Моделирование узла коммутации сообщений

Размещено на http://www.allbest.ru/

ВОЛЖСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ им. ТАТИЩЕВА (институт)

ФАКУЛЬТЕТ ИНФОРМАТИКИ И ТЕЛЕКОММУНИКАЦИЙ

КАФЕДРА «ИНФОРМАТИКА И СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ»

КУРСОВАЯ РАБОТА

По теме «Моделирование узла коммутации сообщений»

По дисциплине «Моделирование»

071900 «Информационные системы»

220100 «Вычислительные машины комплексы системы сети»

Выполнил

студент гр. ИСЗ-511

Иванов

Проверил

Воронцова

Тольятти 2010г.

Задание 21 на курсовую работу по дисциплине «Моделирование процессов и систем»

Тема курсовой работы: Моделирование узла коммутации сообщений

Задание: Построить имитационную модель узла коммутации сообщений

Исходные данные:

В узел коммутации сообщений, который состоит из входного буфера, процессора, двух выходных буферов и двух выходных линий, поступают сообщения с двух направлений (по каждому через интервалы времени A ± B мс). Сообщения с первого направления поступают во входной буфер, обрабатываются в процессоре, накапливаются в выходном буфере первой линии и передаются по первой выходной линии. Сообщения со второго направления обрабатываются аналогично, но накапливаются в выходном буфере второй линии и передаются по второй линии. Примененный метод контроля потоков разрешает одновременное присутствие в системе не больше трех сообщений с каждого направления. Если при наличии в системе трех сообщений с некоторого направления поступает сообщение с этого же направления, то оно получает отказ. Время обработки в процессоре равняется C мс на сообщение, время передачи по каждой из выходных линий - D ± F мс. Цели моделирования: Определить загрузку устройств и вероятность отказов в обслуживании.

Варианты значений параметров:

Параметры	Номера вариантов
	1	2	3	4	5	6	7	8	9	10
А ± В	15±7	10±5	13±6	12±7	15±5	10±3	15±6	10±4	15±8	13±6
С	7	5	6	8	4	6	7	6	8	5
D ± F	15±5	12±6	13±8	13±7	15±8	12±6	14±6	10±7	15±7	12±7

Модель системы

Моделируемая информационная система представляет собой узел коммутации сообщений, который состоит из входного буфера (BUF1+BUF2, т.к. ограничение идет по 2м направлениям), процессора PROC , двух выходных буферов и двух выходных линий. В узел коммутации поступают сообщения с двух направлений. Сообщения с первого направления, генерируется первым источником, поступают во входной буфер, обрабатываются в процессоре, накапливаются в выходном буфере первой линии и передаются по первой выходной линии. Сообщения со второго направления, вырабатываемые вторым источником, обрабатываются аналогично, но накапливаются в выходном буфере второй линии и передаются по второй линии. Применяемый в системе метод контроля ограничивает число одновременно присутствующих по каждому направлению сообщений до трёх. Для статистического контроля за утерянными сообщениями вводится устройство BUF_OUT. Описательная модель выше описанной информационной системы представленна на Рисунке 1.

Рисунок 1. Содержательная модель информационной системы

Анализ возможных методов решения поставленной задачи

Процессы функционирования различных систем и сетей связи могут быть представлены той или иной совокупностью систем массового обслуживания (СМО) -- стохастических, динамических, дискретно-непрерывных математических моделей. Исследование характеристик таких моделей может проводиться либо аналитическими методами, либо путем имитационного моделирования. Имитационная модель отображает стохастический процесс смены дискретных состояний СМО в непрерывном времени в форме моделирующего алгоритма. При его реализации на ЭВМ производится накопление статистических данных по тем атрибутам модели, характеристики которых являются предметом исследований. По окончании моделирования накопленная статистика обрабатывается, и результаты моделирования получаются в виде выборочных распределений исследуемых величин или их выборочных моментов.

В настоящее время для моделирования информационных систем существуют различные методы: D-схемы (для непрерывно-детерминированных моделей), Q-схемы (для непрерывно-стахостических моделей), F-схемы (для дискретно-детерминированных моделей), P-схемы (для дискретно стахостических моделей), N-схемы (для сетевых моделей) и другие методы. Характерным для данной системы является случайное появление заявок (требований) обслуживания и завершение обслуживания в случайные моменты времени, то есть ее функционирование носит стахостический характер. Поэтому для существующей информационной системы массового обслуживания наиболее подходящим методом моделирования является Q-схемы.

Разработка концептуальной модели

Задача: Построить имитационную модель узла комутации сообщений.

Исходные данные:

Моделируемая информационная система представляет собой узел коммутации сообщений, основными элементами которого являются: входной буфер, служащий для накапливания сообщений, поступающих с первого или второго источника через интервалы времени 157мс.; процессор - одноканальное устройство, предназначенное для обработки одного сообщения за промежуток времени, равный 7мс.; первый выходной буфер и второй выходной буфер, куда поступают обработанные процессором первые сообщения или вторые сообщения для последущей отправки по одной из соответствующих линий; первой выходной линий - одноканального устройства, передающего за время 155мс. сообщения с первого источника, второй выходной линии - одноканального устройства, передающего сообщения со второго источника за тот же интервал времени, что и первая выходная линия.

Ограничения на модель:

1. В системе разрешается одновременное присутствие не более трех сообщений с каждого направления.

2. Метод контроля потоков должен осуществляться следущим образом: перед входом сообщений в систему производится проверка емкости первого выходного буфера и второго выходного буфера. Если количество сообщений в первом выходном буфере больше или равно трем, то транзакт, поступивший с первого направления получает отказ на вход в систему. Аналогичным образом происходит проверка на вход в систему сообщений, поступающих со второго направления.

3. Заявки, генерируемые первым источником, не имеют приоритета над сообщениями, поступающими со второго источника. Все транзакты, вошедшие в систему имеют нулевой приоритет.

4. Количество сообщений с первой линии, обрабатываемых в системе, связано с количеством сообщений второй линии соотношением 1:1, т.е. равновероятно.

5. Работа узла коммутации моделируется на протяжении T=60000мс.

Выбор программных средств моделирования

Сложные функции моделирующего алгоритма могут быть реализованы средствами универсальных языков программирования (Паскаль, Си), что предоставляет неограниченные возможности в разработке, отладке и использовании модели. Однако подобная гибкость приобретается ценой больших усилий, затрачиваемых на разработку и программирование весьма сложных моделирующих алгоритмов, оперирующих со списковыми структурами данных. Альтернативой этому является использование специализированных языков имитационного моделирования.

Специализированные языки имеют средства описания структуры и процесса функционирования моделируемой системы, что значительно облегчает и упрощает программирование имитационных моделей, поскольку основные функции моделирующего алгоритма при этом реализуются автоматически. Программы имитационных моделей на специализированных языках моделирования близки к описаниям моделируемых систем на естественном языке, что позволяет конструировать сложные имитационные модели пользователям, не являющимся профессиональными программистами.

Одним из наиболее эффективных и распространенных языков моделирования сложных дискретных систем является в настоящее время язык GPSS (General Purpose Simulation System). Он может быть с наибольшим успехом использован для моделирования систем, формализуемых в виде систем массового обслуживания. В качестве объектов языка используются аналоги таких стандартных компонентов СМО, как заявки, обслуживающие приборы, очереди и т.п. Достаточный набор подобных компонентов позволяет конструировать сложные имитационные модели, сохраняя привычную терминологию СМО.

модель узел коммутация сообщение

Разработка структурной схемы имитационной модели, описание ее функционирования

Процесс обработки сообщений, поступающих в информационную систему с двух напрвлений, формализован в виде Q-схемы. Иммитационая схема моделируемой системы представлена на Рисунке 2.

Рисунок 2. Структурная схема информационной системы

Описание имитационной модели информационной системы:

1. Описание элементов Q-схемы:

U1 - первый источник: генератор сообщений, поступающих с первого направления;

U2 - второй источник: генератор сообщений, поступающих со второго направления;

H1(L1) - накопитель1, L1 - максимальная емкость первого накопителя: входной буфер;

H2(L2) - второй накопитель, L2=3 - максимальная емкость второго накопителя: первый выходной буфер для сообщений, поступающих с первого направления;

H3(L3) - третий накопитель, L3=3 - максимальная емкость третего накопитель: второй выходной буфер для сообщений, поступающих со второго направления;

K1 - первый канал: процессор;

K2 - второй канал: первая выходная линия;

K3 - третий канал: вторая выходная линия;

2. Описание потоков:

q1 - поток сообщений, поступающих с первого направления в первый накопитель;

q 2 - поток сообщений, поступающих со второго направления в первый накопитель;

q3 - поток сообщений, обрабатываемых первым каналом ;

q4 - поток обработанных сообщений первого направления, поступающий во второй накопитель;

q5 - поток обработанных сообщений второго направления, поступающий в третий накопитель;

q6 - поток обработанных сообщений первого направления, поступающийх для отправки во второй канал;

q7 - поток обработанных сообщений со второого направления, поступающийх для отправки в третий канал;

q8 - поток выходных сообщений, посупивших с первого направления;

q9 - поток выходных сообщений, поступивших со второго направления;

3. Описание времени:

t1 - время генерации сообщений первым источником;

t2 - время генерации сообщений вторым источником;

t3 - время обработки одного сообщения в первом канале;

t4 - время передачи одного обслуженного сообщения по первой выходной линии;

t5 - время передачи одного обслуженного сообщения по второй выходной линии;

4. Описание клапанов:

a - клапан по входу для первого накопителя:

0, закрыт

a =

1, открыт

a = 1, если L2(H2) <= 3;

a = 0, если L2(H2) > 3;

b - клапан по входу для второго накопителя:

0, закрыт

b =

1, открыт

b = 1, если L3(H3) <= 3;

b = 0, если L3(H3) > 3;

Описание програмной реализации имитационной модели

Текст программы

LINE EQU 1 Номер линии

PROC EQU 3 Процессор, в котором происходит обработка транзакта

BUF1 EQU 1 Входной буфер первой линии

BUF2 EQU 2 Входной буфер второй линии

BUF_OUT EQU 4 Буфер для учета потерянных транзактов (отказ системы)

BUF1 STORAGE 3 Объем входного буфера первой линии

BUF2 STORAGE 3 Объем входного буфера второй линии

BUF_OUT STORAGE 5000 Объем буфера потерянных транзактов

GENERATE 15,7 Генерация потока транзактов первой линии

ASSIGN LINE,1 Назначение номера линии

TRANSFER ,A Передача транзакта

GENERATE 15,7 Генерация потока транзактов второй линии

ASSIGN LINE,2 Назначение номера линии

TRANSFER ,A Передача транзакта

ССС ENTER BUF_OUT Вход потерянного транзакта

LEAVE BUF_OUT Выход транзакта

TERMINATE Уничтожение транзакта

A GATE SNF P$LINE,CCC Если входной буфер занят полностью, то передача в ССС

ENTER P$LINE Вход транзакта в устройство линии

SEIZE PROC Вход транзакта в процессор

LEAVE P$LINE Выход транзакта из устройства линии

ADVANCE 7 Обработка транзакта

QUEUE P$LINE Вход транзакта в очередь

RELEASE PROC Освобождение процессора

SEIZE P$LINE Вход пакета данных в устройство

ADVANCE 15,5 Передача транзакта по линии

RELEASE P$LINE Освобождение линии

B TERMINATE Удаление транзакта

GENERATE 10000 Работа узла моделируется

TERMINATE 1 в течении 10 секунд (1 ед. маш. времени = 1 мс )

START Установка счетчика завершения

Выходные данные

START TIME END TIME BLOCKS FACILITIES STORAGES

0.000 10000.000 23 3 3

NAME VALUE

A 10.000

B 21.000

BUF1 1.000

BUF2 2.000

BUF_OUT 4.000

CCC 7.000

LINE 1.000

PROC 3.000

LABEL LOC BLOCK TYPE ENTRY COUNT CURRENT COUNT RETRY

1 GENERATE 679 0 0

2 ASSIGN 679 0 0

3 TRANSFER 679 0 0

4 GENERATE 684 0 0

5 ASSIGN 684 0 0

6 TRANSFER 684 0 0

CCC 7 ENTER 0 0 0

8 LEAVE 0 0 0

9 TRANSFER 0 0 0

A 10 GATE 1363 0 0

11 ENTER 1363 1 0

12 SEIZE 1362 0 0

3 LEAVE 1362 0 0

14 ADVANCE 1362 1 0

15 QUEUE 1361 0 0

16 RELEASE 1361 4 0

17 SEIZE 1357 0 0

18 DEPART 1357 0 0

19 ADVANCE 1357 2 0

20 RELEASE 1355 0 0

B 21 TERMINATE 1355 0 0

22 GENERATE 1 0 0

23 TERMINATE 1 0 0

FACILITY ENTRIES UTIL. AVE. TIME AVAIL. OWNER PEND INTER RETRY DELAY

1 677 0.952 14.067 1 1360 0 0 0 1

2 680 0.958 14.083 1 1355 0 0 0 3

PROC 1362 0.956 7.022 1 1363 0 0 0 1

QUEUE MAX CONT. ENTRY ENTRY(0) AVE.CONT. AVE.TIME AVE.(-0) RETRY

1 4 1 678 111 0.820 12.100 14.469 0

2 5 3 683 99 1.029 15.070 17.625 0

STORAGE CAP. REM. MIN. MAX. ENTRIES AVL. AVE.C. UTIL. RETRY DELAY

BUF1 3 2 0 3 679 1 0.444 0.148 0 0

BUF2 3 3 0 3 684 1 0.453 0.151 0 0

BUF_OUT 5000 5000 0 0 0 1 0.000 0.000 0 0

FEC XN PRI BDT ASSEM CURRENT NEXT PARAMETER VALUE

1365 0 10001.447 1365 0 4

1366 0 10002.249 1366 0 1

1363 0 10004.010 1363 14 15

LINE 2.000

1360 0 10006.657 1360 19 20

LINE 1.000

1355 0 10009.064 1355 19 20

LINE 2.000

1367 0 20000.000 1367 0 22

В результате моделирования выяснилось, что вероятность отказа при ограничении в 3 транзакта по каждому направлению равна 0. Т.о. не требуется снятия ограничений; в целях эксперимента ставилось ограничение в 2 транзакта, и 3 из них попадали в буфер потерянных транзактов BUF_OUT. Так что вероятность отказа в этом случае составляет 3/1368=0,18%. Загрузка устройств первой и второй линии составила 0,952 и 0,958. Загрузка процессора составила 0,956.

Выводы и рекомендации относительно применения модели

Спроектированная модель узла коммутации сообщений является пригодной к использованию. Модель характеризуется высокой надежностью, малой вероятностью отказа в обслуживании, равномерной загрузкой устройств. По результатам тестирования модели можно сделать следующие выводы: производительность модели напрямую зависит от интервала времени АB, через который поступают сообщения из источников. Используя априорные, установленные параметры интервалов, предложенные нам изначально (в соответствии с вариантами), мы получаем модель со средней производительностью, устройствами, мощность которых используется наполовину. При уменьшении интервала времени АB производительность модели увеличивается в двое, по сравнению с изначальной, также увеличивается и загрузка устройств, мощность использования которых теперь приближается к максимальной. При увеличении интервала времени АB наблюдается снижение производительности в несколько раз, по сравнению с изначальной, снижение загрузки устройств.

Рекомендации: так как источники сообщений №1 и №2 не являются элементами проектируемой системы, то при использовании модели узла коммутации сообщений необходимо выбирать те источники подключения, генерация сообщений в которых происходит значительно быстрее времени работы линий передачи данных, либо примерно равной ему.

Литература

Советов Б.Я., Яковлев С.А. Моделирование систем. Учебник для ВУЗов - М.: Высшая школа, 2001.

Советов С.М., Яковлев С.М. Моделирование систем.// Лаб. практикум. - М.: Высшая школа, 1990.

Технология системного моделирования/ Е.Ф.Аврачук, А.А.Вавилов, С.В.Емельянов, В.В.Калашников и др./ Под общ.ред. С.В.Емельянова и др. -М.: Машиностроение. Берлин: Техник, 1988. -520 с.

Тарасик В.П. Математическое моделирование технических систем. Минск, 1997

Бычков С.П., Храмов А.А. Разработка моделей в системе моделирования GPSS. М.:МИФИ, 1997

Кудрявцев Е.М. GPSS World.

Размещено на Allbest.ru