Казанский государственный технический университет им. А.Н.Туполева

____________________________________________________________

Кафедра Радиоэлектронных и телекоммуникационных систем

Методические указания к лабораторному практикуму учебной дисциплины

«ОСНОВЫ ПОСТРОЕНИЯ ТЕЛЕКОММУНИКАЦИОННЫХ СИСТЕМ и СЕТЕЙ»

Введение

Наибольшее распространение среди стандартных сетей получила сеть Ethernet. Она появилась в 1972 году (разработчиком выступила известная фирма Xerox). Сеть оказалась удачна, и поэтому ее поддержали крупнейшие фирмы – DEC и Intel (объединение этих трех фирм назвали DIX, по первым буквам их названия). Их стараниями в 1985 году сеть Ethernet стала международным стандартом. Стандарт получил название IEEE 802.3. Основные характеристики стандарта IEEE 802.3 следующие:

• топология – шина;

• среда передачи - коаксиальный кабель;

• скорость передачи – 10 Мбит/с;

• максимальная длина - 5 км;

• максимальное количество абонентов – до 1024;

• длина сегмента в сети – 500 м;

• количество абонентов на одном сегменте – до 100;

• метод доступа – МДКН/ОК;

• передача узкополосная (моноканал).

Сеть Ethernet сейчас наиболее популярная в мире (80% рынка), и нет сомнений, что таковой она останется в ближайшие годы.

В 1995 году появилась сеть Fast Ethernet (составная часть стандарта IEEE 802.3), представляющая более быструю версию стандартной сети Ethernet, со скоростью передачи 100 Мбит/с. В 1997 году предложен проект по сети Gigabit Ethernet со скоростью передачи 1 Гбит/с.

Целью проведения лабораторных работ является изучение сети Ethernet с помощью системы имитационного моделирования локальных вычислительных сетей СИМЛВС. Система разработана М.А.Кораблиным и Е.В.Симоновой (СГАУ).

Составители: Денисова Т.Б. и Крикунов Н.М.

Лабораторная работа №1 Имитационно моделирование сети Ethernet

Цель работы: Определение основных характеристик Ethernet с помощью системы имитационного моделирования локальных вычислительных сетей СИМЛВС.

Наибольшее распространение среди стандартных сетей получила сеть Ethernet. Для метода доступа Ethernet используется топология «общая шина». Поэтому сообщение, отправляемое одной рабочей станцией, принимается одновременно всеми остальными станциями, подключенными к общей шине. Та станция, которой предназначено сообщение, принимает его, а остальные игнорируют. Метод доступа Ethernet является методом множественного доступа с контролем несущей и обнаружением конфликтов (МДКН/ОК). Перед началом работы рабочая станция определяет, свободен канал или занят. Если канал свободен, то станция начинает передачу. Ethernet не исключает возможности одновременной передачи сообщений несколькими станциями. Аппаратура автоматически распознает такие конфликты. После обнаружения конфликта станции задерживают передачу на некоторое время. Это время небольшое и для каждой станции свое. После задержки передача возобновляется.

Аппаратура Ethernet состоит из кабеля, разъемов, коннекторов, терминаторов, репитеров, и сетевых адаптеров.

Кабель используется для передачи данных между рабочими станциями. Для подключения кабеля используется разъемы. Эти разъёмы через коннекторы подключаются к сетевым адаптерам – специальным платам, вставляемым в слоты расширения материнской платы рабочей станции.

Терминаторы подключаются к открытым концам сети.

Сетевой адаптер является интерфейсом между компьютером и кабельной системой.

Назначение платы сетевого адаптера:

• подготовка данных, поступающих от компьютера , к передаче по сетевому кабелю;

• передача данных другому компьютеру;

• управление потоком между компьютером и кабельной системой;

• принятие данных из кабеля и перевод их в форму, понятную центральному процессору компьютера.

Терминатор представляет собой резистор и предназначен для «поглощения» сигналов, отражающихся от концов кабеля.

Репитер (повторитель, ретранслятор) используется для соединения сегментов, усиливает сигналы перед передачей в следующий сегмент сети.

Коннекторы (соединители) предназначены для присоединения кабеля. Существует несколько семейств коннекторов, в частности, Т – коннектор используется для непосредственного присоединения участков тонкого коаксиального кабеля к сетевому адаптеру компьютера.

Для сети Ethernet, работающей на скорости 10 Мбит/с, стандартом определены четыре основных типа среды передачи:

• BASE 5 (толстый коаксиальный кабель);

• BASE 2 (тонкий коаксиальный кабель);

• BASE-T (витая пара);

• BASE-F (оптоволоконный кабель).

Для сети Ethernet на базе витой пары необходимо специальное устройство – концентратор, к которому подключаются рабочие станции. Аппаратура 10 BASE-F имеет сходство с аппаратурой 10 BASE- T, так как используется топология «пассивная звезда». Для 10 BASE-F используется оптоволоконный концентратор. В классической сети Ethernet применяется коаксиальный кабель двух типов: толстый и тонкий.

Длина одного сегмента и количество станций, подключенных к сегменту, ограничены. В таблице 1.1 приведены ограничения для классической сети Ethernet. Если общая длинна сети превышает допустимую, то её разбивают на сегменты, соединенные друг с другом через специальные устройства – репитеры (повторители, ретрансляторы). При выборе конфигурации сети Ethernet стандарт рекомендует пользоваться правилом 5-4-3: если путь между станциями состоит из пяти сегментов, соединенных четырьмя репитерами, то количество сегментов, к которым подключены станции, не должно превышать трех, а остальные сегменты должны просто связывать между собой репитеры. При выполнении правила 5-4-3 и ограничений, указанных в таблице 1.1, можно быть уверенным, что сеть будет работоспособной. Сеть может иметь и более сложную топологию, чем та, которая соответствует ограничениям таблицы 1.1, однако для сложных топологий и предельно длинных сегментов нужно проводить дополнительные расчеты временных задержек. Двойное время прохождения сигнала между двумя станциями не должно превышать 512 ВТ, один ВТ – это время передачи одного бита.

Таблица 1.1.

Ограничение для Ethernet

Параметр	10 BASE 5	10 BASE 2
Максимальная длина сегмента	500 м	185 м
Максимальное количество сегментов между двумя любыми станциями	5	5
Максимальная длина пути между двумя любыми станциями	2,5 м	925 м
Максимальное количество станций, подключенных к одному сегменту (если в сети есть репитеры, то они тоже считаются как станции)	100	30
Минимальное расстояние между точками подключения рабочих станций	2,5 м	0,5 м

Таблица 1.2.

Задержки распространения в кабеле

Тип сегмента	Максимальная длина, м	Задержка в битовых интервалах на метр длины, ВТ/м
10 BASE 5	500	0,0435
10 BASE 2	185	0,0515
10 BASE – T	100	0,0565
10 BASE – F	2000	0,05
AUI	50	0,0515

Битовый интервал (время подачи одного бита) для сети Ethernet со скоростью передачи 10 Мбит/с равен 100 наносекундам, для сети Ethernet со скоростью передачи 100 Мбит/с-10 наносекундам. AUI – тип разъема и кабеля для подключения сетевого адаптера Ethernet к трансиверу толстого коаксиального кабеля.

Основными характеристиками качества функционирования сети Ethernet являются следующие:

• процент сетевых отказов;

• коэффициент загрузки;

• средняя длина очередей;

• средняя задержка запросов в сети;

• задержка распространения сигнала в сети.

Хорошими показателями работы сети Ethernet можно считать следующие:

• процент сетевых отказов - не более 1%, (1.1)

• показатель использования сети – от 30% до 60% (1.2)

• средняя задержка запроса в сети – менее одной секунды (1.3)

Показатель использования сети определяется соотношением:

<показатель использования сети> = (ρ/С)100% (1.4)

где ρ - коэффициент загрузки сети, является результатом моделирования, 0< ρ <1,

С- пропускная способность сети.

Пропускная способность сети Ethernet имеет вид:

(1.5)

(1.6)

(1.7)

где: a – параметр дальнодействия

t_p – задержка распространения сигнала в сети, мкс (определяется как длительность распространения сигнала по самому длинному пути между абонентами и является результатом моделирования);

t_k – время передачи кадра, мкс;

L_k – длина кадра, бит;

B – скорость передачи, бит/мкс.

При высокой загрузке показатель использования сети Ethernet составляет 60% - 80%.Если сеть Ethernet не может работать при полной или высокой нагрузке в течение не менее 80% от общего времени, то сеть считается перегруженной. В перегруженной сети Ethernet заметно снижается производительность. Показатель использования сети менее 30% указывает на невысокую загрузку, большинство сетей Ethernet работает при невысокой нагрузке.

Преимуществами сети Ethernet являются:

• экономный расход кабеля;

• сравнительно недорогая и несложная в использовании среда передачи;

• простота и надежность;

• легкость расширения.

К недостаткам сети Ethernet относятся:

• уменьшение производительности при больших объемах трафика;

• трудность локализации проблем;

• выход из строя кабеля останавливает работу многих пользователей.

Имитационное моделирование, в отличие от аналитического позволяет воспроизвести работу сети любой сложности с произвольными законами формирования трафика и различными способами передачи информации, обеспечивая необходимый уровень детализации.

Инструментальные и программные средства СИМЛВС позволяют описывать модели ЛВС, производить имитацию и анализировать ее результаты. В набор инструментальных средств СИМЛВС входят:

• редактор;

• транслятор;

• симулятор;

• реконструктор;

• анализатор результатов.

Редактор позволяет создавать и редактировать файлы с расширением .mdl (имя файла .mdl), которые содержат лингвистический образ задачи, т.е. описание модели сети.

Транслятор проверяет корректность описания модели (лингвистического образа задачи) и формирует информационный образ задачи в виде загрузочного модуля с расширением .int (имя файла .int).

Симулятор выдает список загрузочных модулей (файлов с расширением .int) и начинает процесс моделирования после выделения пользователем соответствующего загрузочного модуля и нажатия клавиши <Enter>.

Реконструктор позволяет изменить атрибуты объектов непосредственно в информационном образе модели сети. Совместное использование фаз реконструкции и имитации (симуляции) позволяет проводить серию имитационных экспериментов на одной и той же модели.

Анализатор результатов моделирования выдает список загрузочных модулей (файлов с расширением .int), для соответствующего загрузочного модуля выдает список проведения серии экспериментов и для любой серии экспериментов выдает графики и таблицы, отображающие основные характеристики качества функционирования сети.

Более подробно инструментальные программные средства СИМЛВС описаны в учебнике «Локальные вычислительные сети» (1), а также в программных средствах «Помощь» СИМЛВС.

Для того чтобы проводить имитационное моделирование ЛВС с помощью СИМЛВС, необходимо создать лингвистический образ задачи (файл с расширением .mdl). Лингвистический образ задачи содержит четыре раздела:

• абонентская система;

• топологическая структура;

• способ передачи информации;

• модель формирования трафика.

Язык описания является непроцедурным, поэтому описание задачи состоит из деклараций, которые отделяются друг от друга точкой с запятой.

Рассмотрим описание задачи на примере сети, представленной на рисунке 1.

Рис. 1.1. Схема сети

Условные обозначения:

- терминатор;

- соединитель;

- ретранстлятор;

- рабочая станция;

- источник заданий, ёмкость источника указана в скобках. Ёмкостью источника считается количество задач или прикладных процессов, обслуживаемых сетью.