6.1.3 Использование теории сетей МО для исследования компьютерных сетей

Стохастический характер поступления данных и детерминированная обработка их в каналах связи и узлах коммутации предопределяют использование моделей теории МО для анализа и проектирования компьютерных сетей. Однако следует отметить, что исследование компьютерной сети в целом или отдельных протоколов (например, сквозных) с помощью простейших однофазных или двухфазных моделей МО (концепция «черного ящика»), характерное для ранних подходов, позволяет дать лишь некоторое качественное представление о характере протекания информационных процессов, так как не учитывает сложного взаимодействия устройств и процессов в компьютерной сети. В то же время указанные процессы естественно отображаются в моделях сетей МО, которые нашли широкое применение для анализа компьютерных сетей.

Модели сетей МО применяются для анализа характеристик протоколов практически всех уровней (в первую очередь второго, третьего и четвертого). На канальном уровне эти модели используются для определения эффективной скорости передачи данных (многочисленные работы по исследованию протоколов канального уровня HDLC, SDLC, BSC и т. д. описаны, например, в обзоре [113]). При анализе сквозных протоколов модели теории сетей МО позволяют находить межконцевую задержку сообщений (пакетов), определять параметры управления потоками и т.д. Сетевые модели отдельных компонент компьютерной сети адекватно отражают многоэтапный процесс обработки сообщений (пакетов) в этих устройствах, позволяя не только рассчитывать характеристики, но и осуществлять выбор различных параметров, например объемов буферной памяти узлов коммутации (см. раздел 6.4). Сложную структуру отдельных узлов необходимо учитывать и при расчете базовой сети передачи данных в целом. Иллюстрация такого подхода, учитывающего ограниченность буферной памяти УК и различные протоколы квитирования пакетов, приведена в разделе 6.2. В то же время необходимость решения оптимизационных задач (выбор топологии и пропускных способностей каналов связи, отыскание оптимальных маршрутов и т. д.) требует применения упрощенных моделей сетей МО, позволяющих находить явный вид целевой функции, в качестве которой используется время задержки сообщений (пакетов).

Такой упрощенный подход требует дальнейшего уточнения характеристик сети с помощью более реальных моделей, учитывающих особенности сетевых протоколов. Это приводит к итерационной процедуре проектирования компьютерных сетей [30,76]. Наконец, в разделе 6.3 рассмотрены модели сетей МО, позволяющие осуществлять оценку эффективности и оптимизацию механизма глобального и локального управления потоками, основанного на пороговых ограничениях (использовании механизма окна) и распределении ресурсов (в основном буферов).

Предположением, необходимым для возможности использования аналитических моделей сетей МО, является предположение о независимости [89], суть которого состоит в том, что времена передачи сообщений (пакета) по разным каналам связи предполагаются независимыми случайными величинами. В то же время очевидно, что длительности обслуживания сообщения в разных каналах пропорциональны длине этого сообщения и, следовательно, зависимы (см. главу 5). Дополнительные зависимости вносятся процессами сборки и разборки сообщений на пакеты. Тем не менее многочисленные сравнения результатов аналитического моделирования с помощью сетей МО и результатов имитационного моделирования или измерений на реальных сетях показали, что постулирование независимости не вносит существенных погрешностей. Указанный факт объясняется следующими причинами: 1) нарушением корреляции между длительностями обслуживания и длинами сообщений (пакетов) из-за восстановления после ошибок (например, на канальном уровне); 2) объединением различных независимых входящих потоков в одном исходящем канале; 3) использованием в основном средних характеристик, которые менее чувствительны к описанной выше зависимости.

При применении теории сетей МО для анализа характеристик компьютерных сетей различные устройства и процессы обычно моделируются четырьмя типами центров обслуживания, которые были описаны в разделе 2.3. В частности, процессоры узлов коммутации моделируются центрами типа FCFS или PS, а каналы передачи данных - однолинейными или многолинейными центрами FCFS. Для моделирования терминалов и учета задержек, обусловленных временем подтверждения об успешной доставке пакета (АСК) или временем ожидания time-out, обычно используются центры типа IS. Это позволяет применить для расчета характеристик хорошо разработанные алгоритмы, описание которых было дано в предыдущих главах.

Значительное влияние на характеристики сети пакетной коммутации оказывают способы доставки пакетов (датаграммы или виртуальные каналы) и методы маршрутизации [72,105,120]. Моделирование различных способов доставки пакетов и методов маршрутизации осуществляется путем выбора соответствующего типа сети МО и матрицы маршрутов ЦРИ, структура которой учитывает и топологию сети. Например, в качестве модели датаграммной сети со случайной процедурой выбора маршрутов часто применяется открытая или замкнутая однородная сеть МО, а для моделирования постоянных виртуальных каналов (с возможным наличием альтернативных путей) и фиксированной маршрутизации - модель сети МО с несколькими классами сообщений [75,76,89,113,299]. При этом учет служебных сообщений может быть осуществлен различными способами в зависимости от используемых протоколов: либо увеличением длительности обслуживания сообщений в модели сети МО, либо введением дополнительного приоритетного класса служебных сообщений (длина служебных сообщений значительно меньше пакета данных).

В заключение отметим, что модели сетей МО (как и любые математические модели) не в состоянии полностью отразить сложные и многообразные информационные процессы в компьютерных сетях и, кроме того, их использование обусловлено рядом предположений (таких, как предположение о независимости). Однако, как показывает опыт проектирования и измерений реальных сетей, они являются достаточно точным и практически единственным хорошо разработанным математическим аппаратом, позволяющим осуществлять выбор альтернативных вариантов, расчет и оптимизацию характеристик на этапе проектирования компьютерной сети.