2.5. РЕГУЛИРОВАНИЕ ПОТОКОВ СООБЩЕНИЙ ПО ПРИОРИТЕТАМ

Ранги, преимущества и приоритеты

Как отмечалось в гл. 1, множество сообщений, передаваемых в сетях ПД, можно разделить на некоторые подмножества — категории, к которым со стороны системы управления предъявляются идентичные требования. Для того чтобы требования системы управления по соответствующим категориям выполнялись, применяется регулирование сообщений по категориям. При этом сообщениям каждой из категорий присваивается определенный ранг преимущества (приоритет).

Приоритет — это признак, присвоенный сообщению и определяющий очередность его обслуживания или наличие преимущественного права на занятие места в очереди. Обычно приоритет присваивается в виде номера. Сообщениям высшей категории присваивается меньший номер, а сообщениям низшей категории - больший. В ряде случаев используется обратная нумерация приоритетов.

Регулирование потоков сообщений по приоритетам заключается в присвоении каждому сообщению определенного приоритета и обслуживании его в соответствии с этим приоритетом.

Различают две большие группы приоритетов: внесистемные и внутрисистемные.

Внесистемные приоритеты

Внесистемные приоритеты — это приоритеты, установленные в соответствии с категориями сообщений, определенными системой управления.

По способу реализации различают относительные и абсолютные приоритеты. При относительном приоритете сообщения старших рангов, поступив на узел коммутации, становятся на первое место в очереди, а обслуживание их начинается немедленно по «окончании обслуживания предыдущего сообщения. Абсолютные приоритеты могут реализовываться на обслуживании и в очереди.

В первом случае сообщения старшего приоритета прерывают обслуживание сообщений младшего приоритета. Для описания абсолютного приоритета на обслуживание определяются порядок дообслуживания сообщений, прерванных сообщениями старшего приоритета.

Существуют два способа последующего обслуживания прерванного сообщения: передача с места прерывания и передача сообщения с начала.

При передаче данных могут возобновиться прерванная кодограмма (пакет) или прерванный сетевой блок. Соответствующие варианты называются прерыванием на уровне кодограммы (пакета) и на уровне сетевого блока. При этом обеспечивается возможность сшивки по служебным признакам.

Абсолютный приоритет в очереди означает, что при поступлении в узел сообщения старшего приоритета и занятости запоминающего устройства из последнего стирается одно из сообщений младшего приоритета. Необходимость введения таких приоритетов возникает в случаях, когда сообщения существенно отличаются по важности, а запоминающие устройства узлов коммутации имеют незначительную емкость.

Так как обычно абоненты сети неоднородны, то в рамках одного приоритета может учитываться важность адресата. В этом случае реализуется абсолютный приоритет в очереди по адресу. Если категории важности и срочности сообщений совпадают, может использоваться полностью абсолютный приоритет в очереди и на обслуживании.

Сообщения всех рангов преимущества могут иметь один и тот же вид приоритета, например относительный. Это означает, что сообщения старших рангов занимают в очереди места впереди всех сообщений младших рангов.

Совокупность отношений сообщений различных рангов преимущества называется системой приоритетов. Система приоритета задана, если определены виды приоритетов для сообщений всех категорий. В сетях ПД используется абсолютная, относительная или смешанная система внесистемных приоритетов. Задача назначения внесистемных приоритетов может решаться следующим образом.

Для сообщений каждой из категорий срочности определяется значение равное стоимости задержки на единицу Бремени сообщения категории. Затем находятся -средние объемы сообщений каждой из категорий и вычисляются значения Далее осуществляются упорядочивание и перенумерация категорий в индексы преимущества таким образом, чтобы

На практике обычно не удается объективно определить значения поэтому назначение внесистемных приоритетов производится эвристически.

Внутрисистемные приоритеты

Внутрисистемные приоритеты определяют порядок обслуживания сообщений в рамках одного внесистемного приоритета и не зависят от категорий, установленных системой управления. Следует различать фиксированные и динамические внутрисистемные приоритеты.

Фиксированные внутрисистемные приоритеты чаще называют дисциплиной обслуживания. Существуют следующие дисциплины обслуживания:

1. Обслуживание «первым пришел — первым обслужен». Иногда эту дисциплину называют прямым порядком обслуживания. Такой порядок обслуживания является наиболее естественным и справедливым и потому имеет широкое распространение, если не затрудняет технической реализации.

2. Обслуживание «последним пришел — первым обслужен». Иногда используют термины «обратный, инверсный порядок обслуживания» или «бункерная система». На практике данная дисциплина может иметь место, например, в телеграфной связи, если поступающие телеграммы складываются в стопку, а для обслуживания каждый раз берется верхняя.

В сетях ПД инверсная дисциплина малоприемлема и поэтому представляет собой «в основном теоретический интерес.

3. Случайный выбср из очереди. В этом случае очередность обслуживания сообщений не зависит от очередности их поступления. Любое сообщение из очереди может быть выбрано с равной вероятностью.

Данная дисциплина достаточно точно отображает функционирование системы обслуживания, когда обслуживающий прибор последовательно опрашивает (сканирует) элементы памяти, каждый из которых независимо друг от друга случайным образом содержит или не содержит сообщение.

Все приведенные дисциплины обслуживания обеспечивают одинаковое значение среднего времени ожидания сообщений в очереди Особенности этих дисциплин проявляются в различии дисперсий времени ожидания, для которых выполняется неравенство

Таким образом, наиболее устойчиво около своего среднего значения время ожидания при прямом порядке обслуживания. При инверсном порядке обслуживания значение случайной величины времени ожидания имеет большой разброс, т. е. отдельные реализации времени ожидания значительно больше или меньше математического ожидания. Случайный выбор из очереди занимает по степени разброса промежуточное положение.

4. Дисциплина, когда первыми обслуживаются более короткие сообщения. Эта дисциплина обеспечивает меньшее значение среднего времени ожидания, чем остальные дисциплины, однако по дисперсии она несколько уступает им.

5. Первыми обслуживаются наиболее длинные сообщения.

Все перечисленные дисциплины обслуживания по сути реализуют системы относительного приоритета. Особый класс внутрисистемных приоритетов составляют динамические приоритеты. Сущность последних состоит в присвоении каждому сообщению дополнительного преимущества в зависимости от времени, которое оно находится в сети. Действительно, сообщения одной категории срочности могут передаваться между различными по удаленности абонентами.

Рис. 2.8

В примере, приведенном на рис. 2.8, на узел поступают два сообщения, предназначенные узлу одно от абонента узла а другое — от абонента узла у. В случае возникновения конкуренции на обслуживание в узле естественно отдать предпочтение сообщению из узла так как оно исчерпало большее время из допустимого времени пребывания сообщения в сети.

Динамический приоритет может изменять индекс преимущества дискретно в зависимости от числа пройденных сообщением участков сети или непрерывно в зависимости от общего времени пребывания сообщения в сети. При введении в сети АСУ динамических приоритетов достигается выравнивание значений времени задержек сообщений одной категории срочности, проходящих между абонентами различной удаленности, что в целом улучшает вероятностно-временные характеристики сети.

Динамические приоритеты могут быть относительными и абсолютными, причем выбор того или иного варианта определяется главным образом сложностью реализации. В сетях ПД, где система управления не жестко определяет категории сообщений, возможно использование только внутрисистемных, в частности динамических, приоритетов. В сетях с коммутацией каналов реализуются приоритеты не сообщений, а абонентов. При этом абонент с более высоким приоритетом имеет возможность в случае занятости требуемой линии связи разрушить составной тракт, образованный для абонента низшей категории.

Закон сохранения среднего времени задержки в сети

Внесистемные приоритеты вводятся для того, чтобы сократить время пребывания в сети сообщений высших категорий срочности. Однако следует учитывать, что при этом увеличивается время задержки сообщений меньших категорий срочности, имеющих более низкие приоритеты. Для определенного класса приоритетов такой эффект может быть показан на основе закона сохранения [12].

Условия, при которых соблюдается данный закон следующие:

1. В общем случае система приоритетов должна быть относительной.

2. Если система приоритетов абсолютная, то она должна быть с дообслуживанием, а распределение времени обслуживания сообщений экспоненциальное.

3. Длина очередей в системах обслуживания не ограничена.

4. Обслуживающие устройства не простаивают, если есть хотя бы одно сообщение в очереди.

Закон сохранения утверждает: если система обслуживания имеет приоритетов и удовлетворяет перечисленным условиям, то справедливо выражение

где — интенсивность потока сообщений приоритета; — среднее время обслуживания сообщений приоритета; — среднее время ожидания сообщений приоритета.

Так как есть нагрузка сообщениями приоритета, то можно записать

Основной вывод из закона сохранения состоит в том, что при перечисленных ограничениях введение в сети системы приоритетов не изменяет усредненного значения времени ожидания сообщений по всем категориям, т. е. приоритеты не ухудшают усредненных характеристик сети.

Рассмотрим случай, когда имеются потоки сообщений двух тегорий срочности, создающих нагрузки соответственно Тогда из закона сохранения следует, что ли ни одной из категорий не отдается преимущество при обслуживании,

Пусть теперь для категории сообщений большей срочности введен любой приоритет, отвечающий условиям закона сохранения. В результате сообщения старшего приоритета обходят в очереди сообщения младшего приоритета, что приводит к уменьшению времени их ожидания в очереди. В этом случае, если величины фиксированы, из закона сохранения следует, что должно возрасти время ожидания сообщений второго ранга преимущества.

Таким образом, введение системы приоритетов обеспечивает улучшение вероятностных характеристик времени задержки сообщений высших категорий срочности за счет ухудшения

соответствующих характеристик для сообщений других категорий. Данное положение остается справедливым для любого типа систем приоритетов.