Проектирование сети провайдера IP-услуг

3.ВЫБОР СТРУКТУРЫ СЕТИ И ЕЕ  ЭЛЕМЕНТОВ

 

3.1 Расчет  структурных параметров сети.

 

Под топологией сети принято понимать конфигурацию связей графа, интерпретирующего структуру  сети. При анализе топологии сети принято оперировать понятиями «вершина», «ребро», «маршрут», «средняя длина маршрута», «диаметр» графа, «связность» и т. п.

Под маршрутом  понимают конечную последовательность инцидентных ребер, соединяющих рассматриваемые вершины i и j. Средняя длина маршрута (среднее расстояние между вершинами графа) представляет собой отношение суммарной (в числе ребер) длины всех маршрутов к числу маршрутов.

Средняя длина маршрута (среднее расстояние между вершинами графа) представляет собой отношение суммарной (в  числе ребер) длины всех маршрутов  к числу маршрутов. Последняя  величина для неориентированного графа  равна n(n-1 )/2 и для ориентированного n(n-1), где n - число вершин графа. Кратчайший маршрут (КрМ) - тот, для которого сумма весов составляющих его ребер принимает наименьшее значение. В зависимости от задачи в качестве весов могут быть выбраны стоимость, длина, число транзитов и т. п. Диаметр графа -длина наибольшего (в числе ребер) КрМ для данного графа. Связность графа (в данной работе) - число непересекающихся по вершинам маршрутов между любой парой вершин

Существует  большая группа структурных характеристик, включающая вероятность:

• нарушения связи (средневзвешенная) между каждой парой узлов;
• распада графа на изолированные фрагменты;
• существования хотя, бы одного пути между парой вершин в условиях воздействия препятствующих факторов (отказов, повреждений, перегрузок и т. п.).

Определим понятия надежности и живучести, которые связаны с работоспособностью СС во времени. Их различия обусловлены  прежде всего различиями причин и  факторов, нарушающих нормальное функционирование сети, и характером нарушений.

Надежность  СС — свойство обеспечивать связь, сохраняя во времени значения установленных показателей качества в заданных условиях эксплуатации. Надежность отражает влияние на работоспособность сети главным образом внутрисистемного фактора — случайных отказов техники, вызываемых физико-химическими процессами старения аппаратуры, дефектами технологии ее изготовления или ошибками обслуживающего персонала.

Живучесть характеризует устойчивость СС против действия внешних причин.

Различия  в причинах нарушения связи обуславливают  существенные отличия в проявлении, характере и масштабности нарушений  связи, их продолжительности, путях  и способах устранения и повышения  устойчивости системы. Если поток случайных  отказов техники приводит к нарушению  лишь отдельных связей и обладает свойством ординарности (когда вероятность  одновременного отказа нескольких связей пренебрежимо мала), то нарушения работы системы указанными выше факторами  живучести обладают существенно  иными свойствами.

Следует иметь в виду и неодинаковую погрешность  исходных данных для оценки надежности и живучести СС. По эксплуатационно-техническим отказам техники и линий связи имеется сравнительно обширный статистический материал, но научных основ прогнозирования стихийных факторов недостаточно. И хотя достоверность исходных данных по надежности техники связи представляет пока известную проблему, их точность несравненно выше точности исходных данных для анализа живучести СС. Поэтому оценка живучести СС может быть лишь приближенной, ориентировочной.

В практике топологического проектирования принято  разделять древовидные, распределенные и иерархические топологии сетей.

Древовидные сети интерпретируются графами без  петель и циклов. Для n-вершинного дерева имеется (n-1) ребро. Последнее обстоятельство упрощает проектирование древовидных сетей, поскольку в них между каждой парой вершин существует единственный путь. Различают корневые и бескорневые деревья. Примером первого может служить радиальная связь (PC) ("звезда»), а последнего - кратчайшая связывающая сеть (КСС) .

Сети  с распределенной структурой представляются произвольными связными графами, описывающими широкий спектр структур, начиная  с петлевой (ПСт) и кончая полносвязной сетью ПСС). К этому классу могут быть отнесены решетчатые структуры (РШ), сотовые структуры и т.п. Реальные СС имеют обычно структуры, являющиеся комбинацией некоторых элементарных.

Сейчас общепринято, что экономично построенная сеть большого масштаба является иерархической. СС представляется композицией внутриуровневых  и межуровневых подсетей, обозначенных, индексами r, r = 1..R и (r, r+1), r = 1..(R-1) соответственно. Организация структуры по иерархическому принципу позволяет упростить описание сети, способствующее в свою очередь  упрощению их оптимизации; обеспечить для каждой зоны максимальное замыкание  нагрузки; уменьшить общее число  узлов и сократить протяженность  сети; достичь определенной экономии стоимостных ресурсов.

Рисунок 7 – Типы структур: a - звезда; б - кратчайшая связывающая есть; в - петлевая; г - неравномерно связная; д - полносвязная; е - решетчетая; ж - равномерно 3-связная; з -сотовая; и - равномерно k-связная.

 

Таблица 16 – Аналитические соотношения, связывающие основные структурные параметры  различных топологий.

Тип структуры	Диаметр графа, d	Степень вершины, k	Средняя длина маршрута, π	Доступное значение, n
PC	1	n	1	i+1
КСС	n-1	2(1-1/n)	(n+1)/3
ПСт	(n-1)/2	2	(n+1)/4	2i+l
	n/2		0,25n2/(n-1)	2(i+l)
РШ	nv+ng - 2	4(1-1/)	2/3	(i+l)(j+l)
ПСС	1	n(n-1)/2

 

У  нас  используется полносвязная структура (ПСС),  так как как используется небольшое число маршрутизаторов (12).

Рассчитаем  основные параметры ПСС:

 

 

Рисунок 8- Полносвязная сеть (ПСС) для n = 12.

 

1. Диаметр графа:

d_псс = 1

2. Степень вершины:

k_псс=n-1=12-1=11

3. Число ребер:

m_псс=n*( n-1)/2 = 12*(12-1)/2=66

 

На рисунке 9 представлен полносвязный граф (n=12).

Достоинства ПСС:

1. Сеть отличается наилучшей оперативностью: в любой момент времени может быть установлена связь любой пары абонентов.
2. В целом, такая сеть является более надежной: выход из строя одной линии вызовет нарушение связи только одной пары абонентов. Остальные участники сети будут продолжать работать в прежних условиях.

Недостатки  ПСС:

1. Организация сети по принципу «каждый с каждым» требует значительно большего количества соединительных линий.

 

3.2 Требования к программному обеспечению

 

ПО расчёта структуры иерархических  параметров является программной реализацией  модели и алгоритмов. Пакет программ характеризуется иерархичностью и  модульностью структуры, гибкостью  к перестройке и позволяет  путем замены соответствующих карт-признаков  производить переориентацию программ. 

Пакет включает в свой состав  монитор, функциональную подсистему FS и оптимизационную подсистему OS.

Монитор выполняет  ввод и печать выходных данных, выбор  и запуск модулей пакета в соответствии с заданным режимом работы, запуск OS и печать выходных результатов.

FS состоит из двенадцати программных модулей, предназначенных для расчёта экономических, структурных и вероятностно-временных характеристик процессов доставки пакетов и технического обслуживания. FS работает под управлением OS.

 

Рисунок 9 -  Состав ППП расчета СС.

 

FS состоит из  двенадцати/программных модулей  предназначенных для расчёта  экономических, структурных и  вероятностно-временных характеристик  процессов доставки пакетов и  технического обслуживания. FS работает  под управлением OS. Перечислим  основные модули FS, ориентированные  на расчёт:

• средних длин каналов различных ступеней иерархии;
• диаметра графа зоновой подсети;
• средней длины маршрута;
• числа каналов связи в подсетях;
• зоновых коэффициентов замыкания;
• потоков в каналах связи и узлах коммутации;
• задержек в трактах;
• вероятностей доставки для трактов;
• эффективности технического обслуживания;
• приведённых затрат;
• численных значений штрафной функции;
• численных значений всех ограничений.

Подсистема OS представляется тремя модулями, реализующими методы штрафных функций, комбинацию шагового алгоритма парных проб (ШАП) и метода случайного поиска с уменьшением  интервала поиска  (СПУИП), набор  методов одновременного поиска для  решения задач анализа СС [6].

Каждому показателю в пакете программ соответствует  многопозиционный программный ключ.

Установкой ключа  в то или иное положение задается соответствующий режим. Физическая реализация ключа - это перфокарта со значением 1 или 0.

Дальнейшие действия проектировщика сводятся к подготовке исходных данных, заданию начальных  значений параметров оптимизационных  алгоритмов и стартовой точки, запуску  программного обеспечения и анализу  полученного решения.

Пакет программ расчёта  иерархических СС является развитием  аналогичного пакета, предназначенного для расчета раздельных неприоритетных сетей связи [6].

Характеристики ПО:

• Объем занимаемой памяти;
• Продолжительность оптимизации одного проекта ИКС;
• Тип управляющей системы.

Этапу настройки  пакета на конкретную задачу должна предшествовать формализация задачи в терминах и  обозначениях, присущих этому ПО. Перечень возможных постановочных альтернатив  определяется критерием оптимальности, классом оптимизируемых структур, составом системы ограничений, дисциплинами обслуживания очередей и т. п. (таблица  17).

 Малый объем занимаемой памяти объясняется отсутствием матричных форм представления информации, а высокое быстродействие программ - аналитическим (формульным) видом модели ИКС и эффективными алгоритмами, использующими идеи как покоординатного, так игруппового спуска.

 

Таблица 17 – Перечень возможных постановочных альтернатив.

Показатель	Альтернатива
Вид задачи	Скалярная / векторная
	Оптимизация / анализа
Тип критерия	Приведенные затраты / средняя задержка сообщения р-го приоритета / вероятность доставки пакета за заданное время / вероятность  потерь (для КК) и т.п.
Вид ограничений	Односторонние / двусторонние
Техническое обслуживание	Идеальное / реальное
Надежность	Идеальная / реальная
Производительность  ТСС	Фиксирована / подлежит выбору
Резервирование	Есть / нет
Топология	Фиксирована / подлежит оптимизации
Тип приоритета	Задан / подлежит выбору
Число приоритетов	Задано / неизвестно
Метод коммутации	Коммутация пакетов/коммутация каналов

 

Практика оптимизации  ряда общегосударственных и ведомственных  сетей связи показала, что в  отличие от традиционных переборных процедур топологического проектирования ПО позволяет проводить детализацию общественных требований по задержке, стоимости, вероятности доставки (потерь) и надёжности до частных требований, предъявляемых к отдельным подсетям, что повышает эффективность последующего применения традиционных переборных алгоритмов проектирования.  ПО исключает необходимость применения вспомогательных алгоритмов генерации допустимых стартовых структур и поиска начального реализуемого плана распределения потоков; а также обеспечивает оптимизацию и анализ СС практически неограниченного масштаба [6].

 

3.3 Протокол маршрутизации

 

В качестве протокола маршрутизации может  быть выбран RIP, OSPF или какой-либо другой протокол маршрутизации, например IS-IS или EIGRP, в зависимости от топологии и задач сети. RIP относится к протоколам маршрутизации типа «вектор-расстояние», тогда как IS-IS и OSPF относятся к протоколам состояния звена. EIGRP является гибридным протоколом. Рассмотрим эти протоколы маршрутизации более подробно.

Протокол RIP (Routing InformationProtocol, протокол маршрутной информации) является наиболее простым протоколом динамической маршрутизации. Он относится к протоколам типа «вектор-расстояние».

В протоколах типа «вектор-расстояние» каждый маршрутизатор  рассылает список адресов доступных  ему сетей («векторов»), с каждым из которых связано параметр «расстояния» (например, количество маршрутизаторов  до этой сети, значение, основанное на производительности канала и т.п.).

Протокол RIP обладает следующими характеристиками:

• работа протокола основана на широковещательной рассылке. Маршрутизаторыодного и того же сегмента обмениваются сообщениями о корректировках с помощью широковещательной рассылки;
• он предназначен для использования в качестве внутреннего протокола маршрутизации;
• RIP лучше всего работает в небольших сетях. Поскольку RIP реализует широковещательную рассылку и имеет ограничения по диаметру сети, он не подходит для больших сетей;
• как протокол вектора расстояния RIP использует число пересылок в качестве метрики расстояния для выбора наилучшего маршрута к пункту назначения;
• значением метрик является число пересылок. Число пересылок (от одного маршрутизатора до другого) является единицей расстояния, используемой маршрутизаторами, поддерживающими RIP. Каждая промежуточная сеть, через которую проходит датаграмма, рассматривается как одна пересылка (hop). Максимальное число пересылок равно 15;
• RIP использует периодические обновления. Маршрутизаторы, поддерживающие RIP, через заданные таймером промежутки времени рассылают широковещательные сообщения с корректировками маршрутов. Периодичность рассылки обновлений 30 с;
• маршрутизаторы посылают своим соседям полные копии таблиц маршрутизации, независимо от того, имеются ли изменения в сети или нет;
• максимальный диаметр сети ограничивается 15-ю пересылками. Максимальное: число сетей, через которые может быть ретранслирована датаграмма, составляет 15 (пересылок). Любое значение, превышающее число 15, свидетельствует о том, что адресат недоступен.