2.6.    УПРАВЛЕНИЕ В СЕТЯХ ПЕРЕДАЧИ ДАННЫХ

Задачи управления

Управление в сети передачи данных обеспечивает наиболее эффективные режимы использования ресурсов сети при изменяющихся условиях ее функционирования. В зависимости от конкретного содержания контура управления общий процесс управления в сети можно разбить на три относительно независимых процесса: управление первичной сетью, управление внутренними потоками сообщений и внешними потоками сообщений.

Управление первичной сетью выходит за рамки задач, решаемых средствами сети ПД, и поэтому далее не рассматривается.

Контур управления внутренними потоками сообщений

Обычно сеть ПД рассчитана на передачу определенных внешних потоков с заданными характеристиками. Однако распределение суммарного внешнего потока между различными парами абонентов может изменяться во времени. Кроме того, отдельные компоненты сети в процессе работы могут выходить из строя. Эти обстоятельства обусловливают возможность изменения отношения предпочтения на множестве маршрутов.

Таким образом, чтобы рационально распределить нагрузку в средствах сети, необходимо предусмотреть функции, обеспечивающие перестройку процедур выбора маршрутов с учетом ситуации. Выполнение таких функций составляет содержание процесса управления внутренними потоками. Процедуры выбора маршрутов при наличии управления называются управляемыми, динамическими или адаптивными. Совокупность технических и программных средств, предназначенных для реализации процесса управления, составляет систему управления внутренними потоками.

Как и любая система управления, система управления внутренними потоками объединяет объекты управления и управляющие объекты, между которыми передаются информация состояния и информация управления.

Объекты управления — это устройства или программы, обеспечивающие на узлах коммутации реализацию процесса распределения потоков в соответствии с адресами, матрицами маршрутов и заложенной процедурой. Кроме того, на объектах управления осуществляется контроль за состоянием элементов сети.

Управляющие объекты — это устройства или программы, осуществляющие сбор информации о характеристиках и состоянии элементов сети и формирование матриц маршрутов.

Информация состояния включает информацию двух видов: собственно информацию состояния и статистическую информацию о характеристиках элементов сети и потоков сообщений.

Собственно информация состояния содержит сведения о текущем состоянии элементов сети: число сообщений в очередях на узлах коммутации, число каналов в линиях связи и их пропускные способности, исправность оборудования.

Статистическая информация составляет совокупность сведений о статистических характеристиках сети за некоторый промежуток времени: коэффициенты исправного действия элементов сети и коэффициенты недостоверности, моменты распределений времени задержек и длин очередей на узлах коммутации, интенсивности потоков сообщений.

Информация управления — это команды на изменение матриц маршрутов в узлах коммутации. Обычно эти команды содержат полную информацию о вновь сформированных матрицах маршрутов.

В наиболее полном варианте цикл управления потоками сообщений включает следующие этапы:

сбор информации о характеристиках и состоянии элементов сети и корректировку матриц весов;

решение задачи формирования матриц маршрутов;

введение матриц маршрутов в действие на узлах коммутации.

Инициирование контура управления может быть программным, ситуационным и интервальным.

В случае программного управления определенный набор матриц маршрутов сменяется по некоторому расписанию, которое составляется на основе априорных сведений о распределении внешних потоков во времени.

При ситуационном управлении решение о перестройке матриц маршрутов принимается на основе текущего контроля весов. Контур управления инициируется при переходе значений весов через определенные пороговые величины.

Интервальное управление предусматривает реализацию контура через фиксированные интервалы времени, значение которых выбирается исходя из темпа изменения ситуации в сети.

Возможна комбинированная реализация, при которой тот или иной принцип используется в зависимости от степени изменения ситуации.

Объектами управления рассматриваемой системы по сути являются средства узлов коммутации. Размещение управляющего объекта определяет структуру системы управления.

Структуры систем управления потоками

В зависимости от особенностей реализации управляющего объекта различают централизованные, децентрализованные и комбинированные структуры.

Централизованные структуры предусматривают наличие единого управляющего элемента, совмещенного, как правило, с одним из узлов коммутации.

В децентрализованной структуре управляющие средства рассредоточиваются по всем узлам сети, причем узловой фрагмент на основе информации состояния от всех элементов сети решает задачу Маршрутизации только в интзресах своего узла.

Комбинированная структура является промежуточным вариантом. В данном случае отдельные фрагменты сети имеют централизованное управление, а управляющие объекты фрагментов обмениваются между собой информацией. Взаимодействие управляющих объектов может осуществляться и через главный управляющий объект, что соответствует иерархическому управлению.

С точки зрения живучести наиболее предпочтительной для сети ПД является децентрализованная система управления потоками, так как отказ любого элемента сети не нарушает процесса управления. С точки зрения экономичности и оперативности преимуществом обладает централизованная структура. Экономичность структуры управления можно оценить потоками служебных сообщений. Так, в случае изменения состояния К узлов сети при централизованном управлении в среднем образуется внутренний поток с интенсивностью где — диаметр сети. При децентрализованной структуре интенсивность равна т. е. в М раз больше.

Оперативность управления определяется временем, необходимым для реализации цикла. Основной составляющей этого времени является время обмена информацией между узлами коммутации. При децентрализованной структуре время обмена в одном направлении равно так как для завершения цикла необходим обмен между всеми парами узлов. Для централизованной структуры это время составляет где — время передачи сообщения от узла к управляющему центру. Данная величина может быть оптимизирована выбором местоположения управляющего центра. В любом случае

Наиболее характерной сферой использования третьей структуры управления является сопряжение сетей ПД, если сопрягаемые сети имеют централизованные структуры управления. Это обусловлено, как правило, широкими вычислительными возможностями управляющих объектов централизованных структур.

В случае децентрализованных структур управления объединение целесообразно осуществлять на основе общего управляющего объекта, специально создаваемого в этих целях.

Методы сбора информации в процессе управления

Важным вопросом при обеспечении управления потоками является передача служебной информации. Рассмотрим основные методы реализации этого процесса.

1. Сбор информации по специальной сети отображения. При этом на сети образуется специальная подсеть, состоящая из специально выделенных каналов, предназначенных для передачи только служебной информации. Метод позволяет осуществлять сбор как информации о мгновенных ситуациях, так и статистической информации об элементах сети. Недостаток метода — неэкономичность, поскольку постоянно задействованные каналы используются эпизодически, а основная сфера использования — сети с комхмутацией каналов.

2. Использование служебных сообщений. В данном случае при необходимости передать служебную информацию генерируется специальное служебное сообщение (пакет), которое имеет соответствующий признак и содержит служебную информацию.

Каждое такое сообщение может содержать информацию только об одном узле сети либо накапливать данные обо всех узлах, через которые оно проходит. В первом случае в сети создаются значительные потоки служебных сообщений, во втором - существенно возрастает длина этих сообщений.

3. Использование информационных сообщений. В составе служебной части каждого информационного сообщения может быть предусмотрено место, в которое заносится информация служебного характера о состоянии элементов сети, пройденных данным сообщением. По мере прохождения по сети эта информация считывается и пополняется в узлах, входящих в маршрут.

4. Использование зонд-сообщения. Данный метод обеспечивает решение более широкого круга задач, чем сбор информации состояния.

Сущность использования зонд-сообщения состоит в экспериментальном определении множества возможных маршрутов и отношения их предпочтения. Реализуется метод следующим образом.

При решении задачи формирования матрицы маршрутов из узла-отправителя во все инцидентные линии связи посылается короткое зонд-сообщение. При достижении зондом узла-получателя последний формирует отраженный зонд, который передается по запомненным при передаче прямого зонда линиям связи. С этой целью на каждом из промежуточных узлов запоминается номер линии связи, по которой поступило зонд-сообщение, и заносится в специальное поле данного сообщения. Число отраженных зондов будет равно числу маршрутов между соответствующей парой узлов.

Отношение предпочтения на множестве маршрутов устанавливается в соответствии с очередностью возвращения экземпляров отраженного зонд-сообщения. Чем меньше суммарная задержка зонда, тем большее предпочтение получает маршрут, по которому он прошел.

Таким образом, при использовании зонд-сообщения операция сбора информации о сети и формирования матриц маршрутов реализуется путем натурного эксперимента. Данный метод

не требует значительных затрат вычислительных ресурсов сети, поскольку не корректируются матрицы маршрутов, однако приводит к существенным дополнительным потокам служебной информации.

Методы управления внешними потоками сообщений

Любые ограниченные ресурсы сети обеспечивают передачу с заданными характеристиками вполне определенных потоков сообщений. Если внешние потоки превышают определенные граничные значения, то возникают перегрузки, при которых не выполняются установленные требования по своевременности и (или) надежности доставки.

Надежность доставки снижается в случае ограниченности объемов памяти узлов коммутации из-за потерь сообщений, не получивших места в очереди. Невыполнение требований по своевременности доставки при этом обусловливается увеличением времени ожидания.

Для предотвращения таких ситуаций в сетях передачи данных должно реализовываться управление внешними потоками сообщений. В настоящее время различают [3] локальное, межконцевое и глобальное управления внешними потоками.

Локальное управление реализуется на входах сети и состоит в отключении внешних источников при переполнении (угрозе) памяти узла, к которому они подключены. Более тонкая процедура может блокировать источники избирательно на основе анализа статистических характеристик потоков, генерируемых ими. Локальные процедуры защищают сеть от захвата ресурсов одними источниками в ущерб другим. Они просты, но имеют низкую эффективность, поскольку не учитывают взаимосвязи процессов образования очередей на различных узлах коммутации.

Межконцевое управление обеспечивает ограничение общего числа сообщений, находящихся в сети в произвольный момент времени. Это достигается блокировкой источников, выдавших в сеть определенное число сообщений и не получивших ни одного подтверждения от получателя. Передача каждого очередного сообщения в сеть допускается только при получении подтверждения, которое свидетельствует о том, что какое-то сообщение покинуло сеть. Допустимое число сообщений в сети между каждой парой абонентов может варьироваться в зависимости от ресурсов производительности каналов и узлов коммутации.

Межконцевое управление при простоте реализации гарантирует отсутствие перегрузок, однако устанавливаемые ограничения не учитывают реальной флуктуации внешних потоков сообщений между парами абонентов.

Глобальное управление обеспечивает ограничение общего числа сообщений в сети. Наиболее известным методом глобального управления является изоритмический [9]. Он предусматривает циркуляцию по сети некоторого числа разрешений — специальных служебных сообщений. Источник не может ввести сообщение в

сеть, шока не получит одно из таких разрешений. Передвижение сообщения сопровождается разрешением, которое освобождается после выдачи сообщения из сети потребителю. Чтобы разрешения были доступны там, где в них возникает необходимость, свободные разрешения передвигаются по сети случайным образом.

Изоритмическое управление имеет по сути децентрализованный принцип.

Возможна реализация глобального управления путем централизованного назначения граничных значений интенсивностей входящих потоков с учетом взаимосвязи процессов в различных узлах сети. Такой подход может быть реализован только на основе централизованного управления. При этом получаемые граничные значения потоков вводятся в виде исходных данных в локальные процедуры статистического управления внешними потоками.