Исследование информационного канала

Цель работы: исследование процедур протоколов управления информа- ционным каналом и выбор оптимальных системных параметров протокола для заданных условий обмена.

Общие сведения

Протоколы управления информационным каналом являются важнейшим элементом информационной сети с точки зрения обеспечения требуемых ха- рактеристик передачи данных – времени доставки, скорости обмена и надежно- сти передачи. В рамках семиуровневой модели взаимосвязи открытых систем (ВОС) данные протоколы обеспечивают сервис уровня информационного кана- ла (уровень 2), на котором базируются все вышележащие протокольные уровни (сетевой, транспортный и т. д.).

Основной задачей протокола 2-го уровня является надежная и своевре- менная доставка пользовательских данных по двухточечному соединению. Се- мантический анализ этих пользовательских данных не входит в задачи прото- кола, однако он должен обеспечить их кодовую прозрачность, то есть возмож- ность любых кодовых (битовых) сочетаний. Единицей пользовательских дан- ных в протоколе выступает некоторая структура с ограничением по максимуму длины, которая называется в разных протоколах пакетом, сегментом, фрагмен- том и т.д. Будем использовать название пакет, как наиболее употребительное.

В зависимости от способов обеспечения кодовой прозрачности передава- емого пакета протоколы 2-го уровня делятся на бит- и байт-ориентированные. В современных сетях наибольшее распространение получили бит- ориентированные протоколы (SDLC, HDLC, X.25/2). Структура информацион- ного кадра приведена в разделе 2.2.1 на рис. 2.13.

Для целей управления передачей информации в протоколах класса HDLC используются служебные кадры (см. разд. 2.2.4).

Функционирование информационного канала разбивается на ряд после- довательных фаз:

• установления соединения;

• передачи данных;

• разъединения соединения.

При обнаружении неисправимых ошибок на фазе передачи данных воз-

можен переход в фазу повторного установления соединения (рестарта).

Протоколы информационного канала используют различные методы (процедуры) для борьбы с ошибками, вызванными ненадежностью среды пере- дачи (канала связи-КС). Отметим важнейшие из них.

1. Основным элементом для борьбы с ошибками на уровне структуры кадра выступает контрольная последовательность кадра FCS, представляю- щая собой остаток от деления внутренней области кадра на образующий поли- ном циклического кода. Наибольшее распространение получил в современных сетях образующий полином 16-й степени.

 

Циклический код используется в режиме обнаружения ошибок. Если на приемной стороне процедура декодирования обнаруживает несовпадение син- дрома ошибки, то производится стирание принятого кадра.

2. В информационном канале производится последовательная нумера- ция передаваемых информационных кадров. Каждому кадру, содержащему пакет данных, присваивается последовательный номер передачи N (S). Для со- кращения размера поля номера N (S) в заголовке кадра применяется нумерация по модулю 8 (иногда 128). Это позволяет сократить размер поля номера до 3-х (в случае модуля 128 – до семи) бит.

Процедура последовательной нумерации позволяет станции-приемнику следить за отсутствием пропуска кадров, использовать различные процедуры решающей обратной связи (РОС).

3. В случае обнаружения ошибок на уровне последовательной нумерации информационных кадров станция-приемник может сообщить об этой ситуации с помощью специальных управляющих кадров (REJ, SREJ).

4. Подтверждение доставки данных обеспечивается процедурой РОС

«с положительным квитированием». Станция-приемник сообщает отправителю о поступлении без обнаруженных ошибок информационного кадра с номером N (S). Для этой цели используется управляющий кадр (типа RR) либо специаль- ное поле в передаваемом во встречном направлении информационном кадре.

5. Для борьбы с «зависанием» информационного канала, когда станция- отправитель в течение длительного времени не получает ни положительных, ни отрицательных квитанций из-за ошибок в обратном канале, используемом для РОС, применяется восстановление по таймеру.

Станция-отправитель при посылке информационного кадра в прямой ка- нал запускает таймер Т ож ожидания подтверждения. Если за интервал Т ож не по- ступит сигнала РОС по обратному каналу, то срабатывание таймера иницииру- ет процедуру восстановления (обычно это повторная передача кадра в прямом канале с запуском таймера).

6. Повышение эффективности использования информационного канала обеспечивается процедурой передачи некоторого фиксированного количе- ства информационных кадров без ожидания квитанций на их доставку. Для этой цели станция-отправитель использует системный параметр «окно переда- чи» W, задающий разрешение на отправку без получения подтверждения W кадров информации. Величина параметра W должна быть меньше модуля цик- лической нумерации передаваемых информационных кадров.

7. Протоколы уровня информационного канала могут использовать при обмене три основных метода РОС.

а) При передаче с ожиданием подтверждения на каждый посланный ин- формационный кадр (W = 1) – станция-получатель отправляет положительную квитанцию по обратному каналу в случае приема кадра без обнаруженных ошибок и с ожидаемым порядковым номером N (S). Прием кадра с номером N (S), не соответствующим ожидаемому, приводит к посылке по обратному ка- налу отрицательной квитанции с указанием номера ожидаемого кадра.

 

б) При режиме непрерывной передачи с окном передачи W > 1 – станция- получатель формирует и отправляет по обратному каналу положительные кви- танции (кадры типа RR) с указанием номера последнего принятого без ошибок и в порядке следования номеров кадра. Прием кадра RR на станции- отправителе инициирует стирание подтвержденных информационных кадров и смещение в сторону увеличения порядковых номеров окна передачи W.

Появление ошибки в последовательности принимаемых на станции- получателе информационных кадров вызывает посылку по обратному каналу кадра REJ с номером последнего принятого без ошибок и в порядке следования номеров кадра. Такой кадр REJ инициирует процедуру «группового переспро- са», т. к. при его получении станция-отправитель стирает подтвержденные ин- формационные кадры и немедленно начинает повторную выдачу в канал связи всех остальных информационных кадров в пределах окна передачи.

в) Разновидностью режима непрерывной передачи, позволяющей в ряде случаев несколько повысить эффективность использования канала, является про- цедура «избирательного переспроса». В этом случае станция-получатель при ошибке в последовательном номере принятого кадра отправляет по обратному ка- налу управляющий кадр SREJ, содержащий номер ожидаемого последовательного кадра. Получаемые на станции кадры не стираются, а хранятся в буфере в ожида- нии получения недостающего кадра. После его приема вся последовательность передается пользователю (протоколам более высоких уровней). Данный режим используется относительно редко из-за сложности реализации.

Функционирование протокола информационного канала осуществляется с использованием среды передачи (телефонный, радио- или спутниковый канал, коаксиальный кабель, витая пара, волоконно-оптический канал и т. д.), харак- теризующейся:

1) задержкой распространения сигнала Т з, зависящей от длины канала L к

и скорости передачи сигналов (модуляции) в канале V м;

2) ошибками передачи информации, которые зависят как от средней ве- роятности ошибок в канале на бит передаваемой информации Р ош, так и от ха- рактера (модели) распределения ошибок во времени.

Выбор конкретной версии протокола информационного канала включает в себя:

1. Формирование базовой структуры протокола, включающей некоторое подмножество рассмотренных выше процедур для борьбы с ошибками с соот- ветствующим набором управляющих кадров.

2.

Выбор системных параметров протокольных процедур, существенно влияющих на эффективность использования канала. К ним относятся:

• максимальная длина информационной части кадра, т.е. длина пакета данных I max;

• ширина окна передачи W;

• длительность тайм-аута ожидания подтверждения Т ож.

Для выбора оптимальной (для конкретной системы и среды передачи)

версии используются различные критерии. Это может быть в зависимости от назначения системы, например:

 

 

min);

• минимальное время доставки сообщения абоненту-приемнику (T дост  →

•

максимальная вероятность доставки сообщения (пакета) за время, не

превышающее максимально заданное – P (T дост, T max) → max;

• максимум относительной эффективности использования канала связи (E → max).

Достаточно часто в качестве критерия используется показатель E, т. к. это позволяет при проектировании информационной сети обеспечить наилучшее использование пропускных способностей имеющихся каналов связи.

Описание работы

В данной работе используется имитационная модель информационного канала между двумя станциями (узлами) информационно-вычислительной сети (рис. 8.1).

Рис. 8.1. Структура имитационной модели информационного канала

В блоке отправителя данных моделируется простейший протокол верхне- го уровня, включающий:

•

формирование непрерывной последовательности передаваемых сооб- щений заданной длины;

• сегментирование сообщения на пакеты длиной I max, причем длина по- следнего пакета может быть меньше I max;

• фиксацию моментов времени выдачи службе информационного канала каждого сообщения и пакета.

В блоке получателя данных соответствующий протокол для сообщений производит сборку сообщения из пакетов и фиксирует время доставки как каж- дого пакета, так и сообщения в целом.

На этом же уровне модели рассчитывается относительная эффективная скорость передачи данных между узлами на заданном временном интервале (цикле) E i:

 

i

E = N d T,

V

п

м

 

где N d – объем пакетов данных (в битах), доставляемых от А к В за время цикла;

V м – скорость передачи (модуляции) в канале, бит/с;

T ц – заданный временной интервал (цикл) для оценки величины E i.

 

Протокольная станция узла А моделирует основные процедуры по фор- мированию информационных кадров, их выдаче в прямой канал связи, ожида- нию подтверждений, анализу управляющих кадров, поступающих из обратного канала, выдаче сигналов отправителю данных о возможности начала передачи следующего сообщения.

Протокольная станция узла В моделирует процедуры анализа поступаю- щих информационных кадров, передачи их получателю данных, выдачи управ- ляющих кадров в обратный канал связи.

Блоки моделей прямого и обратного каналов связи и источника ошибок моделируют задержку распространения сигналов и процесс поражения случай- ными ошибками кадров в прямом и обратном каналах.

Используемая модель позволяет изменять следующие параметры инфор- мационного канала, среды передачи и пользователя:

• N с – длина передаваемых сообщений (бит);

• T max – максимальная длина пакета данных (бит);

• Т з – задержка распространения сигнала между станциями А и В;

• Р ош – вероятность ошибки в канале связи (на бит информации);

• Т ож – тайм-аут ожидания подтверждения;

• W – окно передачи.

Выходными параметрами модели являются:

• математическое ожидание T п, дисперсия D п и гистограмма распределе- ния времени доставки пакетов данных Т п i;

• математическое ожидание T с, дисперсия D с и гистограмма распределе- ния времени доставки сообщений Т с i между узлами А и В;

• значение относительной эффективной скорости передачи данных E, ее дисперсия D Е, и гистограмма значений E i по циклам измерения;

• число доставленных по информационному каналу сообщений;

• число доставленных по информационному каналу пакетов.

Порядок выполнения работы

В таблице исходных данных к данной работе приведены основные пара- метры исследуемой системы передачи данных:

• V м – скорость передачи по каналу связи;

• L к – длина канала связи;

• N с – длина передаваемых сообщений;

• Р ош – вероятность ошибки в канале связи.

Расчет параметров модели.

Необходимо предварительно выполнить следующие расчеты.

1.

В связи с тем, что в модели используется условная единица модельного времени, необходимо провести калибровку модели, рассчитав соответствие между модельным и реальным временем.

Например, исследуется система передачи с V м = 2400 бит/с. Интервал вы- дачи одного бита информации в канал связи будет соответствовать 1 единице модельного времени, следовательно, 1 единица модельного времени = 416,6 мкс.

 

2. Произведите расчет задержки распространения сигнала Т з в канале свя- зи, исходя из заданной длины канала связи и скорости распространения сигнала (0,77 с, где с – скорость света).

Например, задано L к = 2000 км, тогда

Т з = L к/0,77 с = 8,658 мс = 20,81 единиц модельного времени

С учетом округления до целых получим Т з = 21 единица модельного вре-

мени.

3. Выполните расчет времени Т ож – тайм-аута ожидания подтверждения,

исходя из максимальных задержек во всех элементах системы передачи, то есть

Т ож > Т 1ВК + Т З + Т 2АН + Т 2ВК + Т З + Т 1АН,

где Т 1ВК – время выдачи информационного кадра в канале связи станцией

А;

Т з – время задержки распространения сигнала в канале связи;

Т 2АН – время анализа кадра на узле В (принято равным в модели 1 едини- це модельного времени);

Т 2ВК – время выдачи управляющего кадра в КС на узле В;

Т 1АН – время анализа кадра на узле А (принято равным в модели 1 едини- це модельного времени).

Длина управляющего кадра, содержащего только заголовок и концевик, составляет 48 бит (см. рис. 2.13), длина информационного кадра увеличивается на принятую величину I max.

Например, при I max = 128 бит получим:

Т ож > 176 + 21 + 1 + 48 + 21 + 1 = 268 единиц модельного времени; при

I max = 256 бит получим Т ож > 396 и т.д.

4. Выполните расчет времени моделирования работы информационного канала.

В таблице 8.1 приведено время моделирования работы исследуемого ва- рианта информационного канала в секундах. Для проведения эксперимента необходимо пересчитать это время в единицы условного модельного времени. В п.1 приведена методика калибровки модели исходя из заданной скорости си- стемы передачи. Теперь нужно рассчитать общее время моделирования.

Например, V м = 2400 бит/с. Было получено: 1 единица модельного време- ни = 416,6 мкс. Положим, что цикл моделирования (из таблицы 1) составляет 150 с. Получим – 150 с/416,6 мкс = 360000 единиц модельного времени.