4194

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ

УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ «ВОРОНЕЖСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ЛЕСОТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ ИМЕНИ Г.Ф. МОРОЗОВА»

Кафедра вычислительной техники и информационных систем

Инфокоммуникационные системы и сети

методические указания к лабораторным работам для студентов по специальности 09.05.01 – Применение и эксплуатация автоматизированных систем специального назначения (специализация - Автоматизированные системы обработки информации и управления специального назначения)

Воронеж 2017

УДК 004.77

Соловей Д.Е. Инфокоммуникационные системы и сети [Текст]: методические указания к лабораторным работам для студентов по специальности 09.05.01 – Применение и эксплуатация автоматизированных систем специального назначения (специализация Автоматизированные системы обработки информации и управления специального назначения) / Д.Е. Соловей; М-во образования и науки РФ, ФГБОУ ВО «ВГЛТУ им. Г.Ф. МОРОЗОВА». – Воронеж, 2017. – 27 с.

Методические указания разработаны в соответствии с решением кафедры вычислительной техники и информационных систем

Составитель: к.т.н., доцент каф. ВТ и ИС Д.Е. Соловей

Методические указания утверждены на заседании кафедры ВТ и ИС

04.10.2017 г., протокол № 4.

2

3

Введение

Использование информационных технологий (ИТ) становится повсеместной практикой в различных областях человеческой деятельности. Инфокоммуникационные системы и сети (ИКСС) являются базовыми составляющими современных ИТ. Поэтому выполнение лабораторного практикума по дисциплине «Инфокоммуникационные системы и сети» – один из важнейших этапов применения теоретических знаний о принципах построения инфокоммуникационных систем и сетей и освоения на практике умений и навыков проведения анализа и синтеза таких систем.

Методические указания предназначены для студентов специальности по направлению подготовки 09.05.01 – Применение и эксплуатация автоматизированных систем специального назначения (специализация Автоматизированные системы обработки информации и управления специального назначения). Выполнению каждой работы должно предшествовать ознакомление с ее теоретической частью, помещенной, как правило, в начале работы. Студентам надлежит вести рабочую тетрадь, в которой должны отражаться результаты и ход выполнения лабораторных задач, а также основные теоретические выкладки, используемые при этом.

Лабораторная работа выполняется студентами в соответствии с полученным заданием, выдаваемым каждому студенту индивидуально. Перед началом выполнения лабораторной работы студенту необходимо ознакомиться с материалами настоящих методических указаний и выполнить все упражнения, изложенные в материалах к лабораторной работы, а в процессе выполнения работы пользоваться любой доступной ему учебной, научной, технической литературой и другими источниками.

4

Лабораторная работа № 1

Тема занятия: Изучение разновидностей моделей топологии компьютерных сетей.

Входе выполнения лабораторной работы студент должен:

1.Ознакомиться с базовыми моделями сетевых топологий компьютерных сетей.

2.Получить представление о категориях сетевых топологий.

3.Оценить достоинства и недостатки базовых моделей сетевых топологий.

Общие сведения

Инфокоммуникационные системы и сети представляют собой сложные программно-технические комплексы, реализованные на основе разнообразных математических моделей и алгоритмов. Топология является одной из математических моделей, на которой базируются реализации современных сетевых протоколов различных уровней как эталонной модели взаимодействия открытых систем OSI, так и стека протоколов TCP/IP.

В общем случае сетевая топология представляет собой граф, вершинами которого являются узлы сети (компьютеры, принтеры, другие сетевые устройства, подключенные к сети), а рѐбрами каналы связи между узлами.

При этом различают следующие категории сетевых топологий:

1). физическая - схема расположения узлов и организация каналов связи между ними;

2). логическая - структура связей, характер распространения сигналов по сети;

3). информационная - направление потоков информации, передающейся по сети;

4). управления обменом - принцип и последовательность передачи права на обмен данными по сети между отдельными компьютерами.

Сетевые протоколы на своих различных уровнях реализации (речь идѐт об уровнях эталонной модели взаимодействия открытых систем OSI) могут быть основаны на различных моделях сетевых топологий. Например, современные реализации протокола Ethernet на физическом уровне основаны на сетевой топологии «звезда», центральным узлом которой выcтупает концентратор или другое активное сетевое устройство, а на канальном уровне протокол Ethernet представляется сетевой топологией «общая шина», в которой тот же самый концентратор уже является общей шиной, т.е является средой, обеспечивающей обмен данными между узлами сети.

От выбора топологии связей зависят многие характеристики сети. Например, наличие между узлами нескольких путей повышает надежность сети и делает возможной балансировку загрузки отдельных каналов.

5

Простота присоединения новых узлов, свойственная некоторым топологиям, делает сеть легко расширяемой. Экономические соображения часто приводят к выбору топологий, для которых характерна минимальная суммарная длина линий связи.

Среди множества возможных конфигураций различают полносвязные и неполносвязные:

Рисунок 1.1

Полносвязная топология (рис. 1.2) соответствует сети, в которой каждый компьютер непосредственно связан со всеми остальными. Несмотря на логическую простоту, это вариант громоздкий и неэффективный. Действительно, каждый компьютер в сети должен иметь большое количество коммуникационных портов, достаточное для связи с каждым из остальных компьютеров. Для каждой пары компьютеров должна быть выделена отдельная физическая линия связи. (В некоторых случаях даже две, если невозможно использование этой линии для двусторонней передачи.) Полносвязные топологии в крупных сетях применяются редко, так как для связи N узлов требуется N(N-1)/2 физических дуплексных линий связи, т.е. имеет место квадратичная зависимость. Чаще этот вид топологии используется в многомашинных комплексах или в сетях, объединяющих небольшое количество компьютеров, например в дата-центрах для объединения ограниченного количества серверов.

Рисунок 1.2

6

Большинство компьютерных сетей общего назначения строятся на основе трех основных топологий: общая шина (bus); звезда (star); кольцо

(ring).

В ходе лабораторной работы, используя ресурсы глобальной сети Интернет, студенту необходимо провести обзор трѐх этих базовых топологий, оценить достоинства и недостатки каждой из них и указать сетевые протоколы, реализующие эти базовые модели топологий как на физическом, так и на канальном уровнях.

Упражнения

1.Нарисовать графы каждой из базовых сетевых топологий и дать определения этих моделей сетевых топологий.

2.К каждой из трѐх моделей топологии написать не менее четырѐх достоинств и недостатков соответственно.

3.Для каждой модели топологии написать протоколы канального уровня.

Вопросы для самопроверки

1.Что собой представляет сетевая топология?

2.Какие бывают категории сетевых топологий?

3.Опишите возможные конфигурации базовых топологических моделей.

4.Опишите достоинства и недостатки, а также область применения полносвязных топологических моделей.

Лабораторная работа № 2

Тема занятия: Расчѐт характеристик СМО.

В ходе выполнения лабораторной работы студент должен:

1.Ознакомиться с основными компонентами СМО.

2.Знать основные определения теории СМО.

3.Научиться формулировать выводы по результатам проведенных расчетов о характеристиках СМО.

4.Иметь представление об информации, выводимой соответствующей командой, и уметь объяснить эту информацию.

Основные понятия и определения теории систем массового обслуживания

В качестве одной из компонент теоретической базы, лежащей в основе практической реализации компьютерных сетей, используется теория систем массового обслуживания (СМО).

Любая СМО представляет собой некоторое число обслуживающих единиц, называемых каналами обслуживания (также используется термины «автомат» или «прибор»). В качестве «каналов» используются: линии связи, сетевые устройства, серверы, программы и т. д.

7

Система массового обслуживания – это концептуальная модель,

основными компонентами которой являются источники заявок, заявки, каналы, очереди и дисциплины обслуживания.

Источник заявок (требований) - это структурная компонента СМО, предназначенная для генерирования заявок.

Заявка - это сигнал, генерируемый источником и содержащий информацию о необходимости выполнения определенной работы. Процесс выполнения этой работы называется обслуживанием заявки.

Последовательность заявок, формируемая источниками заявок и поступающая на вход системы, называется потоком событий.

Канал (прибор, автомат) - это структурная компонента СМО, предназначенная для обслуживания заявок.

Очередь - это структурная компонента СМО, предназначенная для временного хранения заявок перед выполнением их обслуживания.

Дисциплина обслуживания представляет собой механизм выбора заявок из общей очереди или раздольных очередей.

Каждая СМО предназначена для обслуживания (выполнения) какого-то потока заявок (или «требований»), поступающих на СМО в какие-то, вообще говоря, случайные моменты времени. Обслуживание поступившей заявки продолжается некоторое (вообще говоря, случайное) время, после чего канал освобождается и готов к принятию следующей заявки. Случайный характер потока заявок приводит к тому, что в какие-то промежутки времени на входе СМО скапливается излишне большое число заявок (они либо образуют очередь, либо покидают СМО необслуженными); в другие же периоды СМО будет работать с недогрузкой или вообще простаивать.

Каждая СМО, в зависимости от числа каналов и их производительности, а также от характера потока заявок, обладает какой-то пропускной способностью, позволяющей ей более или менее успешно справляться с потоком заявок.

Предмет теории массового обслуживания — установление зависимости между характером потока заявок, числом каналов, их производительностью, правилами работы СМО и успешностью (эффективностью) обслуживания.

В качестве характеристик эффективности обслуживания, в зависимости от условий задачи и целей исследования, применяются различные величины

ифункции, такие как:

—среднее количество заявок, которое может обслужить СМО в единицу времени;

—средний процент заявок, получающих отказ и покидающих СМО необслуженными;

—среднее время ожидания в очереди;

—закон распределения времени ожидания;

—среднее количество заявок, находящихся в очереди;

—закон распределения числа заявок в очереди и т. д.

8

некоторые заявки обслуживаются в первую очередь, предпочтительно перед другими. В этом случае используют термин «дисциплина обслуживания»

Системы с очередью делятся на системы с неограниченным ожиданием и системы с ограниченным ожиданием.

Всистемах с неограниченным ожиданием каждая заявка, поступившая

вмомент, когда нет свободных каналов, становится в очередь и ожидает освобождения канала (прибора), который примет ее к обслуживанию. Любая заявка, поступившая в СМО, рано или поздно будет обслужена.

Всистемах с ограниченным ожиданием на пребывание заявки в очереди накладываются те или другие ограничения. Эти ограничения могут касаться длины очереди (числа заявок, одновременно находящихся в очереди), времени пребывания заявки в очереди (после какого-то срока пребывания в очереди заявка покидает очередь и уходит), общего времени пребывания заявки в СМО и т. д.

Взависимости от типа СМО, при оценке ее эффективности могут применяться те или другие величины (показатели эффективности). Например, для СМО с отказами одной из важнейших характеристик ее продуктивности является так называемая абсолютная пропускная способность — среднее число заявок, которое может обслужить система за единицу времени.

Наряду с абсолютной, часто рассматривается относительная пропускная способность СМО — средняя доля поступивших заявок, обслуживаемая системой (отношение среднего числа заявок, обслуживаемых системой в единицу времени, к среднему числу поступающих за это время заявок).

Помимо абсолютной и относительной пропускной способностей, при анализе СМО с отказами нас могут, в зависимости от задачи исследования, интересовать и другие характеристики, например:

— среднее число занятых каналов,

— среднее относительное время простоя системы в целом и отдельного канала и т. д.

Для СМО с неограниченным ожиданием как абсолютная, так и относительная пропускная способность теряют смысл, так как каждая поступившая заявка рано или поздно будет обслужена. Зато для такой СМО весьма важными характеристиками являются:

— среднее число заявок в очереди,

— среднее число заявок в системе (в очереди и под обслуживанием),

— среднее время ожидания заявки в очереди,

— среднее время пребывания заявки в системе (в очереди и под обслуживанием),

— и другие характеристики ожидания.

Для СМО с ограниченным ожиданием интерес представляют обе группы характеристик: как абсолютная и относительная пропускная способности, так и характеристики ожидания.

10