Исследование канальных протоколов с обратной связью (стр. 3 из 6)
Если имеется возможность наблюдать процесс передачи данных достаточно длительное время, численное значение U можно найти экспериментально:
, (1)где Tпередачи – суммарное время, в течение которого станция‑отправитель передает в канал кадры данных.
Tобщее – общее время, затраченное на передачу, включает Tпередачи плюс время, затраченное на обработку, ожидание, повторные передачи кадров и прочие накладные расходы.
4.1 Эффективность протокола ARQ-SAW
Проследим влияние на эффективность различных параметров.
Протокольный цикл в данном случае включает (см. рис. 1)
Tпц=2Tз+Tпк+TпACK+Tок+TоACK (2)
Здесь:
Tпк – время передачи кадра данных в прямой канал (пропорционально длине кадра и тактовому интервалу);
TпACK – время передачи извещения ACK или NAK (пропорционально длине извещения и тактовому интервалу в обратном канале);
Tз – задержка из-за конечного времени распространения сигнала в физической среде (считается, что она одинакова в прямом и обратном каналах);
Tок – интервал «обработки» кадра декодером прямого канала;
TоACK – интервал обработки извещения декодером обратного канала.
Из формулы и рис. 1 видно, что накладные расходы времени в пределах одного протокольного цикла могут быть весьма различными в зависимости от «игры параметров» в тех или иных конкретных условиях. Например, если с малой скоростью передаются длинные кадры данных, возможно, что исследователь сочтет возможным пренебречь величинами TпACK, Tок и TоACK. Приняв это допущение и временно предположив отсутствие ошибок в кадрах (никакой кадр не передается дважды), получим эффективность
. (3)Если снять допущение о безошибочных кадрах (пусть вероятность ошибки в кадре равна Pк), то каждый кадр будет передаваться в среднем не 1 раз, а Nп раз (из-за повторных передач), причем
Nп=
. (4)Поэтому эффективность снизится в Nп раз:
, (5)Одним из факторов, влияющим в данном случае на величину U является интенсивность ошибок в опознавании бит на физическом уровне. С увеличением вероятности происхождения ошибки снижается эффективность протокола, т. к. происходит больше повторных передач.
Из приведенных формул видно, что эффективность U зависит также от отношения (Tз)/Tпк. Если (Tз)/Tпк<<1 (задержка невелика по сравнению с длиной кадра, выраженной в единицах времени), то эффективность скорее всего будет близка к единице.
Вышесказанное относится к простейшему протоколу с автоматическим запросом на повторение.
4.2 Эффективность протоколов ARQ-GBn
Более сложны рассуждения для протокола с возвратом на n шагов назад. Его эффективность будет зависеть еще и от параметра n.
Допустим, ошибок в кадрах не происходит. Пусть также окно достаточно широкое, а время задержки достаточно мало:
2Tз<nTпк (6)
Допустим, что первое ответное подтверждение успеет прийти до того, как будет передан последний n-й кадр окна. Окно будет непрерывно скользить, а передатчик ни разу не возвратится назад для повторной передачи, т. к. все кадры будут своевременно подтверждены. В этом случае, если пренебречь временем обработки кадров на сторонах канала, эффективность равна 100%.
Если по каким-либо причинам неравенство (6) не выполняется (окно мало, либо слишком велика задержка распространения, либо передается слишком много бит в единицу времени), то даже при отсутствии ошибок в кадрах придется производить повторную передачу вследствие того, что подтверждения опаздывают.
Наличие ошибок в кадрах прямого направления вызывает возвращение назад и повторную передачу до n добавочных кадров для каждого ошибочного кадра. Например, даже при выполнении неравенства (6) эффективность уже не будет 100%-ной. Если всего надо передать N кадров, а среди них искажаются в среднем NPк кадров, то
. (7)Как было отмечено выше, источником неэффективности протокола с возвратом на n шагов назад также могут быть наличие ошибок в обратном канале и длинные кадры обратного направления. Иногда потери эффективности из-за этих причин могут быть уменьшены путем выбора большей ширины окна n.
4.3 Эффективность протокола ARQ-SR
Как говорилось ранее, протокол с выборочным повтором отличается от протокола с возвратом на n шагов назад стратегией обработки ошибок в кадрах. Поэтому при отсутствии ошибок его эффективность зависит от тех же факторов.
Более действенно работает протокол с выборочным повтором при наличии ошибок, т. к. в этом случае повторно передаются только искаженные пакеты. Теоретически, при выборочном повторе может быть достигнута предельно возможная эффективность в условиях присутствия ошибок, равная U = 1‑Pк.
4.4 Эффективность протоколов ИОС
Рассмотрим кратко вопрос об эффективности протоколов с информационной обратной связью. Напомним, что при протоколе с ретрансляцией всего пакета каждый пакет вынужден передаваться не менее, чем дважды: один раз по прямому каналу и один раз по обратному. Поэтому его эффективность, как правило, меньше 50%. Для протокола с ретрансляцией CRC значение U будет определяться используемым циклическим кодом.[13] Вообще говоря, эффективность протоколов с ИОС будет тоже определяться стратегией работы передатчика: останавливается тот или нет после посылки первого кадра, ожидая эхо-сигнала, который здесь выступает как аналог подтверждения. Характер зависимости эффективности от этих факторов аналогичен протоколам с РОС.
Приведенные формулы для величины U не отражают всей полноты протокольных нюансов и призваны лишь пояснить понятие эффективности. Более тщательный подход к делу должен учитывать ненулевые времена обработки кадров и извещений, нужно принимать во внимание то, что кадры могут иметь переменную длину, брать в расчет наличие тайм-аутов, а также возможность появления ошибок пачками и др.
Альтернативой использованию формул является моделирование передачи данных под управлением тех или иных протоколов в интересующих нас условиях.
Добавим, что общая оценка того или иного протокола канального уровня не должна ограничиваться лишь оценкой его эффективности. Важное место при этом занимает также вопрос, насколько помехоустойчив метод кодирования / декодирования. Если высокоэффективный в смысле величины U протокол использует для кодирования пакетов код со слабой помехоустойчивостью, то много ошибок не будет замечено и получателю будут переданы недостоверные данные.
Имеет смысл говорить об обеспечении эффективности U при обеспечении помехоустойчивости не менее заданной.
5. Моделирующая программа OSI_2
Лабораторная работа проводится при помощи компьютерной программы, моделирующей работу протоколов канального и только канального уровня. Она имитирует те процессы с обратной связью, которые происходят после того, когда на 2‑й уровень одного устройства сети (станции-отправителя) с вышестоящего уровня поступает пакет данных, предназначенный к передаче на 2‑й уровень другого устройства сети (станции-получателя). Модель «не видит» процессы получения доступа к среде распространения сигналов. Предполагается, что постоянное соединение станций-абонентов уже заранее установлено, что процедуры «разборки» сообщений на пакеты на передающей стороне и «сборки» их в сообщения на приемной не отнимают времени и не создают проблем. Не моделируются вставки и выпадения кадров.
Это все явления, не относящиеся к канальному уровню по классификации OSI‑модели систем.
Имитируются процессы, протекающие на канальном уровне с момента поступления пакета данных от вышестоящего уровня: кадрирование, кодирование и отправление кадров, воздействие ошибок, возникающих на физическом уровне, прием и декодирование с использованием циклического кода с заданным порождающим многочленом.
В качестве единицы модельного времени принят ВТ (BitTime), т.е. один тактовый интервал, в течение которого передается один бит в точке порта пользовательского компьютера (или другого источника данных).
В процессе имитации передачи происходит учет общего времени передачи (множества пакетов), а также сбор статистических данных, которые позволяют оценить и сравнить эффективность различных протоколов канального уровня в зависимости от тех или иных характеристик канала, пакета, характера и интенсивности ошибок, определенных исследователем.
5.1 Функциональные модули модели
В каталоге программы OSI_2 находится исполняемый файл osi_2.exe и два подкаталога:
· IN
· RESULTS
В каталоге IN хранятся файлы с входными данными для работы программы, имеющие расширение *.in. В каталоге RESULTS – текстовые файлы с результатами моделирования программы, имеющие расширение *.txt.
Для работы программы требуется компьютер IBM PC c ОС Windows’9X, Windows NT 4.0, Windows 2000 или ХР.
5.2 Функциональная схема пользовательского интерфейса
Функциональная схема интерфейса с пользователем приведена на рис. 2.