Общие принципы построения. Структура системы

Классификация ЛВС. Основные понятия

В соответствии с общей классификацией ВС [2], рассматривая ЛВС как вычислительную сеть, представляющую собою совокупность ВС, объединенных при помощи средств связи, включающих каналы связи и устройства сопряжения ВС с каналами связи, расположенную на небольшой территории, и использующую ориентированные на эту территорию средства и методы передачи данных; получаем классификацию ЛВС, представленную на рис. 1.1. Все многообразие ЛВС можно разделить на две большие группы - проблемно ориентированные (ЛВСПО) и оперативной обработки (ЛВСОН), в основу такого деления положено наличие (отсутствие) распараллеливания решаемой ЛВС задачи. Под ЛВСПО будем понимать ЛВС, ориентированные на решение ими в процессе всего времени работы ограниченного числа задач, связанных между собою по данным или требующих взаимодействий при их параллельной обработке, что позволяет синтезировать алгоритм функционирования ВС при проектировании ЛВС. Под ЛВСОН будем понимать ЛВС, круг решаемых задач которых не может быть ограничен, либо решаемые ЛВС задачи независимы, т. е. не связаны между собою по данным, что не позволяет синтезировать алгоритм функционирования ВС при проектировании ЛВС.

По виду заявки на обслуживание, под которой здесь будем понимать причину инициирования передачи данных по каналу связи ЛВС, будем делить ЛВС на ЛВС реального времени (ЛВСРВ) и ЛВС оперативной обработки (ЛВСОО). Под ЛВСРВ будем понимать ЛВС, функционирующие в реальном масштабе времени, характеризуемом нарушением законов функционирования системы или потерей заявок на обслуживание при превышении предельных ограничений на время реакции системы на входное воздействие. Под временем реакции системы понимается задержка во времени между моментом поступления в систему данных и моментом окончания их обработки системой. Под ЛВСОО будем понимать ЛВС, функционирование которых характеризуется снижением качества обслуживания без нарушения законов функционирования системы или отсутствием потерь заявок на обслуживание при превышении предельных ограничений на время реакции системы на входное воздействие. ЛВС, сочетающие в себе принципы обслуживания в реальном времени и оперативной обработки будем называть ЛВС комбинированного обслуживания (ЛВСКО).

Рис. 1.1

По виду решаемых ЛВСПО задач (назначение), будем их делить на управляющие и информационные ЛВС. Под управляющими ЛВС (УЛВС) будем понимать ЛВС, работающие совместно с объектом управления, непрерывно функционирующим во времени. Соответственно, по наличию (отсутствию) оператора, принимающего решение в контуре управления, УЛВС могут функционировать в составе АСУ или САУ. Под информационной ЛВС (ИЛВС) будем понимать ЛВС, предназначенную для сбора, обработки, передачи, хранения и отображения информации, представленной базами и банками данных.

ЛВСОН будем подразделять по виду реализуемых ими служб связи. Под службой связи понимается предоставляемые ЛВС услуги, связанные с обработкой и передачей конкретных видов информации, представляемой в

канале связи соответствующими физическими сигналами. Примерами служб связи реального масштаба времени, под которыми понимаются службы, характеризуемые реальным масштабом времени поступления и передачи по сети связи сигналов, при невозможности их промежуточной буферизации без искажения (потери) информации, является телефонная связь (служба передачи речи), передача подвижных изображений, радиосигналов и т.д. Примерами служб связи оперативной обработки, отличающихся возможностью промежуточного хранения передаваемой информации с целью эффективного использования каналов связи ЛВС, являются службы передачи данных, текстов, неподвижных изображений и т. д. С учетом сказанного, ЛВСОН будем делить на ЛВС, реализующие службы связи реального масштаба времени (ЛВССРВ) и службы связи оперативной обработки (ЛВССОО). ЛВСКО в данных приложения называются ЛВС с интеграцией служб (ЛВСИС), сочетающие службы связи реального масштаба времени и оперативной обработки.

Т.к. под ЛВС понимается распределенная ВС, «узким местом» которой, ограничивающим производительность ВС в целом, является общий ресурс, в первую очередь, связной, задача синтеза ЛВС, по существу, сводится к задаче эффективной реализации доступа абонентов системы к общим ресурсам. При этом важнейшей проблемой проектирования ЛВС является синтез дисциплины обслуживания (в данных приложениях ВС - ЛВС, диспетчеризация заявок на обслуживание сводится к выбору заявок из очередей) - правила (алгоритма), на основе которого заявки выбираются из очередей при их множественном доступе к коллективно используемым ресурсам, прежде всего к общему связному ресурсу - каналу связи ЛВС. Множественный доступ - процедура получения доступа к коллективно используемому ресурсу. Под управлением множественным доступом (арбитражом заявок на обслуживание) понимается бесконфликтный, реализуемый либо с предотвращением возможного конфликта, либо с его разрешением, доступ абонентов к коллективно используемому ресурсу в соответствии с реализуемой в ЛВС дисциплиной обслуживания требований ресурса. Конфликт (столкновение) ситуация, при которой через один канал связи передают данные одновременно несколько абонентов, приводящая к искажению информации в канале связи. Децентрализованное управление множественным доступом характеризуется тем, что задача арбитража (решаемая в рассматриваемых приложениях аппаратурно) в равной мере (симметрично) распределена между абонентами системы. Децентрализованное управление множественным доступом реализуется за счет передачи между абонентами полномочий (прав) - разрешающих сигналов, позволяющих абонентам доступ к коллективно используемым ресурсам.

Основное внимание в монографии уделяется исследованию принципов диспетчеризации заявок на обслуживание в ЛВС реального

времени, т.е., следуя введенной классификации ЛВС, применяемых для различных приложений ЛВСРВ и ЛВСКО.

Общие принципы построения. Структура системы

В основе реализации современных распределенных ВС находятся следующие общие принципы построения:

- параллельность обработки, позволяющая создавать мощные коллективы вычислителей при различных принципах распараллеливания задач;

- модульность, обусловливающая высокую надежность и живучесть ВС, простоту резервирования блоков и наращивания вычислительной мощности;

- распределенность (или децентрализованность) управления общими ресурсами, обеспечивающая высокую надежность систем параллельной обработки данных;

- решение задачи управления распределением прав между абонентами на доступ к «узкому месту» ВС - общему ресурсу, аппаратурными средствами, что обеспечивает высокую эффективность его использования в системе.

Структура распределенной системы с общими ресурсами, в основе построения которой лежат перечисленные принципы, представлена на рис. 1.2 - в качестве связного ресурса рассмотрим применение последовательного канала связи магистральной топологии – «общая шина».

Под шинной (магистральной) ЛВС понимается ЛВС, в которой всегда имеется лишь один маршрут между любыми двумя абонентами, и данные, выдаваемые в канал любым абонентом ЛВС, доступны всем абонентам, включая и источник информации.

Подобная структура отличается следующим:

- в системе отсутствуют какие-либо узлы коммутации, что обеспечивает «многоточечное» подключение абонентов к каналу связи [7] и, как следствие, максимальную надежность и модульность построения, а за счет одновременной обработки абонентами информации, поступающей из канала, и максимальную эффективность межмодульных взаимодействий;

- по этой же причине в системе наиболее сложно решается задача управления доступом абонентов к общим ресурсам - задача управления доступом к ресурсам здесь формулируется и решается в общем виде.

С учетом сказанного, на сегодняшний день это наиболее перспективная структура распределенных ВС, используемая, как правило, в системах реального времени, а нас интересующая наиболее общей постановкой исследуемой задачи управления множественным доступом к общим ресурсам. Поэтому приведенная структура ВС и будет нами

рассматриваться далее (отметим, что позволяя решить исследуемую задачу в общем случае - при магистральном канале связи, излагаемые методы при незначительных модификациях могут применяться и для частных, с точки зрения управления доступом к ресурсам, приложений, например при кольцевой топологии ЛВС).

Замечание. На рис. 1.2 кроме связного приведены другие ресурсы ВС, которые присоединяются к каналу связи также по правилу многоточечного подключения. Поэтому взаимодействие абонента с любым ресурсом осуществляется по единому каналу связи, следовательно задача управления доступом к ресурсам системы здесь опять же сводится к задаче управления доступом к связному ресурсу.

Задача диспетчеризации здесь решается арбитром, под которым понимается устройство, реализующее в ЛВС децентрализованное управление множественным доступом абонентов к общим ресурсам в соответствии с требуемой дисциплиной обслуживания.