Оптимизация кампусных компонентов корпоративных сетей предприятия

Размещено на http://www.allbest.ru/

Оптимизация кампусных компонентов корпоративных сетей предприятия

Константинов И.С.,

В настоящее время распространенной классификацией вычислительных сетей является классификация по масштабу производственного подразделения, в пределах которого действует сеть. При этом различают три класса вычислительных сетей - сеть отдела, кампусную сеть, корпоративную сеть [1]. Кампусные сети объединяют множество сетей отделов одного здания или нескольких рядом стоящих зданий.

Кабельную систему здания, являющуюся основой кампусной сети, рекомендуется проектировать в соответствии с международными стандартами ISO/IEC 11801, TIA/EIA-568-A, задающими характеристики структурированной кабельной системы (СКС) [3]. В качестве топологии СКС рекомендуется использовать древовидную топологию.

Пропускные способности каналов связи кампусной сети могут принимать определенные дискретные значения, зависящие от используемой сетевой технологии. Эти дискретные значения сильно отличаются (например, 10 Мбит/с, 100 Мбит/с, 1 Гбит/с), что не позволяет проводить аппроксимацию пропускной способности при проектировании. На аппроксимации пропускной способности каналов связи основываются многие алгоритмы оптимизации структуры вычислительных сетей [4].

Решение задачи проектирования сети состоит из двух стадий: архитектурной и телекоммуникационной [3]. На архитектурной стадии определяются пути прохождения кабельных каналов, размещение технических помещений (кроссовых и аппаратных), рабочих мест пользователей сети. Эти задачи решаются при разработке проекта нового или реконструируемого здания специализированными проектными организациями. Таким образом исходными данными для проектирования являются:

Размещение рабочих мест пользователей.

Возможные места расположения коммуникационных устройств.

Пути прохождения кабельных каналов, по которым мы можем определить стоимость создания связи между каждой парой узлов сети.

Используемые сетевые технологии, которые определяют возможный набор пропускных способностей каналов связи. Выбор сетевых технологий осуществляется исходя из требований по масштабируемости, надежности, управляемости, совместимости, требований поддержки различных видов трафика.

Описание модельного ряда коммутаторов, доступных для использования при проектировании сети.

Сетевые приложения, которые будут использоваться абонентами, и позволяющие определить предполагаемую интенсивность обмена данными между каждым абонентом сети.

В результате требуется найти наименьшую по стоимости структуру сети, пропускные способности каналов связи, число, расположение и модели коммуникационных устройств. При этом должны выполняться заданные ограничения на показатели эффективности функционирования сети. Структура связей должна иметь древовидную форму с пропускными способностями каналов, удовлетворяющими предположительным запросам пользователей.

Представим структуру кампусной сети в виде неориентированного графа:

,

где - множество вершин графа, соответствующих узлам сети; - множество ребер графа, соответствующих каналам связи сети. Множество состоит из двух непересекающихся подмножеств:

,

где - множество абонентов кампусной сети; - множество коммутационных устройств кампусной сети.

Входные параметры сети разделим на три группы - параметры, характеризующие узлы кампусной сети; параметры, характеризующие каналы связи; и параметры, описывающие используемые модели коммутаторов.

Характеристиками узлов сети являются:

1. - общее число узлов кампусной сети . В число узлов кампусной сети входят абоненты кампусной сети и все предполагаемые места размещения коммутаторов:

,

где - число абонентов сети, или мощность множества ; - число коммутаторов сети или мощность множества .

2. Каждый абонент может включать в себя несколько различных устройств с различными сетевыми адресами (например, в случае, если абонент представляет собой сеть отдела). Число таких устройств, составляющих абонента ai обозначим .

Множество скоростей передачи, поддерживаемых абонентом , обозначим как . Элементы, входящие в это множество, определяются набором сетевых технологий, которые поддерживает абонент .

Множество доступных для проектирования сети моделей коммутаторов:

,

где - мощность множества .

Характеристиками каналов связи являются:

- множество возможных скоростей, на которых ведется передача данных. Число возможных скоростей передачи, или мощность множества , обозначим . Скорости выбираются в зависимости от используемых при проектировании сетевых технологий. Например, если при проектировании сети используется семейство технологий Ethernet, скорости передачи будут составлять 10 Мбит/с, 100 Мбит/с, 1 Гбит/с. Если при проектировании этой же сети используется технология Token Ring, то в множество добавляются скорости 4 Мбит/с, 16 Мбит/с.

Каждая модель коммутатора описывается следующими параметрами:

- стоимость модели ;

- общее количество портов модели .

Поддержка возможности объединения коммутаторов модели в стек определяется переменной :

- средняя длина кадра в битах для модели .

- средняя длина пакета в сети.

- максимальная скорость продвижения кадров модели .

- пропускная способность системной шины модели в битах/с.

- число портов модели , работающих со скоростью .

Поддержка коммутатором возможности агрегирования связей характеризуется переменной :

- размер адресной таблицы модели .

Определим управляющие параметры, описывающие структуру сети.

1. Топологию сети будем определять с помощью квадратной симметричной матрицы числа связей порядка . Элементы матрицы равны числу каналов связи между узлами и . При проектировании сети необходимо учитывать, что установка нескольких каналов связи между двумя узлами сети допускается только в случае поддержки обоими узлами технологии агрегирования связей.

2. Пропускные способности каналов связи будем определять с помощью матрицы идентификаторов скоростей передачи каналов связи . Элементы матрицы равны скорости передачи одного канала связи между узлами и : . При этом суммарная скорость, с которой могут передаваться данные между узлами сети и , будет составлять: .

3. Описание множества коммутаторов , в котором каждому коммутатору множества ставится в соответствие один из элементов множества моделей :

.

Выходными параметрами кампусной сети будем считать следующие показатели.

1. Суммарные затраты на создание сети, которые включают в себя затраты на создание телекоммуникационной инфраструктуры и затраты на используемые коммутационные устройства:

, (1)

кампусный вычислительный сеть

где - число каналов связи;

- скорость передачи одного канала связи;

- cтоимость канала.

2. Задержка передачи пакета между каждой парой абонентов. Для расчета задержек в коммуникационных сетях широкое распространение получила модель сети массового обслуживания, предложенная в [5]. В соответствии с этой моделью каналы связи коммуникационной сети интерпретируются как системы массового обслуживания M/M/1. И каналы связи, и узлы считаются абсолютно надежными. В узлы поступает пуассоновский поток запросов. Тогда в соответствии с этой моделью средняя задержка пакета в канале связи будет считаться следующим образом:

где - вспомогательная переменная, зависящая от топологии сети:

,

где - путь от вершины до ;

- множество путей.

Создадим также вспомогательную переменную : множество , элементы которого определяются следующим образом:

Суммарная задержка продвижения пакета в коммутаторах на пути будет равна:

где - время, затрачиваемое коммутатором на продвижение одного пакета. Полная задержка передачи пакета на пути будет считаться как сумма задержек в каналах связи и в коммутаторах на этом пути:

,

где - вспомогательная переменная, зависящая от топологии сети;

- средняя задержка пакета;

- cуммарная задержка продвижения пакета в коммутаторах.

3. В качестве показателя надежности сети будем использовать число сетевых устройств, отключаемых от основной сети при отказе одного канала связи: ,

где - множество узлов, отсоединяемых от основной сети при отказе канала связи .

Запишем ограничения на перечисленные параметры.

1. Ограничение на пропускную способность канала связи. Скорость передачи любого из каналов связи в сети должна быть достаточной для передачи суммарного трафика всех путей передачи, в которые входит этот канал связи. Запишем ограничение на скорость передачи канала связи :

(2)

Это ограничение должно выполняться для каждого из каналов связи в сети.

2. Ограничение на задержку передачи пакета:

(3)

где - допустимое время задержки передачи пакета.

3. Ограничения на производительность коммутаторов.

Ограничение на максимальную производительность в кадрах коммутатора :

(4)

Ограничение на максимальную производительность системной шины коммутатора будет иметь вид:

(5)

4. Ограничение на число портов коммутаторов.

Общее число портов коммутатора должно быть не меньше, чем число подключаемых к нему каналов связи:

Создадим множество , значение элементов которого зависит от скорости :

Тогда для каждого значения скорости число портов коммутатора , работающих на этой скорости, не должно превышать максимального значения:

. (6)

5. Ограничение на размер адресной таблицы коммутаторов.

Создадим множество . Элементами этого множества являются пути , по которым передается ненулевой трафик, т.е. , если . Создадим множество , элементы которого равны 1 в том случае, если абонент использует для передачи данных любому другому абоненту коммутатор :

где

Тогда ограничение на размер адресной таблицы коммутатора запишем в виде:

. (7)

6. Ограничения на топологию сети вытекают из требований древовидности сети. В графе сети не должно быть изолированных вершин:

. (8)

В структуре сети не должно быть циклов:

только один . (9)

Вершина-абонент может соединяться только с одной вершиной-коммутатором:

, (10)

если , то ,

где - число ребер графа , инцидентных вершине .

7. Ограничение надежности.

, (11)

где - максимально допустимое число устройств, отключаемых при единичном обрыве в сети.

В случае требований повышенной надежности, подсеть, объединяющая коммутаторы, после приведения к древовидной форме может дополняться до двусвязной сети.

Таким образом, окончательным решением задачи оптимизации кампусной сети будет граф:

,

,

где - множество всех возможных структур проектируемой сети, для которых выполняются ограничения (2)-(11); - функция суммарных затрат на создание сети (1). В качестве методов решения описанной задачи можно использовать методы теории графов, дискретного математического программирования, различные эвристические методы.

Нахождение оптимального или квазиоптимального решения для сформулированной задачи позволяет получить наименее затратную структуру кампусной сети, удовлетворяющую заданным техническим характеристикам.

ЛИТЕРАТУРА

1. Мамиконов, А. Г. Основы построения автоматизированных систем управления [Текст] / А. Г. Мамиконов // М.: Высшая школа, 1981.

2. Кульгин, М. Технология корпоративных сетей. [Текст] / М. Кульгин // Энциклопедия - СПб.: Издательство «Питер», 1999. - 704 с.

3. Семенов, А. Б. Структурированные кабельные системы. Стандарты, компоненты, проектирование, монтаж и техническая эксплуатация [Текст] / А. Б. Семенов, С. К. Стрижаков, И. Р. Сунчелей // М.: КомпьютерПресс, 1999. - 482 с.

4. Шварц, М. Сети ЭВМ. Анализ и проектирование [Текст] /М. Шварц // Пер. с англ. / под ред. В. А. Жожикашвили. - М.: Радио и связь, 1981. - 336 с.

5. Клейнрок, Л. Вычислительные системы с очередями [Текст] / Л. Клейнрок //М.: Мир, 1979. - 600 с.

Размещено на Allbest.ru