МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРИОРИТЕТНО-МАРКЕРНОГО ОБСЛУЖИВАНИЯ В ВЫЧИСЛИТЕЛЬНЫХ СИСТЕМАХ

Бархатов Николай Игоревич

студент, Северо-Восточный государственный университет, г. Магадан

E-mail:

Сироткин Андрей Вячеславович

канд. техн. наук, доцент, декан факультета Естественных наук и математики Северо-Восточного государственного университета, г. Магадан

E-mail:

MODELING OF A PRIORITY-MARKER SERVICE IN COMPUTING SYSTEMS

Nicolay Barkhatov

student, North-East state university, Magadan

Andrey Sirotkin

Cand. tech. sci., the senior lecturer, the dean of faculty of Natural sciences and mathematics of the North-East state university, Magadan

АННОТАЦИЯ

В статье рассматриваются вопросы иерархизации и упорядочивания информационных потоков в вычислительных системах с помощью приоритетно-маркерной системы обслуживания, а также особенности создания специального программного обеспечения, реализующего эти операции

ABSTRACT

In the article consider questions of hierarchy and ordering of information streams in computing systems by means of a priority-marker service system, and also feature of creation of the special software realizing these operations

Ключевые слова: приоритеты; MPLS-маркеры; управление

Keywords: priorities; MPLS-markers; management

В рамках макрозадачи управления информационными процессами в вычислительных системах, поставленной в исследовании [1], ранее уже были проведены исследования, по результатам которых было установлено, что:

1.  Потоки ввода-вывода вычислительной системы, которые, как правило, управляются собственной дисциплиной обслуживания, являются также полностью управляемыми и со стороны пользователя при использовании специальных программных средств. Такие средства были разработаны в процессе исследования [2].

2.  Формируемая в процессе работы этих средств логика управления не зависит от работы подсистем ввода-вывода вычислительных систем, сетевых устройств и сетевых интерфейсов. Это означает, что управление формированием информационных потоков внутри вычислительной системы возможно при использовании специальных программных средств; операционные системы и инфраструктура передачи данных не препятствуют его реализации.

3.  Существует функциональная зависимость времени работы процесса в вычислительной системе от его приоритета, количества внутренних действий, числа параллельно работающих процессов и от приоритета параллельно работающего процесса. Такая зависимость была восстановлена в аналитическом виде с помощью корреляционно-регрессионного анализа. Ее использование также позволяет добиться высокой управляемости формируемых информационных потоков.

4.  Управление формированием информационных потоков на основе их маркировки также возможно при использовании специальных программных средств [3]; операционные системы и инфраструктура передачи данных не препятствуют его реализации.

Кроме того, при проведении последующих исследований по моделированию приоритетного управления формированием информационных потоков в вычислительных системах было установлено, что управление формированием информационных потоков внутри вычислительной системы, совмещенное с управлением приоритетами формирующих процессов, возможно при использовании специальных программных средств. И, поскольку создаваемая при каждом отдельном из этих видов управления логика не нарушается операционной системой, подсистемой ввода-вывода и инфраструктурой передачи данных, данный способ управления также можно считать достаточно эффективным для применения при создании и оптимизации автоматизированных информационных систем.

Данное исследование, являясь объединением всех вышеназванных, направлено на моделирование приоритетно-маркерного обслуживания в вычислительной системе с последующей экспериментальной оценкой его эффективности.

Описание оборудования. Под приоритетно-маркерным управлением обслуживанием в данном исследовании понимается такое, при котором запросы обрабатываются согласно фиксированным приоритетам инициирующих их клиентов, которые определяются обслуживающим сервером по уникальным маркерам, присваиваемым каждому клиенту. Для моделирования такого управления была разработана программа ISPF (Information Streams Priority Former).

ISPF — это программа, предназначенная для организации дисциплины обслуживания, основанной на маркировке Ethernet-кадров и приоритетном формировании информационных потоков. Программа реализует коммуникацию клиента с сервером и ответную передачу данных со значениями приоритетов, заданными заранее в таблице сопоставлений «MPLS-маркер клиента — приоритет ответного потока».

ISPF состоит из двух частей — клиентской и серверной.

Клиентская часть организует передачу запросов серверу, захват ответного информационного потока и контроль правильности его получения (проверку его адресации, данных MPLS-маркера, сверку порядковых номеров кадров и их размеров). Кроме того, клиент внедряет в каждый запрос уникальный номер, который позволяет серверу отделять запросы одного и того же клиента друг от друга.

Клиентская часть состоит из одного модуля и файла конфигурации, содержащего описание клиента (MAC-адрес, IP-адрес и MPLS-маркер) и сервера (MAC-адрес, IP-адрес, число копий запроса и время ожидания каждого фрагмента потока в секундах).

Эта часть относится к операционной системе Windows; ее реализация использует библиотеку захвата пакетов WinPCap версии не ниже 4.1.

Серверная часть отвечает за получение запросов от клиентов, а также за передачу файла в виде последовательности кадров Ethernet с организацией корректной адресации (согласно параметрам запроса) и сопровождающих параметров (порядковой нумерации и вычисления размера передаваемого файла).

Серверная часть состоит из:

·     Модуля-оператора, отвечающего за интерпретацию файла конфигурации, прием и анализ запросов, запуск нового экземпляра сервера с передачей ему рабочих параметров и запуск модуля-отправителя в соответствии со считанными параметрами (заданным приоритетом, текущими адресами кадров, а также числом копий фрагментов);

·     Модуля-отправителя, выполняющего разбиение (по 1436 байт, что составляет максимальную вместимость IP (ICMP) кадра, содержащего в стеке MPLS один маркер) и передачу (по порядку, с выполнением нумерации пакетов и внедрением вспомогательных параметров) информационного потока клиенту. Модуль запускается с приоритетом, сопоставленным с данными MPLS клиента, от которого получен запрос;

·     Файла конфигурации, содержащего описание сопоставлений MPLS-маркеров и приоритетов (каждая строка содержит данные MPLS, приоритет и имя отправляемого файла), а также число копий фрагментов файла, которое может понадобиться при постановке экспериментов.

Эта часть реализована в операционной системе Unix FreeBSD, что предполагает использование библиотек LibNet версии не ниже 1.1 и LibPCap версии не ниже 1.0.

Принцип действия программы. Схема работы программы ISPF представлена на рисунке 1.

Рис. 1. Схема работы программы ISPF

Один проход программы состоит из следующих этапов:

1.  Клиент отправляет серверу запрос в виде MPLS-маркированного кадра Ethernet (протокол ICMP). Данные MPLS и адреса считываются из файла конфигурации. При этом запускается режим ожидания ответа, завершающийся по истечении таймаута, заданного в файле конфигурации, или при полном получении передаваемого файла.

2.  Сервер работает в режиме promiscuous mode, захватывая все приходящие на его адрес кадры. Но в качестве запросов рассматриваются только те, которые формируются клиентами по специальной схеме. Такие кадры имеют подходящий размер, заданный программно для обеих сторон, и датаграмму, заполненную специальными символами (64 байта заголовка + 40 байт датаграммы).

3.  Если кадр проходит этот фильтр, то сервер начинает поиск совпадений данных MPLS-маркера кадра со значениями в таблице сопоставлений, содержащейся в файле конфигурации.

4.  Если совпадение найдено, сервер запускает модуль-отправитель, формирующий ряд кадров — поток, содержащих тот же MPLS-маркер, но обменянные местами MAC и IP адреса получателя и отправителя. Поток формируется из некоторого файла, имя которого указано в файле конфигурации. В каждый пакет вписывается его порядковый номер (для определения правильности получения файла клиентом) и размер конечного файла (для определения момента завершения передачи).

5.  К этому времени клиент переходит в режим захвата всех кадров, подходящих по адресам, MPLS-маркеру и размеру (отличается от размера запроса). Захват выполняется до тех пор, пока не будет достигнут конец передаваемого файла, или не перестанут приходить требуемые кадры. В первом случае пользователю сообщается время передачи, во втором он извещается об ошибке.

Постановка экспериментов. Для апробации дисциплины обслуживания, представленной в программе ISPF, была использована сеть класса C на 4 компьютера. Один компьютер являлся сервером (Unix FreeBSD), на котором была установлена серверная часть ISPF; остальные три являлись клиентами (Windows XP), на которых была установлена клиентская часть ISPF.

Файл конфигурации серверной части был описан таким образом, чтобы задействовать все доступные пользовательские приоритеты (рис. 2).

#   MPLS     Priority Filename

A0-19-8A-80      19       file1.bmp

A0-18-8A-80      18       file1.bmp

A0-17-8A-80      17       file1.bmp

A0-16-8A-80      16       file1.bmp

...

A0-02-8A-80      2        file1.bmp

A0-01-8A-80      1        file1.bmp

A0-00-8A-80      0        file1.bmp

A1-01-8A-80      -1       file2.bmp

A1-02-8A-80      -2       file2.bmp

...

A1-17-8A-80      -17      file2.bmp

A1-18-8A-80      -18      file2.bmp

A1-19-8A-80      -19      file2.bmp

A1-20-8A-80      -20      file2.bmp

Рис. 2. Содержимое файла конфигурации, использованного в экспериментах

Эксперимент № 1. Для первого эксперимента клиентские части настраивались следующим образом:

·     MPLS-маркер первого клиента последовательно изменялся таким образом, чтобы вызывать переборку сервером всех доступных приоритетов.

·     Маркер второго клиента инициировал информационный поток с базовым приоритетом (ноль).

·     Маркер третьего клиента также инициировал информационный поток с базовым приоритетом (ноль).

После каждого изменения маркера первого клиента выполнялся одновременный запуск клиентских частей ISPF на всех трех клиентских компьютерах. При этом во время работы программы на этих компьютерах велся захват сетевого трафика. Так как организованная сеть была свободна от посторонних пакетов, время захвата последнего входящего пакета, фиксируемое снифферами на каждом компьютере, было принято за время полной передачи файлов. Для всех трех клиентов это время фиксировалось в таблице, и на ее основе впоследствии было выполнено построение графика зависимости времени передачи информационных потоков от их приоритетов.

По результатам обобщения результатов эксперимента был построен следующий график (рис. 3):

Рис. 3. Поведение информационных потоков при базовых приоритетах клиентов 2 и 3 (число передаваемых кадров — 58500)

Анализ полученных результатов позволяет говорить о явном, четком временном разделении между более приоритетным и менее приоритетными клиентами. Это позволяет говорить о достаточной степени управляемости обслуживания, достигаемой при использовании приоритетно-маркерной дисциплины обслуживания. Однако для корректности вывода необходимо также рассмотреть случай, когда приоритеты клиентов № 2 и № 3 будут различаться.

Эксперимент № 2. В этом эксперименте маркер третьего клиента был изменен таким образом, чтобы он получал от сервера приоритет «–5». Все последующие действия по сравнению с предыдущим экспериментом остались неизменными. В результате был получен следующий график (рис. 4):

Рис. 4. Поведение информационных потоков при приоритете клиента № 2, равном нулю, и приоритете клиента № 3, равном — 5 (число передаваемых кадров — 58500)

Как видно, тенденция управления сохраняется независимо от поведения приоритетов остальных клиентов. Но в связи с появлением видимой границы времени передачи (22 секунды) возникла необходимость проверки внутренней дисциплины обслуживания процессов в Unix на большем объеме файла. Дело в том, что малый размер передаваемого файла может не позволить передающему процессу с достаточно низким приоритетом «успеть» обслужиться до того, как закончат свою работу процессы с более высокими приоритетами. Т. е. этот процесс будет просто останавливать свою работу и ждать освобождения ресурсов компьютера. А это может привести к получению некорректных результатов эксперимента.

Эксперимент № 3. Для выполнения этой проверки была использована та же схема эксперимента, что и в предыдущих случаях. Однако был изменен передаваемый объем (увеличен в 4 раза), а в таблицу собирались не все данные, а лишь значения времени в ключевых точках (см. рис. 5; участки графика, выделенные жирной линией); остальные участки были условно восстановлены из данных предыдущих экспериментов (было выполнено линейное домножение времени передачи на 4).

В результате этих действий был получен следующий график (рис. 5):

Рис. 5. Поведение информационных потоков при приоритете клиента № 2, равном нулю, и приоритете клиента № 3, равном — 5 (число передаваемых кадров — 58500 × 4)

Даже по опорным точкам видно, что график имеет тот же вид, что и в случае с одинарным объемом. Из этого можно сделать вывод о том, что объем информационных потоков не влияет на их поведение в рамках дисциплины обслуживания программы ISPF. Согласно показаниям снифферов, процесс с низким приоритетом все же не останавливается полностью. Однако объем данных, который он успевает передать за время своей работы параллельно с другими процессами, при сравнении настолько незначителен, что изменения в объеме потока теряют свое влияние на общий вид зависимости.

Результаты и выводы. Таким образом, в процессе исследования были получены следующие результаты:

1. Разработан комплект программ, позволяющих моделировать управляемое приоритетно-маркерное обслуживание в среде Ethernet;

2. Установлена достоверная управляемость обслуживания при использовании данного способа управления;

3. Установлена независимость формируемой логики управления от изменений в приоритетах конкурирующих клиентов и в объемах передаваемых информационных объектов.

Это позволяет сделать вывод о том, что приоритетно-маркерное управление обслуживанием внутри вычислительной системы возможно при использовании специальных программных средств. Создаваемая при этом логика управления не нарушается операционной системой, подсистемой ввода-вывода и инфраструктурой передачи данных. В связи с этим данный способ управления также можно считать достаточно эффективным для применения при создании и оптимизации АИС.

Список литературы:

1.Сироткин А.В., Бархатов Н.И. Управление информационными процессами в вычислительных системах. // Высокие технологии, фундаментальные исследования, экономика. Т. 2: сборник статей Двенадцатой международной научно-практической конференции «Фундаментальные и прикладные исследования, разработка и применение высоких технологий в промышленности». 08 — 10 декабря 2011 года, Санкт-Петербург, Россия / под ред. А.П. Кудинова. — СПб.: Изд-во Политехн. ун-та, 2011. — С. 95—98.

2.Сироткин А.В., Бархатов Н.И. Пакет программ EPM для моделирования управляемого формирования информационных потоков в среде Ethernet на базе операционных систем Windows и Unix. Свидетельство о регистрации ВНТИЦ от 13.10.11, код № 0203027050344, инв. № 50201151283.

3.Сироткин А.В., Бархатов Н.И. Пакет программ MIA для моделирования MPLS-маркировки кадров Ethernet. Свидетельство о регистрации ВНТИЦ от 13.10.11, код № 0203027050344, инв. № 50201151284.