1. Тема 1. Расчет времени обмена данными в системах реального времени, построенных на основе сетевых технологий

   1. Основные теоретические положения

Системы реального времени могут быть реализованы на основе систем телеобработки данных, при их построении могут быть использованы сетевые технологии. В таких случаях нужно уметь оценивать время передачи данных по каналам связи между территориально распределенными устройствами системы.

Территориально распределенные устройства систем передачи информации принято называть станциями. Процедуры обмена данными между станциями, реализующие те или иные методы доступа к передающей среде, называются протоколом передачи данных.

Все протоколы передачи данных делятся на два класса: протоколы передачи данных типа «главный/подчиненный» («первичный/вторичный», «master/slave») и равноранговые протоколы.

Протоколы передачи данных типа «первичный/вторичный» могут быть реализованы на основе нескольких технологий, образующих две группы: с опросом и без опроса.

Суть технологии с опросом заключается в том, что первичная станция в определенной последовательности предлагает вторичным станциям передавать или принимать данные. В ответ на запрос передачи данных вторичная станция, имея подготовленные данные, осуществляет их передачу. Если подготовленных к передаче данных нет, выдается короткий пакет типа «данных нет». В ответ на запрос приема данных вторичная станция, если она готова к приему, отвечает коротким пакетом типа «к приему данных готова», в противном случае – пакетом типа «к приему данных не готова».

Наиболее распространен алгоритм циклического опроса.

Для сокращения потерь времени, связанных с опросом неактивных станций, применяются специальные варианты процедуры опроса: наиболее активные станции опрашиваются несколько раз в течение цикла, наименее активные – один раз в течение нескольких циклов. Частота может меняться.

Одной из простейших модификаций протокола передачи данных типа «первичный/вторичный» с опросом является протокол «опрос с остановкой и ожиданием». В системах с таким протоколом станция после передачи кадра ожидает от адресата подтверждения в правильности его пересылки, что сопряжено с дополнительными затратами времени.

Если работа звена данных подчинена жесткому расписанию, т.е. на каждый запрос главной станции подчиненная станция отвечает передачей кадра фиксированного формата, то расчет времени передачи данных между станциями звена данных заключается в простом суммировании соответствующих временных интервалов.

Если в ответ на запрос передачи подчиненная станция может ответить либо кадром с данными, либо кадром типа «данных нет» или если подчиненная станция передает данные, результаты обработки которых будут ей переданы в заранее не определенное время, то для расчета временных характеристик обмена целесообразно использовать аппарат теории массового обслуживания.

Пусть центр обработки данных (ЦОД – главная станция) собирает измерительную информацию о состоянии объекта управления, посылая в определенном порядке удаленным устройствам ввода/вывода (УВВ – подчиненным станциям) кадры опроса, представляющие собой для подчиненной станции требованием (или разрешением) передачи измерительных данных. Если данные обновлены, УВВ в ответ на опрос формирует и передает кадр с данными, в противном случае – кадр «данных нет». Принятые данные обрабатываются в ЦОД и результаты обработки (управляющая информация) передаются соответствующему УВВ. Для передачи данных от ЦОД к УВВ главная станция передает подчиненной станции кадр выбора, предлагая ей тем самым принимать данные. Подчиненная станция может ответить кадром «готова к приему» или «не готова к приему», В первом случае главная станция передает подчиненной кадр с данными управления, во втором случае – предпримет новую попытку передачи управляющей информации этой подчиненной станции через некоторое время.

.

В общем случае время ожидания передачи данных подчиненной станцией, в которой возникла необходимость передачи данных, складывается из времени завершения текущей передачи по каналу связи, времени, затрачиваемого на опрос стоящих перед данной станцией в списке опроса других подчиненных станций и на выбор других подчиненных станций для передачи им данных, и времени передачи данных. Время Т_пер.вх. состоит из времени передачи кадра опроса (Т_опр.) и времени передачи кадра с входными данными:

.

Время, затрачиваемое на доставку выходных данных к подчиненной станции, состоит из времени ожидания передачи (Т_ож.вых.) и времени передачи данных (Т_{пер.вых.}):

.

Время Т_{пер.вых.} складывается из времени передачи кадра выбора (Т_выб.), времени передачи ответа о готовности к приему данных (Т_отв.) и времени передачи кадра с выходными данными (Т_{вых.дан.}):

.

Работу протокола передачи данных в режиме подчинения можно организовать следующим образом. Сначала организуется цикл опроса всех подчиненных станций. В этом цикле собираются измерительные данные от удаленных УВВ. Собранные данные подвергаются обработке по определенным программам, причем длительность обработки зависит от полученных данных. После опроса всех станций просматривается очередь готовых ответов (результатов обработки), которые в порядке очередности передаются соответствующим УВВ. Когда очередь готовых к передаче ответов пуста, начинается новый цикл опроса. Представление такой модели можно получить из следующей модели:

На рис.1.1 приняты следующие обозначения: _вх. – интенсивность входного потока заявок, _вых. – интенсивность выходного потока заявок, - среднее время ожидания в очереди на обслуживание, - среднее время обслуживания.

В общем случае

, , ,

где и – интенсивности входного и выходного потока заявок для i-ого УВВ, N – число подключенных к каналу УВВ,  - суммарная интенсивность потока заявок к каналу связи. Обычно _вх._вых., так как не на каждый ввод измерительной информации от УВВ можно ожидать поступления управляющей информации.

Среднее время обслуживания вычисляется путем усреднения времени передачи с учетом интенсивности соответствующего потока. В общем случае

, (1)

где и - соответственно время передачи входных и выходных данных для i-ого удаленного УВВ.

Формула для расчета упрощается, если параметры и одинаковы для всех УВВ

Д ругой вариант организации работы протокола передачи данных в режиме подчинения заключается в следующем. После опроса каждой подчиненной станции главная станция просматривает очередь подготовленных к передаче выходных сообщений и, если таковые имеются, осуществляется их передача до полного опустошения очереди. Таким образом, передача выходных сообщений имеет приоритет перед входными сообщениями. Модель такого протокола передачи данных с позиций теории массового обслуживания представлена на рис.1.2 (модель 2).

Загрузка канала передачи данных входным (_вх.) и выходным (_вых.) потоками данных соответственно равна:

, .

Полная загрузка канала .

Если времена и являются случайными величинами с экспоненциальным законом распределения, то среднее время ожидания передачи выходным сообщением равно

,

среднее время ожидания передачи входным сообщением:

.

Если времена передачи и являются постоянными величинами, усредненное значение которых дает время обслуживания T_s, то среднее время ожидания передачи выходными сообщениями равно

,

среднее время ожидания передачи входными сообщениями:

.

Среднее время доставки выходного и входного сообщения соответственно равно:

,

.

Следующий вариант организации работы протокола передачи данных в режиме подчинения заключается в следующем. Главная станция, опросив подчиненную и получив от нее данные для обработки, приступает к выполнению программы обработки и на время обработки (Т_обр.) не разрывает установленное соединение. Как только результаты обработки готовы, они (т.е. выходное сообщение) сразу же передаются подчиненной станции. Таким образом, исключается процедура выбора подчиненной станции для передачи ей управляющих данных. Модель такого протокола передачи данных с позиций теории массового обслуживания представлена на рис. 1.1

.

Загрузка канала передачи данных в этом случае определяется как , среднее время ожидания передачи входным сообщением в случае экспоненциального закона распределения длительностей , и Т_обр.

,

в случае постоянных величин , и Т_обр.

.

Полное время реакции на запрос, т.е. длительность интервала времени от момента поступления сигнала опроса до момента получения данных (результатов обработки) составит:

.

Мультиплексная передача с временным разделением – наиболее простая равноранговая неприоритетная система, где реализуются методы доступа к передающей среде, основанные на резервировании времени. Здесь используется жесткое расписание работы абонентов: каждой станции выделяется временной интервал (слот) использования канала связи, и все интервалы распределяются поровну между станциями.

К числу равноранговых протоколов относится метод передачи маркера, который широко используется в неприоритетных и приоритетных сетях с магистральной, звездообразной и кольцевой топологией. Он относится к селективным методам: право на передачу данных станции получают в определенном порядке, задаваемым с помощью маркера, представляющего собой уникальную последовательность бит. Магистральные сети, использующие этот метод, называются сетями типа «маркерная шина», а кольцевые сети – сетями типа «маркерное кольцо». В протоколе типа «маркерное кольцо» маркер снабжается полем занятости, в котором записывается один из кодов, обозначающих состояние маркера – свободен или занят. Если ни один из узлов сети не имеет данных для передачи, свободный маркер циркулирует по кольцу. В каждом узле маркер задерживается на время, необходимое для его приема, анализа (с целью установления занятости) и ретрансляции. Свободный маркер означает, что кольцевой канал свободен и что любая станция, имеющая данные для передачи, может его использовать. Получив свободный маркер, станция, готовая к передаче кадра с данными, меняет состояние маркера на «занятый», передает его дальше по кольцу и добавляет к нему кадр. Занятый маркер вместе с кадром совершает полный оборот по кольцу и возвращается к станции-отправителю. По пути станция-получатель, удостоверившись по адресной части кадра, что именно ей он адресован, снимает копию с кадра. Изменить состояние маркера на «свободное» может тот узел, который изменил его на «занятое». По возвращении «занятого» маркера с кадром данных к станции-отправителю кадр удаляется из кольца, а состояние маркера меняется на «свободное», после чего любой узел может захватить маркер.