Porovnanie vlastností synchrónneho a asynchrónneho multiplexora ATM

Advances in Electrical and Electronic Engineering 386 POROVNANIE VLASTNOSTÍ SYNCHRÓNNEHO A ASYNCHRÓNNEHO MULTIPLEXORA ATM SYNCHRONOUS AND ASYNCHRONOUS ATM MULTIPLEXOR PROPERTIES COMPARISON Ján Žabka Katedra informatiky, Fakulta mechatroniky, TnU Pri parku 19 , 91150 Trenín - Záblatie Tel.: 032/ 7417559, fax.: 032/ 7417515 , e-mail: [email protected] Abstrakt Cieom lánku je na základe vykonaných simulácií realizovaných s využitím poítaového modelu ATM multiplexora posúdi aspekty použitia synchrónnych a asynchrónnych multiplexorov ATM. Model ATM multiplexora je modelom so vstupným radením s troma vstupmi. Synchrónny multiplexor pracuje bez priorít vstupov. Jednotlivé vstupy sú obsluhované periodicky. Model asynchrónneho multiplexora umožuje používa viaceré druhy mechanizmov obsluhy a priorít. Parametrami výkonnosti multiplexorov je CLR a CTD. Vstupné toky jednotlivých vstupov sú generované zdrojmi typu IPP s variabilnými hodnotami parametrov. lánok nadväzuje na [1] , kde bola verifikovaná funknos modelu synchrónneho multiplexora ATM. Summary The article is aimed to ATM multiplexor computer model utilisation. Based on simulation runs we try to review aspects of use a synchronous and asynchronous ATM multiplexors. ATM multiplexor is the input queuing model with three inputs. Synchronous multiplexor works without an input priority. Multiplexor inputs are served periodically. Asynchronous multiplexor model supports several queuing and priority mechanisms. CLR and CTD are basic performance parameters. Input cell flows are generated as IPP sources. The article refers to [1] which verifies the ATM synchronous multiplexor model functionality. 1. ÚVOD Na obr.1 je znázornený jednoduchý model ATM multiplexora. Pri urovaní jeho výkonnosti je potrebné zamera sa na tieto problémové okruhy : - charakter bitových tokov (napr. pre audio, video, dáta at.), - aký typ AAL vrstvy použi pre jednotlivé komponenty multimediálnej služby, - ako charakterizova bunkový tok (napr. IPP, ON/OFF, MMPP, BMPP, Poisson, TES, AR at.), - vnútornú štruktúru ATM multiplexora (umiestnenie a vekos buffrov, urovanie priorít, mechanizmus obsluhy frontov, at.), - metriku urovania výkonnosti (bitová, bunková, rámcová, at.), - typy a akceptovatené hodnoty parametrov výkonnosti. AAL x bitový tok bunkový tok 01101001 AAL y 10010011 AAL z 01110111 ATM MPX výstupný bunkový tok Obr. 1. Jednoduchý model ATM multiplexora Fig. 1. Basic ATM multiplexor model Porovnanie vlastností synchrónneho a asynchrónneho multiplexora ATM 387 Charakter bunkových tokov Pre popis ATM zdrojov bunkových tokov existuje množstvo modelov. Niektoré z nich sú uvedené v alšom texte: - zdroj s exponenciálnym rozdelením, - zdroj typu ON/OFF, - zdroj IPP (Interrupted Poisson Process), - zdroj MMDP (Markov Modulated Deterministic Process), - zdroj MMBP (Markov Modulated Bernoulli Process), - zdroj GMDP (General Modulated Deterministic Process), - markovovský model zdroja s autoregresiou, - model zdroja typu „car - train“. 2. VNÚTORNÁ ŠTRUKTÚRA ATM MULTIPLEXORA Z hadiska vnútornej štruktúry multiplexora existujú tri základné možnosti realizácie, popisované na obr. 2 – 4 : VP VP VP 1 2 N 1 2 M MPX Obr. 2. Multiplexor so vstupným radením Fig. 2. Input queuing multiplexor Ako vidno na obr. 2 , multiplexor so vstupným radením má na každom vstupe umiestnenú vyrovnávaciu pamä VP, ktorá slúži ako buffer prichádzajúcich buniek z daného zdroja. Ide vlastne o pamä FIFO, z ktorej sa potom prideujú bunky jednotlivým výstupom. Vekos VP je úmerná tomu aké veké oneskorenie alebo stratovos buniek je povolená pre daný zdroj. MPX 1 2 3 N VP VP 1 M Obr. 3. Multiplexor s výstupným radením Fig. 3. Output queuing multiplexor U tohto multiplexora sú VP umiestnené na výstupoch a tak sa tvorí v multiplexore M výstupných radov. Multiplexor je zobrazený na obr. 3. Výhodou oproti vstupnému radeniu je to, že pri vstupe buniek do multiplexora sa rozdelia rovnomerne na jednotlivé výstupy, zatia o pri vstupnom radení pri intenzívnej prevádzke na jednom vstupe môže dôjs k preteeniu VP a nastane strata buniek. Nevýhodou je fakt, že pri neoakávanom zvýšení intenzity jedného zdroja môže dôjs k preplneniu všetkých VP na výstupoch a potom môže dôjs k strate buniek na všetkých vstupoch. MPX 1 2 3 N 1 M SVP Obr. 4. Multiplexor so spoloným výstupným radením Fig. 4. Common output queuing multiplexor U tohto multiplexora je na výstupe jedna SVP (spoloná vyrovnávacia pamä), ktorá slúži pre všetky výstupné kanály, ako vidno na obr.4.Výhodou oproti predchádzajúcemu variantu je to, že ak chceme niektoré vstupy priradi na jeden uritý výstup, spoloná pamä nám poskytne väšiu kapacitu a tým sa zníži stratovos buniek. Nevýhoda z toho vyplývajúca je zvyšovanie oneskorenia bunky. alšími problémami pri navrhovaní štruktúry multiplexora sú stanovenie mechanizmu obsluhy frontov a urovanie priorít frontov. Tieto dva problémy medzi sebou úzko súvisia, pretože pri definovaní priority jednotlivých vstupov treba definova vhodne aj mechanizmus obsluhy jednotlivých vstupných frontov. Stanovenie mechanizmu obsluhy a urovanie priorít vstupných frontov má zmysel iba pri návrhu asynchrónneho multiplexora. Pri synchrónnom multiplexore je mechanizmus obsluhy vstupných frontov FIFO a nie je definovaná žiadna priorita. Prioritu má ten vstup, ktorý je alší v poradí po práve obslúženom fronte, o sa cyklicky opakuje. Existujú viaceré mechanizmy obsluhy frontov použitené pre asynchrónny multiplexor ATM. Uvediem aspo niektoré z nich: - obslúži sa ten vstup, ktorý má najväší poet buniek vo VP, - obslúži sa ten vstup, v ktorom bunka aká najdlhšie na obsluhu, - urité kombinácie dvoch predchádzajúcich. Advances in Electrical and Electronic Engineering 388 Existuje ešte vea možných mechanizmov obsluhy, ich aplikácia je závislá aj od charakteru vstupných bunkových tokov multiplexora. Každý druh vstupného toku je nieím špecifický a preto treba mechanizmy obsluhy prispôsobova pre dosiahnutie efektívneho využitia prenosovej kapacity prenosového kanálu ich charakteru. Typy a akceptovatené hodnoty parametrov výkonnosti Parametre výkonnosti je možné hodnoti na rôznych úrovniach (bitová, bunková, rámcová, at.). Vzhadom k tomu, že navrhnutý model pracuje na bunkovej úrovni, budem sa venova iba parametrom na bunkovej úrovni. Medzi základné parametre patria: - CER (Cell Error Ratio) - chybovos bunky, je to pomer všetkých chybných buniek ku všetkým preneseným bunkám, - CLR (Cell Loss Ratio) - stratovos bunky, je to pomer všetkých stratených buniek ku všetkým preneseným bunkám, - CTD (Cell Transfer Delay) - oneskorenie prenosu bunky, je rozdiel asov t 2 - t 1 medzi vstupom bunky do siete alebo linky (t 1 ) a výstupom tej istej bunky zo siete (t 2 ) - CDV (Cell Delay Variation) - odchýlka oneskorenia bunky, je to štatistický rozptyl oneskorenia bunky. 3. ŠTRUKTÚRA SIMULANÉHO MODELU Simulaný model obr. 5 pozostáva z dvoch systémov hromadnej obsluhy: - synchrónny multiplexor, - asynchrónny multiplexor. Obsluha vstupných frontov v synchrónnom multiplexore prebieha cyklicky, t.j. asový interval odvodený z výstupnej rýchlosti multiplexora je pridelovaný postupne od 1. až po 3. vstup, o sa stále opakuje. Asynchrónny multiplexor je navrhnutý tak, že môže poskytova až tri druhy obsluhy vstupných frontov: 1. obsluhuje sa ten front, ktorý má najväší poet požiadaviek (buniek); ak sa vyskytne zhoda, vyberie sa náhodne jeden front, 2. obslúži sa tá bunka, ktorá aká najdlhšie na obslúženie, inak povedané ako keby obsluhoval jednu vekú pamä FIFO, ktorá sa skladá z troch vstupných buffrov. Ak sa vyskytne zhoda, vyberie sa náhodne jedna bunka, 3. prvý vstup je nastavený ako prioritný a je možné regulova maximálnu dobu oneskorenia bunky. Ak doba oneskorenia bunky je menšia ako maximálna, obsluha prebieha poda bodu 2. Každý z multiplexorov má tri vstupy, kde sa bunky radia do vstupných frontov v buffroch. Buffre sú typu FIFO a v simulanom modeli sa ich vekos dá meni poda potrieb užívatea. Aby bolo možné uskutoni porovnanie výkonnosti synchrónneho a asynchrónneho multiplexora, je potrebné na ich vstupy privádza zhodné bunkové toky, ako je vidie aj na obr. 5. Bunkové toky sú generované zdrojom 1, zdrojom 2 a zdrojom 3, ktoré vytvárajú alšiu vekú as simulaného modelu. Návrhu zdrojov je tiež potrebné venova väšiu pozornos, aby korešpondovali bunkovému toku v reálnej komunikácii a tým vytvorili vhodné podmienky na simuláciu prevádzky. Na generovanie vstupných zdrojov sú použité modely IPP. Jedná sa o Poissonov prerušovaný proces, ktorého príklad prevádzky je zobrazený na obr. 6. ON OF F Obr. 6. Príklad bunkového toku IPP zdroja Fig. 6. IPP source cell flow example IPP model vhodne popisuje multimediálnu komunikáciu charakteristickú premenlivou bitovou rýchlosou. Model zdroja sa môže nachádza v dvoch stavoch: - ON aktívny stav; - OFF neaktívny stav. Doba trvania obidvoch stavov je daná exponenciálnym rozdelením. Poet buniek v stave ON je daný Poissonovým rozdelením, pre ktoré je charakteristické, že doba medzi výskytom dvoch po sebe idúcich buniek je exponenciálne rozdelená. To umožuje, aby celý IPP zdroj bol generovaný pomocou exponenciálneho rozdelenia. Metodika práce so simulaným modelom Program MPX je urený pre simuláciu prevádzky synchrónneho a asynchrónneho multiplexora s tromi vstupnými tokmi. Hlavnou úlohou programu je porovnanie výkonnostných Porovnanie vlastností synchrónneho a asynchrónneho multiplexora ATM 389 Obr. 5. Štruktúra simulaného modelu Fig. 5. Simulation model structure parametrov a to bunkovej stratovosti a oneskorenia bunky synchrónneho a asynchrónneho multiplexora. 4. ŠTRUKTÚRA MPX Užívateské rozhranie programu sa skladá z troch hlavných formulárov: 1. formulár pre zadanie vstupných parametrov, 2. formulár na zobrazenie výsledkov v íselnom vyjadrení, 3. formulár na zobrazenie výsledkov v grafickej podobe. Z pohadu zdrojového kódu program tvoria nasledovné hlavné asti: - funkcia generujúca okamžiky príchodov buniek zo vstupných zdrojov, - multiplexory - funkcie, ktoré obsluhujú svoje jednotlivé vstupné buffre, - štatistické vyhodnocovanie výsledkov, - prezentácia výsledkov. Formulár pre zadanie vstupných parametrov Parametre, ktoré je možné zadáva a vzhad formulára vidno na obr. 7: - Výstupná rýchlos Udáva výstupnú rýchlos multiplexorov v Mb/s - Poet buniek Udáva poet úspešne prenesených buniek, ktoré sa majú odsimulova. Je to vlastne súet úspešne prenesených buniek zo všetkých vstupov. Obr. 7. Formulár pre zadanie vstupných parametrov Fig. 7. Input parameters form - Džka buffra Udáva maximálnu kapacitu vstupných frontov. - Obsluha asynchónneho MPX Uruje typ obsluhy akým bude asynchrónny multiplexor pracova. Na výber sú tri možnosti: 1. obsluhuje sa ten vstupný front, v ktorom aká najviac buniek na obslúženie. Ak sa vyskytne vo frontoch zhodný poet buniek, obslúži sa náhodne jeden z nich. synchrónny multiplexor asynchrónny multiplexor zdroj 1 zdroj 2 zdroj 3 t t t t t bunkový tok bunkový tok buffer Advances in Electrical and Electronic Engineering 390 2. obslúži sa tá bunka, ktorá aká najdlhšie na obsluhu zo všetkých troch frontov. Ak sa vyskytne zhoda, bunka sa vyberie náhodne. 3. v políku "Maximálne oneskorenie bunky" sa dá nastavi maximálne oneskorenie bunky z prvého vstupu. Obsluha prebieha poda bodu 2, ak bunka v prvom vstupnom fronte nenadobudne maximálne oneskorenie. - Zdroj 1, Zdroj 2, Zdroj 3 Jedná sa o zdroje typu IPP . Všetky zdroje sa skladajú z troch základných asti: • On, reprezentuje džku aktívneho stavu zdroja v ms. • Off, reprezentuje džku neaktívneho stavu zdroja v ms. • Tb, reprezentuje medzibunkovú vzdialenos v µs. Každá táto as sa skladá z dvoch parametrov: prvý - udáva minimálnu dobu trvania stavu On , Off a minimálnu medzibunkovú vzdialenos pri Tb druhý - ak k nemu pripoítame hodnotu prvého parametra, dostaneme strednú hodnotu trvania stavu On, Off a strednú medzibunkovú vzdialenos pri Tb Formulár na zobrazenie výsledkov v íselnom vyjadrení V tomto formulári sa nachádzajú výsledky simulácie. Výsledky sú zobrazené zvláš pre každý multiplexor a pre každý vstup, vi obr. 8. Priemerná doba oneskorenia bunky predstavuje poet buniek, koko bolo obslúžených multiplexorom, pokia daná bunka akala vo vstupnom buffri. Obr. 8. Formulár pre zobrazenie výsledkov v íselnom zobrazení Fig. 8. Numeric results display form Formulár na zobrazenie výsledkov v grafickej podobe Formulár slúži na prezentovanie simuláciou získaných hodnôt, pozri obr. 9 – 10, v grafickej podobe. K dispozícii sú dva druhy grafov: - graf obslúžených a stratených buniek, - histogram oneskorenia. Histogram oneskorenia je možné zobrazi pre každý zdroj a multiplexor zvláš. Obr. 9. Graf obslužných a stratených buniek Fig. 9. Served and lost cells plot Pomocou výsuvnej lišty sá dá prepína medzi jednotlivými druhmi grafov. Obr. 10. Histogram oneskorenia buniek Fig. 10. Cell delay histogram 5. PREZENTÁCIA VÝSLEDKOV SIMULÁCIÍ Na danom modeli boli vykonané tri druhy simulácií: Simulácia 1 - model bol zaažený uritými vstupnými tokmi a vyhodnocovali sa výhody jednotlivých druhov multiplexorov, Simulácia 2 - parametre zdrojov 2 a 3 boli konštantné . Prebehlo viacero simulácií, pri zmene parametrov zdroja prvého vstupu ovplyvujúcich dobu aktívneho stavu zdroja v rozsahu od 0% do 100% s krokom 10%, Simulácia 3 - v tejto simulácii bol porovnávaný vplyv zmeny maximálnej doby oneskorenia bunky prvého vstupu multiplexora s obsluhou typu 3 na alšie dva vstupy tohto multiplexora. Porovnanie vlastností synchrónneho a asynchrónneho multiplexora ATM 391 Pre prehadnos grafov a jednotnos popisu som zaviedol nasledovné skratky: S - synchrónny multiplexor, A2-1 - prvý vstup asynchrónneho multiplexora s typom obsluhy 2. alšie skratky pre jednotlivé typy a vstupy multiplexorov sú definované obdobne. Príklady grafickej prezentácie výsledkov simulácie: a) Porovnanie stratovosti všetkých multiplexorov s ohadom na prvý vstup Ako najlepší multiplexor s ohadom na stratovos buniek sa zdá by A3. Je ho možné používa v takých aplikáciách, kde nám ide o minimálnu stratovos jedného vstupu (jedná sa o tzv. služby citlivé na stratu bunky) a na ostatných nám až tak nezáleží. Ak však potrebujeme o najmenšiu stratovos pre všetky vstupy multiplexora, je najvýhodnejšie použi A2. Poet stratených buniek pre vstup jedna všetkých multiplexorov je znázornený na obr. 9. b) Vyšetrovanie stratovosti buniek asynchrónneho multiplexora s rôznymi typmi obsluhy Obr. 11. Charakteristika stratovosti buniek A1, A2 a A3 Fig. 11. Cell loss rate of A1, A2 and A3 V jednom grafe, pozri obr. 11, sú porovnané asynchrónne multiplexory so všetkými troma typmi obsluhy aby bolo možné porovna zmeny stratovosti buniek pre jednotlivé vstupy ak štatistické parametre vstupov 2 a 3 sú konštantné a aktivita zdroja pre vstup 1 sa mení v rozsahu od 0 – 100 %. A3-1 nie je v grafe znázornený, pretože stratovos na tomto vstupe bola vždy nulová. Pri neaktívnom zdroji 1 všetky asynchrónne multiplexory zvládali obsluhu ostatných dvoch vstupov. A1 zvláda obsluhu všetkych vstupov bez straty buniek aj ke zdroj 1 generoval na 10%. So zvyšovaním aktivity zdroja 1 zaala stúpa aj stratovos na jednotlivých vstupoch multiplexorov. Krivky jednotlivých vstupov A1 a A2 majú podobný priebeh s tým rozdielom, že A2 sú posunuté smerom k väšej stratovosti buniek. 6. ZÁVER Popisovaný model ATM multiplexora je vaka svojmu intuitívne ovládatenému grafickému rozhraniu vhodným nástrojom pre objasovanie problematiky multiplexorov v pedagogickej praxi a súasne je použitený aj na verifikáciu analytických modelov multiplexorov. LITERATÚRA [1] Žabka, J.: Verifikácia vlastností synchrónneho ATM multiplexora. In.: Advances in electrical and electronic engineering. ŽU Žilina. Vol. 3/2004. s. 35-38 [2] Žabka, J.: Modelovanie a simulácia prvkov sietí ATM. TnUAD. 2004. 116 s. ISBN 80-8075-027-0 [3] B-ISDN 1995 & Technology testing seminar handbook. 5963-7508E. Hewlett Packard