Проектирование компьютерных сетей

_____________________________________________________

к курсовому проекту

по курсу: «Проектирование компьютерных сетей»

Тема проекта: «Проектирование распределенной информационно-вычислительной сети для заданной зоны проектирования»

разработала: Головко О.Н. студентка гр. ВД-39

проверил: доцент Поленов М.Ю.

Таганрог

2001

1. ЦЕЛЬ КУРСОВОГО ПРОЕКТА. ОБЩЕЕ ТЕХНИЧЕСКОЕ ЗАДАНИЕ
2. ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ КУРСОВОГО ПРОЕКТА
1. Основные теоретические положения и общая методика проектирования РИВС
2. Метод коммутации пакетов – вариант виртуального канала
3. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ КУРСОВОГО ПРОЕКТА. РЕЗУЛЬТАТЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ РИВС
1. Анализ технического задания на проектирование РИВС. Проектирование региональных вертикальных сетей
2. Проектирование межрегиональной горизонтальной сети
3. Карта РИВС
4. РАЗРАБОТКА ПРОГРАММНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ И ЭЛЕМЕНТОВ МОДЕЛИРОВАНИЯ, ПОДДЕРЖИВАЮЩИХ ПРОЕКТИРОВАНИЕ РИВС
5. ВЫВОД
6. ПРИЛОЖЕНИЕ 1

1. ЦЕЛЬ КУРСОВОГО ПРОЕКТА. ОБЩЕЕ ТЕХНИЧЕСКОЕ ЗАДАНИЕ

Целью данного курсового проекта является приобретение практических навыков в проектировании компьютерных сетей различного масштаба и определении их основных параметров.

Фамилия: Golovko Группа: ВЗ-63

Произвести синтез СПД с вертикальными связями для 11 регионов:

Синтезировать СПД c горизонтальными связями для городов,

полученных в результате выполнения предыдущих этапов.

Топология проектируемой сети: ОПТИМАЛЬНАЯ

Критерий синтеза СПД для минимизации: общая стоимость сети

2. ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ КУРСОВОГО ПРОЕКТА

2.1. ОБЩАЯ МЕТОДИКА ПРОЕКТИРОВАНИЯ РИВС

Для проектирования РИВС вначале необходимо произвести ее топологический синтез, а именно: определить число узлов сети и способы их связи между собой и источниками информации, параметры и места размещения каналов связи, концентраторов данных и т.п. Синтез топологической структуры крупномасштабных РИВС сопряжен с рядом проблем, связанных с ограниченными возможностями используемой вычислительной техники, большими размерностями характеристик потоков информации, координат оконечных пунктов сети, многоэкстремальностью решаемой задачи, несовершенностью используемых методов оптимизации. Перечисленные проблемы вызывают необходимость использования декомпозиционного подхода, позволяющего свести решение сложной задачи к ряду более простых. В практике проектирования общая задача синтеза топологической структуры сети разбивается на ряд подзадач. Решение этих задач, в совокупности составляющих общую задачу синтеза осуществляется с помощью эвристических методов.

Для организации целенаправленного топологического синтеза РИВС используется 3х уровневая архитектура и 3 уровня проектирования:

• «вертикальный», на котором проектируется региональные вертикальные СПД;
• «вертикально-горизонтальный», на котором проектируются вертикально-горизонтальные СПД;
• «горизонтальный», на котором проектируется горизонтальная СПД.

В соответствии с используемыми уровнями выделяют следующие этапы проектирования.

1й этап. Все исходное множество городов-узлов, подлежащих объединению в единую РИВС подвергаются процедуре регионально-территориальной декомпозиции, в результате которой определяется совокупность регионов, входящих в проектируемую сеть. Процесс декомпозиции осуществляется на основе анализа матрицы расстояний и трафиков. Результатом данного этапа является совокупность регионов и множества городов, входящих в каждый регион.

2й этап. Производится определение статуса каждого региона путем анализа матрицы тяготения передачи информации для входящих в него городов.

3й этап. Первоначально для каждого полученного региона выбирается звездообразная топология в качестве начальной. Затем для всех регионов решаются соответствующие задачи.

4й этап. Решается задача горизонтального синтеза – проектируется горизонтальная СПД. В качестве исходных данных для нее выступают узлы-центры вертикальных и вертикально-горизонтальных СПД, определенных на предыдущем этапе. Результатом является топологическая структура горизонтальной СПД.

5й этап. Объединение результатов предыдущих этапов в результате чего синтезируется общая топологическая структура РИВС.

6й этап. Определение основных интегральных характеристик результирующей сети и формирование таблиц маршрутизации для передачи сообщений.

2.2. МЕТОД КОММУТАЦИИ ПАКЕТОВ – ВАРИАНТ ВИРТУАЛЬНОГО КАНАЛА.

Сети с коммутацией пакетов были разработаны правительством США в 70-е годы для обеспечения надежной цифровой передачи данных по телефонным линиям. Коммутация пакетов представляет собой метод доставки сообщений, при котором данные помещаются в небольших пакетах. Пакеты могут передаваться в место назначения по различным маршрутам сети коммутации пакетов. Разные пакеты сообщения могут иметь различные маршруты. В маршрутизации трафика важно достичь наилучшего маршрута и скорейшей доставки. Коммутация пакетов обеспечивает наилучший способ совместного использования коммуникационных линий для передачи пакетов данных. Сети коммутации пакетов предлагают такие фирмы как AT&T, Tymenet, Telnet, CompuServe, GE, Sprint и Infonet Services. Некоторые компании предлагают международные услуги. Телефонные компании часто имеют свои средства коммутации пакетов, которые вы можете использовать для объединения локальных сетей. Подобные линии являются виртуальными. Как уже говорилось, виртуальная линия выглядит для пользователя как выделенная линия, связывающая системы. Реально передача осуществляется путем разбиения информации на пакеты и передачи ее по высокоскоростной линии наряду с другими пакетами. На приемном конце ваши пакеты отделяются от других пакетов, принадлежащих другим пользователям, реассемблируются и обрабатываются. Сеть коммутации пакетов обычно имеет много узлов и обеспечивает альтернативные и резервные маршруты. Для доставки пакетов используется два метода: старый, X.25, обеспечивающий высокий уровень проверки на ошибки, и новый, метод переключения окна, использующий современные более надежные цифровые телефонные системы. Он позволяет уменьшить объем проверки ошибок и увеличить пропускную способность.

Коммутация пакетов производится путем разбивки сообщения на пакеты, которые представляют собой элементы сообщений, но снабженные заголовком и имеющие фиксированную и постоянную длину. Пакеты, также как и сообщения, передаются по маршруту от начального абонента к конечному. Разница заключается в том, что сообщение передается не целиком, а отдельными пакетами. На практике оказалось, что время доставки одного сообщения по способу коммутации пакетов является наименьшим. Исключение составляет тот случай, когда скоммутируемый канал используется длительное время для передачи последовательности сообщений, поэтому в вычислительных сетях способ коммутации пакетов является основным. Во многих случаях этот способ является наиболее эффективным. Во-первых, ускоряется передача данных в сетях сложной конфигурации за счет того, что возможна параллельная передача пакетов одного сообщения на разных участках сети; во-вторых, при появлении ошибки требуется повторная передача короткого пакета, а не всего длинного сообщения. Кроме того, ограничение сверху на размер пакета позволяет обойтись меньшим объемом буферной памяти в промежуточных узлах на маршрутах передачи данных в сети.

Коммутация пакетов отличается от коммутации каналов тем, что передача данных происходит по виртуальным каналам. По запросу в сети общего пользования происходит выделение определенной полосы. Между двумя пунктами, обменивающимися данными через сеть с пакетной коммутацией, нет прямой физической связи. В виртуальном канале на каждый вызов устанавливается определенный маршрут и все пакеты данного сеанса проходят через сеть по этому маршруту. Передаваемые данные разбиваются на короткие пакеты, которые затем передаются по сети. В месте назначения эти пакеты вновь собираются в исходном формате.

Вот некоторые преимущества коммутации пакетов:

• более высокая эффективность каналов связи, так как длинные транспортные каналы динамически распределяются между многими вызовами и пользователями;
• Эффективное управление нагрузкой - буферизация в сети дает возможность выдерживать временные пики нагрузки без блокирования;
• Преобразование скорости передачи данных - обмен данными может протекать между пользователями, работающими с разными скоростями передач;
• Уменьшение затрат за счет того, что сетевые ресурсы распределяются между большим количеством пользователей

В свою очередь при использовании коммутации пакетов применяется 2 способа передачи данных: дейтаграммный и виртуальный.

При виртуальном способе передача данных происходит в виде последовательностей, связанных в цепочки пакетов, естественном порядке по устанавливаемому маршруту. При этом в отличие от коммутации каналов линии связи могут разделяться многими сообщениями, когда попеременно по каналу передаются пакеты разных сообщений (это так называемый режим временного мультиплексирования, иначе TDM - Time Division Method), или задерживаться в промежуточных буферах. Предусматривается контроль правильности передачи данных путем посылки от получателя к отправителю подтверждающего сообщения - положительной квитанции. Этот контроль возможен как во всех промежуточных узлах маршрута, так и только в конечном узле. Он может осуществляться старт-стопным способом, при котором отправитель до тех пор не передает следующий пакет, пока не получит подтверждения о правильной передаче предыдущего пакета, или способом передачи "в окне". Окно может включать N пакетов, и возможны задержки в получении подтверждений на протяжении окна. Так, если произошла ошибка при передаче, т.е. отправитель получает отрицательную квитанцию относительно пакета с номером K, то нужна повторная передача и она начинается с пакета K

Например, в сетях можно использовать переменный размер окна. Так, в соответствии с рекомендацией документа RFC-793 время ожидания подтверждений вычисляется по формуле

T ож = 2*Tср, где Tср := 0,9*Tср + 0,1*Ti,

Tср - усредненное значение времени прохода пакета до получателя и обратно,

Ti - результат очередного измерения этого времени.

Основное свойство виртуального канала - это сохранение порядка поступления пакетов. Это означает, что отсутствие одного пакета в пункте назначения исключает возможность поступления всех следующих пакетов. Организация виртуального канала между двумя пользователями равносильно выделению им дуплексного канала связи, по которому данные передаются в их естественной последовательности. Виртуальный канал сохраняет все преимущества способа - “коммутация пакетов” в отношении скорости передачи данных и мультиплексирования, но добавляет к ним еще одно свойство, а именно - сохраняет естественную последовательность данных.

Виртуальный канал - логическое, протокольно-независимое соединение, устанавливаемое в сети пакетной коммутации по протоколу Frame Relay, между двумя оконечными устройствами, обеспечивающими пользовательский интерфейс Ethernet по стандарту 10BaseT и характеризующееся следующими параметрами:

1. пропускная способность;
2. среда передачи на абонентской субмагистрали.

Пользовательский интерфейс Ethernet образуется на выходе маршрутизатора Cisco 1601, подключенного к выделенному каналу с соответствующей пропускной способностью к центру пакетной коммутации по стыку V.35.

Виртуальные каналы могут использоваться для соединения территориально разнесенных объектов как по схеме точка - точка, так и по схеме мультиточка или звезда.

Виртуальные каналы сети пакетной коммутации, построенной на базе сети SDH и вторичной сети выделенных каналов. Эффективный способ соединения географически удаленных локальных вычислительных сетей. Frame Relay совместим со всеми протоколами, наиболее часто используемыми в ЛВС (TCP, Novell IPX, DECNET или NETBIOS). Этот протокол обеспечивает эффективную работу по каналам связи высокого качества. Позволяет эффективно передавать неравномерно распределенный по времени трафик. Обеспечивает малое время задержки при передаче информации через сеть. В отличие от вторичной сети выделенных каналов, для организации нового соединения нет необходимости устанавливать дополнительную аппаратуру. В стоимость услуги также входит установка модема для оптической или медной линии и маршрутизатора с портом 10-BaseT для подключения локальной сети клиента

При централизованной маршрутизация в сети виртуальных каналов отправитель в адресат устанавливают виртуальный канал и маршрут между ними фиксируется на время сеанса связи. Решение об изменении маршрута между данной парой отправитель-адресат может приниматься только до начала сеанса связи.

Непосредственной причиной перегрузок в сети связи является чрезмерная загруженность каналов связи. Поэтому заполняются буфера сетевых процессов (СП) в узлах, возникают блокировки. Было предложено использовать измеренную интенсивность потоков в каналах в качестве основного параметра системы управления потоками, которая объединяет функции маршрутизации пакетов и ограничения нагрузки в сети связи. В этом случае для каждого канала устанавливают пороговые значения интенсивности потоков и различают несколько состояний каналов, например:

1. нормальное, когда интенсивность потока в канале не превосходит 70% теоретически возможной;
2. предупреждающее - 70-80%;
3. тревожное - более 80%.

Узлы сети обмениваются маршрутными таблицами, отражающими состояния каналов для каждого узла-адресата, что позволяет в каждом узле принимать решения по управлению потоками в зависимости от состояний канатов. Возможны различные варианты таких алгоритмов управления потоками. Например, когда в узле выходящий канал выбранного маршрута находится в предупреждающем состоянии, то пакет ставится в очередь к этому каналу, как при нормальных условиях, а отправителю посылается блокирующее сообщение, предписывающее ограничить поток. Если канал находится в тревожном состоянии, то пакет отбрасывается.

1. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ КУРСОВОГО ПРОЕКТА. РЕЗУЛЬТАТЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ РИВС.

Проектирование распределенной вычислительной сети для региональных вертикальных связей проводилось в 11 регионах. Каждый регион был оптимизирован в соответствии с заданием в программе NET-PRO. При детализации этапа проектирования вертикальной сети передачи данных использовались все вертикальные регионы, а при горизонтальной сети передачи данных осуществлялся анализ всех возможных топологий. Главными критериями при проектировании были выбор оптимальной проектируемой топологии и с критерием оптимизации по общей стоимости сети, при этом максимальное время задержки составляет не более 14сек., а среднее время задержки не превышает 1сек. Это достигалось увеличением числа переприемов между абонентскими пунктами. В результате выяснилось, что самым оптимальной получается звездообразная структура, а самой не выгодной кольцевая, так как в ней даже не удалось избавиться от «плохих маршрутов».

Результаты синтеза сети передачи данных с вертикальными связями для региона 1

Полная стоимость СПД в сутки - 2974 рублей.

Центр СПД - Кадом.

Места размещения концентраторов:

Каналы связи между городами:

Результаты синтеза сети пеpедачи данных с веpтикальными связями для региона 2.

Полная стоимость СПД в сутки - 18569 pублей.

Центp СПД - Аян

Meста pазмещения концентpатоpов

Результаты синтеза сети пеpедачи данных с веpтикальными связями для региона 3

Полная стоимость СПД в сутки - 3873 pублей.

Центp СПД - Трубчевск

Meста pазмещения концентpатоpов

Ниже приводятся результаты синтеза сети пеpедачи данных с веpтикальными связями для остальных регионов.

Результаты синтеза сети пеpедачи данных с веpтикальными связями для региона 4

Полная стоимость СПД в сутки - 1688 pублей

Центp СПД - Екимовичи.

Meста pазмещения концентpатоpов

Каналы связи между городами

Результаты синтеза сети пеpедачи данных с веpтикальными связями для региона 5

Полная стоимость СПД в сутки - 615 pублей.

Центp СПД - Иванофранковск.

Meста pазмещения концентpатоpов

Каналы связи между городами

Полная стоимость СПД в сутки - 4323 pублей.

Meста pазмещения концентpатоpов

Каналы связи между городами

Результаты синтеза сети пеpедачи данных с веpтикальными связями для региона 7

Полная стоимость СПД в сутки - 1493 pублей.

Центp СПД - Ковель

Meста pазмещения концентpатоpов

Каналы связи между городами

Результаты синтеза сети пеpедачи данных с веpтикальными связями для региона 8

Полная стоимость СПД в сутки - 3259 pублей.

Центp СПД - Токмак.

Meста pазмещения концентpатоpов

Каналы связи между городами

Результаты синтеза сети пеpедачи данных с веpтикальными связями для региона 9.

Полная стоимость СПД в сутки - 9156 pублей

Meста pазмещения концентpатоpов

Каналы связи между городами

При проектировании горизонтальной сети я основывался на заданных критериях:

• тип проектируемой топологии: оптимальная;
• критерий оптимизации: общая стоимость сети;
• ограничения на проектирование:

14 секунд: - максимальное время задержки;

1 секунда: - среднее время задержки

Горизонтальный синтез проектируемой сети организуется как процесс синтеза одной из возможных топологий в соответствии с приведенными алгоритмами.

Для синтеза оптимальной кольцеобразной сети используется задача коммивояжера. Суть данной задачи заключается в том, что коммивояжер должен выехать из одного города, побывать во всех остальных по одному разу и вернуться обратно. Задача заключается в определении последовательности объезда городов, при котором коммивояжеру требуется проехать наименьшее суммарное расстояние, при этом предполагается, что расстояние до каждой пары городов известно. Рис.7.

Для синтеза оптимальной древовидной сети используется алгоритм Прима, который порождает минимальное связанное дерево. Рассматривается определенное множество городов, которые необходимо объединить. Рис. 8.

Задача синтеза оптимальной звездообразной сети по критерию минимальной стоимости заключается в переборе всех возможных вариантов звездообразных сетей и выборе варианта с минимальной стоимостью. Рис.9

• решить задачу коммивояжера, в результате которой будет получена минимальная связная кольцеобразная сеть;
• задать допустимое число переприемов в маршруте;
• решить задачу маршрутизации, если число «плохих» маршрутов равно нулю – то закончить;
• отсортировать неиспользованные дуги сети в порядке убывания их стоимостей;
• добавить очередную минимальную неиспользованную дугу в решение;
• решить задачу маршрутизации;
• если добавление данной дуги в решение привело к уменьшению количества «плохих» маршрутов, то оставить дугу в решении, иначе исключить эту дугу из решения;
• если число «плохих» маршрутов равно нулю, то закончить, иначе перейти к сортировке.

Результатом работы данного алгоритма является связанная сеть, любой маршрут в которой содержит не более заданного числа переприемов.

Рис. 10.

Рис.10. Топология «Распределенная»

Симбиозом будет являться совокупность топологий звезды, кольца, дерева и распределенной. При этом обеспечивается наибольшая эффективность. Рис.11.

Рис11. Топология «Симбиоз»

1. ВЫВОД

В данной курсовой работе согласно техническому заданию была спроектирована распределенная информационно-вычислительная сеть. Для этих целей использовался программно-инструментальный комплекс NET-PRO. Перед проектированием сначала был произведен топологический синтез, а именно, было определенно количество узлов сети и способы их связи между собой и источниками информации, а так же параметры и места размещения каналов связи, концентраторов и т.п.

Выбор структуры при проектировании основывался на том, чтобы обеспечить оптимальную топологическую структуру по всем критериям, хотя самым главным критерием оптимизации в моем курсовом проекте являлась стоимость сети.

Проектирование выполнялось в два этапа: проектирование региональных сетей передачи данных и проектирование горизонтальной сети передачи данных, которая объединяет отдельные региональные сети в одну единую. На последнем этапе была полученная конечная карта распределенной информационно-вычислительной сети, которая, представляет из себя симбиоз топологий, и которая является самой оптимальной по главному критерию общей стоимости сети и обеспечивает 100% эффективность по сравнению с остальными вариантами разработанных топологий.

ЛИТЕРАТУРА

1. Решетняк В.Н., Гузик В.Ф., Сидоренко В.Г. «Проектирование распределенных информационно-вычислительных систем.» Учеб. пособие. Таганрог: ТРТУ ,1996 год.

2. Ларионов А.М., Майоров С.А. Новиков Г.И. «Вычислительные комплексы , системы и сети». Ленинград Энергоатомиздат 1987 г

3. Стен Шатт под редакцией М.А. Мазина «Мир компьютерных сетей». Киев 1996 г.

1. Ю.А. Кулаков, Г.М. Луцкий. «Компьютерные сети». Киев «Юниор» 1998 г.
2. Д. Филлипс, А. Гарсия-Диас «Методы анализа сетей», М., Мир, 1984. 496 с.