньше и задержка – время отклика, но она не может быть меньше времени передачи сообщения шиной.

Обозначим: l - среднюю интенсивность появления заявок на
решение задач;

m - среднюю интенсивность обслуживания (среднее число сообщений, передаваемых в секунду)

N – среднее число поступивших на интервале t заявок на передачу сообщений

t_обсл – среднее время передачи оного сообщения

ρ= t_обсл × N/t =λ/1/ t_обсл = λ/μ

Физический смысл средней загрузки ЦВМ решением задач ПО – среднее число поступающих заявок за среднее время обслуживания одной заявки. Эта величина должна быть меньше 1 иначе очередь вырастет до бесконечности.

С другой стороны при средней загрузке < 1, очередь все равно образуется, что связано со случайными «сгустками» заявок на входе в обслуживающее устройство и случайными задержками в обслуживании.

Методы теории массового обслуживания на основании сделанных предположений о законах распределения интенсивности появления заявок, интенсивности их обслуживания позволяют получить основные характеристики процесса обслуживания заявок (среднюю задержку, среднюю длину очереди, среднее время пребывания в очереди и другие) в зависимости от величины загрузки ЦВМ r.

Для одноканальной СМО с простейшим входным потоком и экспоненциальным обслуживанием среднее время пребывания заявки в системе Тсист – время отклика приводим без доказательства. При этом отметим, что в этом случае предполагается порядок выбора заявки из очереди на обслуживание: первый пришел первый обслужился.

В нашей модели порядок доступа на шину ожидающих освобождения шины узлов, образующих некоторую обобщенную очередь, скорее случайный, но мы для упрощения задачи будем считать порядок доступа: первый пришел первый обслужился

Тсист=

Учитывая, что μ =1/ t_обсл,запишем, умножая левую и правую часть на

Тсист/tобсл=Тсистотн=1/(1-

 

для простейшего потока заявок и экспоненциального обслуживания

T_{систотн} =

 

 

Тсистотн –средняя задержка получения сообщения абонентом, измеренная в количестве средних времен передачи сообщения.

Для регулярного поступления сообщений на шину, что чаще всего бывает в системах управления, и случайного времени передачи, распределенного по экспоненциальному закону теория массового обслуживания даёт для длины очереди к обслуживающему устройству Lоч формулу в виде неравенства

 

- £ Lоч £ +

Заметим, что величина находится между верхней и нижней границей оценки и следовательно может быть использована, как приближенное значение:

Lоч ≈

Но в соответствии с формулой Литла

T_Сист =

Делая алгебраические преобразования имеем

 

T_{систотн} = -

 

Как и следовало ожидать значение времени передачи сообщения, измеренное в количестве средних времен обслуживания в этом случае меньше, чем в случае простейшего входного потока заявок на передачу сообщений, исходящих от каждого узла сети.

Из анализа длины очереди и времени ожидания обслуживания можно сделать два вывода

первый вывод: для простейшего входного потока и экспоненциального распределения времени обслуживания суммарное время пребывания сообщения в системе с учетом ожидания обслуживания больше, чем для регулярного входного потока.

второй вывод: необходимо поддерживать 0,5 < r < 0,8. В э том случае малым приращениям m, соответствует малое приращение времени пребывания заявки в системе Тсист и неточности в знании и не приводят к большим ошибкам в определении размера очереди к процессору.

В полученных выражениях мы не рассматривали возможность коллизий. Их наличие вносит дополнительные ожидания заявок в течении времени их разрешения. Это сильно усложнит расчетные выражения теории СМО, но при этом связь времени пребывания заявки в системе сохранит свою зависимость от средней загрузки обслуживающего устройства. В ЛВС CAN коллизии, как станет ясным из дальнейшего изложения, не приводят к появлению дополнительных времен ожидания, но обслуживание станет приоритетным, что также усложнит расчетные формулы, не меняя упомянутого главного результата, ради которого мы привлекли теорию массового обслуживания.

Теория СМО приводит к выражениям простой структуры только в рассмотренных упрощениях. Для других распределений времен обслуживания и других входных потоков, для учета характерных особенностей работы некоторых реальных ЛВС эти выражения настолько громоздки, что все равно их необходимо анализировать численно. В этих случаях возможно применить имитационное математическое численное моделирование процессов прохождения задач, не прибегая к аналитическим выражениям теории СМО.

 

Лекция №11. Проблема синхронизации передатчика и приемника. Примеры защищенные ЛВС управления для сложных технических систем

Кодирование бит информации. Непосредственный способ передачи цифровых данных. Код NRZ

Существует два основных способа передачи цифровых сообщений – битовых последовательностей по физическому каналу:

- посылка бит в линию непосредственно путем присвоения каждому биту информации соответствующего набора уровней электрических сигналов в ЛПИ (информационных импульсов),

-модуляцию несущей передаваемой информации либо по амплитуде, либо по фазе, либо по частоте и передача модулированного высокочастотного сигнала.

Последнее используется в основном в беспроводных сетях и радиоканалах.

В коде NRZ (Non Return to Zero – без возврата к нулю) логическому нулю соответствует высокий уровень напряжения в кабеле, а логической единице низкий или наоборот, так как это не принципиально. Уровни сигнала кроме того могут иметь разную или одинаковую полярность, что также не принципиально. Принципиально же то, что в течении передачи одного бита (битового интервале) не происходит изменения уровня напряжения т.е. переход от бита к биту одного уровня в этом способе кодирования никак не обозначается.

Достоинства кода NRZ – простая реализация, а также минимальная потребная пропускная способность канала передачи, так как при других способах кодирования бит внутри битового интервала проходит изменение уровня напряжения. Недостаток кода NRZ – возможность потери синхронизации приемника и передатчика при передаче длительных последовательностей бит информации одного уровня. Это ведет к потере целостности информации.

 

Проблема синхронизации передатчика и приемника

 

Имеется проблема синхронизации последовательного кода, связанная с сохранением целостности передаваемой информации:

например, если идет передача последовательностей нолей или единиц, приемник непосредственно по получаемой информации может определить границы битовых интервалов и определиться с количеством полученных подряд нолей и единиц только при определенном типе кодирования сообщений

Наиболее распространенные методы кодирования информации:

 

 

 

Для кодирования NRZ вся надежда на внутренние часы приемника и передатчика, по которым можно определить количество переданных подряд нолей или единиц, ориентируясь на время передачи сообщения.

Это можно сделать, если «часы приемника и передатчика» синхронны. Однако, это надежда разбивается возможной и допустимой рассинхронизацией «внутренних часов» передатчика и приемника.

Так, при длине пакета информации 12 000 бит (1500 байт) допустимое расхождение «часов» приемника и передатчика не должно составлять более 0.01 % что представляет довольно трудную инженерную задачу. При превышении этого уровня расхождение «часов» может превысить длительность одного или нескольких бит, что приводит к ошибке по числу принятых бит у приемника при передаче данных.

Передатчик и приемник в данном случае расположены в разных узлах ЛВС, работающих в различных условиях по питающему напряжению, температуре среды и т. п. Все это увеличивает возможный разброс частот задающих генераторов рассматриваемых узлов.

Пусть передатчик послал сообщение из L бит длительностью t1. Приемник его принял и для определения числа бит в нем «измерил» длительность сообщения. У приемника свой генератор временных меток- свои «часы» и длительность этого же сообщения он определил,как t2. С учетом сказанного t1 не равно t2. По значению t2 приемник определил число бит в полученном сообщении Lприн, равное

 

Lприн = t2/длительность одного бита

 

Учитывая, что длительность одного бита, определена протоколом сети и равна с точки «зрения» передатчика

 

Длительность одного бита = t1/L

 

Подставляя это значение в предыдущее выражение, имеем для нашего примера

 

Lприн=L*t1/t2=1,00001*L

 

Для сообщения длинной в L=10000 бит это приведет к определению приемником длины сообщения Lприн на один бит больше, чем отправил передатчик. Контрольные суммы не совпадут.

Во избежание потерь информации и не желая усложнять конструкцию генераторов импульсов узлов сети для синхронизации иногда применяют специальную линию, по которой в течении передачи информации постоянно передают синхросигналы, по которым приемник определяет границы принимаемых бит. Но этот способ синхронизации увеличивает количество проводов, подходящих к приемникам и передатчикам сигнала в устройствах абонентов сети.

В связи с этим код NRZ без дополнительных линий синхросигналов может быть использован только для передачи коротких сообщений. Например, длина сообщения в сети CAN не превышает 110 бит. Поэтому применение кода NRZ здесь вполне возможно.

 

Самосинхронизирующиеся коды. Код RZ. Манчестерский код.

 

Два остальных рассматриваемых нами способа кодирования (RZ и манчестерское кодирование) вводят изменение уровня сигнала на битовом интервале, что позволяет приемнику точно синхронизировать прием каждого бита и устранить угрозу целостности информации. В результате расхождения «внутренних часов» приемника и передатчика уже не имеет значения и приемник может надежно принимать последовательность битов любой длины. Такие коды называются самосинхронизирующиеся. За это приходится платить, код RZ требует в двое большей полосы пропускания канала при той же скорости передачи данных, так как на один битовой интервал приходится два изменения уровня сигнала.

Наличие трех уровней сигнала усложняет передатчик и приемник при кодировании RZ. Самосинхронизирующийся манчестерский код широко применяется в локальных сетях. В отличии от кода RZ он имеет не три, а два уровня. Логическому нулю соответствует отрицательный переход в центре битового интервала.

а логическая единице положительный переход. (возможно и наоборот).

Таким образом, логический ноль отличается от логической единицы фазой сигнала.

Код фазоманипулированный

Фазовая манипуляция всегда более помехоустойчивая чем амплитудная и поэтому код манчестер II обладает повышенной помехоустойчевостью по сравнению с NRZ и RZ.

 

Примеры ЛВС управления СТС. Защищенная сеть MILSTD 1553B (ГОСТ Р-5207-2003)

Сеть создана для управления бортовой аппаратурой авиационно-космических изделий, имеющих в своем составе встроенные в БА ЦВМ. Стандарт получил широкое распространение во всем мире, и под этот стандарт произведены сотни тысяч образцов оборудования, соответствующих этому стандарту. Стандарт был утвержден в СССР в виде ГОСТ, а позже и в России. Последняя версия имеет наименование ГОСТ-Р-5207-2003.

Отличительная особенность стандарта – многоуровневые меры по защите предаваемой информации.

 

Физический и Канальный уровень сети MILSTD 1553B

 

Рассматриваемая сеть имеет шинную топологию, к которой подключены абоненты – устройства интерфейса. Подключения абонентов возможны напрямую, а возможны на шлейфах (в отводах от шин) длинной до шести метров, что упрощает компоновку аппаратуры на объектах управления (спутниках, ракетах, самолетах). В последнем случае для согласования волновых сопротивлений шлейфов и линии передачи необходимо применение специальных согласующих устройств, описанных в стандарте. Среда передачи, предусмотренная стандартом – экранированная витая пара. Передача ведется фазоманипулированным кодом Манчестер II на частоте 1 МГц. Код Манчестер II нами рассмотрен ранее, является самосинхронизирующимся. На такой частоте передачи в линии имеют место волновые эффекты. С этим связаны ограничения на длину шлейфов, длину ЛПИ (она ограничена ~500 м.) и количество абонентов на линии – 32 (под адрес выделено 5 бит).

На канальном уровне сети MILSTD1553B применен централизованный метод доступа абонентов в сеть. Один из абонентов сети объявлен центральным и называется контроллером сети. Остальные абоненты называются оконечными устройствами (ОУ) и играют подчиненную по отношению к контроллеру роль. ОУ постоянно слушают сеть, но не имеют права самостоятельно начать передачу до тех пор, пока не получат соответствующую команду от контроллера. Таким образом, обеспечивается разделение ресурсов общей шины между ОУ и контроллером. Благодаря такой дисциплине выхода ОУ на линию передачи информации в каждый момент времени на линии может вести передачу только один абонент – контроллер либо назначенный им ОУ. Коллизии при такой схеме работы отсутствуют.

Передача команд и данных от контроллера к ОУ квитируется ОУ путем посылки им в ответ на любое обращение: полученную команду, запрос данных или переданные данные «ответного слова» в контроллер. В ответном слове ОУ сообщает не только факт приема сообщения от контроллера, но и состояние абонента (его исправность или неисправность), а также состояние самого ОУ. Абонент формирует признаки своего состояния и засылает их в ОУ по своей внутренней логике, которая согласовывается дополнительно с разработчиком конкретной сети. Эта логика реализуется на прикладном уровне разработчиком ПО.

Отсутствие ответного слова в течение заданного времени (4-12 мксек.) рассматривается контроллером как нештатная ситуация. Порядок действий в этом случае стандартом не определен. Обычно контроллер повторяет передачу. Делает это также ПО прикладного уровня в ЦВМ контроллера.

 

Типы и форматы сообщений в 1553В

 

Все сообщения, передаваемые в сети, имеют длину 20 бит и разделяются на три типа: командное слово, данные, ответное слово. В каждом двадцатибитном слове сообщений первые три бита – синхросигнал для вхождения в связь, а последний двадцатый бит – бит четности, для контроля целостности информации. Оставшиеся 16 бит слова данных это - данные. В ответном слове содержится информация об ОУ – его адресе, состоянии, наличии запроса на обслуживание.

В командном слове закодирован адрес ОУ, к которому обращается контроллер и команда, с которой контроллер обращается к ОУ. Команды могут быть нескольких типов:

передача информации ОУ,

получение (запрос)информации с ОУ,

команда для ОУ без информации(например, дай ответное слово)и т.п.

Длительность передачи любого слова на частоте 1 МГГЦ составляет 20 мксек.

Кратко рассмотрим формат трех типов сообщений. Всего в стандарте их шесть.

 

Формат 1 – передача данных от контроллера к ОУ

 

 

Слово данных

Следующее командное слово

Ответное слово от ОУ

Слово данных

Командное слово «передать»

…

 

t₂

4÷12мксек t_1`

 

 

Формат 2 – передача данных от ОУ в контроллер

 

	Командное слово «получить»

…

…..

t₂

4÷12мксек t_1`

 

 

Формат 4 – передача команды управления без данных от контроллера в ОУ

 

 

t₂

4÷12

t₁

 

Кроме этих форматов существует формат группового сообщения, формат передачи данных от ОУ к ОУ, но только по команде котроллера и т.п.

Пауза t2 формируется ОУ после полученного сообщения и должна быть 4-12 мксек. Отсутствие ответного слова через t2>12 мксек воспринимается контроллером как неполучение ОУ направленного ему сообщения.