3 Расчет параметров сети

В условиях информационного обмена возникает необходимость в применении научно обоснованных методов определения возможностей физической среды, последствий изменений в сети, смены топологии сети и т.д., что влияет на производительность, время ответа, доступность тех или иных сервисов.

Расчет параметров сети Ethernet

Важным явлением в сетях Ethernetявляется коллизия – ситуация, когда две станции одновременно пытаются передать кадр данных по общей среде (следствие случайного метода доступа к среде). Для четкого распознавания коллизий необходимо правильно рассчитывать параметры такой сети.

Соблюдение ограничений для сетей Ethernet, гарантирует корректную работу сети (при условии исправности всех элементов). В таблице3 приведены общие ограничения для всех стандартовEthernet.

Таблица 3 - Общие ограничения стандартов Ethernet

Номинальная пропускная способность	10 Мбит/ с
Максимальное число станций в сети	1024
Максимальное расстояние между узлами	2500 м (в 10 Base- FB 2750 м)
Максимальное число коаксиальных сегментов в сети	4

Для неоднородной сети проводится дополнительный расчет параметров PDV(PathDelayValue) иPVV(PathVariabilityValue).

Расчет PDV

Для расчетов используются справочные данные IЕЕЕ, содержащие значения задержек распространения сигналов в повторителях, приемопередатчиках и различных физических средах. В таблице 4 приведены данные, необходимые для расчета значенияPDVдля всех физических стандартов сетейEthernet(битовый интервал обозначен какbt).

Таблица 4 - Данные для расчета PDV

Сегмент	База левого сегмента, bt	База промежуточного сегмента, bt	База правого сегмента, bt	Задержка среды на 1 м, bt	Максимальная длина сегмента, м
10Base-5	11,8	46,5	169,5	0,0866	500
10Base-2	11,8	46,5	169,5	0,1026	185
10Base-T	15,3	42,0	165,0	0,113	100
10Base-FB	-	24,0	-	0,1	2000
10Base-FL	12,3	33,5	156,5	0,1	1000

Данные, приведенные в таблице, включают сразу несколько этапов прохождения сигнала. Например, задержки, вносимые повторителем, состоят из задержки блока повторения и задержки выходного трансивера. Чтобы не нужно было два раза складывать задержки, вносимые кабелем, в таблице даются удвоенные величины задержек для каждого типа кабеля. Также используются понятия, левый сегмент, правый сегмент и промежуточный сегмент. С каждым сегментом связана постоянная задержка, названная базой, которая зависит только от типа сегмента и от положения сегмента на пути сигнала. С каждым сегментом связана задержка распространения сигнала вдоль кабеля сегмента, которая зависит от длины сегмента и вычисляется путем умножения времени распространения сигнала по одному метру кабеля на длину кабеля в метрах.

Расчет заключается в вычислении задержек, вносимых каждым отрезком кабеля, а затем суммировании этих задержек с базами левого промежуточных и правого сегментов. Общее значение PDVне должно превышать 575.

Расчет PVV

Чтобы признать конфигурацию сети корректной, нужно рассчитывать также, уменьшение меж кадрового интервала повторителями, то есть величину PVV.

Для расчета PVVтакже можно воспользоваться значениями максимальных величин уменьшения меж кадрового интервала при прохождении повторителей различных физических сред, рекомендованнымиIEEEи приведенными в таблице 5.

Таблица 5 - Сокращение межкадрового интервала повторителями

Тип сегмента	Передающий сегмент, bt	Промежуточный сегмент, bt
10Base-5	16	11
10Base-2	16	11
10Base-T	10,5	8
10Base-FB	-	2
10Base-FL	10,5	8

Расчет параметров сети FastEthernet

Правила корректного построения сетей FastEthernet включает:

- ограничения на максимальные длины сегментов, от источника кадров к источнику кадров;

- ограничения на максимальные длины сегментов, соединяющих источник данных с портом повторителя;

- ограничения на максимальный диаметр сети;

- ограничения на максимальное число повторителей и максимальную длину. Ограничения длин между сегментами, от источника кадров к источнику кадров.

В качестве источника кадров может выступать: сетевой адаптер, порт маршрутизатора, модуль управления сетью. Отличительная особенность источника кадров – вырабатывается новый кадр для разделяемого сегмента. Порт повторителя не является источником кадров, так как он побитно повторяет уже появившийся в сегменте кадр.

Спецификация IEEEопределяет следующие максимальные длины сегментов, приведенные в таблице 6.

Таблица 6 - Максимальные длины сегментов

Стандарт	Тип кабеля	Максимальная длина сегмента
10 Base-ТХ	Категория 5 UTP	100 м
10 Base- FX	Многомодовое оптоволокно 62,5/ 125 мкм	412 м (полудуплекс) 2 км (полный дуплекс)
10 Base-Т4	Категория 3,4 или 5 UTP	100 м

Ограничения сетей FastEthernet, построенных на повторителях

Повторители FastEthernet делятся на два класса. Повторители классаIпозволяют выполнять трансляцию логических кодов с битовой скоростью 100Мбит/с, повторители классаIIпозволяют выполнять трансляцию логических кодов с битовой скоростью 10Мбит/с и 100Мбит/с.

В одном домене коллизий допускается наличие только одного повторителя класса I. Это связано с тем, что такой повторитель вносит большую задержку при распространении сигналов из-за необходимости различных систем сигнализации- 70bt(удвоенная задержка 140bt).

Повторители класса IIвносят меньшую задержку при передаче сигналов: 46btдля портовTX(илиFX) и 33,5btдля портовT4. Поэтому максимальное число повторителей классаIIв домене коллизий - 2, причем они должны быть соединены между собой кабелем не длиннее 5 метров.

Небольшое количество повторителей FastEthernet не является серьезным препятствием при построении больших сетей, так как применение коммутаторов и маршрутизаторов делит сеть на несколько доменов коллизий, каждый из которых будет строиться на одном или двух повторителях. Общая длина сети не будет иметь в этом случае ограничений.

В табл. 7 приведены правила построения сети на основе повторителей класса I.

Таблица 7 - Параметры сетей на основе повторителей класса I

Тип кабеля	Максимальный диаметр сети, м	Максимальная длина сегмента, м
Только витая пара (TX)	200	100
Только оптоволокно ( FX)	272	136
Несколько сегментов на витой паре и один на оптоволокне	260	100 (TX) 160 (FX)
Несколько сегментов на витой паре и несколько сегментов на оптоволокне	272	100 (TX) 136 (FX)

Задержки, вносимые прохождением сигналов по кабелю, можно рассчитать на основании данных таблицы 8.

Таблица 8 - Задержки, вносимые кабелем

Тип кабеля	Удвоенная задержка в bt на 1 м	Удвоенная задержка на кабеле максимальной длины
UTP-3	1,14 bt	114 bt (100 м)
UTP-4	1,14 bt	114 bt (100 м)
UTP-5	1,112 bt	111,2 bt (100 м)
STP	1,112 bt	111,2 bt (100 м)
Оптоволокно	1,0 bt	412 bt (412 м)

Задержки, которые вносят два взаимодействующих через повторитель сетевых адаптера можно рассчитать, используя таблицу 9.

Учитывая, что удвоенная задержка, вносимая повторителем класса I, равна 140bt, можно рассчитать время двойного оборота для произвольной конфигурации сети, учитывая также максимально возможные длины непрерывных сегментов кабелей. Если получившееся значение меньше 512, значит, по критерию распознавания коллизий сеть является корректной. Разрешается оставлять запас из диапазона от 0 до 5btдля устойчивой работы сети.

Таблица 9 - Задержки, вносимые сетевым адаптером

Тип сетевых адаптеров	Максимальные задержки при двойном обороте
Два адаптера TX/ FX	100 bt
Два адаптера T4	138 bt
Один адаптер TX/ FX и один T4	127 bt

Например. Рассчитать сеть, состоящую из одного повторителя и двух оптоволоконных сегментов длиной по 136 метров, используя предложенную в таблице конфигурацию.

Каждый сегмент вносит задержку по 136bt, пара сетевых адаптеровFXдает задержку в 100bt, а сам повторитель вносит задержку в 140bt. Сумма задержек равна 512bt, что говорит о том, что сеть корректна, но запас принят равным 0.

Расчет информационных параметров неодноранговых сетей

Для эффективной работы сети необходимо учитывать неоднородность информационных потоков. При проектировании неодноранговых сетей используют модели основанные на теории очередей.

Для вычислений параметров системы с очередью, необходимо определить условия работы этой системы и выявить диапазон изменений параметров.

Исходные данные: средняя скорость поступления запросов равна одному запросу в миллисекунду. Из-за нерегулярности поступления запросов используется буферная память (для невыполненных запросов), т.е. сервер помещает эти запросы в очередь.

Условия системы с очередями:

• определение количества элементов данных

• очередь может неограниченно расти

• определенный порядок обслуживания элементов данных.

	Средняя скорость поступления элементов данных в систему (число элементов в секунду)
ТS	Среднее время обслуживания элементов (сек)
 ТS	Стандартное отклонение во времени обслуживания элементов (сек)
	Утилизация сервера при обслуживании (доля времени, когда сервер занят)
u	Интенсивность трафика
Q	Общее количество элементов данных в системе
q	Среднее количество элементов данных в системе
TQ	Время, которое элементы данных проводят в системе (сек)
Tq	Среднее время, которое элементы данных проводят в системе (сек)
q	Стандартное отклонение q
Tq	Стандартное отклонение Tq (сек)
	Среднее количество элементов данных ожидающих обслуживания в очереди (размер очереди)
T	Среднее время, которое элементы данных ожидают обслуживания (сек)
Td	Среднее время ожидания обслуживания для элементов данных, находившихся в очереди (т.е. не включая элементы, для которых время обслуживания равно 0)
	Стандартное отклонение 
N	Число серверов
mx(r)	Х меньше или равно mx(r) в r процентах случаев

Используемые в расчетах параметры:

• скорость поступления элементов данных в очередь

• время обслуживания этих элементов на сервере на входе в систему

• общее количество ожидающих элементов

• время ожидания элементов в системе.

Теоретическая максимальная скорость поступления элементов данных равна . Следовательно, для системы сNсерверами:, т.е.это утилизация всей системы серверов.

Вид структуры с организацией Nсерверов дан на рисунке 3.1

Формулы таблицы 10 могут быть использованы для вычислений некоторых параметров при “интуитивном” выборе структуры системы. Для получения формулы достаточно заметить, что для скорости поступления элементов данных, среднее время между поступлениями элементов будет определяться выражением. Если интервал времени Т меньше интервала времени Т_S, то можно будет записать. Аналогично в случае с множеством серверов.



Рисунок 3.1 - Структура с организацией N серверов

Таблица 10 - Формулы для вычислений структуры системы

Основные	Один сервер	Множество серверов

При поступлении очередного элемента данных в систему в очереди находится в среднем элементов данных, которые ожидают обслуживания. Среднее время, которое элемент ждет своей очереди до обслуживания, равноT_S. За промежутокT_ должно поступить_ элементов данных. Следовательно,. Рассуждая аналогично.

Время, которое элемент данных находится в системе равно сумме времени ожидания обслуживания и времени самого обслуживания. Для одного сервера среднее число элементов, которое обслуживается в данный момент, равно ,, если братьNсерверов.

Большое значение имеют стандартные (среднеквадратичные) отклонения от средних величин.

Необходимо знать закон изменения скорости поступления элементов данных в систему и закон распределения времени обслуживания элементов данным сервером.

Например, скорость поступления элементов данных подчиняется закону Пуассона.

, где- скорость поступления элементов,n- количество элементов, поступивших за времяt

Для применимости закона Пуассона необходимо выполнение следующих гипотез:

• Поступление одного элемента данных не зависит от поступления другого элемента, т.е. события происходят независимо;

• Никогда не поступают сразу два или более элементов данных;

• Среднее количество поступлений не изменяется со временем (распределено статично).

Для обобщения всех возможных случаев организации системы с очередями была использована система: X/Y/N, гдеX– закон распределения времени поступления элементов данных в систему,Y- закон распределения времени обслуживания элементов данных в сервером,N– количество серверов. Характерны следующие возможные законы:

G– нормальное распределение времени поступления или времени обслуживания;

M– пуассоновское распределение времени поступления или пуассоновское (экспоненциальное) времени обслуживания;

D– детерминированное время поступления или время обслуживания элементов данных.

Таблица11 - Формулы для определения параметров системы с одним сервером

Модель с нормальным распределением времени обслуживания (M/G/1)	Модель с экспоненциальным распределением времени обслуживания (M/М/1)	Модель с постоянным времени обслуживания (M/D/1)