Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Локальные вычислительные сети и методы их исследования 10
1.1 Обзор литературы 10
1.2. Технология и архитектура сетей ethernet 14
1.3. Показатели эффективности локальных вычислительных сетей 17
1.4. Аналитические методы исследования характеристик сети ethernet 21
1.5. Имитационное моделирование сети ethernet 28
1.6. Основные выводы 29
Глава 2. Модели составных частей локальных вычислительных сетей 31
2.1. Область применения технологии ethernet и модели трафика сети 31
2.2. Локальная вычислительная сеть РГРТУ 34
2.3. Локальная вычислительная сеть ЛГПУ 38
2.4. Снятие характеристик сетей ргрту и ЛГПУ 44
2.5. Основные компоненты локальной сети ethernet...46
2.6. Формальное описание сети ethernet в рамках агрегативного подхода 52
2.7. Основные результаты 55
Глава 3. Компоненты локальной сети ethernet 56
3.1. Понятие «блок» 56
3.2. Блок модели сетевой адаптер 58
3.3. Блок модели повторитель 63
3.4. Канал связи 64
3.5. Блок модели коммутатор 66
3.6. Взаимосвязь блоков модели 69
3.7. Основные результаты 76
Глава 4. Оптимизация структуры сети ethernet по критериям пропускной способности и полной стоимости 77
4.1. Синтез сети. Использование генетических алгоритмов для синтеза сети 77
4.2. Общая структура генетического алгоритма 86
4.3. Структура хромосомы. проектирование и алгоритм формирования начального множества жизнеспособных хромосом 90
4.4. Формирование кроссовера 97
4.5. Фитнесс-функция 98
4.5.1. Фитнесс-функция оптимизации локальной сети ethernet по цене 101
4.5.2. Фитнесс-функция оптимизации по нагруженности коммутационных узлов и сегментов сети 106
4.6. Методика оптимизации структурированной кабельной системы ethernet 113
4.7. Определение оптимальной структуры сети fast ethernet с одним коммутатором 118
4.8. Основные результаты 123
Заключение 124
Литература 128
- Показатели эффективности локальных вычислительных сетей
- Локальная вычислительная сеть РГРТУ
- Блок модели сетевой адаптер
- Синтез сети. Использование генетических алгоритмов для синтеза сети
Введение к работе
Актуальность темы. В настоящее время локальные вычислительные сети (ЛВС) нашли широкое применение в различных сферах деятельности человека. В процессе развития ЛВС происходила стандартизация технологии объединения компьютеров в сеть - Ethernet, FDDI, Token Ring, и др. Наибольшее распространение получила сеть Ethernet, архитектура которой определяется стандартом IEEE 802.3 и базируется на протоколе функционирования общей среды передачи CSMA/CD.
Проблемами анализа и параметрической оптимизации ЛВС Ethernet занимались многие отечественные и зарубежные ученые, например, Коган Я.А., Майоров С.А., Вишневский В.М., Ляхов В.А., Родионов А.С., Марья-нович Т.П., Бертсекас Д, Клейн Дж., Войтер А.П., Эд Уилсон, и др. Эти вопросы достаточно хорошо проработаны. В настоящее время, как в России, так и за рубежом, практически единственным подходом к решению задачи выбора топологии ЛВС является опыт инженеров по системной интеграции. Так как ЛВС являются весьма сложными системами, это часто приводит к принятиям неоптимальных решений при их проектировании. Единственный способ избежать указанных трудностей - принимать решения с использованием средств автоматизированного проектирования.
Аналитические методы оперируют с относительно простыми моделями. В них сложно учесть специфические требования пользователей, а для разработки нового математического аппарата требуется значительное время и высокая квалификация разработчиков модели. При использовании имитационных методов можно построить весьма подробную модель. Но проведение имитационных экспериментов требует значительных затрат машинного времени, особенно с тех случаях, когда необходимо исследовать поверхности отклика для нахождения наилучшего решения. Как аналитическое, так и имитационное моделирование при решении проектных задач дают возможность оценить основные показатели качества сети, в ча-
5 стности, найти так называемые "узкие места", т.е. точки, в которых могут
возникнуть перегрузки или отказы сети.
В последнее время появились работы по синтезу и структурной оптимизации компьютерных сетей на основе генетических алгоритмов, в частности Кузнецова И.В., Трекина А.Г., Бугрова Д.А., Аль-Шрайдеха X. С, Адиль О., Мальчерека М. Получен ряд частных результатов, но в целом задача структурной оптимизации ЛВС Ethernet является нерешенной. Существенной характеристикой любой программы анализа или синтеза ЛВС Ethernet является ее функциональная полнота. То же самое можно отнести и системам структурной оптимизации таких сетей. Важна не только непосредственно сама топология сети, но и то, в какой мере она отвечает потребностям либо проектировщика сети, либо сетевого администратора. Другими словами, в процессе оптимизации (нахождения наилучшей структуры) постоянно должно проверяться выполнение показателей качества сети. Это - любые заданные системным администратором параметры и характеристики, такие как время реакции на запросы системных программ или пользователей, особенности протокола - полнодуплексный или полудуплексный, задержки при передаче пакетов и их вариации, достоверность передачи информации, процент потерь пакетов, влияние коллизий на характеристики сети, а также параметры, накладывающие ограничения на время восстановления и реконфигурации ЛВС Ethernet.
Поэтому проблема создания новых систем синтеза оптимальной структуры ЛВС Ethernet с учетом возможности настройки такой системы на конкретную спецификацию (набор контролируемых параметров и характеристик) системного администратора является весьма актуальной.
Работа выполнена при финансовой поддержке Российского фонда фундаментальных исследований в форме гранта, шифр 07-07-00146-а.
Объектом исследований в рамках диссертационной работы является ЛВС Ethernet, оборудование, входящее в ее состав, процессы взаимодействия компонентов локальной сети.
Предметом исследования является математическое и программное обеспечение имитационного моделирования и синтеза оптимальной структуры сети Ethernet.
Целью работы является уменьшение расходов на проектирование и модернизацию ЛВС Ethernet, повышение качества проектных решений, анализ, сравнение и выбор необходимой конфигурации локальной сети, повышение качества оценки существующей или будущей корпоративной сети Ethernet, оптимизация структуры сети Ethernet.
Основные задачи. Для достижения цели диссертационной работы необходимо выполнить анализ проблемной области и решить следующие задачи:
определить научные подходы для проведения исследований;
разработать алгоритмы структурного синтеза и оптимизации крупномасштабной и многофункциональной сети Ethernet;
разработать методики проведения экспериментальных исследований;
создать методики применения новых научных результатов на практике.
Методы исследования. Основные задачи решены с использованием: теории вероятностей; теории графов, теории систем массового обслуживания; теории больших систем управления (БСУ); общей теории систем; теории имитационного моделирования; теории генетических алгоритмов, методологии структурного и объектно-ориентированного программирования.
Научная новизна. В диссертации решена важная научно-техническая задача по синтезу оптимальной структуры сети Ethernet. При ее решении получены следующие новые научные результаты:
— на основе модернизации агрегативного подхода определены базо
вые функциональные блоки имитационных моделей локальной сети
Ethernet, а также способы их сопряжения, что позволило по сравнению с
известными аналогами реализовать высокоскоростные алгоритмы оценки
7 функции полезности генетического алгоритма с учетом показателей качества сети Ethernet;
— предложена новая модификация генетического алгоритма для син
теза топологии локальной сети Ethernet, в которой по сравнению с извест
ными аналогами в качестве функции полезности используется система
имитации, что позволяет при оценке данного варианта структуры учиты
вать влияние трафика пользователей на характеристики сети Ethernet;
создана визуальная система имитационного моделирования локальной сети Ethernet, в которой по сравнению с известными прототипами реализованы функции параметрической и структурной оптимизации локальной сети Ethernet с учетом ее показателей качества;
разработана не имеющая аналогов методика параметрической и структурной оптимизации локальной сети Ethernet;
разработана не имеющая аналогов методика оптимизации структурированной кабельной системы корпоративной сети Ethernet.
Практическая ценность. Созданы инженерные методики и комплекс программ для моделирования сетей Ethernet и их структурной оптимизации. Полученные результаты обладают достаточной универсальностью, что делает возможным их использование в различных областях применения сетей Ethernet:
для повышения качества, уменьшения стоимости и времени подготовки проектных решений на основе сетей Ethernet;
в городских сетях Metro Ethernet;
в промышленных сетях Ethernet;
в сетях, отличных от стандартов Ethernet, например, в виртуальных частных сетях или в сетях на основе многопротокольной коммутации меток MPLS.
Внедрение результатов работы. Результаты диссертационной работы внедрены:
в ООО «ЭлекТел» (г. Липецк);
в учебный процесс Рязанского государственного радиотехнического университета и используются студентами специальности 080801 — «Прикладная информатика (в экономике)» при изучении дисциплины «Открытые информационные системы» и специальности 230105 - «Программное обеспечение вычислительной техники и автоматизированных систем» при изучении дисциплины «Сети ЭВМ и телекоммуникации»;
в учебный процесс Липецкого государственного педагогического университета и используются студентами специальности 090103 - «Организация и технология защиты информации» при изучении дисциплины «Компьютерные коммуникации и сети», а также студентами специальности 010501 - «Прикладная математика и информатика» при изучении дисциплины «Архитектура компьютерных сетей».
Достоверность и обоснованность научных положений и результатов диссертационной работы подтверждается:
анализом сходимости, вычислительной трудоемкости и затрат памяти алгоритмов;
верификацией разработанных программных средств;
сравнением результатов имитационного эксперимента и замеров характеристик действующей сети Ethernet;
сравнением характеристик структур ЛВС Ethernet, полученных с использованием генетических алгоритмов и реальных сетей;
имеющимися актами внедрения.
Апробация результатов диссертации. Результаты настоящей диссертационной работы докладывались и обсуждались на 3 международных и одной всероссийской конференции: 12, 13, 15 международных конференциях «Проблемы передачи и обработки информации в сетях и системах телекоммуникаций» г. Рязань 2004, 2008 г., всероссийской научно-технической конференции «Информационные и телекоммуникационные
технологии. Подготовка специалистов для информационной среды» г. Рязань 2009 г., а также на научных семинарах кафедры Электроники, телекоммуникаций и компьютерных технологий Липецкого государственного педагогического университета и Вычислительной и прикладной математики Рязанского государственного радиотехнического университета.
Публикации. Основные результаты работы опубликованы в 17 работах, в том числе 2 статьи в изданиях, рекомендованных ВАК, 1 программа зарегистрирована в отраслевом фонде регистрации программ (Свидетельство № 20076138090 per. 06.09.07).
Структура и объем диссертации. Диссертация содержит 135 страниц основного текста и состоит из введения, четырех глав, заключения, библиографического списка из 80 наименований и приложений на 26 листах. В диссертацию включено 59 рисунков и 11 таблиц.
Показатели эффективности локальных вычислительных сетей
Локальная вычислительная сеть Ethernet является сложной системой, а проектирование сети и анализ ее эффективности является достаточно трудной задачей [17, 18]. Основной целью проектирования и реализации ЛВС принято считать доступность приложений и снижение общей стоимости. Если приложения недоступны пользователю (или их реализация затруднена в течение некоторого времени), то сеть не выполняет свою основную функцию. В то же время в хорошо реализованной сети Ethernet оптимизирована функция доступности приложений при эффективном использовании существующих финансовых ресурсов. В работе [18] сформулирована общая цель проектирования распределенной сети в форме минимизации стоимости ЛВС при соблюдении всех требований по обеспечению доступа к ресурсам сети.
Основными характеристиками доступности приложений являются: - время отклика; - пропускная способность; - надежность. Время отклика — время между вводом команды (нажатием клавиши) и ее выполнением операционной системой компьютера (или доставкой ответа с сервера). Критичными к быстрому отклику являются приложения, предназначенные для реализации интерактивной работы (например, автоматизированные кассы, торговые автоматы и пр.). В тех случаях, когда требуется передача файлов, главным показателем эффективности распределенной сети является интенсивное использование полосы пропускания среды доступа, т.е. пропускная способность сети. Подобные приложения ориентированы на интенсивный обмен данными. Надежность сети характеризует ее способность выполнять операции по передаче информации с затратами ресурсов сети. Повышение надежности достигается, как правило, повышением требований к аппаратному обеспечению и требуют наличия резервных средств. Примерами подобных служб могут служить торговля ценными бумагами, скорая помощь, военные операции и т.д. Характеристики сети Ethernet определяются следующими основными параметрами [16]: - размером информационного блока — кадра, который изменяется от 72 до 1526 байт; - режимом обмена кадрами — обычная передача пакетов с указанием одного адреса, передача пакетов с групповыми или широковещательными адресами; - средой передачи — коаксиальный кабель (тонкий или толстый), витая пара (3, 4, 5-й... категории), оптоволоконный кабель; - особенностями доступа к среде передачи CSMA/CD с учетом технологии коммутации в соответствии с алгоритмом "прозрачного моста"; - скоростью передачи данных - 10 ... 10000 Мбит/с; - физической топологией - «шина» или «звезда»; - логической топологией — «шина» или множество сегментов, объединенных коммутаторами; - размерами сетей - от нескольких метров до нескольких километров (при использовании повторителей и коммутаторов). Производительность сегмента Ethernet можно охарактеризовать числом переданных кадров (пакетов) в секунду. Данный показатель часто указывается производителями устройств Ethernet (мостов, коммутаторов, маршрутизаторов) как основная характеристика производительности этих устройств. Для коммуникационного оборудования наиболее тяжелым является обработка кадров минимальной длины, так как при этом коммутатор выполняет значительно больше трудоемких операций по распознаванию заголовка кадра, нахождению адреса передачи в заголовке, обращению к коммутационной матрице, установлению соединения с выходным портом, получению доступа к следующему сегменту. Другой характеристикой производительности является число бит в секунду (данный показатель используется несколько реже, так как производительность при длинных кадрах выше, т.е. зависит от длины кадра). В настоящее время к числу параметров, существенно влияющих на качество работы сети, относят [12]: - значение параметра тайм-аута - интервала времени ожидания подтверждения правильности передачи пакета или группы пакетов; - размер окна, в пределах которого первичная (передающая) станция может посылать кадры, не дожидаясь подтверждения; - параметра старения информации (после истечения некоторого времени пакет имеет ограниченную или нулевую ценность); - величины MTU - установленного при инициализации длины передаваемого кадра в данной подсети. От значения этого параметра зависит, будут ли выполняться или нет достаточно длительные операции фрагментации и дефрагментации пакетов на границах подсетей; - величина задержки и ее вариация при передаче синхронной информации (чувствительной к задержкам); - допустимый коэффициент пакетов. Эффективность применения того или иного метода для решения задач анализа и оптимизации сети Ethernet в значительной мере зависит от того, учтено ли в данном методе в достаточной степени влияние вышеуказанных параметров. Анализу распределенных сетей посвящено значительное число работ, из которых можно отметить авторов: Олифера В.Г., Олифер Н.А., Майкла Дж. Мартина, Бунина С.Г., Войтера А.П., Эда Уилсона [1, 15, 19, 20, 24], В этих работах исследованы различные аспекты их эффективности локальных сетей.
Локальная вычислительная сеть РГРТУ
Используемое в локальных сетях оборудование может применяться как для подключения отдельного узла, так и для связи множества узлов. В его состав входят следующие устройства [1 , 50 — 54]: сетевые адаптеры, повторители, концентраторы, мосты, коммутаторы.
Сетевой адаптер служит для подключения к сети некоторого сетевого устройства, например, компьютера или другого сетевого оборудования. Конструкция сетевых адаптеров ориентирована на конкретные методы передачи сетевого сигнала, тип компьютерной шины и сетевую передающую среду.
В зависимости от варианта технологии Ethernet, различают сетевые адаптеры по физическому подключению и по реализации скорости доступа. По физическому подключению сетевые адаптеры делятся: подключение по коаксиальному кабелю - BNC, подключение по витой паре — RG-45, комбинированное подключение (BNC и RG-45). По реализуемой скорости подключения: 10 Мбит/с, 100 Мбит/с, 1 Гбит/с. Каждый узел сети имеет сетевой адаптер — схему, реализующую метод CSMA/CD на аппаратном (или микропрограммном) уровне [50]. Повторитель (репитер, repeater) соединяет два или несколько кабельных сегментов и ретранслирует любой входящий сигнал на все другие сегменты. Сегмент кабеля - это один отрезок кабеля, удовлетворяющий спецификациям IEEE. Повторитель может выполнять следующие функции физического уровня: — фильтровать искажения сигнала или шум, вызванный радио или электромагнитными помехами; - усиливать входящий сигнал и восстанавливать его форму для более точной передачи; - синхронизировать сигнал (в сетях Ethernet); — воспроизводить сигнал на всех кабельных сегментах. сетей или подсетей, а также для развертывания сети предприятия (кампуса). Используемое в локальных сетях оборудование может применяться как для подключения отдельного узла, так и для связи множества узлов. В его состав входят следующие устройства [1 , 50 — 54]: сетевые адаптеры, повторители, концентраторы, мосты, коммутаторы. Сетевой адаптер служит для подключения к сети некоторого сетевого устройства, например, компьютера или другого сетевого оборудования. Конструкция сетевых адаптеров ориентирована на конкретные методы передачи сетевого сигнала, тип компьютерной шины и сетевую передающую среду. В зависимости от варианта технологии Ethernet, различают сетевые адаптеры по физическому подключению и по реализации скорости доступа. По физическому подключению сетевые адаптеры делятся: подключение по коаксиальному кабелю - BNC, подключение по витой паре — RG-45, комбинированное подключение (BNC и RG-45). По реализуемой скорости подключения: 10 Мбит/с, 100 Мбит/с, 1 Гбит/с. Каждый узел сети имеет сетевой адаптер — схему, реализующую метод CSMA/CD на аппаратном (или микропрограммном) уровне [50]. Повторитель (репитер, repeater) соединяет два или несколько кабельных сегментов и ретранслирует любой входящий сигнал на все другие сегменты. Сегмент кабеля - это один отрезок кабеля, удовлетворяющий спецификациям IEEE. Повторитель может выполнять следующие функции физического уровня: — фильтровать искажения сигнала или шум, вызванный радио или электромагнитными помехами; - усиливать входящий сигнал и восстанавливать его форму для более точной передачи; - синхронизировать сигнал (в сетях Ethernet); — воспроизводить сигнал на всех кабельных сегментах. Повторитель в сетях Ethernet на коаксиальном кабеле в основном используется как средство преодоления ограничений длинны кабеля и количества подключенных узлов (по электрическим характеристикам) [1, 41, 51 -55]. Если повторитель ретранслирует сигнал в два и более кабельных сегмента, он называется многопортовым повторителем [51, 53, 54] или концентратором (hub) и представляет собой центральное сетевое устройство, к которому по звездообразной схеме подключаются сетевые узлы (например, рабочие станции и серверы) [51 — 54]. Повторители не сегментируют сеть на домены коллизий.
Мост (bridge) — это устройство, соединяющее между собой сегменты локальной сети, и позволяющее решать следующие задачи: масштабировать локальную сеть, снимать ограничения на длину ЛВС, сегментировать локальную сеть на домены коллизий для ликвидации узких мест, предотвращать неавторизованный доступ к сети.
Мосты работают на подуровне MAC канального уровня OSI. Мост анализирует целевой адрес каждого кадра, определяя, следует ли пересылать данный кадр в следующий сегмент. В процессе своей работы мост просматривает МАС-адреса передаваемых через него пакетов и строит таблицу известных целевых адресов. Если кадр предназначен для трансляции в другой сегмент, он передается, а если же узел находится в том же сегменте что и отправитель, он отбрасывается. Главным достоинством мостов является то, что они сосредотачивают трафик в конкретных сетевых сегментах. Мост может выполнять фильтрацию и пересылку с довольно высокой скоростью, поскольку он просматривает информацию только на канальном уровне и игнорирует информацию более высоких уровней [1, 52-55].
Коммутаторы (switch) обеспечивают выполнение функций моста, а также позволяют повысить пропускную способность существующих сетей. Коммутаторы используемые в локальных сетях, напоминают мосты в том смысле, что они работают на подуровне MAC канального уровня (уровня 2) и анализируют адреса устройств во всех входящих кадрах. Как и мосты, коммутаторы хранят таблицу адресов и используют эту информацию для принятия решения о том, как фильтровать и пересылать трафик локальной сети. Коммутаторы, по своим функциональным возможностям, способны заменить мосты.
Блок модели сетевой адаптер
При моделировании сетевой карты прежде всего необходимо учитывать стандарты построения локальной сети. На современном этапе развития коммуникационной техники сетевые адаптеры используют витую пару и способны работать в режиме Full Duplex.
Так как рассматривается ЛВС в полудуплексном режиме на базе технологий Fast Ethernet и Gigabit Ethernet, то используется метод многократного доступа с контролем несущей обнаружением коллизии (CSMA/CD). В этом методе доступа источники кадров независимы друг от друга, однако, прежде чем начать передачу своего пакета, рабочая станция - «прослушивает» канал. Между передачами двух кадров, станция выдерживает паузу -интервал времени отсрочки - IPG. Станция не может начать передачу раньше, чем закончится межкадровая пауза. Этот интервал нужен для приведения сетевых адаптеров в исходное состояние, а также для предотвращения монопольного захвата среды передачи данных одной станцией. После окончания технологической паузы, узлы имеют право начать передачу своего кадра, так как среда свободна. Из-за задержек распространения сигнала по каналу передачи данных, не все узлы строго одновременно фиксируют факт окончания передачи кадра узлом. Возможна ситуация, когда две или более станций решают, что среда свободна, и начинают одновременно передавать свои кадры. При таком режиме работы возникает коллизия.
Передающие узлы, обнаружив коллизию, прекращают передачу, после чего передача будет произведена повторно через случайный интервал времени, после освобождения линии. Если повторная попытка не удалась, делается следующая попытка передачи спустя некоторый интервал времени отсрочки. Максимальное число попыток передачи кадров — 16.
Рабочая станция или сетевой адаптер, является единственным элементом сети, в котором «зарождаются» информационные кадры и в котором пришедшие кадры никогда никуда не перенаправляются. Сетевой адаптер работает по следующему принципу. Параллельно в нем происходит два процесса: первый процесс принимает кадры информации из сети и проверяет, адресованы ли они этой станции или другому узлу. Второй процесс порождает и отправляет собственные кадры.
Сетевой адаптер можно представить как блок с одной двунаправленной связью, через которые он Моделирование должно выполняться с учетом следующих ограничений: — поток кадров является случайным (предполагается возможность выбора закона распределения и изменение его параметров, предусмотрена возможность передачи рабочей станцией фиксированного объема информации); — время работы сети связывается с имитационным временем, на шкале которого фиксируются все возникающие события: время отправки сгенерированного кадра, возникновение коллизии, и др.; — адрес приемника сгенерированного кадра задается фиксировано, но при необходимости, может выбираться случайным образом среди адресов всех рабочих станций модели локальной сети. Сетевой адаптер накапливает статистику отправленных и принятых кадров, фиксирует коллизии, при поступлении кадра определяет, какому узлу адресован кадр. Таким образом, для рабочей станции полученный или отправленный кадр всегда представляет собой не просто набор бит, а совокупность полей данных (адрес источника, адрес приемника и др.). Алгоритм работы сетевого адаптера при передаче кадра представлен на рисунке 3.4. Данный алгоритм определяет порядок и структуру информационного обмена между сетевым адаптером и каналом связи для моделирования движения пакетов внутри одного домена коллизий. Рабочая станция является источником/потребителем заявок определенной интенсивности. Интенсивность поступления заявок выбирается в соответствии с одним из законов (таблица 3.1): равномерным, нормальным, экспоненциальным.
Синтез сети. Использование генетических алгоритмов для синтеза сети
Выходными данными системы имитационного моделирования является нагрузка устройств сети, состояние очередей, информация о передвижении заявок и т.д.
При этом нужно учитывать то, что при использовании имитационных программ будут получаться разные значения одних и тех же выходных параметров в разных прогонах программы. Это происходит в силу сто-хастичности процесса моделирования, так как в каждом новом прогоне используемые в программе датчики случайных чисел запускаются с новыми константами. Поэтому, чем больше выполняется прогонов, тем более точными получаются результаты, так как с все большей степенью начинают выполняться закон больших чисел и условия центральной предельной теоремы. Реализован высокоскоростной (упрощенный) вариант системы имитации, позволяющий для оценки фитнесс-функции выполнять множество прогонов и получать значения фитнесс-функции с необходимой точностью. При использовании первых популяций, генетический алгоритм, в общем случае, находится далеко от точки экстремума. Поэтому некоторая погрешность вычисления фитнесс-функции не будет существенно сказываться на качестве отбора новых хромосом. При приближении к точке экстремума число имитационных прогонов следует увеличивать. Для определения необходимого числа имитационных прогонов имеются хорошо разработанные методики [21].
При проектировании крупномасштабной многофункциональной корпоративной сети Ethernet с большим числом коммутаторов и маршрутизаторов, весьма полезным является минимаксный критерий. При этом необходимо минимизировать нагрузку Ятах наиболее загруженных каналов связи. Минимизация значения Ятах связана с определением числа логических дорожек для обеспечения запросов приложений из потока трафика. Для оптимизации сети может применяться и второй критерий, тогда еще одна целевая функция используется для минимизации стоимости необходимых технических средств (т.е. минимизация стоимости построения сети).
Имитация производится на основе дискретно-событийного подхода с реализацией календаря событий. Основные элементы системы моделирования: рабочая станция, канал связи, коммутатор взаимодействуют между собой, передавая друг другу последовательности пакетов (кадров). Интервалы следования пакетов случайные с заданным законом распределения. Разделяются потоки записи и чтения. В каждом элементе (блоке) есть один поток записи и один поток чтения. Поток записи посылает кадры смежным элементам, а поток чтения выполняет функции чтения кадров. Управление этими потоками осуществляет глобальный диспетчер. В глобальный диспетчер помещаются управляющие данные, которые обеспечивают активизацию потоков элементов в необходимой последовательности. Эти данные определяют моменты времени начала имитации событий по обработке кадров. Так рабочая станция для отправки кадра в момент времени t, помещает соответствующий объект в глобальный диспетчер. Глобальный диспетчер последовательно обрабатывает объекты таким образом, что в момент времени t управление будет передано потоку записи рабочей станции. Аналогично осуществляется общее взаимодействие всех элементов системы моделирования.
Передача информации о необходимости считывания данных может производиться не только глобальным диспетчером, но и посредством метода элементов. Так как элементы системы связаны между собой указателями, то один элемент может инициировать считывание посылаемого кадра другим элементом, при этом глобальный диспетчер не используется, а реализуется событие, заключающееся в том, кадр посылается непосредственно в поток записи соответствующего записывающего элемента. Таким образом, осуществляется последовательность следующих друг за другом событий, не требующих предварительного распределения во времени. Так, например, при записи рабочей станцией кадра не требуется помещать событие о его чтении каналом связи в глобальный диспетчер, поскольку чтение происходит сразу же за передачей кадра.
Рассмотрим алгоритм передачи кадра рабочей станцией. Рабочая станция, в общем случае, генерирует передаваемые пакеты через интервалы времени в соответствии с выбранным законом распределения случайной величины. Полученное выборочное значение момента времени генерации нового кадра помещается в глобальный диспетчер объекта, инициирующего передачу этого кадра. В это предопределенное время глобальный диспетчер прочитает этот объект и передаст управление потоку записи рабочей станции. Поток записи запишет кадр на свой выход и пошлет каналу связи информацию об инициализации события, заключающегося в считывании этого кадра. Поток записи рабочей станции ожидает ответа от канала связи. Канал связи читает кадр с выхода рабочей станции, и, в зависимости от своего текущего состояния, посылает рабочей станции извещение о свершении одного из событий: приеме кадра, коллизии или текущей занятости в связи с передачей другого кадра. Рабочая станция, получив ответ от канала связи, формирует следующий кадр.
Во время выполнения программы генерируется несколько типов выходных файлов: файлы конфигурации сети; файлы протоколов событий в элементах сети; файл моделирования. Форматы файлов представлены в приложении 2.
