ДонНТУ   Портал магистров

Реферат по теме выпускной работы

Содержание

Введение

Вплоть до настоящего времени поставщикам услуг Internet и крупным компаниям приходилось создавать и поддерживать отдельные сети для передачи голосовой информации, видеоизображения, трафика, необходимого для решения критически важных задач, и всего остального сетевого трафика. Тем не менее, нельзя не отметить сложившуюся в последнее время ярко выраженную тенденцию к объединению всех этих сетей в одну сеть с пакетной передачей данных на основе протокола Internet Protocol (IP). Наиболее крупная IР-сеты— это, естественно, глобальная сеть Internet. За последние несколько лет рост Internet, передаваемого по Сети трафика и количества существующих Intene-приложений приблизился к экспоненциальному. В то время как Internet и корпоративные интрасети продолжают свой рост, многие аналитики предсказывают появление приложений, ориентированных на передачу нетрадиционных типов информации , например, передачу голоса по сетам IP (Voice over IP — VoIP) или передачу трафика видеоконференций. Поскольку количество пользователей Internet и различных сетевых приложений увеличивается с каждым днем, Сеть нуждается в средствах, которые бы обеспечили поддержку как существующих, так и появляющихся приложении и служб. Тем не менее, на сегодняшний день Internet может обеспечить всего лишь негарантированную доставку данных (best effort service). Негарантированная доставка данных не предполагает предоставление каких-либо гарантий, касающихся времени и самого факта прибытия пакета в пункт назначения. При этом нельзя не отметить, что отбрасывание пакетов может произойти только в момент перегрузки сети. (Более подроб-но негарантированная доставка пакетов рассматривается в разделе “Уровни качества обслуживания” далее в этой главе.).[1]

1. Организация и функционирование компьютерных сетей

Компьютерной сетью (КС) будем называть совокупность узлов (компьютеров, терминалов, периферийных устройств), имеющих воз-можность информационного взаимодействия друг с другом с помощью специального коммуникационного оборудования и программного обеспечения. Размеры сетей варьируются в широких пределах — от пары соединенных между собой компьютеров, стоящих на соседних столах, до миллионов компьютеров, разбросанных по всему миру (часть из них может находиться и на космических объектах). По масштабу сети принято делить на несколько категорий.

Локальные вычислительные сети, ЛВС или LAN (Local-Area Network), позволяют объединять компьютеры, расположенные в ограниченном пространстве. Для локальных сетей, как правило, прокладывается специализированная кабельная система, и положение возможных точек подключения абонентов ограничено этой кабельной системой. Иногда в локальных сетях используют и беспроводную связь (wireless), но и при этом возможности перемещения абонентов сильно ограничены.

Локальные сети можно объединять в более крупномасштабные образования - CAN (Campus-Area Network) - кампусная сеть, объединяющая локальные сети близко расположенных зданий), MAN (Metropolitan-Area Network - сеть городского масштаба), WAN (Wide-Area Network - широкомасштабная сеть), GAN (Global-Area Network - глобальная сеть). Сетью сетей в наше время называют глобальную сеть — Интернет (Internet). Для более крупных сетей также устанавливаются специальные проводные или беспроводные линии связи или используется инфраструктура существующих публичных средств связи. В последнем случае абоненты компьютерной сети могут подключаться к сети в относительно произвольных точках, охваченных сетью телефонии, ISDN или кабельного телевидения.

Понятие интранет (intranet) обозначает внутреннюю сеть организации, где важны два момента:

• изоляция или защита внутренней сети от внешней (Интернет);

• использование сетевого протокола IP и Web-технологий (прикладного протокола HTTP). В аппаратном аспекте применение технологии интранет означает, что все абоненты сети в основном обмениваются данными с одним или несколькими серверами, на которых сосредоточены основные информационные ресурсы предприятия.

В сетях применяются различные сетевые технологии, из которых в локальных сетях наиболее распространены Ethernet, Fast Ethernet, Gigabit Ethernet, Token Ring, l00VG-AnyLAN, ARCnet, FDDI. Оборудование сетей подразделяется на активное: интерфейсные карты компьютеров, повторители, концентраторы и т. п. Пассивное: кабели, соединительные разъемы, коммутационные панели и т. п. Кроме того, имеется вспомогательное оборудование: устройства бесперебойного питания, кондиционирования воздуха и аксессуары: монтажные стойки, шкафы, кабельные короба различного вида.

Оборудование компьютерных сетей подразделяется на конечные системы (устройства), являющиеся источниками и/или потребителями информации, и промежуточные системы, обеспечивающие транспортировку информации по сети. К конечным системам (End Systems — ES), относятся компьютеры, терминалы, сетевые принтеры, факс-модемы, кассовые аппараты, считыватели штрих-кодов, средства голосовой и видеосвязи и любые другие периферийные устройства, снабженные тем или иным сетевым интерфейсом. К промежуточным системам, (Intermediate Systems — IS), относятся концентраторы (повторители, мосты, коммутаторы), маршрутизаторы, модемы и прочие телекоммуникационные устройства, а также соединяющая их кабельная и/или беспроводная инфраструктура.

Основной задачей сети относительно пользователей, является обмен информацией между конечными устройствами. Поток данных, передаваемых по сети, называют сетевым трафиком. Трафик кроме полезной информации включает и служебную ее часть — неизбежные накладные расходы на организацию взаимодействия узлов сети. Пропускная способность линий связи, называемая также полосой пропускания (bandwidth), определяется как количество данных, проходящих через линию за единицу времени. Измеряется в бит/с (bps — bit per second), кбит/с (kbps), Мбит/с (Mbps), Гбит/с (Gbps), Тбит/с (Tbps). Здесь, как правило, приставки кило- , мега-, гига-, тера- имеют десятичное значение (103, 106, 109, 1012), а не двоичное (210, 220, 230, 240). Для активного коммуникационного оборудования применимо понятие производительность, причем в двух различных аспектах. Кроме общего количества неструктурированных данных, пропускаемых оборудованием за единицу времени (бит/с), интерес представляет и скорость обработки пакетов (pps — packets per second), кадров (tps — frames per second) или ячеек (cps — cells per second). Естественно, что при этом оговаривается и размер структур (пакетов, кадров, ячеек), для которых измеряется скорость обработки. В идеале производительность коммуникационного оборудования должна быть столь высокой, чтобы обеспечивать обработку данных, приходящих на все интерфейсы (порты) на их полной скорости (wire speed).

Магистерская работа посвящена актуальной научной задаче разработки унифицированного подхода к синтезу автоматов Мура, направленного на уменьшение аппаратурных затрат в результирующем устройстве и включающего алгоритмические, комбинаторные и схемотехнические оптимизационные приемы. В качестве целевого базиса используются микросхемы FPGA фирмы Xilinx, сочетающие функциональность, программируемость, реконфигурируемость и доступность широкому потребителю, а инструментальными средствами исследования выступают САПР Xilinx ISE, Verilog HDL и Java SE.[2]

2. Компьютерные сети, как системы массового обслуживания

В самом общем случае можно сказать, что компьютерная сеть должна решать совокупность задач обработки потоков заявок на обслуживание. Программы П1, ..., Пр решения задач обслуживания хранятся в постоянной или оперативной памяти интеллектуального узла. Они инициируются в порядке, определяемом процессами, происходящими в среде передачи компьютерной сети и в самом узле. Причина инициирования программы обработки называется .заявкой. Заявки генерируются в объектах-источниках сети и поступают в узел-приемник периодически или в произвольные, случайные моменты времени. При этом за короткий отрезок времени может поступить несколько заявок za, ..., zw, для обслуживания которых должны быть выполнены соответствующие программы узла обслуживания Пa, ..., Пw. При наличии одного процессора в узле обслуживания эти программы могут быть выполнены только последовательно, в связи с чем, возникают очереди заявок на обслуживание. При наличии нескольких процессоров (например, в коммутаторах) очереди на обслуживание (заявка на передачу пакета в порт назначения может быть поставлена в очередь) формируются в связи с занятостью порта назначения.

Обработка заявок в КС организуется по схеме, показанной на рис. Заявки z1, ..., zм поступают в устройство прерывания, являющееся частью узла сети. При появлении заявки zi устройство прерывания инициирует в узле операцию прерывания, в результате выполнения которой узел переключается на выполнение программы приема и постановки заявок в очередь, называемой «Диспетчер 1».

Результаты экспериментальных исследований

Рисунок – Обработка заявок в узле КС

(анимация: 4 кадров, 4 циклов повторения, 31 килобайт)

(Zi – входные устройство, Oi – очередь, Пi – выходные устройство)

«Диспетчер 1» опознает тип поступившей заявки и ставит заявку в соответствующую очередь О. на обслуживание. Очередь в физическом отношении состоит из совокупности ячеек оперативной Памяти, в которых размещаются коды поступивших заявок. В общем случае многие из очередей содержат заявки, ожидающие обслуживания. Пусть в каждый момент времени узел может выполнять только одну программу обслуживания. Процесс выбора заявки из множества заявок, ожидающих обслуживания, называется диспетчированием.

Процедура диспетчирования реализуется программой «Диспетчер 2», которая анализирует состояния очередей О1, ..., ОN, выбирает заявку zк,, имеющую преимущественное право на обслуживание, и инициирует соответствующую прикладную программу Пк. Считается, что в момент окончания работы программы обслуженная заявка покидает систему. По окончании программы Пк управление вновь передается «Диспетчеру 2», который выбирает очередную заявку и инициирует соответствующую прикладную программу. Если очереди пусты, «Диспетчер 2» переключает процессор в состояние ожидания.

Таким образом, обработка заявки проводится в два этапа: на первом этапе заявка принимается «Диспетчером 1» в систему и ставится в очередь, где ожидает обслуживания; на втором этапе заявка выбирается «Диспетчером 2», который организует обслуживание заявки, инициируя соответствующую прикладную программу. Программы «Диспетчер 1» и «Диспетчер 2» управляют порядком обработки заявок и относятся к классу управляющих программ. «Диспетчер 1» является короткой программой, для выполнения которой требуется несколько десятков операций процессора. Она инициируется устройством прерывания в момент поступления на его вход очередной заявки. При этом работа процессора, занятого выполнением какой-то программы, прерывается. «Диспетчер 1», заканчивая работу, передает управление «Диспетчеру 2», который продолжает выполнение прерванной программы или начинает обслуживание поступившей заявки, если она имеет преимущественное право на обслуживание по сравнению с остальными заявками.

Правило диспетчирования, на основе которого из очередей выбираются заявки на обслуживание, называется дисциплиной обслуживания. Заданная дисциплина обслуживания реализуется управляющей программой - «Диспетчером 2».[3]

3.Реальный масштаб времени

Характерная особенность рассматриваемых систем (компьютерные сети) - наличие предельных ограничений на время пребывания заявок в системе. Это время равно сумме времени ожидания, когда заявка ожидает в очередях, и времени обслуживания, затрачиваемого узлом на выполнение соответствующей программы обработки заявки. Режим работы, при котором существуют предельные ограничения на время реализации программ в узле, будем называть работой в реальном масштабе времени (РМВ). РМВ обеспечивается корректным выбором быстродействия устройств, входящих в состав сети, и планированием порядка выполнения программ, при котором наиболее важные задачи реализуются в первую очередь. Планирование сводится, в частности, к инициированию программ в порядке, отличном от порядка поступления заявок на их выполнение. Так, если в систему заявки поступили в порядке za, zb, zg, zd, то при необходимости уменьшить время обработки заявок b и g программы должны быть выполнены в следующем порядке: Пa, Пb, Пg, Пd.

4.Качество функционирования компьютерных сетей

Качество работы сети определяется в первую очередь качеством работы ее узлов и временем пребывания заявок в системе, характеризуемым промежутком времени от момента поступления заявки в узел до момента окончания ее обслуживания, т. е. до момента времени, в который заявка покидает систему. Следовательно, определение времен пребывания заявок в очереди — первоочередная задача анализа качества функционирования компьютерных сетей. Функционирование узлов КС можно рассматривать как совокупность трех процессов:

• поступления заявок на вход системы;

• диспетчирования заявок;

• обслуживания заявок. Можно ожидать, что времена пребывания заявок зависят от параметров каждого из этих процессов.

В узлах КС программы обработки заявок на обслуживание выполняются в порядке, соответствующем моментам поступления заявок, которые в общем случае случайны. К тому же время реализации одной и той же программы в общем случае не постоянно и зависит от типов запросов, поступающих извне в систему и ее состояния. Таким образом, функционирование КС носит стохастический характер, что позволяет рассматривать такие системы как системы массового обслуживания и описывать их в терминах теории массового обслуживания.[5]

5. Потоки заявок на обслуживание

Совокупность событий, распределенных во времени, в теории массового обслуживания называется потоком заявок. Пример потока дан на рис. 3.2. Здесь t1, t2, ..., — моменты возникновения событий, порождающих заявки. Различают входящие и выходящие потоки заявок, которые поступают в систему и соответственно покидают ее. В общем случае поток заявок рассматривается как случайный процесс, задаваемый функцией распределения промежутков времени между моментами поступления двух соседних заявок. Важнейшая характеристика потока — его интенсивность L, равная среднему числу заявок, поступающих в единицу времени. Величина 1/L, обратная интенсивности, определяет средний интервал времени между двумя последовательными заявками. Так, если интенсивность L = 5 с1, то средний интервал между заявками Т = 1/L = 0,2 с; если L = 0,2 с1 то Т - 5 с. [6]

Результаты экспериментальных исследований

5.1 Стационарные и нестационарные потоки заявок

Поток заявок может быть стационарным и нестационарным: если характеристики потока не изменяются во времени, то он называется стационарным, нестационарным - если характеристики изменяются во времени.

Характеристики узла КС определяются наиболее просто для стационарного режима функционирования системы, предполагающего стационарность потоков заявок. По этой причине нестационарные потоки апроксимируются на отдельных отрезках времени стационарными потоками. Так, например, поток заявок от абонентов, поступающий на сервер, не может считаться стационарным в течение суток, поскольку интенсивность передач файлов вначале и в конце рабочего дня, как правило, значительно ниже, чем днем (см. рис. ). Из приведенного графика видно, что наибольшая интенсивность приходится на период от 9 до 15 часов, в пределах которого с некоторым приближением поток может рассматриваться как стационарный.

Интенсивность потока заявок к файл-серверу в течение дня

Рисунок – Интенсивность потока заявок к файл-серверу в течение дня

5.2 Простейший поток

В теории массового обслуживания наибольшее число аналитических результатов получено для потока, называемого простейшим. Простейший поток обладает следующими свойствами:

• стационарностью (вероятностные характеристики потока не зависят от времени);

• отсутствием последействия (заявки поступают в систему независимо друг от друга, в частности длина интервала вре-мени до момента поступления следующей заявки не зависит от того, поступила в начальный момент заявка или нет);

• ординарностью (в каждый момент времени в систему может поступить не более одной заявки). Для простейшего потока интервалы времени между двумя последовательными заявками - независимые случайные величины с функцией распределения:

Распределение такого вида называется показательным (экспоненциальным) и имеет плотность


Графики плотности, соответствующие различным значениям параметра T, приведены на рис.

Рисунок – Плотность распределения интервалов времени между заявками в простейшем потоке

Математическое ожидание длины интервала времени между последовательными моментами поступления заявок определяются как:

Дисперсия интервала времени между последовательными моментами поступления заявок:

Вычислим вероятность появления коротких интервалов времени между двумя последовательными заявками, длина которых меньше математического ожидания

Таким образом, короткие интервалы более часты, чем длинные, т. е. при простейшем потоке заявки обнаруживают тенденцию к группировке, что создает более тяжелые условия при работе узла компьютерной сети по сравнению с другими распределениями потоков заявок. Для простейшего потока число заявок, поступающих в систему за промежуток времени t, распределено по закону Пуассона:

На рис. показана форма распределения Пуассона для некоторых частных значений. Математическое ожидание и дисперсия распределения Пуассона:

6. Многопротокольная коммутация меток

Рабочая группа по созданию и внедрению технологии многопротокольной коммутации меток (Multiprotocol Label Switching (MPLS) Working Group) занимается стандартизацией базовой технологии, предполагающей применение механизма продвижения пакетов на основе замены меток (метод коммутации меток) и использующейся совместно с маршрутизацией сетевого уровня. Целью рабочей группы является разра-ботка механизмов совместного использования технологии многопротокольной коммутации меток с различными технологиями канального уровня, включая Packet-over- Sonet, Frame Relay, ATM и Ethernet со скоростью передачи данных 10, 100 и 1000 Мбит/с. Стандарт MPLS базируется на механизме коммутации тэгов (tag switching), разработанном компанией Cisco Systems.

В числе других преимуществ технология MPLS позволяет достичь большей гибкости в предоставлении услуг QoS и управлении трафиком. Для идентификации потока трафика с определенными требованиями к качеству обслуживания используются метки, которые, кроме всего прочего, позволяют проводить выбор оптимизированного пути передачи пакета. Технология MPLS, виртуальные частные сети (VPNs) на основе технологии MPLS и управление трафиком в сетях MPLS нашли свое применение преимущественно в сетях поставщиков услуг. Более подробно многопротокольная коммутация меток и качество обслуживания в сетях MPLS рассматриваются в главе 9, “Качество обслуживания в сетях MPLS”, а управление трафиком в сетях MPLS — в главе 10, “Управление трафиком в сетях MPLS”. [8][9]

Выводы

Это проект призван стать ценным источником информации для сетевых администраторов, архитекторов и инженеров, желающих изучить и внедрить в своих сетях услуги IP QoS. Функции качества обслуживания являются крайне необходимыми в современных масштабируемых IP-сетях, обеспечивая предоставление гарантированных и дифференцированных услуг Internet путем передачи контроля за ресурсами сети и их использованием сетевому оператору.

Целью этого проекта и является рассмотрение архитектуры механизмов IP QoS и ассоциированных с ними функций, которые позволяют реализовать сквозное качество обслуживания в корпоративных интрасетях, сетях поставщиков услуг и, в общем случае, в глобальной сети Internet. Главный акцент при рассмотрении архитектуры механизмов IP QoS делается на архитектуре дифференцированных услуг (diffserv). Кроме этого, в данной книге уделяется внимание механизмам QoS, предусмотренным технологиями ATM, Frame Relay, IEEE 802.1p, IEEE 802.1Q, MPLS и MPLS VPN, а также взаимодействию этих механизмов с механизмами IP QoS с целью обеспечения сквозного качества обслуживания. Еще одной не менее важной темой, затронутой в этой книге, является тема управления трафиком в сетях MPLS.

В проекте представлено наиболее полное описание IP QoS и всех связанных с качеством обслуживания технологий. Рассмотрение каждой технологии заканчивается практическим примером, наглядно иллюстрирующим ее применение. Читатели данной книги получат исчерпывающую информацию по следующим вопросам.

• Фундаментальные основы качества обслуживания в сетях IP и необходимость внедрения механизмов QoS.

• Архитектура дифференцированных услуг (diffserv) и разрешающие функции QoS.

• Архитектура интегрированных услуг (Intserv) и разрешающие функции QoS.

• Механизмы QoS, предусмотренные технологиями ATM, Frame Relay и IEEE 802.1p/802.1Q, — взаимодействие с механизмами IP QoS.

• Технологии MPLS и MPLS VPN — взаимодействие с механизмами IP QoS.

• Управление трафиком в сетях MPLS.

• Политики маршрутизации, общие функции IP QoS и другая информация, касающаяся качества обслуживания.

Механизмы QoS могут быть реализованы в любой IP-сети. Следовательно, материал, представленный в данной книге, относится ко всем сетям IP-корпоративным интрасетям, сетям поставщиков услуг и, наконец, Internet.[9][10]

Список источников

  1. Anthony Alles ATM Internetworking (англ.) // Cisco Systems, Inc. — May 1995.

  2. Steve G. Steinberg Netheads vs Bellheads (англ.) // Wired. — 1996. — № 4.10.

  3. А. Н. Назаров, И. А. Разживин, М. В. Симонов АТМ: Технические решения создания сетей. — Справочное издание. — М.: Горячая Линия - Телеком, 2001. — С. 376. — ISBN 5-93517-040-X

  4. А. Н. Назаров, И. А. Разживин, М. В. Симонов АТМ: Принципы и технические решения создания сетей. — Учеб. пособие для студентов, обучающихся по специальностям 200900 - «Сети связи и системы коммутации». — М.: Горячая Линия - Телеком, 2002. — С. 408. — ISBN 5-93517-079-5

  5. Галина Дикер-Пилдуш Сети ATM корпорации Cisco = Cisco ATM Solutions. — М.: «Вильямс», 2004. — С. 880. — ISBN 1-57870-213-5

  6. Руководство по технологиям объединённых сетей = Internetworking Technologies Handbook. — 4. — М.: «Вильямс», 2005. — С. 1040. — ISBN 5-58705-119-2

  7. Конспект лекций по дисциплине «Компьютерные сети».

  8. Электронный ресурс http://ru.wikipedia.org/wikiКомпьютерная_сеть.

  9. Электронный ресурс http://www.quizful.net/post/ethernet-routing.

  10. Кларк, Кевин Гамильтон «Принципы коммутации в локальных сетях Cisco».