Рис. 5. Топологическая схема проведения эксперимента по доступности ресурсов сети.

В качестве исследуемых ресурсов корпоративной сети были выбраны потоковые сервера S1 и S2 центра IP/TV университета, подключенные через коммутатор SW3 (Cisco Catalyst 2950) к магистрали корпоративной сети сегментами с пропускной способностью 100 Мбит/с. Проверка правила доступности ресурсов осуществлялась для следующего плана проведения эксперимента:

1. Измерялось значение RTT утилитой «ping» и комплексом UDPPING для свободных серверов S1 и S2 (без трансляции телепередач в корпоративную сеть) и без дополнительной нагрузки на соответствующие сегменты транспортной подсистемы со стороны хоста H4. Посылка серий из различных длин пакетов (10 серий по 10000 пакетов) выполнялась с хоста H1 на серверы S1 и S2, обработка результатов проводилась на этом же компьютере. Статистически обработанные результаты представлены в колонке под №1 таблицы 3.

2. С серверов S1 и S2 велась трансляция в сеть двух каналов эфирного телевидения, дополнительная нагрузка на ресурсы сети со стороны хоста H4 отсутствовала. Информационные потоки от серверов S1 и S2 в формате MPEG2 со скоростью 3 Мбит/с каждый мультиплексировались коммутатором SW3, передавались на коммутатор SW1, дополнительно мультиплексировались с имеющимися в данный момент рабочими потоками в сегменте транспортной подсистемы между коммутаторами SW1 и SW2 и выделялись из суммарного потока коммутатором SW2 для передачи на хосты H2 и H3. В это же время проводилось зондирование ресурсов со стороны хоста H1 по сценарию п. 1. Результаты экспериментов представлены в столбце №2 таблицы 3.

3. Выполнялись экспериментальные исследования, аналогично п. 2, но одновременно на сервер S1 с хоста H4 направлялся квазирегулярный поток пакетов длинной байта, что дает длину кадра байта = 10000 бит. При интенсивности их посылки (интервал между кадрами с) нагрузка сегментов между H4 и S1 составляла 50 %. Статистические результаты исследований представлены в столбце №3 таблицы 3.

4. Повторно выполнялись экспериментальные исследования ресурсов сети аналогично п.3 при той же длине пакетов в трафике от хоста H4 и интенсивности их посылки (с), что соответствует нагрузке 95 % пропускной способности сегментов. Результаты измерения RTT представлены в столбце №4 таблицы 3.

Таблица 3. Экспериментальные значения RTT

Для ненагруженных режимов работы серверов измеренные значения RTT утилитой «Ping» практически совпадают с их расчетными значениями (погрешность не более 1,5 %). Для зондирования комплексом UPDPING имеет место увеличение RTT, что и следовало ожидать, т.к. UPDPING работает на прикладном уровне стека протоколов TCP/IP, а утилита «Ping» ограничивается сетевым уровнем. Этим объясняется и расхождения в экспериментальных результатах при всех остальных исследованиях для различных режимов нагрузки серверов. Необходимо заметить, что при реальных оценках каких-либо процессов, выполняемых в распределенных информационно-вычислительных системах, реализуемых, как правило, на прикладных уровнях, результаты UPDPING следует считать более соответствующими действительности.

Результаты проведенных экспериментальных исследований подтверждают необходимость соблюдения правила доступности ресурсов при проектировании транспортных подсистем корпоративных сетей, т.к. блокировка возможна во всех ресурсах транспортной подсистемы и источников информации, востребованность которых в данный момент времени реальными процессами в сети не исключена.

Разработать и реализовать транспортную подсистему корпоративной сети, обеспечивающую неблокирующие режимы передачи информационных потоков на всех свих участках невозможно, так как невозможно заранее предсказать объемы и интенсивность трафика в информационных потоках предприятия, которые к тому же постоянно меняются с развитием и внедрением новых информационных и коммуникационных технологий. Например, реализация алгоритма STA в коммутаторах корпоративных сетей позволило осуществить горячее резервирование в транспортных подсистемах за счет прокладки избыточных сегментов в кабельных системах. Переход на протокол RSTP снизил время переключения на новую активную топологию сети до 1 - 2 с, а реализация технологии MSTP (Multiple Spanning Tree Protocol) совместно с технологией VLAN позволила задействовать резервные сегменты транспортной системы, повысив общую производительность корпоративной сети.

Разделение информационных потоков в транспортной подсистеме, изначально являвшееся целью технологии MSTP, позволило более тщательно подойти к проблеме востребованности общих ресурсов всей корпоративной сети предприятия, включая технологию организации серверных пулов. В 2003 г. была принята новая редакция стандарта IEEE 802.1Q, вводившая протокол MSTP, который явился развитием технологии использования PVST и PVST+ (Per-VLAN Spanning Tree Protocol), внедренный компанией Cisco в свои коммутаторы Cisco Catalyst. Технология MSTP кроме общего «покрывающего» дерева (CST - Common Spanning Tree) позволяет организовать в транспортной подсистеме для каждой виртуальной сети свое «покрывающее» дерево со своим «корневым» коммутатором, ветви которого могут взаимно не перекрываться и использовать разные сегменты транспортной подсистемы.

Сказанное иллюстрируется рисунком 6, на котором приводится фрагмент трехуровневой корпоративной сети предприятия (рисунок 6а).

Рис. 6. Использование протокола MSTP для распределения трафика двух виртуальных сетей.

В варианте, приведенном на рисунке 6а, в транспортной подсистеме отсутствуют заблокированные сегменты кабельной системы и заблокированные порты коммутаторов. Общий сегмент между коммутаторами SW1 и SW2 доступен для обеих VLAN, но он не используется хостами виртуальных сетей. Сегменты между SW1 и SW4, а также между SW2 и SW3, являясь тупиковыми для соответствующих «покрывающих» деревьев в этих активных топологических конфигурациях, также находятся в «горячем» резерве и не используются транспортными потоками от хостов пользователей и обратно.

Предположим теперь, что пользователю хоста H1 понадобились ресурсы VLAN1, а пользователю хоста H2 - ресурсы VLAN2. Возможно несколько вариантов перенастройки сети. Первый из них заключается в переконфигурации интерфейсов серверов (что и осуществлялось до внедрения MSTP). Например, сервер S1 включается и в VLAN1, и в VLAN2 (рисунок 6б). Второй вариант реализуется переконфигурацией интерфейсов хостов пользователей, т.е. включением H1 и H2 в обе VLAN корпоративной сети (рисунок 6в). По соображениям безопасности первый вариант уступает второму, т.к. позволяет всем хостам VLAN1 иметь доступ к информационным ресурсам сервера VLAN2 и наоборот. Однако второй вариант обладает еще одним существенным преимуществом. Каждый из клиентов может активно в данный момент времени работать только с одним из серверов (хотя обмен служебными сообщениями, поддерживающие открытые сессии TCP-соединений ведется обоими серверами), следовательно и информационные потоки будут задействовать общие ресурсы либо VLAN1, либо VLAN2, т.е. осуществляется более тщательное распределение информационных потоков в соответствии с нуждами пользователей в каждый момент времени и исключается ситуации, при которых информационные потоки от S1 задействуют общие ресурсы VLAN2. При постоянном мониторинге распределения информационных потоков в транспортной системе технология сочетания VLAN и MSTP предоставляет возможность сетевым администраторам и интеграторам более тщательно распределить (возможно и на разных иерархических уровнях) информационные ресурсы в корпоративной сети, снизив нагрузки на пулы серверов и информационные порталы, повысив тем самым общую производительность сети.

Основные результаты и выводы

1. Проведен анализ текущего состояния, тенденций и перспектив развития корпоративных сетей, характерными особенностями которых являются: доминирующее положение стека протоколов TCP/IP, все большее проникновение технологий Internet в бизнес-процессы предприятий, переход на коммутационный принцип построения транспортных подсистем с микросегментированием, переход на технологию Ethernet на канальном. обязательный учет требований QoS.

2. Классифицированы модели взаимодействия источников и стоков информации в корпоративных сетях и установлено, что все их многообразие базируется на принципе «запрос-ответ» по двух- трех- и многозвенъевой клиент-серверной технологии.

3. В результате экспериментальных исследований источников информации в корпоративной сети МГТУ им. Н. Э. Баумана установлено, что более 90 % нагрузки на транспортную подсистему приходится на долю выходных потоков серверных процессов, хотя они вызваны именно клиентскими запросами.

4. Проверена возможность моделирования выходных потоков кадров для серверных процессов бимодальным распределением Бернулли. Получены расчетные зависимости определения характеристик модельного трафика по результатам экспериментов.

5. Разработана методика экспериментального определения времени продвижения кадров коммутатором, базирующаяся на использовании общепринятой для всех операционных систем компьютеров утилиты «ping», расширенной с целью увеличения точности измерения программой определения времени двойного оборота по состоянию счетчика тактов процессора применяемого для проведения экспериментов компьютера.

6. В результате статистических исследований ряда коммутаторов различных производителей в ненагруженном режиме, установлена линейная зависимость времени от размера продвигаемого кадра, что позволяет рекомендовать в качестве математической модели коммутаторов полином первой степени длительности продвигаемого кадра. Полученные модели проверены экспериментально для двух- и трехкаскадного взаимодействия различных моделей коммутаторов, предлагаемых в настоящее время рынком сетевого оборудования.

7. Подтверждена работоспособность разработанных математических моделей коммутаторов для штатных режимов их функционирования в транспортной подсистеме корпоративной сети МГТУ им. Н. Э. Баумана, при которых ресурсы компьютера-источника и компьютера-приемника (а, следовательно, и ресурсы соответствующих портов коммутатора) не востребованы другими узлами корпоративной сети.

8. Разработан программный комплекс для мониторинга загрузки пропускной способности маршрутов в транспортной подсистеме корпоративной сети, реализующий логику утилиты «ping», включающий три программных модуля, работоспособность которого проверена на различных маршрутах реальной корпоративной сети МГТУ им. Н. Э. Баумана.

9. Разработана технология распределенного регулирования интенсивности трафика, которая опирается на локальный мониторинг занятости буферов очередей в интерфейсах транзитных узлов корпоративной сети.

10. Установлена и экспериментально подтверждена возможность моделирования маршрутов в транспортной подсистеме любой корпоративной сети цепочками очередей. Показано существенное отличие распределения длин кадров, передаваемых по сегментам транспортной подсистемы корпоративной сети от экспоненциального закона распределения. Обосновано правило ориентации на информационные потоки от многопользовательских источников информации при проектировании, анализе и разработке транспортных подсистем корпоративных сетей и их элементов.

11. Предложен метод определения доступности общих ресурсов транспортной подсистемы. Получены вероятностные зависимости различных вариантов состояния ресурса при его востребованности одновременно несколькими процессами в узлах сетей. Проанализированы возможности построения неблокирующих транспортных подсистем корпоративных сетей. Рассмотрены новые возможности повышения производительности транспортных подсистем, предоставляемые сочетанием технологии построения виртуальных сетей и технологии организации многоплановых «покрывающих» деревьев, с учетом детализации востребованности общих ресурсов различными процессами.

Таким образом, в диссертации решена крупная научная проблема, имеющая важное народно-хозяйственное значение для развития корпоративных сетей предприятий и организаций различных масштабов, а именно:

1. Разработаны математические модели оконечных и транзитных узлов корпоративных сетей, соответствующие реальным информационным процессам канального уровня, протекающим в сегментах транспортных подсистем современных корпоративных сетей;

2. Разработаны методы анализа и управления интенсивностью трафика в сегментах транспортных подсистем корпоративных сетей на различных иерархических уровнях, повышающие эффективность мониторинга;

3. Разработаны научные основы проектирования транспортных подсистем корпоративных сетей, построенных по принципу коммутации, в основе которых применено выведенное правило доступности ресурсов для повышения их общей производительности;

4. Разработанные математические модели, методы, алгоритмы и программные модули доведены до уровня, позволяющего использовать их в практике проектирования, исследования, управления и эксплуатации корпоративных сетей.

Эффективность комплекса программных средств подтверждается их внедрением для мониторинга, анализа и управления ЛВС в следующих организациях: МГТУ им. Н.Э. Баумана, Российский НИИ Развития Общественных Сетей и Российский научный центр «Курчатовский институт». Разработанное программное обеспечение внедрено в учебный процесс и используется студентами в курсовом и дипломном проектировании.

Список основных публикаций

1 Бойченко М. К., Иванов И. П. Исследование характера трафика в магистральных сегментах ЛВС МГТУ им. Н. Э. Баумана. - М.: Вестник МГТУ. Приборостроение. - 2009. - №3. стр. 12-21.

2 Бойченко М. К., Иванов И. П. Мониторинг ресурсов узлов корпоративной сети. - М.: Вестник МГТУ. Приборостроение. - 2010. - №2. стр. 114-120.

3 Ващенко Б. И., Иванов И. П., Колобаев Л. И., Сюзев В. В. Система автоматизированного проектирования компьютерной сети NetWizard. - М.: МГТУ, 2006.

4 Ващенко Б. И., Иванов И. П., Колобаев Л. И., Сюзев В. В. Проектирование сети кампуса. - М.: МГТУ, 2006.

5 Гузненкова Г. Н., Иванов И. П., Коршунов С. В. Подготовка и переподготовка ИТ-кадров. Проблемы и перспективы. - М.: Горячая линия - Телеком, 2005.

6 Иванов И. П, Колобаев Л. И., Лохтуров В.А. Система адаптивного управления трафиком. - М.: Вестник МГТУ. Приборостроение. - 2005. - №2. стр. 98-108.

7 Иванов И. П., Колобаев Л. И., Чеповский А. М. Программа подготовки программистов в техническом университете и Computing Curricula'2001. Перспективы систем информатики. - Доклады V Международной конференции памяти академика А. П. Ершова. - Новосибирск, 2003.

8 Иванов И. П., Колобаев Л. И., Чеповский А. М. Разработка учебных планов и программ подготовки специалистов по новой специальности в техническом университете. - Современные наукоемкие технологии в промышленности России: высокопроизводительные вычисления и CALS-технологии. - Материалы ВНТС. - Уфа, 2004.

9 Иванов И. П., Коршунов С. В. Высшее инженерное образование в МГТУ им. Н.Э. Баумана на основе информационных и телекоммуникационных технологий. - «Информационные технологии в образовании»: Материалы международной конференции. - Болгария, - М.: МЭСИ, 2002.

10 Иванов И. П., Лохтуров В. А. Программный комплекс зондирования ресурсов сегментов корпоративных сетей UDPPING. Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ № 2010612326 - М: Роспатент, 2010.

11 Иванов И. П., Орлов А. П., Рыбин С. В. Информационно-вычислительная сеть МГТУ. - М.: Вестник МГТУ. Приборостроение. - 1998. - №2. стр. 74-86.

12 Иванов И. П., Самарский Д. А. Принципы построения систем управления делопроизводством с использованием технологии CORBA. - М.: Вестник МГТУ. Приборостроение. - 2002. - №2. стр. 52-64.

13 Иванов И. П., Самарский Д. А. Развитие опорной интегрированной сети с высокоскоростными телекоммуникационными каналами. - Телематика-2003: Труды Международной НМК. - Санкт-Петербург, 2003.

14 Иванов И. П., Успенский А. Ю. Анализ методов защиты информации в радиоканалах стандарта IEEE 802.11. - М.: Вестник МГТУ. Приборостроение. - 2002. - №4. стр. 64-72.

15 Иванов И. П., Чеповский А. М. Макаров А. В. Одинцов О. В. Исследование производительности кластерной вычислительной установки для различных операционных систем. - Relarn - 2003: Материалы Х конференции представителей региональных научно-образовательных сетей. - Санкт-Петербург, 2003.

16 Иванов И. П. Интегральная оценка состояния ресурсов пользовательского маршрута в корпоративной сети. - М.: Вестник МГТУ. Приборостроение. - 2010. - №2. стр. 48-60.

17 Иванов И. П. Использование информационных технологий в МГТУ им. Н. Э. Баумана. - Полёт. - 2000. - Спец. вып.

18 Иванов И. П. Кластер как компонент высокопроизводительной распределённой системы. - Relarn - 2001: Материалы VIII конференции представителей региональных научно-образовательных сетей. - Петрозаводск, 2001.

19 Иванов И. П. Математические модели коммутаторов локальных вычислительных сетей. - М.: Вестник МГТУ. Приборостроение. - 2009. - №2. стр. 84-92.

20 Иванов И.П. Оценка трафика информационных потоков серверов в корпоративной сети. - М.: Вестник МГТУ. Приборостроение. - 2009. - №3.

21 Иванов И. П. Создание высокоскоростной телекоммуникационной среды в МГТУ им. Н. Э. Баумана. - Создание телекоммуникационной среды высокопроизводительных технологий в регионах России: состояние, проблемы: Материалы ВНТС. - Уфа, 2000.

22 Иванов И. П. Создание и развитие высокоскоростных каналов связи и информационно-вычислительной сети МГТУ им. Н. Э. Баумана. - Телематика-2000: тезисы доклада Международной НМК. - Санкт-Петербург, 2000.

23 Иванов И. П. Создание системы высокопроизводительных ресурсов в МГТУ им. Н.Э. Баумана. - Relarn - 2002: Материалы IX конференции представителей региональных научно-образовательных сетей. - Нижний Новгород, 2002.

24 Иванов И. П. Создание центра высокопроизводительных вычислений на базе кластерной системы и высокоскоростной корпоративной сети. - Телематика-2001: Труды Международной НМК. - Санкт-Петербург, 2001.

25 Иванов И. П. Управление интенсивностью трафика в сегментах корпоративных сетей - М.: Информатизация образования и науки. - 2010. - №3. стр. 52-58.

26 Информационная управляющая система МГТУ им. Н. Э. Баумана «Электронный университет»: концепция и реализация / Т. И. Агеева, А. В. Балдин, И. П. Иванов и др.: [под ред. И. Б. Федорова, В. М. Черненького]. - М.: Изд-во МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2009.

Размещено на Allbest.ru