Требования к ДО заявок в распределенных ВС реального времени

Альтернативные способы обслуживания заявок в распределенных ВС составляют ДО с относительными приоритетами (ДООП) и обслуживание заявок по расписаниям (ДОР), частным случаем последнего является опрос очередей заявок в циклическом порядке - бесприоритетное расписание.

К достоинствам первого подхода можно отнести защиту от перегрузок высокоприоритетных заявок [1], за счет «отключения» от ресурса низкоприоритетных заявок при высокой загрузке системы, к недостаткам - невозможность использования в реальном масштабе времени, т. к. для всех заявок, кроме наиболее приоритетной, в общем случае не выполняются условия (1.1). Другими словами, ДООП не может корректно быть использована в системах реального времени.

Обслуживание по расписанию представляет собою единственно возможный подход к реализации ДО реального времени, т.к., чтобы передать абоненту право на занятие ресурса, его следует внести в расписание передачи прав, а в этом случае ему всегда гарантируется некоторое ограничение , задаваемое местом абонента в очереди.

Обслуживанию по расписанию присущи следующие недостатки:

- невозможность защиты от перегрузок высокоприоритетных заявок реального времени. Эта проблема возникает при необходимости обслуживания в одной системе как важных заявок реального времени, так и некоторых заявок оперативной обработки, обслуживание которых несет в системе некоторый второстепенный характер. Внесение этих заявок в расписание также предполагает их обслуживание в реальном времени, соответственно при снижении тем самым эффективности обслуживания высокоприоритетных заявок реального времени;

- большие временные затраты на опрос очередей, с целью выявления активности заявок в очереди. Это обусловливается тем, что право абоненту занять ресурс предоставляется вне зависимости от его готовности к этому, а в соответствии с заданной очередностью;

- невозможность учета приоритета заявки и абонента системы, т.к. по расписанию права передаются между абонентами системы в предположении, что их приоритет однозначно соответствует приоритету заявки. Если в абонент поступает несколько типов заявок, образующих несколько очередей, актуальной становится задача учета приоритета уже очереди заявок абонента. Проиллюстрируем, в какой мере снижает эффективность обслуживания заявок опрос очередей по расписанию. В качестве исследуемого метода децентрализованного управления множественным доступом рассмотрим маркерный метод (метод эстафетной смены задатчика) и регламентируемое для него стандартами miniMAP и IEEE 802.4 [8,11] расписание обслуживания в циклическом порядке. Оценку эффективности метода проведем по параметру - информативность смеси в канале межмодульного обмена [9] (характеристика коэффициента пропускной способности канала связи )

где - частота посылок i-го типа в общем потоке сообщений, S - общее число типов посылок , - число информационных бит в посылке i-го типа, - общее число бит в посылке i-го типа. Влияние на эффективность межмашинного взаимодействия передачи полномочий между абонентами системы на занятие ими общего ресурса по расписанию проиллюстрируем на изменении параметра , позволяющего оценить информативность смеси при одном - информационном кадре в системе и соответственно при двух кадрах - информационный кадр и маркер . При этом будем говорить, что в системе одновременно может быть m из M абонентов активизированных на информационное взаимодействие. В этом случае маркер в среднем будет выдан в канал

раз для предоставления абоненту права занять ресурс, в то время, как информационный кадр в этом случае будет передан единожды, где

.

Корректность использования приведенных моделей в рассматриваемых приложениях - ЛВС, обусловливается тем, что можно пренебречь величиной временных потерь, связанных с продолжительностью распространения сигнала по каналу связи между наиболее удаленными абонентами. В этом случае коэффициент пропускной способности канала в полной мере определяется информативностью смеси в канале связи.

Зависимости для случая представлены на рис. 2.1 и для случая - на рис. 2.2. В обоих случаях представлены характеристики для информационных кадров для ЛВС реального времени, регламентируемых стандартами IEEE 802.4 и miniMAP. Длина информационного кадра ( в байтах) для IEEE 802.4 определяется следующим образом [7, 10] , где , если , , если (используются заполняющие байты в поле данных). Для miniMAP, ориентированного на применение в управляющих системах, структура кадра более экономична, в частности, отсутствуют заполняющие байты в поле данных, не требуется передачи 8 байт преамбулы для синхронизации приемников (задана только одна скорость передачи по каналу связи), сокращено адресное пространство кадра. На рис. 2.2 кроме того, приведена оценка информативности кадра, применяемого в рамках сетевой технологии асинхронной передачи данных с интеграцией служб ATM [3], где длины информационных кадров фиксированы и составляют (байтов) при (байта), т.е. кадр содержит всего 5 байтов управляющей информации ( ).

Рис. 2.1

Рис. 2.2

Из рис. 2.1 и 2.2 можно сделать следующие выводы.

1. Современными ЛВС реального времени, в основу построения которых положена реализация рекомендации HDLC на уровне звена передачи данных, крайне неэффективно используется связной ресурс при передаче коротких сообщений, что делает неэффективным их применение в УЛВС (кстати говоря, и стандарт miniMAP не отличается высокой эффективностью использования связного ресурса). Здесь отметим, что альтернативным к HDLC можно считать подход, как раз и разработанный для задач управления, регламентируемый стандартами MIL-STD-1553A/B, где передача данных ориентирована не на передачу байтов, а на передачу слов [7,9], где каждое слово содержит признак команда/данные, код команды, что позволяет идентифицировать принятое слово без учета порядка его поступления в пакете.

2. Для ИЛВС реального времени, где требуется в реальном масштабе времени обмениваться большими массивами информации, обеспечивая открытость системы, ЛВС IEEE 802.4 и miniMAP, как следует из рис. 2.2, могли бы быть эффективны. Однако реальный масштаб времени можно обеспечить в системе, если оградить связной ресурс от продолжительного занятия парой абонентов ( в противном случае не обеспечить обслуживание в реальном времени заявок от других абонентов). Это приводит к необходимости уменьшения длины информационного пакета для таких приложений ЛВС. В частности, современная концепция ATM задает фиксированную длину пакета (ячейки) 53 байта, что уже требует реализации и альтернативных подходов к построению информационных кадров, в частности кадр ATM содержит лишь 5 управляющих байтов, включая адресное пространство. Рис. 2.2 иллюстрирует преимущество ATM по данному параметру над другими асинхронными сетевыми технологиями, в

основе звена передачи данных которых находится HDLC, что обеспечивает эффективность данного стандарта для ЛВССРВ и ЛВСИС.

Зависимости - информативности смеси, учитывающей потери пропускной способности канала, связанные с передачей маркера для опроса очередей по расписанию (в рассматриваемом случае - бесприоритетному) для ЛВС IEEE 802.4 и для сетевой технологии ATM представлены соответственно на рис. 2.3 и 2.4. Для ЛВС IEEE 802.4 учитываем стандартную длину маркера 17 байтов [8], для ATM исследуем некоторую гипотетическую модель - принимаем минимально возможную длину, определяемую длиной адреса абонента [ ], т.е. в предположении, что , составляющую 1 байт. Из приведенных рисунков видим, что даже при гипотетически идеальных параметрах системы передача маркера, необходимая для реализации передачи прав по расписанию, существенно сказывается на эффективности межмодульных взаимодействий, что подтверждает низкую эффективность ДОР для ЛВСРВ.

Рис. 2.3

Рис. 2.4

С учетом сказанного очевидно, что в общем случае (если приоритет абоненту назначается не в соответствии с интенсивностью потока требований ресурса заявками абонента) при реализации приоритетных расписаний потери на передачу прав станут еще существенней. Это объясняет использование сегодня лишь одного способа учета приоритета в рамках маркерного метода, реализующих расписания - по параметру при бесприоритетном обслуживании по остальным двум параметрам [11]. Однако, для масштаба реального времени использование данного подхода крайне ограничено, т.к. в этом случае «теряется» преимущество параллельной обработки - несколько приоритетных абонентов могут монопольно использовать ресурс в течение довольно продолжительного времени. Поэтому на практике методы, реализующие опрос абонентов по расписанию (маркерный), реализуют ДО в циклическом порядке.

Таким образом, к приоритетной ДО реального времени, реализуемой в распределенной ВС, в общем случае выдвигаются следующие требования: - реализация ДО со смешанными режимами обслуживания для различных классов заявок - ОР для заявок реального времени, ОП для остальных заявок;

- эффективная реализация расписаний реального времени, которая позволит получать эффективные приоритетные расписания;

- возможность учета приоритета абонента и приоритета заявки при управлении множественным доступом к общим ресурсам, причем один абонент может иметь несколько очередей заявок различных классов (приоритетов).

Основу реализации обслуживания по приоритетным расписаниям в ЛВС сегодня составляет построение SPT- расписаний (короткая работа здесь обслуживания заявки общим ресурсом вперед).

Под длиной работы здесь понимаются суммарные затраты и .

При сопоставимости для различных абонентов длина работы определяется параметром , причем тем меньше, чем меньше . Параметр можно уменьшить за счет передачи прав занять ресурс чаще тому абоненту, который чаще требует ресурс, т.е. за счет предоставления преимущественных прав (приоритета) абоненту, характеризуемому постоянной интенсивностью занятия ресурса . Например, . Реализуем следующее расписание - прием расписания представим в скобках(1,2,1,3,1,.....1,М-1,1,М). Если затраты времени на передачу прав (например, маркера) между двумя абонентами, то имеем

или при сопоставимости и

При условии

Заметим, что, если для данной задачи не будут введены приоритеты, получим

соответственно при сопоставимости и имеем

т.е. появляется возможность существенного повышения пропускной способности канала связи за счет реализации приоритетного обслуживания.

Однако, на практике данная возможность практически не используется, что вызвано следующим. При построении информационных систем (в том числе и на средствах передачи информации ЛВС) приоритетность обслуживания определяется не интенсивностью поступления заявок на обслуживание, а важностью обрабатываемой информации. Если же обратиться к стахостической мере количества информации I [ . . . ], для которой характерно уменьшение обратно пропорционально вероятности ее появления Р (на практике используется логарифмическая мера) можем сделать вывод, что более высокий приоритет следует назначать абонентам, обрабатывающим более важную информацию, реже поступающую систему, что противоречит изложенному выше подходу к назначению приоритетов абонентам ЛВС. Это объясняет то, что данный подход (реализация SPT-расписаний в ЛВС), несмотря на внешнюю привлекательность, на практике не используется.

Очевидно, что условием эффективного приоритетного обслуживания заявок по расписанию в ЛВС будет независимость затрат от интенсивности поступления заявок в систему, что формализовано можно представить следующим образом: .При этом (в случае ) все работы имеют равную длину

что обуславливает эффективность обслуживания в первую очередь (с приоритетом) наиболее важной заявки.