Материал: Цифровой концентратор

Наиболее распространенным методом описания систем является составление блок-диаграмм. Блок-диаграмма - графическое представление операций, происходящих внутри системы. Другими словами, блок-диаграмма описывает взаимодействие событий внутри системы. Линии, соединяющие блоки, указывают маршруты потоков сообщений или описывают последовательность выполняемых событий. В случае нескольких вариантов действий от блока отходят несколько линий. Если же к блоку подходят несколько линий, то это означает, что выполняемая операция является общей для двух или более последовательностей блоков. Выбор логических путей может основываться на статистических или логических условиях, действующих в момент выбора.

Блок-диаграммы получили широкое применение при описании систем, но форма представления обычно зависит и от самой системы, и от специалиста, описывающего эту систему. Поэтому, при построении блок-диаграмм, следует соблюдать определенные условия, являющиеся основой создания программы на языке моделирования.

Объекты в моделируемой системе предназначены для различных целей. Выбор объектов в конкретной моделируемой системе зависит от характеристик модели и, в некоторых случаях, от специалиста, составляющего модель. Совершенно не обязательно, чтобы в одной модели участвовали все типы объектов. Обязательным является лишь то, что в каждой модели должны быть блоки и сообщения, иначе просчитать ее будет невозможно. Какие объекты, помимо сообщений и блоков, будут включены в модель, будет зависеть от того, какие именно используются блоки и операнды блоков (которые могут повлечь появление операторов описания других объектов).

После того, как система описана, исходя из операций, которые она выполняет, ее нужно описать на нужном алгоритмическом языке, используя блоки, которые выполняют соответствующие операции в модели.

Ниже, в главе 3, приводится алгоритм имитационной модели функционирования концентратора и программа на языке моделирования GPSS.

цифровой концентратор моделирование сеть

2.2 Особенности языка моделирования GPSS

Общецелевая система моделирования GPSS (GENERAL PURPOSE SIMULATING SYSTEM) предназначена для построения статистических (имитационных) моделей дискретных сложных систем различной физической природы [5]. Общим для систем, исследование которых может быть проведено с помощью GPSS, является наличие различных случайных факторов, существенным образом влияющих на смену состояний в системе. При этом предполагается, что множество состояний исследуемой системы является дискретным (конечным или счетным); смена состояний происходит в некоторые моменты времени. Интервалы между моментами смены состояний могут быть как случайными, так и детерминированными величинами. В течение всего интервала между моментами смены состояний исследуемая система состояния не меняет.

Существенной особенностью GPSS является ориентация на построение моделей таких систем, в которых возможно возникновение очередей различного рода. К таким системам относятся всевозможные системы массового обслуживания (СМО), вычислительные системы (ВС), транспортные - в том числе и железнодорожные - системы и т.д.

С помощью средств GPSS экспериментатор имеет возможность описать как алгоритм функционирования исследуемой системы, так и воздействие случайных факторов на систему. Таким образом, GPSS может рассматриваться и как некоторый язык описания сложных систем.

Составив описание, экспериментатор получает возможность постановки различных экспериментов, в ходе которых многократно воспроизводятся случайные ситуации, соответствующие возможным случаям воздействия внешних факторов на исследуемую систему, находящуюся в различных состояниях.

В процессе розыгрыша с помощью ЭВМ случайных ситуаций накапливается информация о качестве функционирования исследуемой системы в виде конкретных реализаций численных значений показателей качества функционирования. Розыгрыш случайных ситуаций продолжается до тех пор, пока объем выборки не станет достаточным для вычисления статистически достоверных оценок показателей качества функционирования.

Развитие всякой системы происходит во времени. Точно также модель исследуемой системы меняет свои состояния, функционируя, развиваясь во времени, при этом течение модельного времени имитируется изменением некоторой переменной. Между временем реальной сложной системы и временем модели этой системы в GPSS (модельным временем) имеется существенное различие.

Во-первых, время реальной системы непрерывно - можно со сколь угодно большой точностью, вплоть до наносекундных интервалов, измерить длительность между моментами смены состояний исследуемой системы.

Во-вторых, никоим образом изменить скорость течения времени реальной системы нельзя (во всяком случае, на нынешнем этапе развития земной цивилизации).

Время же GPSS-модели дискретно - оно может изменяться лишь на целое число единиц. Физический смысл одной единицы модельного времени - час, минута, секунда и т.д. - определяет пользователь GPSS - экспериментатор, строящий модель исследуемой системы. Изменяться модельное время может не обязательно только на 1 единицу дискретности, чаще всего модельное время скачком продвигается от одного момента смены состояний до другого. Это возможно потому, что модельное время не есть время работы ЭВМ, с помощью которой ставятся эксперименты с моделью. Модельное время - это некоторая переменная, принимающая только положительные целочисленные значения и не доступная пользователю; всегда, как и реальное время, изменяющаяся только в сторону увеличения.

Следует отметить еще одно обстоятельство: в GPSS, в отличие от реальных систем, имеется две разновидности модельного времени - абсолютное и относительное. Абсолютное время начинает свой отсчет с момента начала моделирования (эксперимента с моделью), а относительное - с момента, указанного пользователем как момент, начиная с которого необходимо собирать статистику в ходе моделирования. Если нет специальных указаний пользователя, абсолютное и относительное время в GPSS совпадают.

Модель в GPSS строится из отдельных элементов, называемых объектами. Имеется всего четыре вида объектов:

·   динамические, или транзакты;

·   статические, или оборудование;

·   статистические;

·   операционные блоки.

Состояние модели в любой момент времени определяется совокупностью состояний всех объектов, составляющих модель; смена состояний модели предполагает изменение состояния хотя бы одного объекта. Основная особенность GPSS как системы моделирования состоит в том, что состояние модели изменяется лишь тогда, когда динамический объект - транзакт - проходит через операционный блок. Именно транзакт, двигаясь по модели, является инициатором смены состояний оборудования, статистических объектов и других транзактов.

Транзакты (сообщения) создаются в определенных точках модели, продвигаются интерпретатором через блоки, а затем уничтожаются. Сообщения являются аналогами единиц-потоков в реальной системе. Сообщения могут представлять собой различные элементы даже в одной системе. Например, в модели ЭВМ одни сообщения могут являться прообразами программ пользователя, решаемых на данной ЭВМ, а другие представляют поток отказов в аппаратных средствах ЭВМ. С каждым сообщением в GPSS связаны параметры. Параметры могут использоваться для связи конкретных числовых данных с этим сообщением. В приведенном выше примере параметрами сообщений первого типа могут быть: время обслуживания программы центральным процессором; число обращений к лентам, дискам; идентификация пользователя и т.д.

Сообщения движутся от блока к блоку так, как движутся элементы, которые они представляют (условные обозначения блоков GPSS приведены в таблице 2.1).

Каждое продвижение считается событием, которое должно происходить в конкретный момент времени. Интерпретатор GPSS автоматически определяет моменты наступления событий. В тех случаях, когда событие не может произойти, хотя момент его наступления подошел (например, при попытке занять устройство, когда оно уже занято), сообщение прекращает продвижение до снятия блокирующего условия.

Сообщения нумеруются последовательно, начиная с номера 1. Параметры сообщений принимают значения из множества целых чисел. Каждое сообщение имеет один или более параметров. Параметры нумеруются. Номера параметров используются для ссылок на значения, присвоенные параметрам. Сообщениям может присваиваться приоритет, используемый системой в ходе моделирования.

Статические объекты GPSS - оборудование. К оборудованию относятся:

·   приборы (устройства, FACILITY), аналогичные одноканальным СМО с очередью;

·   накопители (STORAGE), сопоставимые как с реальными накопителями, так и с многоканальными СМО. Реальным накопителем может быть запоминающее устройство ВС, путевое устройство железнодорожной станции, стоянка автомобилей с ограниченным числом мест и т.д.;

·   логические переключатели (SWITCH), сопоставимые со светофорами с двумя состояниями - красным и зеленым сигналами.

Статистических объектов в GPSS два вида: очереди (QUEUE) и таблицы (TABLE). Очереди, несмотря на их название, никоим образом не влияют на организацию очередей в модели - они служат только для сбора статистики в виде средних значений временных интервалов, в течение которых транзакты проходят путь между двумя точками в модели, а также числа транзактов между этими точками.

Таблица 2.1 Условные обозначения блоков GPSS

Таблицы используются для сбора статистической информации в виде эмпирических функций распределения случайных величин, получаемых в ходе моделирования.

Операционные блоки, как уже отмечалось, служат для изменения состояния оборудования, статистических объектов и транзактов. Кроме того, они создают и уничтожают транзакты, определяют направление движения транзактов в модели, задерживают транзакты на случайное или детерминированное время.может рассматриваться не только как общецелевая система моделирования, но и как язык описания функционирования сложных дискретных систем. В силу этого множество перечисленных объектов не всегда является достаточным для описания модели. Именно поэтому пользователь должен вносить в модель пояснения. Пояснения пользователя как указания системе моделирования задаются с помощью карт описания. Эти карты не являются объектами GPSS, но без них не возможна правильная организация накопителей, таблиц и ряда других элементов GPSS.

Карта SIMULATE. Она должна предворять как все карты описания, так и все карты, задающие операционные блоки. При отсутствии карты SIMULATE интерпретация модели, т.е. собственно моделирование, производится не будет - система только проверит правильность описания модели с точки зрения синтаксиса языка описания дискретных сложных систем.

Другой управляющей картой является карта END, завершающая последовательность управляющих карт, карт описания и операционных блоков, составляющих GPSS-модель.

Специальные управляющие карты CLEAR и RESET служат для управления процессом моделирования. Так, появление карты CLEAR после того, как выполнено моделирование согласно некоторой последовательности управляющих карт и операционных блоков приводит к тому, что то состояние, которое было достигнуто в ходе розыгрыша случайных ситуаций, заменяется исходным начальным состоянием. После этого модель готова к повторному прогону, возможно, с иными операционными блоками.

После выполнения карты RESET состояние системы сохраняется, но все накопленные статистики сбрасываются, и их накопление начинается заново. Именно в этот момент возникает разница между абсолютным и относительным модельным временем.

На основании оценок качества функционирования системы, полученных в результате эксперимента с моделью, может быть проведен поиск как наилучших условий работы, так и наилучшей структуры исследуемой системы. Для решения задач оптимизации GPSS допускает стыковку с алгоритмическим языком FORTRAN-4; в этом случае программа задания начальных условий моделирования, определения направления движения в допустимой области варьирования изменяемых параметров системы пишется на языке FORTRAN, а модель системы строится на основе элементов (объектов) GPSS. Кроме того, с помощью FORTRAN-надстройки над GPSS-моделью удается существенно упростить, сделать более гибкой и саму GPSS-модель.

3. Разработка алгоритма и программы имитационной модели функционирования концентратора

3.1 Алгоритм имитационной модели функционирования концентратора

Сети ISDN доставляют различные виды информации (оперативные данные и файлы ЭВМ, речь в цифровой форме, факсимильная информация и т.д.) [6]. В данной программе рассматривается фрагмент такой сети в виде системы передачи цифровой информации, обеспечивающей процесс взаимодействия цифровых телефонных аппаратов (ЦТА) с цифровым концентратором (ЦК), который представляем собой устройство, обеспечивающее сопряжение входных низкосортных цифровых каналов связи от каждого ЦТА с выходным высокоскоростным цифровым трактом (ЦТ). В общем случае имеется N цифровых телефонных аппаратов, подключенных к цифровому концентратору, который осуществляет мультиплексирование входящего потока цифровой информации и его дальнейшую передачу по цифровому тракту (рис. 3.1). Каждый цифровой тракт состоит из шести уплотняемых каналов (кадров). При нормальных условиях функционирования (когда загрузка цифрового тракта меньше 80%) используются пять каналов, в случае временного увеличения загрузки цифрового тракта больше 80% подключается дополнительный канал на время пика нагрузки. Нагрузка по вызовам, создаваемая одним цифровым телефонным аппаратом, составляет 0,1 Эрланг, а вероятность обслуживания любого вызова равна 0,4. Не обслуживание вызова может произойти в результате занятости абонента (время прослушивания сигнала "Занято" равно 15 с) или его отсутствия с равной вероятностью. При отсутствии свободного канала вновь поступивший вызов блокируется. Не обслуженный вызов становится источником повторных вызовов.

Рис. 3.1 Структурная схема фрагмента сети интегрального обслуживания

На рисунке 3.2 приведена блок-диаграмма имитационной модели функционирования концентратора.

Поясним алгоритм модели.

Перед началом прогона модели создадим многоканальное устройство определенной емкости. В нашем случае под многоканальным устройством будем понимать цифровой тракт, а под емкостью многоканального устройства - число кадров в цифровом тракте.

Зададим все необходимые начальные значения (средняя длительность разговора, вероятность обслуживания, средняя длительность установления связи…), которые будут характеризовать качество связи, а также влиять на получаемые значения статистических данных. Также зададим все необходимые функции распределения случайных чисел.

Блок 1. Введем транзакт в модель.

Блок 2. Создадим необходимое количество копий данного транзакта. Они будут являться абонентами виртуальной сети связи.

Блок 4. Получаем сообщение (транзакт) и задерживаем его на определенный период между вызовами. Таким образом, вызова у нас будут поступать с определенной задержкой.

Блок 7. Проверяем наличие свободного кадра в цифровом тракте. Если свободный кадр есть, то переходим к блоку 8. Если же свободного кадра нет, то транзакт (сообщение) задерживается до тех пор, пока не появится свободный кадр.