Методы2 / seti_metoda2

МИНИСТЕРСТВО ОБЩЕГО И ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

Московский государственный институт электроники и математики

(Технический университет)

Кафедра "Вычислительные системы и сети"

Методические указания

к лабораторному практикуму по курсу "Сети ЭВМ"

Оптимизация потоков данных между двумя локальными вычислительными сетями, объединенными через глобальную сеть

Москва, 2000

Составитель канд. техн. наук, доц. В.П. Волчков

Оптимизация потоков данных между двумя локальными вычислительными сетями, объединенными через глобальную сеть: Методические указания к лабораторному практикуму по курсу "Сети ЭВМ" /Московский государственный институт электроники и математики; Сост. В.П.Волчков. М., 2000г.

УДК 621.324

Табл. 1. Ил.4. Библиогр.: 2 назв.

Изучаются инженерные методы для расчета характеристик каналов связи глобальной сети и оптимизация потоков данных между двумя локальными вычислительными сетями, связанными через глобальную сеть маршрутизаторами, с использованием математической модели теории массового обслуживания.

Для студентов 4-го курса, обучающихся по дисциплине “Сети ЭВМ” специальности 22.01. – “Вычислительная техника, комплексы, системы и сети”.

ISBN 5-230-16273-2

Содержание

1.	Цель работы………………………………………………………………………………	4
2.	Локальные вычислительные сети ………………………………………………………	4
3.	Объединение ЛВС в единую информационную систему …………………………….	5
4.	Характеристики модели вычислительной системы из двух ЛВС, объединенных через глобальную сеть ………………………………………….……………………….	7
5.	Расчет параметров одноканальной однофазной модели двух взаимодействующих ЛВС через глобальную сеть …………………………………………………………….	8
6.	Порядок выполнения работы …………………………………………………….……..	9
7.	Содержание отчета…………………………..…………………………..……………….	10
8.	Таблица вариантов расчетного задания…………………………………………….......	11
9.	Список литературы………………………………………………………………………	11

1.Цель работы

Изучение параметров и характеристик двух ЛВС, объединенных через глобальную сеть, построение на их основе вычислительной системы, расчет интенсивности и оптимизации потоков данных между двумя локальными вычислительными сетями (ЛВС).

2. Локальные вычислительные сети

Локальными вычислительными сетями принято называть вычислительные сети, которые объединяют в себе ЭВИ и другие устройства вычислительной техники, расположенные в одном помещении, здании или группе зданий на расстоянии не более 1…2 км друг от друга.

При помощи общего канала связи в ЛВС можно объединить от нескольких десятков до нескольких сотен абонентских узлов, включающих персональные компьютеры (ПК), внешние запоминающие устройства (ВЗУ), дисплеи (Д), печатающие (П), копирующие (К) устройства, банковские аппараты (БА) (рис. 2.1).

Наиболее эффективным средством связи между абонентскими узлами в ЛВС является последовательный интерфейс. В нем в качестве предающей среды используются скрученные пары проводников, коаксиальный кабель, волоконно-оптический кабель.

При отсутствии источников сильных электромагнитных помех уровень помехоустойчивости экранированной скрученной пары проводников, коаксиальных кабелей при длине 100м составляет не более 10^-8…10^-9 искажений на бит информации, передаваемой с быстродействием 1…10⁹ бит/с. Волоконно-оптические кабели не чувствительны к электромагнитным помехам и не являются источниками электромагнитного излучения, их быстродействие составляет от 10 до 100 Мбит/с.

В ЛВС с пропускной способностью от 0,5 до 1000 Мбит/с достаточно иметь один моноканал, обслуживающий все абонентские узлы в режиме мультиплексирования. На основе моноканала строятся две основные конфигурации ЛВС: а – магистральная (шинная), б – кольцевая (замкнутая) - рис.2.2. Другие конфигурации связей – звездообразная, произвольная в ЛВС – используются реже магистральной и кольцевой.

К ак и в глобальных сетях, организация ЛВС базируется на принципе многоуровневого управления процессами с вытекающей из этого иерархией протоколов и интерфейсов.

3. Объединение ЛВС в единую информационную систему

Примером создания единого информационного пространства является объединение ЛВС различного функционального назначения (университетских, научных, коммерческих и т.д.) через глобальные (транспортные) сети, такие как Intel, Microsoft, Internet, имеющие сотни подразделений по всему миру.

Аппаратные средства таких систем включают: оборудование ЛВС, оборудование глобальной сети на основе арендуемых каналов связи, центральные узлы коммутации (мосты - маршрутизаторы), реализуемые на специальных устройствах или персональных компьютерах с соответствующим программным обеспечением.

Существует несколько вариантов коммутации территориально-распределенных ЛВС.

1. Использование выделенных линий.

2. Сети с коммутацией каналов (телефонная сеть).

3. Сети с коммутацией пакетов (сети Х.25).

При использовании выделенных линий необходимо создание канала связи между двумя маршрутизаторами, находящимися в разных сетях, за счет использования физических каналов связи между ними и специализированных модемов для выделенных физических линий, которые реализуют асинхронный режим передачи и позволяют передавать дуплексные цифровые потоки со скоростями до 115 Кбит/с по двум парам прямых телефонных проводов на расстояния до 3…6 км. Недостатком использования этой информационной технологии является ограниченное расстояние, т.к. на большие расстояния прокладка кабеля становится невыгодной из-за возрастающей стоимости кабельного оборудования и использования канальных усилителей. Другим недостатком является необходимость создания в пунктах стыка с местной сетью специального оборудования для преобразования асинхронного режима передачи в синхронный.

Сети с коммутацией каналов обеспечивают абоненту несколько каналов связи с фиксированной пропускной способностью на каждое подключение. Телефонная сеть дает один канал связи между абонентами. Вероятность ошибки в канале составляет 10^-3…10^-5, а использование модемов телефонных линий обеспечивают скорость передачи информации до 28,8 Кбит/с. Недостатком сети с коммутацией каналов является необходимость использования дополнительных телефонных номеров для увеличения пропускной способности каналов. Кроме того, телефонные модемы линий обеспечивают только сеансовое соединение, а аналоговая модуляция телефонных сигналов снижает помехоустойчивость связи.

Классической технологией коммутации пакетов является протокол Х.25, разработанный для интерфейса между аппаратурой ЛВС и глобальной сетью данных с коммутацией пакетов. По существу этот протокол является совокупностью нескольких протоколов: физического, канального, сетевого, транспортного уровней. Как показано на рис.3.1, три компоненты протокола Х.25 имеют только локальное значение в отличие от транспортного уровня, функционирующего в условиях связи из конца в конец.

В отличие от сетей с коммутацией каналов, где соединение обеспечивает только фиксированную скорость передачи данных, в сетях с коммутацией пакетов абонентская связь двух ЛВС может функционировать с различной скоростью. Кроме того, в сети с коммутацией пакетов никакого физического соединения не устанавливается. Вместо этого ЛВС перед сеансом связи собирает все подлежащие передаче данные в один или несколько блоков сообщений, называемых пакетами. Эти пакеты содержат сетевые адреса отправителя и получателя информации пунктов связи в ЛВС. Затем отправитель последовательно передает эти пакеты своему локальному центру коммутации пакетов – маршрутизатору (М). Последний, получив каждый пакет, сначала записывает его в свое запоминающее устройство, а потом исследует содержащийся в пакете адрес требуемого получателя. В маршрутизаторе содержится справочник маршрутов, специфицирующий каналы связи, пути передачи каждого сетевого адреса. После анализа адресов маршрутизатор продвигает пакет по соответствующему каналу связи с максимально возможной скоростью. Такой режим работы маршрутизатора часто называют режимом передачи пакетов с промежуточным накоплением.

После распределения по выбранному маршруту каждый пакет передается по требуемому каналу связи глобальной сети вперемешку с другими пакетами.

На приемной стороне пакеты поступают в оконечный маршрутизатор, где также накапливаются и распределяются по содержащемуся в пакете адресу получателя другой ЛВС. Пакеты поступают в маршрутизатор на приемной стороне другой ЛВС, также накапливаются в памяти и распределяются в соответствии со своим адресом получателя информации.

Обмен пакетами информации между ЛВС лишь случайную долю времени каждого канала связи, т.к. пакеты от одного источника чередуются с пакетами от других источников информации. При этом может возникнуть ситуация, при которой в маршрутизаторе одновременно по разным каналам прибывает несколько пакетов информации, причем все они должны быть переданы по одному каналу связи. Таким образом, возникает проблема очереди и задержки передачи информации. Эта проблема может быть частично решена путем установления максимально допустимой длины пакетов и их расчленения исходным элементом транспортного протокола на мелкие порции в передающей части и сбора этих порций в одно сообщение в приемной. Однако при непрерывном во времени обмене информации необходимо реально учитывать пропускную способность глобальной сети и оценивать характеристики потоков передачи данных между системами ЛВС. Предметом таких исследований является теория массового обслуживания вычислительных систем.

4. Характеристики модели вычислительной системы из двух ЛВС, объединенных через глобальную сеть

Модель объединения существующих ЛВС через каналы связи глобальной сети хорошо описывается математическим аппаратом теории массового обслуживания. И в частности, позволяет провести анализ влияния скорости передачи в глобальной сети (например, типа Internet) на производительность канала связи между ЛВС. Последний весьма важен потребителю, т.к. ежемесячная плата за цифровой канал обычно пропорциональна скорости передачи и ее завышение ведет к непроизводительным расходам денежных средств. Математические вычисления на основе модели позволяют оценить не только требуемую производительность сети, но и среднее время задержки кадров на маршрутизаторе, влияние роста скорости передачи в канале связи на величину этих задержек, кроме того, определить, при каких условиях рост скорости обмена информацией по каналам глобальной сети не приводит к существенному увеличению производительности маршрутизатора.

Как показано на рис.4.1, модель системы массового обслуживания может быть одноканальной (а) и многоканальной (б).

П ри этом она характеризуется следующим набором параметров:

1. распределением длительности интервалов между заявками входящего потока Р(а), очереди Q;

2. дисциплиной обслуживания заявок D;

3. числом обслуживающих каналов К;

4. распределением длительности обслуживания заявок каналами Р(в).

Процесс функционирования модели системы количественно оценивается следующим набором основных характеристик:

1. загрузкой – средним по времени числом каналов, занятых обслуживанием (для одноканальной – время, в течение которого канал занят обслуживанием);

2. длиной очереди – числом заявок, ожидающих обслуживания;

3. числом заявок, находящихся в системе (в очереди);

4. временем ожидания заявки от момента поступления до окончания ее обслуживания;

5. временем пребывания заявки в системе от момента поступления до выхода заявки из системы.

Наряду с основными характеристиками используются еще и дополнительные: степень использования канала ρ, вероятность отсутствия заявок в системе ρ₀, длительность простоя t_ож и другие.

Все указанные характеристики, кроме загрузки, - случайные величины, представляемые соответствующими распределениями.

На практике, как правило, используются средние значения характеристик систем.

Информационная структура, где две ЛВС соединены маршрутизаторами с каналом связи глобальной сети, может быть описана одноканальной двухфазной моделью, так как для передачи кадра данных от одной ЛВС к другой он должен быть обслужен двумя маршрутизаторами. Наиболее узкое место информационного потока – канал связи глобальной сети из-за его ограниченной пропускной способности, которая существенно меньше скорости работы локальной сети.

Например, рабочая станция сети Token Ring передает кадр данных в сеть Ethernet через маршрутизатор со скоростью 4 или 16 Мбит/с. После копирования его в буфере устройства и преобразования его в другой формат он передается в глобальную сеть с гораздо меньшей скоростью, так как еще возникает дополнительная задержка из-за очереди в глобальную сеть предыдущих ранее поступивших кадров.

На приемной стороне канала связи глобальной сети происходит обратный процесс. Поступая из глобальной сети на маршрутизатор, кадр преобразуется в формат локальной сети и передается в другую локальную сеть. Поскольку скорость передачи информации по глобальной сети всегда меньше скорости передачи кадров в ЛВС, при таком обслуживании не возникает очередей, задержка во втором маршрутизаторе во много раз меньше, чем в первом, так как обусловлена лишь самим устройством. Следовательно, для описания двухточечных линий связи между двумя ЛВС можно использовать одноканальную однофазную модель.

5. Расчет параметров одноканальной однофазной модели двух взаимодействующих ЛВС через глобальную сеть.

Две ЛВС взаимодействуют друг с другом через глобальную сеть при помощи двух маршрутизаторов.

Суммарный трафик между сетями (Т_λ) определяется числом кадров, переданных в течение рабочего дня:

где _i – интенсивность заказов, кадр/с;

t_p – время работы канала связи, с.

Как видно из формулы (5.1), интенсивность заказов λ_i характеризует среднюю скорость поступления кадров на устройство обслуживания - маршрутизатор.

Преобразование кадров к формату глобальной сети N_ГС состоит в добавлении заголовка и хвостовой части N_З-Х к кадрам формата локальной сети N_ЛВС:

N_ГС= N_ЛВС+ N_З-Х, (5.2)

Время обслуживания одного кадра глобальной сетью при заданной скорости обмена информацией глобальной сетью V_ГС определяется формулой

Средняя скорость обслуживания глобальной сети (величина, обратная к ожидаемому времени обслуживания) определяется выражением

Поскольку в полнодуплексной линии связи скорости передачи информации в обоих направлениях равны друг другу, то автоматически определяется значение скорости обслуживания глобальной сети в обоих направлениях передачи. Если средняя скорость обслуживания превосходит среднюю скорость поступления заказов (), то никаких очередей не возникает. Если же наоборот (), то маршрутизатор копирует все необходимые кадры из сети в свой буфер, где они пребывают до тех пор, пока маршрутизатор не преобразует их в кадры глобальной сети и не передаст по глобальной сети. Степень использования маршрутизатора или моста определяется отношением

Вероятность отсутствия заказов или вероятность отсутствия очереди в маршрутизаторе ρ₀ определяется формулой

ρ₀=1- ρ, (5.6)

Среднее число кадров, передаваемых в данный момент времени по каналу глобальной сети, определяется как разность

где - среднее число кадров в маршрутизаторе,

-среднее число кадров в очереди.

Для одноканальной однофазной системы величина определяется отношением

Среднее число кадров в очереди определяется произведением

Теория массового обслуживания позволяет рассчитать среднее время задержки кадра в системе и среднее время ожидания в очереди.

Среднее время задержки кадра в системе определяется величиной

Среднее время ожидания кадра в очереди определяется произведением

Время, затрачиваемое на передачу одного кадра по каналу глобальной сети, определяется формулой

6. Порядок выполнения работы

В соответствии с таблицей вариантов (п.8) каждый студент выполняет свой вариант задания в следующей последовательности:

1. Нарисовать структурную схему вычислительной системы, содержащей две ЛВС, объединенных глобальной сетью.

2. Дать краткое описание вычислительной системы и особенности обмена информацией между двумя ЛВС, описать варианты коммутации территориально-распределительных ЛВС.

3. Описать модель вычислительной системы ЛВС – глобальная сеть – ЛВС, используя аппарат теории массового обслуживания.

4. Определить параметры математической модели вычислительной сети:

• интенсивность заказов (),

• время обслуживания (),

• средняя скорость обслуживания (),

• коэффициент использования маршрутизатора (),

• вероятность отсутствия очереди (заказов) в маршрутизаторе (₀),

• среднее число кадров в маршрутизаторе (),

• среднее число кадров в очереди (),

• среднее число кадров, передаваемых в глобальную сеть (),

• среднее время задержки кадра в маршрутизаторе (),

• среднее время ожидания кадра в очереди (),

• время передачи одного кадра по каналу глобальной сети ().

Оптимизировать параметры потока данных:

• построить зависимость среднего времени задержки кадра в маршрутизаторе от скорости обмена информацией в глобальной сети. Определить минимальную скорость обмена информацией в глобальной сети, при которой среднее время задержки кадра в маршрутизаторе минимально.

• Построить зависимости коэффициента использования маршрутизатора и вероятности отсутствия очереди в маршрутизаторе от скорости передачи информации в глобальной сети. Определить минимальную скорость передачи информации в глобальной сети, при которой коэффициент использования маршрутизатора стремится к нулю, а вероятность отсутствия очереди в маршрутизаторе стремится к единице.

Обосновать полученные результаты по оптимизации параметров потока данных.

7. Содержание отчета

а) титульный лист с названием работы и номером варианта, шифр группы, Ф.И.О. студента, выполнившего работу;

б) результаты расчетов по пунктам индивидуального задания;

в) графический материал на отдельных листах, поясняющий ответы на вопросы задания.

8. Таблица вариантов расчетного задания

Варианты, №№ п/п	Число кадров, передаваемых в течение рабочего дня, шт (T)	Продолжительность рабочего дня, ч (tp)	Средняя длина кадра, байт * (NЛВС)	Скорость передачи информации в глобальной сети, Кбит/с (VГС)
1	1200	4	1000	1,2
2	1600	4	1100	2,4
3	2000	4	1220	4,8
4	2400	5	1025	9,6
5	3000	5	1100	19,2
6	3600	5	1050	24,0
7	4800	6	1200	32,0
8	5600	6	1075	56,0
9	7200	6	1125	64,0
10	8000	6	1275	128,0
11	9600	6	1000	240,0
12	10000	6	1075	19,2
13	12000	6	1250	24,0
14	16000	8	1200	32,0
15	16000	8	1275	56,0
16	18000	8	1300	64,0
17	20000	8	1000	128,0
18	24000	8	1140	240,0
19	28000	8	1120	19,0
20	32000	8	1300	24,0
21	36000	8	1250	32,0
22	42000	8	1150	56,0
23	48000	8	1275	64,0
24	54000	8	1075	128,0
25	64000	8	1225	240,0