ББК 007:519.876
М74
Р е ц е н з е н т ы : доктор техн. наук, профессор В. А. Антипов, доктор техн.
наук, профессор Е. А. Саксонов
А в т о р ы : А. В. Благодаров, А. Н. Пылькин, Д. М. Скуднев, А. П. Шибанов
М74 Моделирование и синтез оптимальной структуры сети Ethernet. <...> ББК 007:519.876
Адрес издательства в Интернет WWW.TECHBOOK.RU
Научное издание
Благодаров Андрей Витальевич, Пылькин Александр Николаевич
Скуднев Дмитрий Михайлович, Шибанов Александр Петрович
Моделирование и синтез оптимальной структуры сети Ethernet
Монография
Компьютерная верстка И. А. Благодаровой
Обложка художника В. Г. Ситникова
Подписано в печать 18.02.2011. <...> Д. М. Скуднев, А. П. Шибанов, 2011
© Издательство «Горячая линия–Телеком», 2011
Введение
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. <...> Проблемами анализа и параметрической оптимизации ЛВС
Ethernet занимались многие отечественные и зарубежные ученые,
например, Коган Я.А., Майоров С.А., Вишневский В.М., Марьянович Т.П., Ляхов В.А., Родионов А.С., Бертсекас Д, Клейн Дж., Войтер А.П., Эд Уилсон, и др. <...> 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. <...> В последнее время появились работы по синтезу и структурной
оптимизации компьютерных сетей на основе генетических алго-
4
Введение
ритмов, в частности Кузнецова И.В., Трекина А.Г., Бугрова Д.А.,
Аль-Шрайдеха Х. С., Адиль О., Мальчерека М. <...> Получен ряд частных результатов, но в целом задача структурной оптимизации ЛВС
Ethernet является нерешенной. <...> То же самое можно отнести и системам
структурной оптимизации таких сетей. <...> Это – любые <...>
Моделирование_и_синтез_оптимальной_структуры_сети_Ethernet.pdf
Моделирование_и_синтез_оптимальной_структуры_сети_Ethernet_(1).pdf
УДК 658.5.012.
ББК 007:519.876
М74
Ре ц е нзе н т ы : доктор техн. наук, профессор В. А. Антипов, доктор техн.
наук, профессор Е. А. Саксонов
Авторы : А. В. Благодаров, А. Н. Пылькин, Д. М. Скуднев, А. П. Шибанов
М74 Моделирование и синтез оптимальной структуры сети Ethernet. –
М.: Горячая линия–Телеком, 2011. – 112 с.: ил.
ISBN 978-5-9912-0184-1.
Рассмотрены вопросы автоматизации проектирования локальных
сетей Ethernet. Предложено решение задачи имитационного моделирования
работы сети Ethernet с заданной структурой с целью выявления
ее производительности. Рассмотрена проблема синтеза оптимальной по
стоимости структуры сети Ethernet и ее решение с помощью генетических
алгоритмов.
Для специалистов в области проектирования компьютерных сетей,
будет полезна студентам и аспирантам технических вузов.
ББК 007:519.876
Адрес издательства в Интернет WWW.TECHBOOK.RU
Научное издание
Благодаров Андрей Витальевич, Пылькин Александр Николаевич
Скуднев Дмитрий Михайлович, Шибанов Александр Петрович
Моделирование и синтез оптимальной структуры сети Ethernet
Монография
Компьютерная верстка И. А. Благодаровой
Обложка художника В. Г. Ситникова
Подписано в печать 18.02.2011. Печать офсетная. Формат 60×88/16. Уч. изд. л. 7. Тираж 500 экз.
ISBN 978-5-9912-0184-1
© А. В. Благодаров, А. Н. Пылькин,
Д. М. Скуднев, А. П. Шибанов, 2011
© Издательство «Горячая линия–Телеком», 2011
Стр.2
Введение
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., Марьянович
Т.П., Ляхов В.А., Родионов А.С., 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 частности, 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 алго
Стр.3
4
Введение
ритмов, в частности Кузнецова И.В., Трекина А.Г., Бугрова Д.А.,
Аль-Шрайдеха Х. 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.
Исследования, результаты которых приведены в книге, проводились
при финансовой поддержке Российского фонда фундаментальных
исследований в форме гранта, шифр 07-07-00146-а.
Стр.4
Оглавление
Введение .......................................................................................... 3
Глава 1. Локальные вычислительные сети
и методы их исследования........................................................... 5
1.1. Обзор литературы............................................................... 5
1.2. Технология и архитектура сетей Ethernet ........................ 8
1.3. Показатели эффективности
глобальных вычислительных систем........................................... 11
1.4. Аналитические методы исследования
характеристик сети Ethernet ......................................................... 15
1.5. Имитационное моделирование сети Ethernet................. 21
1.6. Основные выводы............................................................. 22
Глава 2. Модели составных частей
локальных вычислительных систем....................................... 24
2.1. Область применения технологии Ethernet
и модели трафика сети ............................................................ 24
2.2. Локальная вычислительная сеть РГРТУ ........................ 26
2.3. Локальная вычислительная сеть ЛГПУ.......................... 30
2.4. Снятие характеристик сетей РГРТУ и ЛГПУ................ 35
2.5. Основные компоненты локальной сети Ethernet ........... 37
2.6. Формальное описание сети Ethernet
в рамках агрегативного подхода ............................................ 42
2.7. Основные результаты....................................................... 45
Глава 3. Компоненты локальной сети Ethernet .................... 46
3.1. Понятие «блок»................................................................. 46
3.2. Блок модели сетевого адаптера....................................... 48
3.3. Блок модели повторителя ................................................ 51
3.4. Канал связи ....................................................................... 53
3.5. Блок модели коммутатора ............................................... 53
3.6. Взаимосвязь блоков модели ............................................ 57
3.7. Основные результаты....................................................... 62
Стр.111
112
Оглавление
Глава 4. Оптимизация структуры сети Ethernet
по критериям пропускной способности
и полной стоимости..................................................................... 63
4.1. Использование генетических алгоритмов
для синтеза сети....................................................................... 63
4.2. Общая структура генетического алгоритма................... 72
4.3. Структура хромосомы и алгоритм формирования
начального множества жизнеспособных хромосом............. 75
4.4. Формирование кроссовера............................................... 82
4.5. Фитнесс-функция.............................................................. 83
4.5.1. Фитнесс-функция оптимизации
локальной сети Ethernet по стоимости............................. 83
4.5.2. Фитнесс-функция оптимизации
по нагруженности коммутационных узлов
и сегментов сети ................................................................ 89
4.6. Методика оптимизации структурированной
кабельной системы Ethernet..................................................... 95
4.7. Определение оптимальной структуры
сети Fast Ethernet с одним коммутатором ............................ 100
4.8. Основные результаты..................................................... 104
Заключение................................................................................. 105
Список использованных источников.................................... 106
Стр.112