Файл: выходов на сети доступа, находящиеся в каждом населенном пункте, где присутствуют пользователи сети.pdf

ФГБОУ ВО «Санкт-Петербургский государственный университет путей сообщения императора Александра I» Кафедра Электрическая связь ПРОЕКТИРОВАНИЕ МАГИСТРАЛЬНОЙ СЕТИ ПЕРЕДАЧИ ДАННЫХ Методические указания к курсовому проектированию
Санкт-Петербург
2013

Введение В данной работе рассматривается построение магистральной сети передачи данных крупного провайдера связи или предприятия, охватывающей несколько населенных пунктов и обслуживающей несколько тысяч клиентов. Рассматриваемая сеть состоит из
− волоконно-оптических каналов передачи информации
− узлов коммутации, располагающихся в каждом населенном пункте
− выходов на сети доступа, находящиеся в каждом населенном пункте, где присутствуют пользователи сети. Структура этих сетей в работе не рассматривается
− датацентров, содержащих серверы, предоставляющие услуги пользователям сети. Передаваемые в сети данные состоят из
− информации, получаемой пользователями сети с серверов разных дата- центров (например, страницы, файлы, потоковое видеоинформации, которой ПК пользователей обмениваются между собой безучастия серверов – так называемая Peer-To-Peer (P2P) передача например, телефонная связь, видеотелефония, распределенная передача файлов по протоколу BitTorrent);
− служебной информации, сообщений управления и обслуживания сети.

В работе следует спроектировать кратчайшесвязанную сеть, охватывающую все нужные населенные пункты и предоставляющую достаточную скорость передачи для обеспечения связью всех пользователей в период наибольшей нагрузки.

1. Построение кратчайшесвязанной сети Исходными данными к расчету является матрица расстояний между n узлами сети. Для выполнения задачи сеть представляется в виде неориентированного графа, в котором вершины соответствуют узлам сети, а вес каждого потенциального ребра равен расстоянию между соответствующими узлами. Для построения графа минимального веса применяется алгоритм Прима. Искомый граф строится постепенно, добавлением в него рёбер по одному. Изначально граф полагается состоящим из произвольно выбранной единственной вершины. Затем выбирается ребро минимального веса, исходящее из этой вершины, и добавляется в формируемый граф. Далее ищется и добавляется к графу ребро минимального веса, имеющее один конец водной из уже включенных в граф вершина другой конец — наоборот, водной из вершин, в граф еще не включенных. Этот шаг повторяется до тех пор, пока еще остаются не включенные в граф вершины. Если на каком-либо шаге обнаруживается, что возможных рёбер с одинаковым минимальным весом несколько, выбирается любое из них. В аналитическом виде алгоритм Прима может быть выполнен в следующей форме
1.
Составляется пустая таблица, имеющая n-1 столбцов и 2n-3 строк (не включая заголовок, где n – число узлов в сети.
2.
Произвольно выбирается начальная вершина. Все остальные вершины записываются в заголовок таблицы по столбцам.
3.
В ячейки первой строки записывается вес всех потенциальных ребер, соединяющих начальную вершину с вершинами, соответствующими каждому столбцу.
4.
По последней заполненной строке выбирается минимальное ребро и присоединяется к графу. В дальнейшем столбец, в котором находилось это ребро, выбывает из анализа.
5.
В ячейки следующей строки записывается вес всех потенциальных ребер, соединяющих вершину, соответствующую выбывшему на шаге 4 столбцу с вершинами, соответствующими остальным столбцам.
6.
В следующую строку в каждую ячейку записывается минимум из весов двух ребер, находящихся в том же столбце в предыдущей и пред-предыдущей строках.

7.
Если в последней заполненной строке осталось одно ребро, оно присоединяется к графу и работа заканчивается. Если ребер больше, возвращаемся к шагу 4. В качестве примера рассмотрим задачу по построению графа из 6 вершин со следующей матрицей расстояний (веса потенциальных ребер Вершины
A
B
C
D
E
F
A
0 86 39 77 111 59
B
86 0
105 163 179 140
C
39 105 0
70 135 77
D
77 163 70 0
92 45
E
111 179 135 92 0
58
F
59 140 77 45 58 0

Рабочая таблица алгоритма Прима при выборе начальной вершины А будет выглядеть следующим образом
B
C
D
E
F Комментарий
86 39 77 111 59 Вес ребер, соединяющих начальную вершину Ас оставшимися (шаг 3). Выбрано ребро A-C, столбец C далее не используется (шаг 4).
105
-
70 135 77 Вес ребер, соединяющих вершину C с оставшимися (шаг 5).
86
-
70 111 59 Минимум по двум предыдущим строкам шаг 6). Выбрано ребро A-F.
140
-
45 58
- Вес ребер, соединяющих вершину F с оставшимися.
86
-
45 58
- Минимум по двум предыдущим строкам. Выбрано ребро D-F.
163
-
-
92
- Вес ребер, соединяющих вершину D с оставшимися.
86
-
-
58
- Минимум по двум предыдущим строкам. Выбрано ребро E-F.
179
-
-
-
- Вес ребер, соединяющих вершину E с оставшимися.
86
-
-
-
- Минимум по двум предыдущим строкам. Последнее ребро - A-B, работа закончена шаг 7). Таким образом, граф, представляющий кратчайшесвязанную сеть, будет состоять из ребер A-C, A-B, A-F, D-F, E-F.

2. Расчет требуемой пропускной способности каналов передачи Исходными данными к расчету являются
− Количество пользователей на каждом из узлов сети ࡺ
࢏
(если
ܰ
௜
= 0, тона данном узле пользователи отсутствуют.
− Среднемесячный трафик, потребляемый от серверов в датацентре узла
݅ каждым пользователем сети ࢀ
࢏
(если
ܶ
௜
= 0, тона данном узле датацентр отсутствует.
− Среднемесячный входящий трафик P2P на каждого пользователя ࢀ
࢖૛࢖
− Месячный и суточный коэффициенты концентрации нагрузки ми. Расчет трафика от серверов Расчет выполняется для каждого из каналов связи в схеме. Для расчета месячного трафика, передаваемого в каждом направлении по каналу связи, все узлы сети делятся на две группы, располагающиеся с одной и с другой стороны канала. Для удобства дальнейшего рассмотрения стороны будут обозначаться как левая (Ли правая (П. Например В данном случае производится расчет пропускной способности канала между узлами B-C. Сторона Л будет включать узлы A, B, E, а сторона П – узлы C, D, F.

При расчете канала B-E для той же сети разделение будет иметь следующий вид Здесь на левой стороне находится один узел E, а все остальные узлы – на правой. Трафик от серверов, передаваемый в направлении с левой стороны в правую, будет исходить от серверов всех узлов левой стороны и предназначаться для пользователей всех узлов правой стороны. Таким образом, среднемесячное значение этого трафика может быть посчитано как
ܶ
ЛП
с
=

ܰ
݅
݅ ߳ ПЛ Аналогичным образом рассчитывается трафик от серверов с правой стороны
ܶ
ПЛ
с
=

ܰ
݅
݅ ߳ Л ߳ П. Расчет трафика Расчет этого вида трафика, также, как и трафика от серверов, выполняется для каждого из каналов связи в схеме. Поскольку число пользователей в сети велико, то можно считать, что обмен трафиком P2P между пользователями производится в среднем равномерно. Среднее значение трафика, полученного одним пользователем от каждого из остальных, будет равно
ܶ
1
݌2݌
=
ܶ
݌2݌
∑
ܰ
݅
− 1
݅
Из-за большого суммарного числа пользователей единицей в знаменателе можно пренебречь, таким образом, формула упрощается до
ܶ
1
݌2݌
=
ܶ
݌2݌
∑
ܰ
݅
݅

Трафик P2P, передаваемый в направлении с левой стороны в правую, будет исходить от пользователей всех узлов левой стороны и предназначаться для пользователей всех узлов правой стороны. Таким образом, среднемесячное значение этого трафика может быть посчитано как
ܶ
ЛП
݌2݌
=

ܰ
݅
݅ ߳ ПЛ Аналогично, ПЛ
ܰ
݅
݅ ߳ Л ߳ П

ܶ
1
݌2݌
=
ܶ
ЛП
݌2݌
2.3. Расчет суммарного трафика Суммарный трафик по каждому каналу складывается из трафика от серверов и трафика P2P. Кроме того, служебная информация, запросы, пакеты TCP ACK, подтверждения приема в протоколах пользовательского уровня и др. дают дополнительную нагрузку порядка 15% от трафика, передаваемого в противоположном направлении. Итого, среднемесячный трафик от левой стороны в правую составит
ܶ
ЛП
=

ܶ
ЛП
с
+
ܶ
ЛП
݌2݌

+

ܶ
ПЛ
݌2݌
+
ܶ
ПЛ
с

∗ 15% Аналогичным образом рассчитывается трафик противоположного направления ПЛ. Расчет требуемой пропускной способности Поскольку все предполагаемые к использованию системы передачи являются симметричными, для расчета пропускной способности выбирается направление (
ܶ
ЛП
или ПЛ, трафик в котором больше. С учетом коэффициентов концентрации нагрузки, трафик в час наибольшей нагрузки
(ЧНН) составит
ܶ
ЧНН
=
ܶ ∗ ܭ
м
∗
ܭ
ܿ
,
где T – трафик выбранного направления (ЛП или ПЛ.

Трафик за ЧНН будем считать равномерным. Поскольку 1 час равен 3600 секундам, а в 1 байте содержится 8 бит, требуемая пропускная способность при условии выражения
ܶ
ЧНН
в мегабайтах составит
ܤ =
ܶ
ЧНН
3600
∗ 8 ሾМбит/сሿ Результаты расчета требуемой пропускной способности
(
ܶ
ЛП
с
,
ܶ
ПЛ
с
,
ܶ
ЛП
݌2݌
,
ܶ
ЛП
,
ܶ
ПЛ
,
)
для всех участков сети следует свести в таблицу, а также указать итоговое значение на схеме сети, например
9 1
0 0
М
б и
т
/c
1 7
0
М
б и
т/
с

3. Выбор систем передачи и составление схемы связи Для организации связи между узлами предлагается применение систем на базе технологии Ethernet с использованием волоконно-оптических кабелей. На выбор предлагаются следующие разновидности таких систем Название стандарта Пропускная способность,
Мбит/с Средняя пропускная способность с учетом накладных расходов, Мбит/с Максимальная длина участка, км
100BASE-BX
100 85 40 1000BASE-LH
1000 850 100 10GBASE-ER
10312 8700 40 В соответствии с требованиями к пропускной способности, полученными в предыдущем разделе, выбирается система передачи (или несколько параллельных систем, достаточных для обеспечения требуемой пропускной способности с учетом накладных расходов. Следует считать, что в среднем система каждого следующего уровня имеет стоимость втрое больше системы предыдущего уровня. Таким образом, например, при требуемой пропускной способности 1100 Мбит/с вместо 1 системы 1000BASE-LH и 3 систем 100BASE-BX выгоднее устанавливать 2 системы 1000BASE-LH. В случае, если максимальной длины, обеспечиваемой выбранной системой, недостаточно для организации канала связи, следует включить в схему регенераторы.

Пример схемы связи, соответствующий требуемой пропускной способности из примера в предыдущем разделе, показан наследующем рисунке

4. Составление схемы адресации сети Исходными данными к расчету являются
− исходный диапазон адресов, выделенный для всей сети
− количество пользователей на каждом из узлов. Для каждого узла следует выделить диапазон адресов, достаточный для обеспечения уникальными адресами каждого из пользователей. Для этого исходный диапазон адресов разбивается на подсети путем последовательного деления пополам с увеличением маски подсети на один бит, например Для каждого узла может быть выделена как одна подсеть, таки несколько. Например, для узла, на котором находится 10000 пользователей, может быть выбрана подсеть с маской /18 (16382 адреса, либо подсеть /19 (8190 адресов) плюс подсеть /21 (2046 адресов в последнем случае адресное пространство будет использоваться более эффективно из-за меньшего количества лишних зарезервированных адресов, однако при маршрутизации потребуется учитывать большее число правил. Необходимо выбрать оптимальное разбиение исходного диапазона на под- диапазоны, обеспечивающее всех пользователей адресами и содержащее минимальное число подсетей, и изобразить его в виде древовидной схемы по примеру на рисунке выше, указав у каждой подсети, к какому узлу она отнесена. При этом следует помнить, что подсеть, уже выбранная для какого-либо узла, дальнейшему делению и использованию не подлежит.
10.0.0.0/16 10.0.0.0/17 10.0.128.0/17 10.0.0.0/18 10.0.64.0/18 10.0.128.0/18 10.0.192.0/18 10.0.64.0/19 10.0.96.0/19 10.0.96.0/20 10.0.112.0/20 10.0.112.0/21 10.0.120.0/21 10.0.192.0/19 10.0.224.0/19 10.0.64.0/20 10.0.80.0/20 65534 32766 16382 8190 4094 Число адресов в каждой подсети
Подсети

Также результаты разбиения следует свести в таблицу следующего вида Узел Число пользователей Диапазон адресов А
10000 10.0.128.0/18, 10.0.112.0/21 Б
3500 10.0.80.0/20
…
…
… Содержание пояснительной записки
1.
Таблица построения кратчайшесвязанной сети с помощью алгоритма Прима.
2.
Схема полученной кратчайшесвязанной сети.
3.
Пример расчета пропускной способности для одного участка сети.
4.
Таблица с результатами расчета пропускной способности.
5.
Схема связи с указанием типов оборудования и мест расположения регенераторов.
6.
Древовидная схема разбиения адресов на подсети.
7.
Итоговая таблица адресации.