ПОВЫШЕНИЕ СКОРОСТИ И ДОСТОВЕРНОСТИ ПЕРЕДАЧИ ИНФОРМАЦИИ В РАСПРЕДЕЛЕННЫХ АВТОМАТИЗИРОВАННЫХ СИСТЕМАХ, ИСПОЛЬЗУЮЩИХ КАНАЛЫ ПОНИЖЕННОГО КАЧЕСТВА

12.11.2012 /Статьи

В статье обосновывается возможность использования процедур X.25/2 для повышения скорости и достоверности процесса передачи данных по каналам низкого качества в условиях отсутствия каких-либо аппаратных и программных средств его улучшения. Даются общие рекомендации использования этой технологии для повышения качества сбора и анализа данных в распределенных информационных системах государственных и коммерческих структур.

The article justifies the possibility to use the X.25/2 procedures to improve rate and reliability of data communication through low-quality channels under the conditions of a lack of any hardware and software required for the improvement. General recommendations are given for using this technology to improve the quality of data collection and analysis in distributed information systems in governmental and business entities.

Ключевые слова: автоматизированная система управления, достоверность передачи информации, передача данных (ПД), протокол передачи, эффективная скорость ПД.

Key words: automated control system, data communication reliability, data communication (DC).

 

Построение распределенных автоматизированных систем управления (АСУ) связано с решением вопросов организации сбора, хранения, обработки и автоматической передачи различных объемов информации. Достоверность передаваемой информации является одной из важнейших характеристик, определяющих качество информационного обмена, и одним из показателей качества обслуживания. Достоверность передаваемой информации определяется как качеством канала связи, так и методами (протоколами) используемыми для передачи информации.

Для оценки неизвестной вероятности используется, как правило, коэффициент ошибок по единичным элементам (кодовым комбинациям). Однако его применение целесообразно лишь на каналах с распределением ошибок, близким к независимому. Оценка состояния каналов, характеризующихся группированием ошибок элементов (что приводит к взаимосвязи искажений передаваемых блоков информации), характерной для КВ-каналов, при использовании указанного метода становится явно неадекватной и ведет к значительным ошибкам контроля.

С целью учета группирования ошибок в канале связи воспользуемся моделью, предложенной  Пуртовым [1], в которой наряду с вероятностью ошибки на бит P_ош введен коэффициент группирования α.

Сегодня для передачи данных (ПД) широко используется стек протоколов TCP/IP. Практика показывает, что использование протокола TCP/IP без средств повышения достоверности в каналах низкого качества неэффективно [2]. Значительный объем «кванта» информации, – блока TCP/IP - становится ненужной роскошью. А большой объём служебной информации в заголовке увеличивает вероятность её искажения. Итогом является невозможность передачи информации посредством TCP/IP по таким каналам без применения специальных средств.

Наиболее очевидным выходом из данной ситуации, при использовании для ПД стека протоколов TCP/IP, может быть дополнительное использование средств повышения качества канала. Но реализация алгоритмов в такой аппаратуре осуществляется на аппаратном уровне, что делает такие устройства сравнительно дорогими.

Ещё одним способом повышения качества ПД представляется использование протокола, обладающего меньшей избыточностью и возможностью восстановления передаваемого потока.

Одним из известных и хорошо проработанных протоколов ПД является протокол X.25/2. Анализ протоколов, использующих методы восстановления информационного потока (X.25/2 и TCP/IP) показал схожесть их алгоритмов восстановления. И для TCP, и для X.25 можно выделить несколько аналогичных состояний, образованных всевозможными  сочетаниями  состояний  двух  независимых процессов: передающего  («Передача»  (П), «Временная выдержка» (В), «Приостанов»  (Пр))  и приемного («Прием» (Пм), «Блокировка» (Б), «Занято»  (3)) [3].

Состояние П передающего процесса процедуры X.25 характеризуется либо передачей блоков с «новой» информацией от источника, либо повторной передачей «старых» блоков, принятых с ошибками, либо готовностью передачи при отсутствии входного потока. [3] В TCP аналогом выступает подсостояние основного состояния ESTABLISHED, когда TCP ведет обмен данными через соединение [4].

Состояние В передающего процесса процедуры X.25 характеризуется действиями по устранению неопределенности, возникшей в результате неприема команды подтверждения или команды запроса информационного блока в течение некоторого времени (тайм-аут T1). В этом состоянии передача информационных блоков не проводится. Оно возникает в результате воздействия ошибок на блоки в канале связи [3]. Одно из подсостояний основного состояния ESTABLISHED TCP предусматривает аналогичные процедуры по устранению неопределенности и вызывается такими же причинами [4].

Состояние Пр передающего процесса процедуры X.25 и его аналог - подсостояние состояния ESTABLISHED для TCP - характеризуютcя также отсутствием передачи информационных блоков в результате приема блока остановки передачи. Пр возникает в результате дефицита памяти на удаленной станции звена ПД. [3,4]

Состояние Пм приемного процесса характеризуется действиями по обработке и выдаче принятого без ошибок из канала связи блока получателю, либо готовности к такой выдаче при отсутствии входного потока на удаленной станции [3]. Одно из подсостояний ESTABLISHED предусматривает такие действия [4].

Состояние Б приемного процесса протокола X.25 характеризуется действиями по инициации повторения информационных блоков, принятых с ошибками. В состоянии Б выдача получателю других правильно принятых блоков не разрешается. Следует отметить, что факт приема информационного блока с ошибками определяется в результате приема информационного блока с номером, не равным ожидаемому [3]. В случае односторонней передачи, приемный TCP в состоянии ESTABLISHED также посылает служебный блок передающему TCP, инициирующий повторную передачу [4].

Состояние 3 характеризуется также запретом выдачи блока, принятого без ошибок, в результате внутренних ограничений на станции (например, при дефиците памяти) [3]. При дефиците памяти на приемной стороне передающий TCP тоже останавливает передачу и повторяет ее периодически через определенное время. Дефицит памяти на передающей стороне полностью блокирует передачу с помощью TCP/IP [4].

Исходя из идентичности состояний для процедур X.25 и TCP/IP, можно сделать вывод о применимости в отношении последнего выражений для эффективности передачи информации протокола Х.25.

С целью выявления возможностей осуществления ПД на каналах низкого качества с помощью процедур X.25/2 (далее X.25) канального уровня и TCP/IP (далее TCP/IP) сетевого и транспортного уровня модели OSI проведем оценку эффективности процесса ПД.

Для оценки эффективности передачи информации будем использовать понятие относительной эффективной скорости передачи. Под относительной эффективной скоростью передачи понимается отношение средней скорости выдачи информации потребителю (эффективная скорость) к скорости передачи данных в канале [5]. Относительная эффективная скорость определяет отношение количества бит, принятых от источника данных и переданных получателю данных, к общему количеству бит, потребовавшихся для успешной передачи (включая и повторные передачи).

Как протокол TCP/IP, так и X.25 передает информацию в канал блоками (сегментами) разной длины. С целью обнаружения ошибок используются циклические коды, обнаруживающие хотя бы одну ошибку в блоке. Осуществляется повторение блоков с обнаруженными ошибками, тем самым сохраняется достоверность передаваемой информации [4].

Вероятность обнаружения ошибки P_oo в блоке (кадре) длиной V в канале связи с вероятностью ошибки P_ош на бит и коэффициентом группирования α согласно модели Пуртова определяется из выражения.

При повторении искаженных блоков увеличивается задержка передачи или, что то же самое, снижается эффективная скорость.

В [3] выведено следующее выражение для относительной эффективной скорости передачи для процедур синхронного протокола, основанное на математической модели процедур протокола Х.25:

где – вероятность передачи новых кадров в состоянии «Передача» (П) [6];

– вероятностью приема кадра без ошибки в состоянии «Приём» (Пм);

K_o– количество блоков данных, повторяемых по сигналу запроса (не больше размера окна);

K_и– коэффициент избыточности;

В свою очередь, коэффициенты

где λ – интенсивность входного потока пакетов; P_ooк– вероятность искажения супервизорного блока; t_ш – время распространения сигнала по кабелю, в худшем случае около 0,6 сек;

, где T₁ – тайм-аут ожидания ответа; T₂ – тайм-аут допустимого перерыва в процессе передачи данных.

Вероятность обслуживания входящего блока:

где m – количество мест в очереди ожидания обработки блока (СМО типа  M|M|1|m) [8];

 – интенсивность обслуживания; , где С – скорость передачи информации по каналу связи, входящему в состав звена передачи данных.

Коэффициент K_и в выражении для R_к определяет степень снижения эффективности передачи за счет избыточности, формируемой в блоке (служебная информация протокола или заголовок блока). Для процедуры X.25 эта избыточность составляет 64 бита, поэтому .

Для процедуры TCP/IP эта избыточность в среднем будет равна 320 бит – длине заголовка IP плюс заголовок TCP [4, 9]. Кроме того, избыточность передачи увеличивается в среднем на 112 бит при использовании на канальном уровне протоколов PPP или Ethernet. Таким образом, K_и окончательно определяется выражением .

Примем следующие допущения:

1) данный канал связи полностью характеризуется величинами P_oш на бит и α;

2) средняя длина пакета варьируется V=0...10000 бит (от 0 до ≈1500 байт);

3) количество блоков, повторяемых по сигналу запроса для обоих протоколов К_о=7;

4) скорость передачи данных по каналу С=9600 бит/с;

5) минимальный размер буфера как у передатчика, так и у приемника К_з=3;

6) К=Т₁/Т₂=3;

7) максимальный размер заголовка блока для X.25 составляет 64 бита, для TCP/IP – 432 бита;

8) m=1.

Выберем такую интенсивность входного потока пакетов λ, при которой вероятность ожидания передачи блоков при отсутствии потока пакетов Р_о→0. В этом случае в среднем канал связи будет загружен полностью, тогда , где V – средняя длина пакета (блока), бит.

Графики зависимости относительной эффективной скорости от средней длины блока при различной вероятности ошибки в канале связи и коэффициенте группирования приведены            на рис. 1 – 10. На рис. 1 – 10 используются следующие условные обозначения:

Анализ графиков показывает, что зависимость относительной эффективной скорости передачи R_K от длины блока данных V представляет собой куполообразную форму, имеющую выраженный максимум. Качественно такую форму зависимости R_K от V можно пояснить следующим образом. Эффективность передачи определяется двумя основными факторами: наличием в блоке служебной информации и поражением блоков ошибками, приводящим к повторной передаче. В случае первого фактора, чем больше длина блока, тем эффективнее передача, т.к. меньше доля служебной информации в блоке. Для второго фактора – с увеличением длины блока увеличивается вероятность ошибки в нем (и, следовательно, вероятность повторной передачи), что приводит к снижению эффективности передачи. В диапазоне малых длин блока эффективность передачи снижается за счет первого фактора, в диапазоне больших – за счет второго.

Максимум графика определяет некоторую оптимальную длину блока протокола, обеспечивающую наивысшую эффективность и наилучшую достоверность передачи информации в данном канале связи.

Анализ графиков также показывает:

чем ниже качество канала связи, тем меньше максимальная эффективность передачи;

чем ниже качество канала связи, тем меньше оптимальная длина блока и тем меньше диапазон длин блоков, при которой может быть вообще осуществлена передача какой-либо информации;

чем больше коэффициент группирования ошибок α при одной и той же вероятности ошибки в канале связи, тем выше эффективность передачи и больше оптимальная длина блока.

Для каналов с вероятностью ошибки P_ош=5*10^-2 и коэффициентом группирования ошибок a=0,3 вероятность успешной передачи при использовании процедуры X.25 практически равна нулю (рис. 1). При той же вероятности ошибки и a=0,5 относительная эффективность процедуры X.25 значительно увеличивается (рис. 2), но все еще очень мала. Это объясняется тем, что оптимальная длина блока (кадра) при таких условиях почти равна минимальной длине его заголовка – 3 байта и передача даже заголовка блока процедуры Х.25 становится невозможной.

Рис. 1

Относительная эффективная скорость в каналах с α=0,3 и P_ош=5*10^-2

Рис. 2

Относительная эффективная скорость в каналах с α=0,5 и P_ош=5*10^-2

Для каналов с P_ош=10^-2 и a=0,3 относительная эффективная скорость передачи очень низка и при скорости ПД, равной 9600 бит/с, составляет около 0,09 (860 бит/с), а оптимальная длина блока – чуть больше 25 байт (рис. 3). Более половины длины блока приходится на заголовок.

Рис. 3

Относительная эффективная скорость в каналах с α=0,3 и P_ош=10^-2

При той же вероятности ошибки, но a=0,5 эффективность процесса ПД с использованием X.25 увеличивается и составляет уже около 0,2 (1920 бит/с), а оптимальная длина блока достигает 63 байт (рис. 4).

Рис. 4

Относительная эффективная скорость в каналах с α=0,5 и P_ош=10^-2

Следует заметить, что передача посредством TCP/IP на каналах такого качества невозможна в принципе. Для любых a, эффективность достоверной передачи для TCP/IP равна нулю          (рис. 1, 2, 3). Это объясняется тем, что в таких каналах ошибками поражаются служебные области почти всех блоков, отправленных в канал, не говоря уже об информации пользователя в таких блоках. Механизм восстановления TCP, использующий повторную передачу искаженных блоков, в таких условиях крайне неэффективен. Очевидно, что при таком качестве канала связи практическое использование для передачи информации процедур стека TCP/IP невозможно.

Только для каналов с P_ош=10^-2 и a=0,5 эффективность достоверной передачи при использовании TCP/IP составляет лишь чуть больше 0,1 при оптимальной длине блока более 125 байт    (рис. 4).

Для каналов с P_ош=10^-3 в принципе возможно использование для передачи информации с помощью процедур стека TCP/IP при любом a. Однако эффективная скорость все ещё довольно низкая. Протокол X.25 показывает хорошую скорость – в среднем на треть выше (рис. 5, 6).

Рис. 5

Относительная эффективная скорость в каналах с α=0,3 и P_ош=10^-3

Рис. 6

Относительная эффективная скорость в каналах с α=0,5 и P_ош=10^-3

Только для каналов с вероятностью ошибки P_ош=10^-4 и ниже возможно относительно комфортное использование для передачи информации процедур стека TCP/IP. Эффективная скорость ПД при этом становится выше 0,5. Хотя и здесь протокол X.25 показывает свое преимущество (рис. 7, 8, 9, 10).

Рис. 7

Относительная эффективная скорость в каналах с α=0,3 и P_ош=10^-4

Рис. 8

Относительная эффективная скорость в каналах с α=0,3 и P_ош=10^-5

Рис. 9

Относительная эффективная скорость в каналах с α=0,5 и P_ош=10^-4

На основании приведенных результатов можно сделать вывод о возможности использования процедур Х.25 на каналах с вероятностью ошибки на бит не более 10^-2 и при любом коэффициенте группирования ошибок.

Рис. 10

Относительная эффективная скорость в каналах с α=0,5 и P_ош=10^-5

Использование процедур Х.25 на каналах с вероятностью ошибки больше 10^-2 теоретически возможно, однако нуждается в дополнительной экспериментальной проверке с использованием соответствующего аппаратного имитатора или непосредственной передачи по таким каналам  (КВ-радиоканалы).

Оценка также подтверждает возможность более выгодного использования процедур Х.25 по сравнению с TCP/IP на КВ каналах с вероятностью ошибки больше 10^-3 с использованием специальных средств, уменьшающих вероятность ошибок или их коэффициент группирования. Например, КВ модемов, повышающих качество канала связи с 5*10^-2 до 10^-3 на бит применением кодов, исправляющих ошибки.

Все вышесказанное позволяет сделать вывод о возможности передачи информации по участкам телекоммуникационной сети с каналами связи низкого качества (P_ош=10^-2 и a=0,3) путем использования методов инкапсуляции информации пользователя из сегментов IP в блоки Х.25/2, и дальнейшей ее передачи в блоках Х.25/2 по участку. Размещение таких средств предполагается на границах участков с каналами разного качества (рис. 11).

Рис. 11

Пример размещения средств инкапсуляции TCP/IP в X.25

Таким образом, использование протоколов стека TCP/IP для ПД без дополнительной инкапсуляции возможно только на каналах с P_ош <10^-3 путем настройки длины протокольного блока в соответствии с качеством имеющегося канала передачи. Этот путь представляется более экономичным. К сожалению, как показывает вышеприведенная оценка, этот путь не годится для каналов с P_ош ≥10^-3, так как по ним передача посредством TCP/IP невозможна в принципе.

Достоинством технологии инкапсуляции протоколов IP поверх Х.25 является возможность использования практически любых имеющихся каналов связи низкого качества, что позволит повысить эффективность управления государственными структурами и бизнес-процессами.

Литература

 1. Пуртов Л.И. и др. «Элементы теории передачи дискретной информации»/под. ред. Л.Пуртова. – М.,Связь, 1972 – 232 с.

2. Зубовский Л.И., Пасковатый А.О. «Нормирование и система измерений качества коммутируемых телефонных каналов», статья

3. Давыдов Б.М., «Математическая   модель  процедуры   уровня  звена  дан­ных», Техника средств связи, 1990, Сер. ТПС, Вып. 1, с 36 – 47.

4. Перевод стандарта Министерства обороны США для протокола управления передачей TCP (RFC-793), 1981– 33 с.

5. Гуров В.С., Емельянов Г.А., Етрухин Н.Н., Осипов В.Г. «Передача дискретной информации и телеграфия» - М.,Связь, 1974 – 526 с.

6. Давыдов Б.М., «Анализ временных характеристик процедуры уровня звена данных», Техника средств связи, 1990, Сер. ТПС, Вып. 1, с 61 – 68.

7. Морозов В.Г. и др., «Метод и средства натурно-машинного исследования характеристик каналов передачи данных», - Деп.рук. №3-5014, РИПОРТ, 1977, №6.

8. Давыдов Б.М., «Математическая модель процедур сетевого  уровня  центра коммутации пакетов», Техника средств связи, 1991, Сер. ТПС, Вып. 1, с 49 – 60.

9. Перевод спецификации стандарта Министерства обороны США для протокола IP        (RFC-791)»,сентябрь 1981 – 16 с.

 

Авторы 

А.Е. Давыдов, Б.М. Давыдов, В.М. Виноградов