Моделирование работы дуплексного канала связи
Описание моделируемой системы, структурная схема, описание временной диаграммы и Q-схема системы. Описание машинной программы решения задачи. Сравнение результатов имитационного моделирования и аналитического расчета характеристик, возможные улучшения.
| Рубрика | Программирование, компьютеры и кибернетика |
| Вид | курсовая работа |
| Язык | русский |
| Дата добавления | 28.06.2011 |
| Размер файла | 260,0 K |
Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже
Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.
Размещено на http://www.allbest.ru/
23
Размещено на http://www.allbest.ru/
ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА
к курсовому проекту
на тему: "Моделирование работы дуплексного канала связи"
Введение
В настоящее время нельзя назвать область человеческой деятельности, в которой в той или иной степени не использовались бы методы моделирования. Особенно это относится к сфере управления различными системами, где основными являются процессы принятия решений на основе полученной информации.
Одна из проблем современной науки и техники - разработка и внедрение в практику проектирования новейших методов исследования характеристик сложных информационно-управляющих и информационно-вычислительных систем различных уровней (например, автоматизированных систем научных исследований и комплексных испытаний, систем автоматизации проектирования, АСУ технологическими процессами, а также интегрированных АСУ, вычислительных систем, комплексов и сетей, информационных систем, цифровых сетей интегрального обслуживания и т.д.). При проектировании сложных систем и их подсистем возникают многочисленные задачи, требующие оценки количественных и качественных закономерностей процессов функционирования таких систем, проведения структурного алгоритмического и параметрического их синтеза.
Пример проектирования системы передачи данных и является темой данной работы. Модель реализуется на ЭВМ, воспроизводит поведение управляемого объекта и внешней среды, а люди в определённый момент времени имеют возможность принимать решение по управлению объектом. Это весьма актуально так как, в последние годы основные достижения в областях науки и техники неразрывно связаны с процессом совершенствования ЭВМ и расширением сферы её эксплуатации.
1. Описание моделируемой системы
Как в аннотации уже было сказано, что рассматривается система передачи пакетов данных между пунктам А и В. В системе имеется 2 пункта А и В. В обоих пунктах находятся накопители, которые играют роль буферов. Они контролируют передачу и следят за тем, чтобы в системе не происходило перегрузок, и система передачи не выходила из строя.
Рассмотрим условие задачи более подробно и разберём каждый из этапов работы системы.
Условие задания:
В системе передачи данных осуществляется обмен пакетами данных между пунктами A и B по дуплексному каналу связи. Пакеты поступают в пункты от абонентов с интервалами времени между ними 10±3 мс. Передача одного пакета занимает 10 мс. В пунктах имеются буферные накопители, в каждом из которых может храниться два пакета (включая передаваемый). В случае прихода очередного пакета в момент занятости накопителя, этот пакет получает отказ.
Смоделировать обмен пакетами в течение 1 мин. Определить вероятность отказа в каждом из пунктов. Предложить меры по уменьшению этой вероятности. Определить коэффициент загрузки канала.
Как видно из условия предложенной модели, работа всей системы передачи осуществляется в три этапа.
Первый этап заключается в поступлении пакетов в пункт А и В и заполнения соответствующих накопителей. Начальное время поступления пакетов берётся в интервале [7,13], т.е. точного значения определить нельзя. Система сама генерирует время поступления пакетов в пункт А и В, выбирая его из указанного интервала случайным образом.
Рассмотрим накопитель, который находится в пункте А. Его заполнение связано с двумя интервалами:
время поступления пакетов в пункт;
время передачи пакетов из накопителя пункта А в пункт назначения В.
Заполнение накопитель пункта В аналогично.
Если время передачи от пакета из одного пункта в другой будет превышать время поступления в пакетов, то в накопителе будут накапливаться пакеты. Причем, при наполнении накопителя, последующие пакеты будут уничтожатся. Увеличение количества уничтоженных пакетов будет зависеть от промежутков.
Второй этап заключается в передаче пакетов от одного пункта до другого. На втором этапе временной интервал передачи пакета равен 10 мс. Т.к. время передачи постоянно, а время поступления пакетов колеблется в интервале от 7 до 13, то не все пакеты будут сразу передаваться, и будут накапливаться в накопителях.
Третий этап заключается в получении пакета, т.е. достижения пакетом пункта назначения.
2. Структурная схема модели системы и её описание
Приведём структурную схему модели рассматриваемой системы. Как уже было сказано и раннее она состоит из трёх основных этапов:
Поступление пакетов в пункт А или В и буферизация пакетов в соответствующих накопителях.
Передача пакетов.
Получение пакетов.
Структурная схема процессов будет иметь следующий вид:
Рисунок 1 - Структурная схема процессов системы передачи
Опишем каждый блок приведённой выше структурной схемы.
Как видно из схемы работа системы передачи, рассматриваемая в курсовой работе очень проста, следовательно, в начале происходит поступление пакетов от источника в пункт А или В, во временном интервале 103 мс, причём как пакет оказался в пункте А или В он сразу же буферизируется в соответствующем накопителе. Стоит заметить что хоть интервал поступления пакетов в пункт А или В одинаков, пакеты поступают с различными временными интервалами. Также следует обратить внимание на то, что пакеты поступают в систему от источника каждые 103 мс независимо от дальнейшей работы системы. После работы системы передачи на первом этапе происходит передача пакета в пункт назначения, на что тратится 10 мс. Было вверху уже сказано, что генерация пакетов происходит постоянно в заданном временном интервале независимо от последующих интервалов, и пока происходит истечение 10 мс в систему из источника, поступает следующий пакет, следовательно, если время поступления было меньше 10 мс, то происходит заполнение накопителя.
Особенностью данной модели является передача пакетов в обоих направления, т.е. от пункта А в пункт В, и обратно.
Представим структурную схему функционирования системы передачи на основе устройств (блоков) на рисунке 2.
Рисунок 2 - Структурная схема системы передачи
3. Временная диаграмма и её описание
программа машинный схема имитационный
Приведём временную диаграмму выполнения всех процессов модели для более детального представления процесса функционирования системы передачи.
На диаграмме:
ось А моменты поступления пакетов в пункт А;
ось А1 моменты буферизации пакетов в первом накопителе;
ось А2 моменты поступления пакетов из пункта А, т.е. из первого накопителя в пункт В;
ось А3 пребывания пакетов в пункт В;
ось В моменты поступления пакетов в пункт В;
ось В1 моменты буферизации пакетов во втором накопителе;
ось В2 моменты поступления пакетов из пункта В, т.е. из второго накопителя в пункт А;
ось В3 пребывания пакетов в пункт А.
Следует учитывать при построении диаграммы, что передача пакетов из пункта А в первый накопитель и соответственно из пункта В во второй накопитель по условию задачи не учитывается, т.е. считается, что пакеты сразу поступают в накопители.
Рисунок 3 - Временная диаграмма процессов системы передачи пакетов
На временной диаграмме (см. рисунок 3) представлена работа системы передачи в течении 60 - и мс. Благодаря этой диаграмме можно получить представление о процессах функционирования системы передачи пакетов, которые необходимо будет учесть при построении детального моделирующего алгоритма.
Рассмотрим подробнее каждый запуск системы на примере временной диаграммы. Под буковкой А идут процессы передачи пакетов от пункта А до пункта В. Как видно из диаграммы пакеты поступают с интервалом времени, меньше чем надо на передачу. В следствии чего наблюдается заполнение накопителей, и случаи отказа передачи пакета.
Бод буковкой В-процессы передачи пакетов от В к А. В данном случае пакеты поступают с тем же интервалом времени, который требуется на обработку, в результате накопитель постоянно занят наполовину, и приходящие пакеты сразу отправляются.
4. Q-схема системы и её описание
Все описанное выше есть, по сути, этап построения концептуальной модели системы. Следующим должен стать этап формализации модели. Так как описанные процессы являются процессами массового обслуживания, то для формализации задачи используем символику Q-схем. В соответствии с построенной концептуальной моделью и символикой Q-схем структурную схему данной СМО можно представить в виде, показанном на рисунке 4, где И - источник, К - канал, Н - накопитель.
Рисунок 4 - Q-схема системы передачи пакетов
Рассмотрим подробнее Q-схему, представленную на рисунке 4. Из Q-схемы сразу же видно, что в системе передачи данных производится последовательная передача пакетов между пунктами, причем одновременно передаются пакеты из А в В и из В в А.
Источники имитируют процесс поступление пакетов в начальные пункты А и В. В накопителе Н1 и Н2 происходит буферизация пакетов или в терминах Q-схем обработка транзактов и данные передаются в пункт назначения, через каналы передачи, которые в символике Q-схем показаны, как канал К1 и К2. После окончательного поступления транзактов происходит их обслуживание.
Необходимо отметить, что в исходной постановке данную задачу лучше всего решать только методом имитационного моделирования. Также данную задачу можно решить одним из аналитических методов, базирующихся на теории массового обслуживания.
5. Укрупнённая схема моделирующего алгоритма и описание её блоков
После этапа формализации задачи необходимо приступить к построению моделирующего алгоритма. Известно, что существует две разновидности схем моделирующих алгоритмов: обобщённая (укрупнённая) схема, задающая общий порядок действий, и детальная схема, содержащая уточнения к обобщённой схеме.
Рассмотрим один из принципов построения моделирующих алгоритмов, принцип t. Он заключается в следующем: процесс функционирования любой системы обозначим её S можно рассматривать как последовательную смену её состояний в k - мерном пространстве. Очевидно, что задачей моделирования процесса функционирования исследуемой системы S является построение функций z, на основе которых можно провести вычисление интересующих характеристик процесса функционирования системы. Для этого должны иметься соотношения, связывающие функции z с переменными параметрами и временем, а также начальные условия в момент времени t=t0. Т.е. другими словами работа системы разделяется на интервалы, и изменение каждого процесса осуществляется с интервалом t+t. При разделении система передачи будет находиться в различных состояниях, которые по принципу называют . За начальный момент времени берётся t0, тогда следующий момент времени будет t1= t0+t, следующий момент равен t2= t1+t. Каждый последующий момент времени будет равен суммы предыдущего интервала и t. Это временное разделение происходит до тех пор, пока не произойдёт окончание работы системы. Также стоит заметить, что если шаг t достаточно мал, то таким путём можно получить приближённые значения состояний z.
Укрупнённая схема моделирующего алгоритма на основе принципа t представлена на рисунке 5.
Рисунок 5 - Укрупнённая схема моделирующего алгоритма
Приведённая на рисунке 5 схема описывает работу системы передачи данных (СПД) при каждом её запуске по принципу t. По этому принципу каждый запуск системы считается, равен некоторому интервалу t, и последующие запуски осуществляются с этим же интервалом t.
Рассмотрим работу СПД по схеме. Итак, первым происходит запуск системы на выполнение, следующим этапом задаются необходимые значение для работы системы передачи. После происходит проверка, вышло ли время работы или нет, если «нет», осуществляется передача данных в первый и второй накопитель для дальнейшей буферизации. Так как передача идет одновременно в двух направлениях, то имеет место 2 независимых передачи. Так как работа каждого направления системы последовательная, то следующим этапам происходит передача в пакетов. Далее пакет поступает в пункт назначения. После поступления первых данных в пункт назначения происходит накопление и предварительная обработка всей информации, полученной на предыдущих этапах моделирования. И окончательный момент в работе системы связан с переходом к следующему интервалу t. Если же проверке обслужились все заявки, то происходит окончательная обработка результатов, полученная по окончанию всех процессов, и осуществляется вывод результатов на печать. После печати работа системы завершается.
6. Детальная схема моделирующего алгоритма
Детальная схема моделирующего алгоритма содержит уточнения, отсутствующие в обобщённой схеме. Детальная схема показывает не только, что следует выполнить на очередном шаге моделирования системы, но и как это выполнить.
Что касается рассматриваемой модели: системы передачи данных, её работа осуществляется последовательно и основная задача для системы - передача пакетов из одного пункта в другой. Необходимо в пунктах А и В в накопителях произвести буферизацию пакетов. Составим на основании представленной выше информации детальную схему моделирующего алгоритма. Также условимся, что процесс описывающий процесс прибытия пакетов в пункт А, буферизация в первом накопителе, прибытие пакетов в пункт В, поступление пакетов в пункт В, буферизация во втором накопителе, прибытие пакетов в пункт А обозначим zi(t), i=1,6; Эта схема будет из тех этапов, которые необходимо будет выполнить при нормальной работе СПД.
Детальная схема моделирующего алгоритма на рисунке 6.
На ней изображены различные блоки, каждый из которых отвечает за выполнение того или иного процесса. Первый блок «Пуск» говорит о том, что производится запуск системы на выполнение. После этого происходит задание значений и обнуление основных счётчиков. Под заданием значений подразумевается время работы СПД. В источнике производится проверка на обработку всех пакетов. Если не все пакеты обработались, то рассматриваются процессы. Между пунктами предполагается, что установлены счётчики, которые производят контроль интервалов для выполнения поставленной задачи, независимо от основных счётчиков. Эти счётчики (установленные между пунктами) имеют минимальное значение, оно равно минимуму времени при выполнении первого этапа моделирования, а максимумы - интервалы времени через которые начнётся выполнение каждого процесса на пунктах и между ними. Также стоит учесть, что все процессы работают независимо друг от друга.
Рисунок 6 - Детальная схема моделирующего алгоритма
7. Математическая модель и её описание
Любую систему можно моделировать двумя способами. Либо с помощью словесного описания. Такой метод моделирования любой системы называется аналитическим. Следующий метод наиболее надёжный для моделирования. Этот метод называется имитационным, моделирование системы проводится с помощью ЭВМ. Для рассмотрения любой модели стоит выделить для себя некоторые этапы:
с помощью какого языка будет производиться моделирование;
какие процессы происходят в системе, которые необходимо обработать в своей программе;
правильно составленная программа, даст наиболее точные результаты.
Опишем с помощью переменных все процессы и значения, с помощью которых будет производиться моделирование.
В нашем случае это будут:
tni - время буферизации каждого из накопителей, i=1,2;
tpj - время передачи от одного пункта в другой, j=1,2;
T - общее имитируемое время СПД;
Kз1, Kз2 - коэффициенты загрузки на пунктах А и В;
, - суммарное время работы передачи на каждом пункте;
N0 - число обслуженных пользователей;
N1 - число пользователей, получивших отказ;
- вероятность отказа в обслуживании;
На основании приведённых данных можно составить некоторые уравнения модели:
Kз1=; Kз2=.
8. Описание машинной программы решения задачи
Решение поставленной в курсовой работе задаче осуществлялось с помощью языка имитационного моделирования GPSS. Для более наглядного представления решения задачи будет представлена блок-диаграмма языка GPSS (см. рисунок 7) и описан каждый из её блоков.
Рисунок 7 - Блок-диаграмма GPSS
Первый блок в диаграмме называется «GENERATE A, B, C, D, E, F», он генерирует последовательность транзактов в заданный интервал времени в полях A и B. A=10 B=3. Блок «SEIZE» - занятие устройства, этот блок работает в паре с блоком «RELEASE» - освобождение устройства, соответственно первый производит занятие в модели под устройствами понимаются пункты и второй блок освобождает эти пункты, когда производится передача пакетов. «ENTER» - обеспечивает поступление транзакта в накопитель указанной емкости. Работает в паре с «LEAVE». Следующий блок «ADVANCE» производит обработку транзактов, в данном случае он производит передачу пакетов из пункта А в пункт В. Блок «TERMINATE» - производит уничтожение транзактов. Блок «GATE» проверяет состояние накопителя и изменяет путь следования транзакта. Сам листинг программы представлен в приложении 1.
9. Результаты моделирования и их анализ
Рассмотрим статистику после проведения моделирования и сделаем её анализ.
Выходная статистика:
START_TIME END_TIME BLOCKS FACILITIES STORAGES FREE_MEMORY
0 6000 20 2 2 16736
LINE LOC BLOCK_TYPE ENTRY_COUNT CURRENT_COUNT RETRY
40 1 GENERATE 598 0 0
45 2 GATE 598 0 0
50 3 ENTER 582 1 0
55 4 SEIZE 581 0 0
60 5 ADVANCE 581 1 0
69 6 RELEASE 580 0 0
70 7 LEAVE 580 0 0
75 8 TERMINATE 580 0 0
80 T1 TERMINATE 16 0 0
90 10 GENERATE 608 0 0
95 11 GATE 608 0 0
100 12 ENTER 585 0 0
105 13 SEIZE 585 0 0
110 14 ADVANCE 585 1 0
115 15 RELEASE 584 0 0
120 16 LEAVE 584 0 0
125 17 TERMINATE 584 0 0
130 T2 TERMINATE 23 0 0
140 19 GENERATE 1 0 0
150 20 TERMINATE 1 0 0
FACILITY ENTRIES UTIL. AVE._TIME AVAILABLE OWNER PEND INTER RETRY DELAY
L1 581 0.967 9.99 1 1205 0 0 0 1
L2 585 0.973 9.99 1 1206 0 0 0 0
STORAGE CAP. REMAIN. MIN. MAX. ENTRIES AVL. AVE.C. UTIL. RETRY DELAY
NA 2 0 0 2 582 1 1.26 0.632 0 0
NB 2 1 0 2 585 1 1.29 0.647 0 0
Из статистики видно моделирование произошло за 6000 мс. Свободной памяти осталось 16736. В блоке GENERATE обрабатывалось 598 и 608 транзактов соответственно. Из них 16-и и 23-м транзактам было отказано в обслуживании соответственно для каждой линии. Коэффициенты использования на пунктах А и В по статистики равны к1=0.967, к2=0.973.
Посчитаем вероятность отказа:
Для первого канала: где N1 - 16, N0 - 598.
P=0.03, что составляет 3%.
Для второго канала: где N1 - 23, N0 - 608.
P=0.04, что составляет 4%.
Для уменьшения вероятности отказа можно воспользоваться следующими методами:
увеличение времени поступления заявок;
увеличение емкости накопителя;
уменьшение скорости передачи пакетов;
увеличение количества каналов.
10. Сравнение результатов имитационного моделирования и аналитического расчёта характеристик
Произведём сравнение. Для аналитического сравнения воспользуемся формулой:
Kз1=; То для двух устройств соответственно эта формула примет следующий вид: Kз1=; Kз2=.
По этим формулам произведём вычисление коэффициентов использования каналов.
Мы знаем общее время, равное 6000, тогда x*10=6000, тогда x=600.
Посчитаем коэффициент использования при первой передачи, подставив значения в формулу Kз1=, и для второго канала Kз2=; Мы можем заметить, что расчетные данные отличаются от экспериментальных, но при таких значениях коэффициентов, оба коэффициента использования также стремятся к 1.
11. Описание возможных улучшений в работе системы
При рассмотрении данной задачи для обеспечения наиболее лучшего результата, чтобы не возникало никаких не задействованных пакетов, предлагается воспользоваться следующими методами:
увеличение времени поступления заявок;
увеличение емкости накопителя;
уменьшение скорости передачи пакетов;
увеличение количества каналов.
Использование одного из пунктов может оказаться недостаточным, поэтому надо стараться использовать несколько пунктов. Эти данные будет зависеть от расстояния между пунктами. Но лучше всего было бы, если можно уравнять временные интервалы на передачу во все пункты. И после этого небольшого изменения будет достигнута стабильная работа системы.
Заключение
При рассмотрении задачи в курсовой работе были сделаны соответствующие выводы. Первоначальный вариант условия обеспечивал более или менее нормальную работу СПД, но не обеспечивал передачу всех пакетов. С помощью имитационного моделирования были сделаны прогнозы и разработаны методы повышения производительности СПД. Среди них:
увеличение времени поступления заявок;
увеличение емкости накопителя;
уменьшение скорости передачи пакетов;
увеличение количества каналов.
При сравнении аналитических и экспериментальных расчетов было установлено равновесие, так передача в пункт А и передача в пункт В происходила 100%, что показывало очень хороший результат, это говорит о том, что все устройства (передача) работали нормально.
Вероятность отказа отказа для линий составила 3% и 4% соответственно при передаче их А в В, и обратно.
На выполнение моделирования было затрачено 6000 единиц модельного времени.
Литература
Степанова Е.Г. Лекции по дисциплине «Моделирование систем», 2001-2002.
Советов Б.Я. Информационная технология. - М.: Высшая школа, 1994.
Советов Б.Я., Яковлев С.А. Моделирование систем. - М.: Высшая школа, 1985.
Советов Б.Я., Яковлев С.А. Моделирование систем (2-е изд.). - М.: Высшая школа, 1998.
Советов Б.Я., Яковлев С.А. Моделирование систем: Курсовое проектирование. - М.: Высшая школа, 1988.
Советов Б.Я., Яковлев С.А. Моделирование систем: Лабораторный практикум. - М.: Высшая школа, 1989.
Советов Б.Я. Яковлев С.А. Моделирование систем: Практикум. - М.: Высшая школа, 1999.
Советов Б.Я. Яковлев С.А. Моделирование систем: Учеб. для вузов - 3-е изд., перераб. и доп. - М.: Высш. шк., 2001. - 343 с.: ил.
Размещено на Allbest.ru
Подобные документы
Программное средство системного моделирования. Структурная схема модели системы, временная диаграмма и ее описание. Сравнение результатов имитационного моделирования и аналитического расчета характеристик. Описание машинной программы решения задачи.
курсовая работа [146,5 K], добавлен 28.06.2011Описание моделируемой системы. Структурная схема модели системы. Q-схема системы и её описание. Математическая модель и укрупнённая схема моделирующего алгоритма. Сравнение результатов имитационного моделирования и аналитического расчета характеристик.
курсовая работа [46,7 K], добавлен 02.07.2011Структура модели системы обработки информации. Особенности временной диаграммы и машинной программы решения задачи. Сравнение результатов имитационного моделирования и аналитического расчета характеристик. Описание возможных улучшений в работе системы.
курсовая работа [1,1 M], добавлен 26.06.2011Структурная схема модели системы, временная диаграмма, блок-схема моделирующего алгоритма, математическая модель, описание машинной программы решения задачи, результаты моделирования. Сравнение имитационного моделирования и аналитического расчета.
курсовая работа [209,7 K], добавлен 28.06.2011Структурная схема моделируемой системы и её описание. Временная диаграмма и Q-схема системы. Укрупнённая и детальная схема моделирующего алгоритма. Описание машинной программы решения задачи. Описание возможных улучшений и оптимизации в работе системы.
курсовая работа [69,2 K], добавлен 02.07.2011Структурная схема модели системы и её описание. Временная диаграмма и Q-схема системы обмена пакетами данных, описание блоков моделирующего алгоритма. Сравнение результатов имитационного моделирования и аналитического расчёта характеристик системы.
курсовая работа [376,9 K], добавлен 03.07.2011Необходимость создания моделируемой системы. Описание моделируемой системы и задание моделирования. Структурная схема модели системы. Блок–диаграмма. Текст программы. Описание текста программы. Результаты моделирования. Эксперимент, его результаты.
курсовая работа [35,9 K], добавлен 19.11.2007Особенности систем массового обслуживания и сущность имитационного моделирования с использованием GPSS. Структурная схема модели системы и временная диаграмма. Сравнение результатов имитационного моделирования и аналитического расчета характеристик.
курсовая работа [214,2 K], добавлен 23.06.2011Разработка программы с использованием GPSS, моделирующей процесс работы взлётно-посадочной полосы. Сравнение результатов имитационного моделирования и аналитического расчета характеристик. Блок-диаграмма модели. Возможные улучшения в работе системы.
курсовая работа [393,3 K], добавлен 03.07.2011Разработка решения задачи имитационного моделирования системы массового обслуживания (СМО), на примере склада продукции. Построение концептуальной модели системы. Сравнение результатов имитационного моделирования и аналитического расчета характеристик.
курсовая работа [75,5 K], добавлен 26.06.2011
