УДК 62-503.51

ПРОГРАММНОЕ ПРИЛОЖЕНИЕ ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ КОЛЛИЗИЙ В КАНАЛЕ СВЯЗИ

Заргарян Елена Валерьевна1, Заргарян Юрий Артурович2, Коринец Анастасия Дмитриевна3, Малышенко Илья Михайлович4
1Южный Федеральный Университет, к.т.н, доцент кафедры систем автоматического управления
2Южный Федеральный Университет, к.т.н, доцент кафедры систем автоматического управления
3Южный Федеральный Университет, студентка кафедры систем автоматического управления
4Южный Федеральный Университет, студент кафедры систем автоматического управления

Аннотация
В данной статье рассматривается принцип работы канального уровня системы передачи информации. Описано разработанное программное приложение в среде Delphi, которое имитирует работу канального уровня используя три алгоритма случайного доступа в канале связи.

Ключевые слова: канал, связь


SOFTWARE APPLICATION FOR RESEARCH COLLISIONS COMMUNICATION CHANNELS

Zargaryan Elena Valerevna1, Zargaryan Yuriy Arturovich2, Korinec Аnastasiay Dmitrievna3, Malishenko Ilya Mihailovich4
1Southern Federal University, Ph.D., assistant professor of automatic control systems department
2Southern Federal University, Ph.D., assistant professor of automatic control systems department
3Southern Federal University, student of automatic control systems department
4Southern Federal University, student of automatic control systems department

Abstract
This article discusses the principle of the link layer data transmission system. The developed software application in Delphi, which simulates the operation of the data link layer using three algorithms in the random access channel of communication.

Библиографическая ссылка на статью:
Заргарян Е.В., Заргарян Ю.А., Коринец А.Д., Малышенко И.М. Программное приложение для исследования коллизий в канале связи // Современная техника и технологии. 2015. № 9 [Электронный ресурс]. URL: http://technology.snauka.ru/2015/09/7858 (дата обращения: 27.05.2017).

Основные сведения. На основе блок-схем алгоритмов, приведённых в статьях [1-4] и с помощью инструментальных средств Delphi было создано программное приложение для исследования коллизий в канале связи. Разработанное программное приложение отвечает всем стандартам современного программного обеспечения, а именно графический интерфейс, контекстная помощь и управление при помощи практически одной «мыши». Все элементы управления, встречающиеся в приложении снабжены всплывающими подсказками, во всех местах, где это возможно, происходит контроль вводимых данных (для предотвращения возможных отказов), а также имеется возможность автоматического ввода больших объёмов данных после указания незначительного количества всевозможных интервалов разброса. Входные данные модели можно сохранять на диск, результаты моделирования можно также сохранять на диск. Во время моделирования можно включить режим динамического отображения данных. Сам процесс моделирования можно приостановить, перезапустить и продолжить после остановки. Количество станций, с которыми может работать приложение ограничено только возможностями компьютера, на котором будет производиться моделирование. Процесс моделирования в приложении идёт по принципу минимального использования ресурсов системы (Idle) и поэтому можно производить исследования параллельно занимаясь ещё чем либо другим. Программное приложение полностью соответствует описанной имитационной модели, работает без сбоев и является очень удобной в обращении.

Ввод исходных данных. Исходными данными для программного приложения являются матрицы, количество станций, пропускная способность и один из трёх алгоритмов случайного доступа со своими параметрами.

После загрузки приложения на экран параметров можно попасть либо нажав на функциональную клавишу F3, либо выбрав нужный пункт в оконном меню главного экрана приложения. Этот пункт меню представлен на рис. 1.

Рис. 1.

Выполнив указанные действия мы попадаем на экран параметров, изображение которого представлено на рис. 2.

Рис. 2. Экран параметров

На рис. 3. представлена область экрана параметров, на которой задаётся необходимое количество передаваемых сообщений (КПС).

Область задания необходимого количества передаваемых сообщений

Рис. 3

Чем большее количество передаваемых сообщений будет задано, тем более точные значения вероятностей коллизий будут получены. Как видно из рис. 3. количество передаваемых сообщений можно изменить как с помощью ролика, так и с помощью ручного ввода. В этой области ввода числа, и в подобных областях также, при его чтении программа использует защищённый режим процессора, что обеспечивает устойчивую работу приложения в тех случаях когда число введено некорректно. Если введённое вручную число находится в пределах изменения ролика, то ролик подстраивает своё положение под это число, иначе он будет оставаться на прежнем месте а число можно задать любым.

На рис. 4. представлена область задания пропускной способности канала связи, выраженной в бодах.

Рис. 4. Область задания пропускной способности канала связи

Изменить значение пропускной способности можно либо с помощью бегунка, и тогда будет получено одно из стандартных значений, либо в ручную, введя нужное значение. В программе используются следующие стандартные значения пропускной способности канала связи, выраженные в бодах: 50; 75; 110; 150; 300; 600; 1200; 2400; 4800; 9600; 19200; 38400; 57600 и 115200. Если нажать на расположенное справа изображение стрелки, то отобразиться окно автоматического поиска скорости передачи, удовлетворяющей заданному уровню плотности потока заявок. Изображение этого окна представлено на рис. 5.

Рис. 5. Задание необходимой плотности потока заявок

В окне задания необходимой плотности потока заявок имеется возможность указать программе искать значение пропускной способности за пределами последнего стандартного значения этой величины. Поиск при этом будет идти по алгоритму, несколько напоминающему метод дихотомии, а значение скорости будет найдено с точностью до одного бода. Окно, на котором будет отображаться процесс поиска пропускной способности канала связи, представлено на рис. 6.

Рис. 6. Окно процесса поиска пропускной способности канала связи

В первом столбце показывается значение скорости для которой вычисляется значение плотности потока заявок, а в правом столбце соответственно вычисленное значение плотности потока заявок. Когда вычисленное значение плотности потока заявок станет меньше либо равно требующемуся уровню, то процесс поиска остановиться с выдачей соответствующего сообщения.

Первой стадией при поиске нужной пропускной способности является её последовательный перебор среди стандартных значений. Затем, если ни одна из стандартных величин не подошла, производится инкрементирование текущей величины пропускной способности с последовательным удвоением значения шага. После того как будет получено значение пропускной способности, при которой плотность потока заявок станет меньше заданной, происходит переключение на метод дихотомии. Этот момент будет обозначен появлением –1 вместо шага инкрементирования. В процессе поиска по методу дихотомии и получается значение с точностью в 1 бод.

Следующим элементом управления, расположенным на экране параметров является область ввода количества станций. Изображение этой области представлено на рис. 7.

Рис. 7. Область ввода количества станций

Из рис. 7. видно, что задано 6 станций. Минимально возможное количество станций 2. С помощью бегунка можно установить не более 100 станций, но если надо больше, то следует ввести нужное число вручную. Справа от поля ввода количества станций имеется кнопка, действие которой несколько похоже на действие кнопки, предназначенной для авто-поиска нужной пропускной способности. Эта кнопа также инициализирует процесс поиска. В этом случае нужно будет также указать нужный уровень плотности поток заявок и затем система станет опускать количество станций до тех пор, пока получающаяся плотность потока заявок не станет меньше заданной. Окно ввода нужного уровня плотности потока заявок, и начало процесса поиска представлено на рис. 8.

Рис. 8. Необходимая плотность потока заявок при авто-поиске нужного количества станций

Если нажать на кнопку «Применить», расположенную на окне задания нужного уровня плотности потока заявок (см. рис. 8.), то появится окно поиска и в нём будет отображается информация о процессе поиска. Окно поиска представлено на рис. 9.

Рис. 9. Окно процесса поиска количества станций

Окно, представленное на рис. 9. и окно, представленное на рис. 6., это одно и тоже окно. Изменения наблюдаются в типе отображаемой информации. В окне поиска количества станций (см. рис. 9.) в левом столбце отображается количество станций, для которого происходит подсчёт плотности потока заявок, а в правом столбце соответственно сама посчитанная плотность. Алгоритм поиска очень простой – уменьшаем количество станций до тех пор, пока не получим уровень плотности потока заявок меньше заданного.

На окне параметров также имеется область для ввода матрицы интенсивностей адресных связей. В этой матрице по диагонали должны идти нули, а размерность её NxN, где N – количество станций. Изображение этой матрицы представлено на рис. 10.

Рис. 10. Матрица интенсивностей адресных связей

Элементы МИАС показывают количество сообщений в единицу времени. По главной диагонали должны идти нули, потому что станция не обменивается информацией сама с собой. МИАС не обязательно должна быть симметричной относительно главной диагонали. В программе имеется возможность автоматического заполнения МИАС. Порой известно только то, что в канале связи интенсивность обмена высокая или низкая или какая либо другая, но конкретно по каждой станции данные не доступны. В этом случае и стоит применить автоматическое заполнение. Этому действию соответствует кнопка, изображение которой представлено на рис.11.

Рис. 11. Инициализация процесса автозаполнения МИАС

Следующим действием при автозаполнении МИАС является указание границ, в которых будут генерироваться значения матрицы. Окно, в котором производятся эти действия представлено на рис. 12.

В верхней части окна можно выбрать коэффициент масштабирования границ интервала. Сами границы интервала можно изменять либо с помощью бегунков, либо с помощью ручного ввода. Здесь должно выполнятся строгое условие не превышения левым интервалом правого. Если при нажатии на кнопку «Применить» будет обнаружено какое либо несоответствие, то программа укажет на это несоответствие и попросит его исправить. Если же всё в порядке, то произойдёт автозаполнение МИАС. Процент заполнения будет отображаться с помощью специального индикатора, так как при заполнении больших матриц, автозаполнение может занимать относительно большой промежуток времени.

Рис. 12. Задание границ при автозаполнении МИАС

Как следует из имитационной модели, также необходимо задание матрицы средних длин сообщений. На окне параметров расположена специальная область, в которой происходит заполнение МСДС. Эта область представлена на рис. 13.

Рис. 13. Матрица средних длин сообщений

Элементы МСДС выражаются в битах, и представляют из себя среднюю длину сообщения передаваемого от одной станции к другой, причём станции не обязательно должны обмениваться сообщениями одинаковой длины, т.е. МСДС не симметрична относительно главной диагонали, но главная диагональ должна содержать нули.

В программе поддерживается три типа алгоритмов случайного доступа. Первый из них это непостоянный алгоритм. Для этого алгоритма необходимо задание параметров закона распределения времени повторного прослушивания. Область экрана параметров, в которой вводятся данные о непостоянном алгоритме представлена на рис. 14.

Рис. 14. Непостоянный алгоритм случайного доступа и равномерный закон распределения времени повторного прослушивания

На рис. 14. показан случай, когда для непостоянного алгоритма выбран равномерный закон распределения времени повторного прослушивания. Для равномерного закона необходимо указание границ распределения. Эти границы регулируются соответствующими элементами управления. Изменяемые числа представляются в единицах , т.е. времени, затрачиваемом на передачу одного бита информации. Справа показана формула, по которой будут получаться случайные значения времени повторного прослушивания. Задаваемые границы должны строго удовлетворять условию не превышения левой границы правой, так как в этом случае будет получаться отрицательное время, что не имеет под собой физической основы, и поэтому программа при проверке введённых данных будет требовать исправления этой ситуации. На рис. 14. видно, что рассматриваемая область содержит 3 отдела. Выбор одного из них и означает выбор соответствующего алгоритма. Корректность параметров невыбранных алгоритмов не проверяется. При сохранении введённых параметров на диск, сохраняется тот текст, который введён в соответствующих полях (кроме количества станций – она берётся из размерности МИАС), и поэтому можно сохраняться при любых возможных ошибках. При загрузке параметров также загружается в основном только текст. На рис. 15. показана ситуация, когда выбран экспоненциальный закон распределения времени повторного прослушивания.

Следует заметить, что интенсивность экспоненциального закона задаётся не напрямую, а после относительно несложных математических преобразований.

Рис. 15. Непостоянный алгоритм случайного доступа и экспоненциальный закон распределения времени повторного прослушивания

На рис. 16. показан случай, когда выбран 1-постоянный алгоритм случайного доступа.

Рис. 16. 1-постоянный алгоритм случайного доступа

Из рис. 16. следует, что для 1-постоянного алгоритма никаких параметров задавать не надо.

На рис. 17. показан случай с p-постоянным алгоритмом.

Рис. 17. p-постоянный алгоритм случайного доступа

Для p-постоянного алгоритма существует только один параметр, а именно вероятность выхода в свободный канал связи. Эта вероятность обозначается через p. Из рис. 17 видно, что изменить её можно либо вручную, либо с помощью расположенного справа ролика. В этой области автоматически вычисляется произведение np, которое в случае, если оно больше 1, говорит о том, что в среднем в свободный канал связи будет одновременно обращаться больше чем одна станция. Если это значение больше единицы, то оно выделяется красным цветом. Очень желательно, чтобы произведение np в результате давало число меньше единицы.

После ввода всех параметров необходимо произвести их проверку и применить при удачном исходе. Процедура проверки не оборудована индикатором прогресса и поэтому при больших размерностях МИАС и МСДС она может выполняться относительно долго, что может вызвать чувство сбоя в программе. В процедуре проверки во всех подозрительных местах используется защищённый режим процессора и поэтому вероятность сбоя сведена практически к нулю, поэтому не стоит волноваться. В следующем разделе описаны элементы управления главного окна программного приложения.

Процесс моделирования. При загрузке программного приложения элементы управления главного окна моделирования недоступны. Они становятся доступными после ввода исходных данных модели. После того как исходные данные введены, процесс моделирования будет управляться с помощью панели управления, изображение которой представлено на рис. 18.

Рис. 18. Панель управления процессом моделирования

На экране моделирования отображаются некоторые из введённых параметров. Эта область показана на рис. 19.

Рис. 19. Исходные данные моделирования

В области программы, изображение которой представлено на рис. 19. отображается информация о количестве станций, скорости передачи, общем количестве передаваемых сообщений, типе алгоритма случайного доступа и его параметрах.

Сразу после применения параметров с экрана параметров (см. рис. 2.) рассчитываются некоторые величины, информация о которых сведена в соответствующий отдел главного окна моделирования. Изображение этого отдела представлено на рис. 20.

Рис. 20. Расчётные параметры

Из рис. 20. видно, что при инициализации процесса моделирования рассчитывается распределение вероятностей выхода в канал связи за интервал времени  сразу нескольких станций, вероятность застания канала занятым, вероятность невыхода в канал связи ни одной станции, размер коллизионного домена и плотность потока заявок.

Результаты моделирования сведены в отдельную область с одноимённым названием. Изображение этой области представлено на рис. 21. Следует сказать, что эта область обновляется при приостановке процесса моделировании, при включённой опции обновления на каждом такте, а также в конце моделирования.

Рис.21. Результаты моделирования

В области результатов моделирования отображается общая вероятность возникновения коллизии, количество случаев коллизий первого типа (C1), количество случаев коллизий второго типа (C2), общее число произведённых тактов моделирования (AT), а также две таблицы, соответствующие индивидуальным счётчикам коллизий, но уже в вероятностном виде. При сохранении результатов моделирования индивидуальные счётчики коллизий записываются и в количественном виде.

Заключение. В программном приложении поддерживается возможность задания параметров системы по очень ограниченному набору данных, что делает работу универсальной и работоспособной в тех случаях, когда нет возможности или времени провести оценку параметров всех элементов системы, а только применимы выражения: «канал сильно загружен» или «сообщения относительно короткие».

Разработанное программное приложение отвечает всем стандартам современного программного обеспечения, а именно графический интерфейс, контекстная помощь и управление при помощи практически одной «мыши». Все элементы управления, встречающиеся в приложении снабжены всплывающими подсказками, во всех местах, где это возможно, происходит контроль вводимых данных.

С помощью программного приложения можно рассматривать конкретную обстановку в канале связи, выбирать алгоритмы, производить исследования и выносить окончательное мнение об оптимальной структуре и параметрах сети. Это обстоятельство делает работу практически полезной, а актуальность проблемы подчёркивается тем, что использование протокола Ethernet продлится ещё как минимум 5-7 лет. Дальнейшие исследования в этой области будут продолжаться и усовершенствоваться.


Библиографический список
  1.  Заргарян Е.В., Заргарян Ю.А., Коринец А.Д., Малышенко И.М. Разработка математической модели для построения имитационной модели системы передачи информации // Современная техника и технологии. 2015. № 4 [Электронный ресурс]. URL: http://technology.snauka.ru/2015/04/6155
  2. Заргарян Е.В., Заргарян Ю.А., Коринец А.Д., Мищенко А.С. Разработка имитационной модели системы передачи информации с 1-постоянным алгоритмом случайного доступа // Современные научные исследования и инновации. 2015. № 4 [Электронный ресурс]. URL: http://web.snauka.ru/issues/2015/04/48729
  3. Заргарян Е.В., Заргарян Ю.А., Коринец А.Д., Мищенко А.С. Разработка имитационной модели системы передачи информации с непостоянным алгоритмом доступа к каналу связи // Современные научные исследования и инновации. 2015. № 3 [Электронный ресурс]. URL: http://web.snauka.ru/issues/2015/03/46697
  4. Заргарян Е.В., Заргарян Ю.А., Коринец А.Д., Малышенко И.М. Имитационная модель для изучения коллизий в канале связи с р-постоянным алгоритмом случайного доступа // Современные научные исследования и инновации. 2015. № 9 [Электронный ресурс]. URL: http://web.snauka.ru/issues/2015/09/57517


Все статьи автора «Заргарян Елена Валерьевна»


© Если вы обнаружили нарушение авторских или смежных прав, пожалуйста, незамедлительно сообщите нам об этом по электронной почте или через форму обратной связи.

Связь с автором (комментарии/рецензии к статье)

Оставить комментарий

Вы должны авторизоваться, чтобы оставить комментарий.

Если Вы еще не зарегистрированы на сайте, то Вам необходимо зарегистрироваться: