В.С. Василенко, О.В. Дубчак, М.Ю. Василенко

Національний авіаційний університет
Аналіз протоколів розподілених мереж із використанням вирішального зворотного зв’язку. Протоколи із потоковою передачею та з адресним перезапитом

Вступ. До основних функціональних  властивостей захищеності інформації в телекомунікаційних мережах, які слід враховувати при організації процесів обміну інформацією між її елементами, є цілісність та доступність відповідних інформаційних об’єктів. З цього погляду усю різноманітність протоколів обміну можна розподілити на два типи: протоколи із забезпеченням високошвидкісного обміну без турботи щодо цілісності та доступність інформаційних об’єктів; протоколи із забезпеченням певного рівня цілісності та доступності  переданих даних [1]. Протоколи першого типу використовуються, як правило, на нижніх рівнях семирівневої моделі взаємодії відкритих систем, коли задачі щодо захищеності інформаційних об’єктів покладаються на протоколи вищих рівнів. Отже, у будь-якому випадку задачі забезпечення цілісності та доступності інформаційних об’єктів вирішуються в протоколах взаємодії того чи іншого рівня. При цьому задача забезпечення потрібного рівня доступності трансформується в задачу мінімізації часу доставки та часу затримки в доставці відповідних інформаційних об’єктів чи максимізації швидкості їх доставки.

Характерна риса найбільш розповсюджених протоколів другого типу – забезпечення корекції можливих спотворень за рахунок використання кодів, які виявляють присутність спотворень, з наступним перезапитом спотвореної інформації. Це - протоколи із вирішувальним зворотним зв’язком такі, як, наприклад, протоколи транспортного рівня ТСР.

Постановка задачі. В статті здійснено спробу визначення умов мінімізації часу доставки та часу затримки в доставці інформаційних об’єктів, а отже – умов максимізації швидкості інформаційного обміну, і порівняння за цими показниками деяких протоколів із застосуванням вирішуючого зворотного зв’язку (ВЗЗ), таких як потоковий метод та адресний перезапит.

Як відомо з [1, 2], на характеристику процедур обміну інформацією в телекомунікаційних мережах має значний вплив стан каналів, покажчиком якого є інтенсивність завад . Зважаючи на суттєві ускладнення практичного визначення цього покажчика, авторами статті акцентовано увагу на спробі порівняльного аналізу процедур із ВЗЗ, враховуючи більш поширену характеристику стану каналів для передачі цифрової інформації, яка є функцією інтенсивності завад, − ймовірність спотворення символу .

Відомо [2], що ця характеристика в точці приймання є функцією співвідношення сигнал / шум та методу модуляції сигналу – амплітудної, фазової чи частотної, застосованого в каналі. Саме завдяки цьому визначення ймовірності спотворення символу   – технічно більш проста задача.

Для здійснення переходу між зазначеними характеристиками стану слід скористатися відомими [1] співвідношеннями. Вони дають оцінку кількості спотворень , що припадають на одне повідомлення (базове кодове слово (БКС), пакет, блок)  із загальною кількістю символів :

.

Також з цих співвідношень можна визначити оцінку кількості спотворень , що припадають на часовий інтервал тривалістю , тобто на час, який необхідно витратити для передавання одного БКС:

.

Тут: – загальна кількість символів (елементів) БКС;  – швидкість посимвольного передавання елементів повідомлень (технічна швидкість передачі, символи / с).

Змінні в обох виразах ліворуч – , з чого випливає рівність їх правих частин:

.

Отже, інтенсивність завад для каналу із визначеними технічною швидкістю передачі інформації  та співвідношенням сигнал / шум можна записати як .

Зрозуміло, що з метою отримання достовірної інформації слід враховувати, у будь-якому випадку, витрати часу для контролю, а в разі виявлення наявності спотворень, то і для поновлення порушеної цілісності інформаційних об’єктів. Ці витрати зменшують швидкість обміну інформацією, збільшуючи час затримки в доставці повідомлень. Крім технічної швидкості передачі , тобто швидкості передачі будь-яких символів у відповідних каналах, незалежно від їх семантичного змісту та достовірності, споживача більш цікавить швидкість передачі суто інформаційних символів достовірної інформації – абсолютна швидкість інформаційного обміну, яку будемо позначати через .

Порівняння протоколів за швидкістю передачі. Нехай передача інформації здійснюється у вигляді пакетів,  контроль її цілісності здійснюється після приймання пакету, а потік завад  (і, як наслідок, спотворень) на інформаційні об’єкти  – найпростіший. Тоді, з урахуванням останнього припущення, можна уважати, що кількість спотворень на інтервалі передачі повідомлення  підпорядковано закону Пуассона, коли ймовірність виникнення рівно  подій розраховуватиметься із  виразу

 ,

де:  – часова тривалість повідомлення, - інтенсивність завад.

Припустимо, кожний інформаційний блок (пакет) складається з  елементів, із яких  – власне інформаційні, – службові (контрольні ознаки, заголовки тощо). Для приймання такого пакету довжиною  елементів знадобиться час . При виявлені помилки на передаючий бік видається сигнал перезапиту (квитанція) для повторної передачі, яка відбудеться через так званий час очікування . Тут:  - час розповсюдження сигналу від передавача до приймача й у зворотному напрямку у відповідному середовищі (різноманітні типи кабелів або вільний простір), такий що , де   - довжина лінії зв’язку,   - швидкість передачі сигналу у відповідному середовищі розповсюдження;  - час, необхідний для передачі інформаційного пакету, ;  - час формування і видачі квитанції;  - час пошуку наявності спотворення (декодування) отриманого пакету;  - час, необхідний для приймання квитанції,  такий що ;  - час, необхідний для аналізу квитанції.

При організації процесу обміну інформацією з використанням ВЗЗ з потоковою (безперервною) передачею слід врахувати, що передавання інформаційних блоків здійснюється на приймальний бік із одночасним їх записом у накопичувач. Необхідна ємності запам’ятовуючого пристрою є такою, що . Це передавання триває поки з приймального боку не надійде сигнал про наявність спотворень у прийнятих повідомленнях. При цьому на приймальному боці здійснюється стирання, а передавач забезпечує повторну передачу усіх  повідомлень (пакетів, блоків).

Для визначення швидкості передачі врахуємо, що можливість чергового перезапиту настане, у середньому, через часовий інтервал , за який буде передано  інформаційних повідомлень, оскільки передача одного блоку здійснюється за одиниць часу.

У запам’ятовуючому пристрої приймача, при необхідності перезапиту, повідомлення у кількості, що дорівнює ємності накопичувача (запам’ятовуючого пристрою) –  видаляються, а передавач дублює їхню передачу. Враховуючи необхідність ємності запам’ятовуючого пристрою, такої що , час повторної передачі складе .

Отже, час для передачі   повідомлень та  повторень становитиме не менше ніж:

Зрозуміло, якщо за такий час передаватиметься  власне інформаційних символів, то швидкість передачі суто інформаційних символів на цьому інтервалі часу дорівнюватиме:

,

або

.

Назвемо цю швидкість передачі суто інформаційних символів абсолютною швидкістю передачі.

За умов відсутності завад у каналі зв’язку, тобто при , абсолютна швидкість передачі дорівнюватиме , а при , ця величина становитиме .

Визначення абсолютної швидкості при організації передачі інформації за допомогою протоколів з використанням ВЗЗ селективного повторення (з адресним перезапитом) ґрунтується на наступних розрахунках.

Для оцінки відносної швидкості передачі врахуємо, що передавання інформаційних блоків здійснюється як і при використанні ВЗЗ з потоковою (безперервною) передачею з тією відмінністю, що  при наявності сигналу щодо спотворень у прийнятих повідомленнях здійснюється стирання і повторне передавання лише одного спотвореного повідомлення. Тоді час повторної передачі складе .

Отже, час для передачі   повідомлень та одного повторення складе:

Оскільки за такий час передаватиметься  власне інформаційних символів, то швидкість передачі суто інформаційних символів на цьому інтервалі часу дорівнюватиме:

,

або:

.

За умов відсутності завад у каналі зв’язку, тобто при , абсолютна швидкість передачі дорівнюватиме , а при , ця величина становитиме , тобто зменшується удвічі.

Залежності абсолютної швидкості передачі  від імовірності спотворень  подано  на рис. 1, з якого видно, що протоколи організації обміну із  ВЗЗ з адресним перезапитом за  абсолютною швидкістю передачі є більш ефективними, ніж протоколи з потоковим методом .

Рис. 1. Залежності абсолютної швидкості від імовірності спотворень: 1 - ВЗЗ із адресним перезапитом; 2 –  ВЗЗ із послідовною передачею

Таким чином, за абсолютною швидкістю інформаційного обміну протоколи із застосуванням вирішуючого зворотного зв’язку з адресним перезапитом є ефективнішими  за протоколи з потоковим методом передавання.

Список літератури

1.  Матов О.А., Василенко В.С., Будько М.М. Аналіз протоколів обміну інформацією у телекомунікаційних системах.// К.: Реєстрація, зберігання і обробка даних. - 2004. - № 4, том 6. с. 82 – 93.

 2. Матов О.А., Василенко В.С. Порівняльний аналіз процедур обміну інформацією в телекомунікаційних системах.// К.: Реєстрація, зберігання і обробка даних. - 2005. - № 4, том 6. с. 85 – 98.