Проектирование мультисервисной сети Ethernet

Введение

Компьютерная сеть — это совокупность различного оборудования по обработке и передаче данных, которое требует обеспечения совместимости на всех уровнях взаимодействия.

В компьютерных сетях идеологической основой стандартизации является многоуровневый подход к разработке средств сетевого взаимодействия. Именно на основе этого подхода была разработана стандартная семиуровневая модель взаимодействия открытых систем Формализованные правила, определяющие взаимодействие каждого уровня с вышележащим и нижележащим называется протоколом.

В 80-х годах Международной организацией стандартов ISO (International Standarts Organization) была предложена модель OSI. С тех пор ее используют все производители сетевых продуктов. Все сетевые функции в модели разделены на 7 уровней: физический, канальный, сетевой, транспортный, сеансовый, представительный и прикладной.

Важно отметить, что в последние годы наблюдается тенденция к сближению и взаимопроникновению друг в друга технологий локальных и глобальных сетей. В связи с этим большое внимание стало уделяться вопросам обеспечения защиты информации в локальных сетях.

Локальные сети Под локальной сетью (ЛВС, LAN) обычно подразумевают объединение компьютеров, расположенных в ограниченном пространстве. Локальные сети можно объединять в более крупные сети, такие как CAN (группа зданий), MAN (город), WAN (широкомасштабная сеть), GAN (глобальная сеть).

Наиболее важной областью применения локальных сетей в настоящее время является передача цифровых данных, некоторые методы могут быть распространены на передачу речевой, текстовой и видеоинформации.

Скорость передачи (битовая скорость передачи) — максимальное число бит, которые могут быть переданы между двумя узлами сети в единицу времени.

Топология — это описание физических соединений в сети, указывающее какие рабочие станции могут связываться между собой. В зависимости от топологии сети используется тот или иной метод доступа.

Метод доступа — это способ определения того, какая из рабочих станций сможет следующей использовать канал связи и как управлять доступом к каналу связи (кабелю). В существующих ЛВС различают два вида доступа к среде: детерминированные и случайные методы доступа.

Современные технологии локальных сетей Локальная сеть — это не просто набор кабелей, по которым от одного устройства к другому передается информация.

Компьютеры могут соединяться между собой, используя различные среды доступа: медные проводники (витая пара), оптические проводники (оптоволоконные кабели) и через радиоканал (беспроводные технологии). Проводные связи устанавливаются через Ethernet, беспроводные — через Wi-Fi, Bluetooth, GPRS и прочие средства. Отдельная локальная вычислительная сеть может иметь шлюзы с другими локальными сетями, а также быть частью глобальной вычислительной сети (например, Internet) или иметь подключение к ней.

Для построения простой локальной сети используются маршрутизаторы, коммутаторы, точки беспроводного доступа, беспроводные маршрутизаторы, модемы и сетевые адаптеры. Реже используются преобразователи (конвертеры) среды, усилители сигнала (повторители разного рода) и специальные антенны.

Методы доступа в ЛВС Характерной особенностью множества ЛВС является коллективное использование моноканала. При передаче одновременно от двух и более станций происходит наложение пакетов, что приводит к их искажению и необходимости повторной передачи. Возникает задача множественного доступа к моноканалу. Наиболее распространенным методом доступа является группа алгоритмов CSMA/CD, обеспечивающая эффективное обнаружение и устранение конфликтов и отличающаяся простотой схемных решений. В этой группе можно выделить следующие способы: ненастойчивые, настойчивые и приоритетные.

Методы управления обменом делятся на две группы:

* Централизованные методы, при которых все управление сосредоточенно в одном месте. Недостатки таких методов: неустойчивость к отказам центра, малая гибкость управления. Достоинство — отсутствие конфликтов.

* Децентрализованные методы, при которых отсутствует центр управления. Главные достоинства таких методов: высокая устойчивость к отказам и большая гибкость. Однако возможны конфликты, которые надо разрешать.

Существует и другое деление методов управления обменом, относящееся, главным образом, к децентрализованным методам:

* Детерминированные методы определяют четкие правила, по которым чередуются захватывающие сеть абоненты. Абоненты имеют ту или иную систему приоритетов, причем приоритеты эти различны для всех абонентов. При этом, как правило, конфликты полностью исключены (или маловероятны), но некоторые абоненты могут дожидаться своей очереди слишком долго. К детерминированным методам относятся, например, маркерный доступ, при котором право передачи передается по эстафете от абонента к абоненту, тактируемый доступ, доступ по приоритету запросов.

* Случайные методы подразумевают случайное чередование передающих абонентов. В этом случае возможность конфликтов подразумевается, но предлагаются способы их разрешения. Случайные методы работают хуже, чем детерминированные, при больших информационных потоках в сети (при большом трафике сети) и не гарантируют абоненту величину времени доступа (это интервал между возникновением желания передавать и получением возможности передать свой пакет). Пример случайного метода — CSMA/CD.

Метод доступа разделения времени. Сущность метода заключается в том, что в сети имеется устройство, выполняющие функции диспетчера. Его задачей является планирование времени распределения коллективно используемой физической среды.

Метод по приоритету запросов. Этот метод специально разработан для высокоскоростной сети AnyLAN и основан на том, что сеть состоит из интеллектуальных концентраторов, которые управляют доступом.

Метод «вставка регистра». Этот метод используется в кольцевых сетях. При реализации методов вставки регистра рабочая станция содержит регистр (буфер), подключаемый параллельно к кольцу. Абонент может начинать передачу в любой момент времени Маркерный метод. Метод передачи маркера широко используется в неприоритетных и приоритетных сетях с шинной, звездообразной и кольцевой топологией. Он относится к классу селективных методов: право на передачу данных станции получают в определенном порядке, задаваемом с помощью маркера, который представляет собой уникальную последовательность бит информации (уникальный кадр). Причем в сети обязательно должен быть компьютер, который следит за состоянием маркера. Магистральные сети, использующие этот метод, называются сетями типа «маркерная шина», а кольцевые сети — сетями типа «маркерное кольцо».

Тактируемый метод доступа. Основное отличие этого метода от маркерного состоит в том, что нескольким абонентам разрешена передача одновременно и в любой момент (при маркерном методе всегда передает только один абонент). Вместо одного маркера в сети используются несколько так называемых слотов (обычно от 2 до 8), которые выполняют, по сути, ту же самую функцию, что и маркер — функцию временных меток.

Множественный доступ с контролем несущей и обнаружением коллизий (МДКН/ОК). Идея метода состоит в том, чтобы уравнять в правах всех абонентов в любой возможной ситуации, то есть добиться, чтобы не было больших и малых фиксированных приоритетов. Для этого используются времена задержки, вычисляемые абонентом по определенному алгоритму. В этом методе доступа допускаются конфликты и предусмотрен механизм разрешения конфликтов — повторная передача через некоторое случайное время. Коллизия возникает в результате соперничества за канал.

Метод множественного доступа с контролем несущей и предотвращением коллизий (МДКН/ПК). Суть метода состоит в том, что после освобождения сети всеми желающими передавать абонентами передается не пакет, а специальный сигнал, контролируя который, они обнаруживают конфликты. То есть сталкиваются только эти сигналы, а не пакеты, искажения которых критичны. Каждая станция сети, в которой реализуется такой метод доступа, имеет дополнительное устройство — таймер или арбитр. Это устройство определяет, когда станция может вести передачу без опасности коллизий. Главная станция для управления использованием канала не предусматривается.

В сетях Ethernet используется метод коллективного доступа с опознаванием несущей и обнаружением коллизий (carrier-sense-multiply-access with collision detection, CSMA/CD) или МДКН/ОК.

Особенности эталонной модели ЛВС Комитет IEEE в проекте 802 модифицировал два нижних уровня эталонной модели ВОС, приспособив ее к задачам построения ЛВС.

Согласно модели IEEE уровень звена данных делится на два подуровня: управления логическим каналом и управления доступом к среде.

Верхний подуровень, который назван подуровнем LLC (Logical Link Control) осуществляет управление передачей информации.

Нижний подуровень назван стандартом подуровнем МАС (Medium Access control) реализует алгоритмы доступа к среде и адресацию станций. На этот подуровень возлагается функция совместного использования физической среды, определяющая основные особенности ЛВС.

Физический уровень обеспечивает сопряжение станций с физической средой, кодирование и декодирование сигналов, их буферизацию, поддерживает и восстанавливает битовую синхронизацию. Этот уровень делится на три подуровня: передача физических сигналов, интерфейс с устройством доступа и модуль доступа к среде или соединитель.

Расчет сети доступа на базе Fast Ethernet

В качестве примера организации доступа с использованием Fast Ethernet рассмотрим расчет компьютерной сети, содержащей две группы рабочих станций (КГ1 — КГ2), каждая из которых соединена посредством повторителей с коммутатором. Один из портов коммутатора через SHDSLмодем по выделенной линии подключен к сети доступа.

Рис. 1. Схема подключения сети Fast Ethernet

На рисунке 2 показана схема распределения потоков в сети Fast Ethernet, представленной на рисунке 1.

Рис. 2. Схема распределения потоков сети Fast Ethernet

Постановка задачи для курсового проекта Перечень принятых обозначений:

 — интенсивности потоков исходящих из компьютерной группы i или из модема.

; - интенсивность потоков, исходящих из i-й компьютерной группы в сторону j-й компьютерной группы или модема, соответственно.

— интенсивность потоков входящих в коммутатор, со стороны i-й компьютерной группы, или модема, соответственно.

— интенсивности потоков, исходящих от коммутатора в сторону i-ой компьютерной группы или модема, соответственно.

— интенсивности потоков; замыкающихся внутри модемной группы.

— интенсивность потоков, поступающих на общую шину i-го сегмента (сегмента, конфликтов, соединенного с i-ой компьютерной группой и соответствующих выходам коммутатора, при работе в полудуплексном режиме (i=1,2,3,М)).

li — длина наибольшей суммарной линии в i-ой группе (i=1,2,3,М)

— время распространения сигнала по линии li

— задержка в повторителе

— максимальная суммарная задержка в повторителе и в i-ой группе

— максимальная суммарная задержка сигналов в i-ой группе

— средняя длительность кадров по всем видам трафика для группы i

— суммарная интенсивность трафика в группе i

— вероятность того, что кадр принадлежит трафику, вида S.

— коэффициент дальнодействия для компьютерной группы i

— коэффициент загрузки средним трафиком участка сети группы i

— коэффициент пропускной способности группы i

— коэффициент использования группы i

— задержка в группе i

— задержка анализа в коммутаторе

— время обработки в коммутаторе трафика S

— дисперсия времени обработки трафика S в коммутаторе.

— коэффициент загрузки j-го выхода коммутатора

— коэффициент загрузки коммутатора с учетом приоритетов трафика

— время задержки в коммутаторе трафика, типа S, на выходе j-го канала.

— время ожидания в очереди трафика, типа S, на выходе j-го коммутатора (j=1,2,3,М)

— полное время задержки трафика, типа S, при его передаче от узла i к узлу j (j=1,2,3,М).

Задание на курсовой проект Для сети Fast Ethernet оценить возможность доступа в Интернет.

1. Определить для каждой компьютерной подгруппы среднее значение интенсивностей поступающих кадров типа S (S=a, v, d), результаты расчета свести в таблицу.

2. Рассчитать полное максимальное время задержки сигналов в каждой компьютерной группе и среднюю длительность трафика по всем видам.

3. Оценить полную задержку по каждому виду трафика. На основании полученных результатов сделать выводы. Результаты свести в таблицу.

Исходные данные Численность компьютеров в группах составляет = 40 =110.

Размеры соединительных линий, , ,

Параметры, характеризующие различные виды трафиков.

Порядок расчета

1. Определяем суммарное число компьютеров в сети

2. Число абонентов втой группе, обслуживающих трафик, типа S.

Для трафика типа a и d считаем =1, для трафика типа v считаем

=0,1

Таблица 1.

3. Определяем длительность кадров для различного типа трафика (с учетом протокольной избыточности).

4. Максимально возможная интенсивность передачи кадров от одного абонента

5. Определяем пачечность для различных типов трафика типа S.

6. Определяем значения средних интенсивностей поступления кадров от одного абонента

7. Определяем для каждой компьютерной подгруппы i среднее значение интенсивностей поступающих кадров типа S (S=a, v, d).

Таблица 2.

8. Согласно принятым значениям коэффициентов тяготения между входными интенсивностями трафика и интенсивностями трафика, поступающего из сети Fast Ethernet в сторону модема сети доступа (), определяем значение .

Таблица 3.

мультисервисная сеть ethernet

9. Согласно принятым значениям коэффициентов симметричностей определяем значения интенсивностей трафика, поступающего от модема в сторону каждой из компьютерных групп.

.

; ;;

Таблица 4.

10. Определяем значения коэффициентов тяготения бij между компьютерными группами.

Значения сводим в таблицу. Поскольку приняты равными 0,2, независимо от вида трафика, значения соответствующих коэффициентов для всех видов трафика получаются одинаковыми, а матрица коэффициентов несимметричной.

Таблица 5.

11.

12. Определяем интенсивности взаимных потоков между компьютерными группами.

Таблица 6.

13. Определяем интенсивности трафика, вида S, исходящего с выходов коммутатора к компьютерным группам Таблица 7.

14. Определяем интенсивности потоков, поступающих на общую шину сегмента i-ой компьютерной группы или сегмента, подключаемого к модему

(i, j=1,2).

Таблица 8. .

15. Расчет задержек в кабельных линиях производится, исходя из заданных длин линий:

Т.к. D= D=30 м, то

м =50 м м Задержка распространения сигнала в линиях Для кабеля UTP-5; для кабеля FTP; B=100 Мбит/c.

Задержка распространения сигнала в линии

Задержки в повторителях класса 2 составляют 92 бит. интервала (для повторителей кл. 2 (ТХ/FX)). B=100 Мбит/с

16. Задержка в повторителях i-ой компьютерной группы В рассматриваемом случае в каждой группе по 1 повторителю и

17. Полное максимальное время задержки сигналов в i-ой компьютерной группе

18. Определение времени распространения сигнала между двумя коммутаторами.

19. Определение средней длительности трафика по всем видам S. Для группы i (i=1,2,m)

(i=1,2,m), где

Обозначим:

;

Таблица 9.

Таблица 10.

20. Определяем коэффициенты дальнодействия для i-ой компьютерной группы и модема.

i=(1,2,m) S=(a, v, d).

Таблица 11.

21. Примем, что кодеки аудио и видео трафика формируют кадры постоянной длительности так, что

Примем также, что трафик данных, напротив, имеет кадры переменной длины с достаточно большим значением дисперсии. (Среднеквадратическое отклонение Коэффициент вариации

Дисперсия

Поскольку,, получим

(i=1,2,m). По известным значениям находим коэффициенты вариации длительности кадров для i-ой группы.

Таблица 12. и

22. Коэффициент загрузки участка сети, группы i определяется соотношением

23. Коэффициенты пропускной способности участков сети i

Коэффициенты использования участков сети Расчеты показывают, что сеть по всем компьютерным группам загружена незначительно.

24. Рассчитаем времена задержек доставки кадров в каждой из компьютерных групп, с учетом возникающих очередей и конфликтов.

Таблица 13. ,

Ввиду слабой загруженности сети, задержки незначительно превышают длительность кадра.

25. Для определения задержек в каналах коммутатора определим время обработки трафика в коммутаторе.

Время задержки и анализа коммутирующей матрицы не зависит от вида трафика и принято равным 10 мкс.

26. Коэффициенты вариации времени обработки трафика в каналах коммутатора

(S=a, v, d)

После подстановки значений, получили

27. Определяем коэффициенты загрузки j-го выхода коммутатора

(j=1,2,m; S=a, v, d)

Таблица 14.

28. Определим значения

Таблица 15.

29. Определим времена ожидания в очередях коммутатора для кадров трафика S, с учетом обслуживания, при относительном приоритете Время ожидания в очередях обозначим через (S=a, v, d).

; (S=a, v, d), (j=1,2,M)

; (S=a, v, d), (j=1,2,M)

; (S=a, v, d), (j=1,2,M)

Полученные соотношения определяют времена ожидания в очередях кадров на j-х выходах коммутатора.

Таблица 16.

Возникающие очереди и конфликты на участке незначительны и ими можно пренебречь. Следовательно, время задержки доставки кадров на данном участке

.

30. Время задержки кадра в коммутаторе определяется соотношением:

Таблица 17.

31. Полная задержка кадров от группы i к группе j

(i, j=1,2,m)

Учтем, что мкс, мкс,

.

Таблица 18.

Таблица 19.

Таблица 20.

Вывод: Проанализировав полученные значения, можно сказать, в связи с малой загрузкой сети наибольшие задержки незначительно отличаются друг от друга. При малой загрузке приоритетное обслуживание не дает существенного выигрыша.

Список используемой литературы

1. Методическое пособие для выполнения курсового проекта и дипломного проектирования. Составители: Лихтциндер Б. Я., Киреева Н. В., Буранова М. А.; Самара, 2009.

2. Лекционный материал