Файл: Определение пропускной способности магистрального канала пакетной сети.pdf

Практическое занятие 1,2,3,4 - 4 часа.
Тема: Определение пропускной способности магистрального канала пакетной сети.
Цель занятия: Изучение определения пропускной способности магистрального канала пакетной сети
Основные вопросы:
- принципы построения пакетной сети;
- определение пропускной способности магистрального канала пакетной сети;
1. Построение структуры сети
В проектируемой сети необходимо обеспечить одновременную работу большого числа пользователей (таблица 1.1) равномерно распределенных по двум локальным сетям. Причем необходимо организовать постоянный высокоскоростной обмен информацией между сетями, т.е. необходимо объединить обе локальные сети в единую распределенную сеть. Для обеспечения достаточной производительности, разделим всю сеть на несколько иерархических уровней. В глобальном масштабе выделим два иерархических уровня: уровень глобальной сети; уровень локальных сетей.
В свою очередь уровень локальных сетей делится еще на несколько более мелких подуровней.
1.1. Локальная сеть здания
Локальная сеть каждого предприятия (здания) строится по технологии
Fast Ethernet 100Base-TX с пропускной способностью 100 Мбит/с. В качестве передающей среды используется неэкранированная витая пара 5 категории
(UTP-5).
Прокладка кабеля от концентраторов до каждой точки осуществляется вдоль стен здания по специальным кабельным каналам. При прокладке кабеля учитывались следующие ограничения:

структура сети должна быть звездообразной.

расстояние между концентратором и конечным компьютером не должно превышать 100 м;

расстояние между концентратором и концентратором или между концентратором и маршрутизатором (коммутатором) не должно превышать
100 м.
Звездообразная структура сети подразумевает наличие в сети концентраторов, которые объединяют нагрузку от некоторой группы компьютеров. В свою очередь все концентраторы объединяются с помощью коммутаторов ЛВС также в звездообразную структуру.

На каждом этаже располагается 22 рабочих компьютера, таким образом необходимая емкость концентраторов на каждый этаж составляет 24 порта (с учетом возможного расширения сети). Для обеспечения необходимой емкости используется три 8-ми портовых концентратора. Все концентраторы объединяются коммутаторами 2-го уровня, в которые также включаются один файл-сервер и один сервер базы данных (на каждый этаж).
Все сетевое оборудование каждого этажа (концентраторы, коммутаторы
2-го уровня и сервера) располагаются в отдельной нерабочей (технической) комнате. На первом этаже в технической комнате также располагаются компьютер администратора сети, общие сервера, коммутатор 1-го уровня.
Каналы передачи между коммутаторами 2-го и 1-го уровня резервируются для повышения надежности работы.
Все сетевое оборудование монтируется в стандартные 19-ти дюймовые серверные стойки и обеспечивается гарантированным электропитанием.
Таким образом локальная сеть предприятия строится по иерархической структуре с тремя уровнями иерархии:

на самом нижнем уровне находятся конечные компьютеры и концентраторы;

на следующем уровне находятся коммутаторы 2-го уровня
(коммутаторы рабочих групп) и сервера рабочих групп;

на самом верхнем уровне - коммутаторы 1-го уровня (коммутаторы локальной сети) и общие сервера;
Структура локальной сети, соответствующая иерархической структуре приведена рисунке 1.1.
1.2. Распределенная сеть предприятия
Для построения распределенной сети необходимо использовать магистральные каналы связи. Так как в городе Алматы уже существует цифровая транспортная сеть построенная на базе современной технологии
SDH, то для организации связи используются цифровые высокоскоростные каналы, образуемые SDH.
Иерархический уровень распределенной сети начинается с устройства доступа ATM. Устройство доступа выполняет функции согласования и преобразования кадров передачи локальной сети в кадры сети ATM. По локальной сети передаются кадры Ethernet, длиной 1250 байт. Устройство доступа преобразует их в кадры ATM, длиной 48 байт и снабжает сформированные кадры ATM адресной информацией. Эти функции выполняются с помощью процедуры LANE - LAN Emulation (эмуляция ЛВС).
Сформированный ATM-поток поступает на ATM-коммутатор. Также в
ATM-коммутатор включены корпоративные высокопроизводительные сервера баз данных и файл-сервера. Сервера подключаются по протоколу
ATM. Коммутатор ATM осуществляет обработку и перераспределение ATM- потока между локальными сетями и серверами.

Коммутатор:

является высокопроизводительным устройством;

обеспечивает одновременную передачу информации между различными сегментами сети;

защищает от вероятности вмешательства третьих лиц через маршрутизатор, что ведет к потере безопасности сети.
Сетевое оборудование распределенной сети: устройства доступа ATM, коммутатор ATM и крупные сервера располагаются на первом этаже в той же технической комнате, где располагается сетевое оборудование ЛВС. Оно монтируется так же в стандартные 19-ти дюймовые стойки и обеспечивается гарантированным электропитанием.
Структура распределенной сети приведена рисунке 1.2.

Рисунок 1.1 Структура локальной сети

Рисунок 1.2

1.2. Расчет пропускной способности магистрального канала сети ATM в схеме предприятия
Для расчета пропускной способности магистрального канала сначала определим общий объем передаваемой информации между локальными сетями в течении одного рабочего дня. Для этого предположим, что в сети предприятия работают несколько категорий пользователей:

пользователи, использующие компьютерную сеть для передачи документов с помощью электронной почты. Для этих пользователей можно принять объем передаваемой информации 3 Мб за рабочий день, причем эта нагрузка распределена относительно равномерно в течении всего рабочего дня;

пользователи производящие загрузку программ с удаленных файловых серверов. Характерная черта этих пользователей заключается в том, что они создают большую загрузку в начале рабочего дня (при загрузки программ) и в конце рабочего дня (при сохранении результатов работы) на протяжении короткого промежутка времени. Общий объем информации передаваемый каждым пользователем данной категории примем равным 5 Мб в день, причем время затрачиваемой на передачу составляет не более 1,5 часов в течении всего рабочего дня;

пользователи регулярно работающие с удаленными базами данных.
Эта категория пользователей создает равномерную нагрузку на сеть в течении всего рабочего дня и общий объем передаваемых данных составляет 10 Мб в день;

пользователи, пользующиеся услугами телеконференций для проведения рабочих совещаний и переговоров, т.е. передающие данные мультимедиа. Число таких пользователей в сети относительно небольшое, но они создают значительную нагрузку на сеть, т.к. для обеспечения приемлемого качества передаваемого аудио/видео сигналов необходимо использовать полосу пропускания не ниже 1024 кбит/с. Общая продолжительность работы каждого пользователя составляет 3 часа в день, причем нагрузка распределяется в основном равномерно на протяжении всего дня.
Информация об объеме передаваемых данных пользователем каждой категории взята на основе статистических исследований.
Исходные данные для решения задачи приведены в таблицах 1.4, 1.5,
1.6, 1.7.
Для расчета общего объема передаваемых данных пользователями ЛВС воспользуемся формулой 1.1.

Q
Q N
п i
i i


*
,
(1.1) где Q
i
- объем передаваемых данных (в байтах) одним пользователем i- той категории;
N
i
- число пользователей i-той категории в одной локальной сети.
Пример
Общее число пользователей распределенной сетей составляет 150 человек.
Количество пользователей каждой категории приведено в таблице 1.1, причем один и тот же пользователь может одновременно принадлежать к разным категориям, т.е., например, он может пользоваться услугами электронной почты и информацией из удаленных баз данных одновременно.
Таблица 1.1 - Число пользователей каждой категории
Категория пользователей
Количество пользователей
Пересылка документов по электронной почте
150
Загрузка ПО с удаленного файл-сервера
70
Работа с удаленными БД
100
Передача данных мультимедиа
25
Цифры приведенные в таблице 1.1 взяты на основании статистических наблюдений за работой больших сетей на протяжении нескольких лет.
Данные наблюдения показали, следующее:

услугами электронной почты пользуются, как правило 98

100 % пользователей;

загрузкой ПО с удаленных серверов заняты 45

50 % пользователей сети;

работой с информационными базами и банками данных заняты 60

70 % пользователей;

передачей мультимедийных данных (услуги видеоконференций, телефония по компьютерной сети и т.п.) пользуются 10

20 % пользователей, причем с каждым годом число пользователей данной категории значительно увеличивается.
Рассчитаем объем передаваемых данных мультимедиа одним пользователем. Для этого воспользуемся формулой 1.1.
Q
q
t
м/м

8 3600
* *
,
(1.1)

где q - скорость передачи данным мультимедиа (бит/с), t - время передачи (час).
Числено объем передаваемых данных мультимедиа одним пользователем равен
Q
м/м


1048576 8
3 3600 1415577600
* *
(байт).
Для расчета общего объема передаваемых данных пользователями ЛВС следует воспользоваться формулой 2.1
Q
Q N
п i
i i


*
, байт
(1.2) где Qi - объем передаваемых данных одним пользователем i-той категории, байтах;
Ni - число пользователей i-той категории в одной локальной сети.
Общий объем информации, передаваемый конечными пользователями составляет
Qi = кол-во Мбайт категории*1024*1024=
Q
п





3 1048576 150 5 1048576 70 10 1048576 100 1415577600 25 37276876800
*
*
*
*
*
*
*
(байт).
Мбайт кбайт байт = 1024*1024=1048576 байт
Кроме конечных пользователей в любой компьютерной сети всегда работают серверы различных служб (файл-серверы, серверы баз данных, постовые сервера и т.д.). Все сервера работают круглосуточно, однако пик их работы все же приходится на рабочий день.
Для расчета объема передаваемой серверами информации по распределенной сети предположим, что в каждую ЛВС включен один файл- сервер и один сервер базы данных. Следовательно на все распределенную сеть предприятия приходится 4 служебных сервера. Для расчетов примем, так же, что каждый сервер в течении астрономических суток передает информацию объемом 1 Гбайт, причем 75 % всей информации передается в течении рабочего дня и лишь 25 % в ночное время, когда происходит обновление данных на всех серверах без участия пользователей.
Для расчета количества передаваемой серверами информации используем формулу 1.3.

Q
Q N K
с i

*
*
,
(1.2) где Q
i
- объем передаваемой информации одним сервером (байт),
N - число одновременно работающих серверов,
K - доля от общего объема передаваемой серверами информации, приходящейся на рабочий день.
Числено объем передаваемой серверами информации равен
Q
с


1 1073741824 4 0 75 3221225472
*
* * ,
(байт).
Для расчета пропускной способности коммутатора ATM необходимо учитывать, что он работает в дуплексном режиме, т.е. одновременно может передавать и принимать данные.
Общий объем данных, обрабатываемых коммутатором ATM определим по формуле 1.4.
Q Q
Q


п с
,
(1.3) где Q
п
- объем передаваемых пользователями данных,
Q
с
- объем передаваемых серверами данных.
Числено общий объем данных, обрабатываемых коммутатором ATM равен
Q



37276876800 3221225472 40498102272
(байт)
Для дальнейших расчетов необходимо знать число передаваемых кадров в течении рабочего дня. Технология ATM использует кадры длиной 53 байта, из которых 48 байт являются информационными и 5 байт адресной информацией.
Необходимое число кадров ATM для передачи полезной информации рассчитаем по формуле 1.5.
N
Q
кадров
 




48 1
,
(1.4)
125369,002 где Q - объем передаваемой информации (байт);
48 - длина информационной (полезной) части одного кадра ATM;
[ ] - обозначают целую часть.
Числено число кадров передаваемых кадров равно

N
кадров





 
40498102272 48 1 843710465
(кадров АТМ/день).
Для расчета необходимой пропускной способности магистрального канала связи воспользуемся математическим аппаратом теории массового обслуживания. Исходными данными для расчета будут служить найденное выше число передаваемых кадров ATM и длина информационной части одного кадра, которая является стандартной величиной.
Для использования теории массового обслуживания необходимо знать соотношение между скоростью поступления кадров и скоростью обслуживания.
Скорость поступления кадров можно определить исходя из интенсивности трафика, т.е. от количества передаваемых кадров по формуле
1.6.
V
N
T

кадров
* 3600
,
(1.5) где N
кадров
- количество передаваемых кадров в течении рабочего дня,
T - продолжительность рабочего дня, (час).
Для определения скорости поступления кадров учитываем следующие обстоятельства:

обе ЛВС, между которыми происходит обмен данными, находятся в одном часовом поясе;

продолжительность рабочего дня составляет 8 часов.
При данных условиях скорость поступления кадров равна
V


843710465 8 3600 29295 502
*
,
(кадра/с).
Для передачи информации по магистральной сети к информационным пакетам добавляется адресная информация, следовательно общая длина кадра, передаваемого по магистральному каналу, рассчитывается по формуле
1.7.
L
L
L
кадра инф адр


,
(1.6) где L
инф
- длина информационной части кадра;
L
адр
- длина адресной части кадра.
Для технологии ATM длина информационной части L
инф
= 48 байт и длина адресной части L
адр
= 5 байт, следовательно общая длина кадра равна

L
кадра

 
48 5 53
(байт).
Для расчета скорости обслуживания зададимся некоторой фиксированной скоростью работы магистрального канала.
Время обслуживания одного кадра определяется по формуле 1.8
t
L
V
обс. кад.
кадра канала

*8
,
(1.7) где L
кадра
- длина передаваемого кадра (байт),
V
канала
- скорость обмена информации в магистральном канале,
(бит/с).
Время передачи кадра отождествляется с временем обслуживания.
Скорость обслуживания является обратной величиной ко времени обслуживания (формула 1.9).
V
t
V
L
обслуж обс.кад.
канала кадра


1 8
*
(1.8)
В результате расчета скорости обслуживания возможны две ситуации:

скорость обслуживания кадров оказывается больше, чем скорость поступления кадров. В этом случае пропускной способности магистрального канала оказывается более, чем достаточной. Однако необходимо учитывать, что скорость поступления кадров это средняя по времени величина.
Существуют такие ситуации в часы наибольшей нагрузки, когда происходит передача крупных порций информации, интенсивность которых превосходит возможности пропускной способности магистрального канала.

скорость обслуживания кадров оказывается меньше, чем скорость поступления кадров. В этом случае пропускная способность магистрального канала оказывается недостаточной. Магистральный коммутатор в данном случае осуществляет буферизацию данных: вновь принимаемые кадры накапливаются в буферной памяти до тех пор, пока не будут переданные предыдущие кадры. В данном случае возникают очередь и задержки. Теория массового обслуживания позволяет оценить время задержки исходя из скорости работы линии связи.
В таблицу 1.2 сведены результаты расчета для скорости работы магистрального канала от 1 Мбит/с до 41 Мбит/с с шагом изменения скорости
2 Мбит/с.

Таблица 1.2 - Результаты расчета скорости обслуживания в магистральном канале
Параметр
Скорость передачи информации в магистральном канале, Мбит/с
1
3
5
7
9
11
13
t
обс.кад.
, сек
4,04х10
-4 1,35х10
-4 8,09х10
-5 5,78х10
-5 4,49х10
-5 3,68х10
-5 3,11х10
-5
V
обслуж.
, к./с
2473,057 7419,170 12365,28 17311,40 22257,51 27203,62 32149,74
Параметр
Скорость передачи информации в магистральном канале, Мбит/с
15
17
19
21
23
25
27
t
обс.кад.
, сек
2,70х10
-5 2,38х10
-5 2,13х10
-5 1,93х10
-5 1,76х10
-5 1,62х10
-5 1,50х10
-5
V
обслуж.
, к./с
37095,85 42041,96 46988,07 51934,19 56880,30 61826,42 66772,53
Параметр
Скорость передачи информации в магистральном канале, Мбит/с
29
31
33
35
37
39
41
t
обс.кад.
, сек
1,39х10
-5 1,30х10
-5 1,23х10
-5 1,56х10
-5 10,9х10
-5 1,04х10
-5 9,86х10
-6
V
обслуж.
, к./с
71718,64 76664,75 81610,87 86556,98 91503,09 96449,21 101395,3
Теперь рассчитаем степень использования магистрального канала связи.
Для этого воспользуемся формулой 1.10.
P
V
V

обслуж.
,
(1.9) где V - скорость поступления кадров;
V
обслуж.
- скорость обслуживания кадров.
Зная степень использования магистрального канала можно рассчитать вероятность отсутствия кадров в магистральном канале по формуле 1.11.
P
P
0 1
 
,
(1.10) где P - степень использования магистрального канала.
Расчет степени использования и вероятности отсутствия кадров в канале производится с помощью программного обеспечения для различных скоростей передачи в магистральном канале.
Расчет производился для скоростей передачи данных в магистральном канале большей и равной 13 Мбит/с, т.к. при более низких скоростях передачи канал постоянно занят и говорить о вероятности отсутствия в нем кадров не имеет смысл.
Результаты расчета сведены в таблицу 1.3.