Разработка и исследование имитационной модели локальных вычислительных сетей

Содержание



ВВЕДЕНИЕ

1. ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ	

2. ОБЗОР СУЩЕСТВУЮЩИХ РЕШЕНИЙ

2.1 ПРОДУКТЫ ПЕРВОЙ ГРУППЫ

2.1.1 Пакет NetCracker Professional

2.1.2 Пакет Orlan	

2.2 ПРОДУКТЫ ВТОРОЙ ГРУППЫ

2.2.1 Пакет NetMaker XA

2.2.2 Пакет Comnet Predictor

2.2.3 Пакет Ses/Strategizer

3. ОБОСНОВАНИЕ ПРИНЯТОГО РЕШЕНИЯ

3.1 ВЫБОР ТИПА МОДЕЛИ	

3.2 ВЫБОР ОБЪЕКТА МОДЕЛИРОВАНИЯ

3.3 ВЫБОР ПРОГРАММНОЙ ОСНОВЫ

3.3.1 Использование существующих наработок	

3.3.2 Операционная система и средства разработки

4. ОПИСАНИЕ ОБЪЕКТА МОДЕЛИРОВАНИЯ

4.1 БАЗОВЫЕ СТРУКТУРЫ СОВРЕМЕННЫХ СЕТЕЙ ПРЕДПРИЯТИЯ

4.1.1 Стянутая в точку магистраль на коммутаторе

4.1.2 Распределенная магистраль на коммутаторах

4.2 КОММУНИКАЦИОННОЕ ОБОРУДОВАНИЕ СЕТЕЙ

4.2.1 Повторители

4.2.2 Мосты

4.2.3 Маршрутизаторы

4.2.4 Коммутаторы

4.2.4.1 Классы коммутаторов	

4.2.4.2 Технические реализации коммутаторов

4.2.4.3 Оценка необходимой общей производительности коммутатора

4.3 СЕТЕВЫЕ СТАНДАРТЫ

4.3.1 Стандарт Ethernet

4.3.1.1 История развития

4.3.1.2 Метод доступа CSMA/CD

4.3.1.3 Форматы кадров технологии Ethernet

4.3.1.4 Спецификации физической среды Ethernet

4.3.1.5 Правило 4-х повторителей

4.3.2 Стандарт Fast Ethernet как развитие стандарта Ethernet

4.3.3 Стандарт Gigabit Ethernet

4.3.3.1 Спецификации физической среды Gigabit Ethernet

4.3.3.2 Дифференциальная задержка

4.3.3.3 Расширение несущей

5. РАЗРАБОТКА СИСТЕМЫ МОДЕЛИРОВАНИЯ

5.1 СОСТАВ СИСТЕМЫ

5.2 РАЗРАБОТКА МОДУЛЯ ИМИТАЦИОННОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ

5.2.1 Входные данные модуля

5.2.2 Описание работы модуля

5.2.2.1 Алгоритмическая основа

5.2.2.2 Выбор кванта времени моделирования

5.2.2.3 Описание структуры данных

5.2.3 Выходные данные модуля

5.2.3.1 Средняя длина очереди

5.2.3.2 Среднее время ожидания

5.2.3.3 Средняя загрузка

5.2.3.4 Время отклика сети

5.2.4 Анализ расхождения результатов в аналитике и имитации при изменения времени моделирования в имитации	

5.3 ОПИСАНИЕ ДРУГИХ КОМПОНЕНТОВ СИСТЕМЫ

5.3.1 Модуль ввода данных

5.3.1.1 Модуль ввода топологии сети

5.3.1.2 Модуль задания рабочей нагрузки

5.3.2 Модуль хранения данных

5.3.3 Модуль быстрой оценки загрузки сети

5.3.4 Модуль аналитического моделирования

5.3.5 Модуль прогнозирования

5.3.6 Модуль отображения результатов

6. МОДЕЛИРОВАНИЕ КОРПОРАТИВНОЙ СЕТИ

7. ТЕХНИКО-ЭКОНОМИЧЕСКИЕ РАСЧЕТЫ

7.1 БИЗНЕС – ПЛАН ПРОЕКТА

7.1.1 Резюме

7.1.2 Описание товара

7.1.3 Оценка рынка сбыта

7.1.4 Конкуренты

7.1.5. Стратегия маркетинга

7.1.6 План производства

7.1.7 Организационный план

7.1.8 Финансовый план

7.1.9 Стратегия финансирования

7.2 РАСЧЕТ ЦЕНЫ ПРОГРАММНОГО ПРОДУКТА	

7.2.1 Определение трудоёмкости разработки ПП

7.2.2 Определение цены ПП

7.2.3 Экономическая оценка сопутствующих результатов

8. ОХРАНА ТРУДА

8.1 АНАЛИЗ ОПАСНЫХ И ВРЕДНЫХ ФАКТОРОВ

8.1.1 Возможная опасность поражения электрическим током

8.1.2 Повышенный уровень электромагнитных излучений

8.1.3 Недостаток естественного освещения

8.1.4 Недостаточное искусственное освещение

8.1.5 Повышенный уровень шума на рабочем месте

8.2 МЕРОПРИЯТИЯ ПО СНИЖЕНИЮ УРОВНЯ ВОЗДЕЙСТВИЯ ОПАСНЫХ И ВРЕДНЫХ ПРОИЗВОДСТВЕННЫХ ФАКТОРОВ

8.2.1 Мероприятия по защите от поражения электрическим током

8.2.2 Мероприятия по защите от повышенного уровня электромагнитных излучений

8.2.3 Мероприятия по поддержке микроклимата

8.2.4 Мероприятия по обеспечению пожарной безопасности

8.3 ИНДИВИДУАЛЬНОЕ ЗАДАНИЕ. РАСЧЕТ ПРОИЗВОДИТЕЛЬНОСТИ КОНДИЦИОНЕРОВ

8.3.1. Холодный и переходной периоды года

8.3.1.1 Расчёт по избыткам явной теплоты

8.3.1.2. Расчет по избыткам влаги

8.3.1.3 Расчет по избыткам полной теплоты

8.3.1.4 Расчёт по количеству выделяющихся вредных веществ

8.3.2 Тёплое время года

8.3.2.1 Расчёт по избыткам явной теплоты

8.3.2.2 Расчет по избыткам влаги

8.3.2.3 Расчет по избыткам полной теплоты

8.3.2.4 Расчёт по количеству выделяющихся вредных веществ

8.3.3 Вывод

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ




ВВЕДЕНИЕ



Современные темпы развития информационных технологий диктуют новые условия, необходимые для успешного ведения бизнеса. Настойчивое проникновение средств автоматизации производства, глобальное внедрение систем обработки и передачи информации в структуру предприятия требуют досконального знания всех преимуществ и недостатков новых технологий, умения их применять по назначению, эффективно. 

	Глобальные сети передачи данных являются последним, самым большим связующим звеном в организации обмена информацией по всему миру. Но сети такого масштаба немыслимы без тщательной проработки ее составляющих – региональных и, с большим уровнем детализации, локальных сетей. Именно локальные сети несут основную нагрузку в организации эффективной работы предприятий.

Сетевой администратор должен быть в курсе всех современных технологий, применяющихся в создании и поддержке сетей различного масштаба. Более того, он должен уметь применить их на практике. В этом случае сетевому администратору не обойтись без инструментов, специально предназначенных для разработки, модернизации и обслуживания сети. 

Одним из таких инструментов является средство построения модели сети, позволяющее исследовать ее поведение в стандартных и критических ситуациях, найти узкие места в производительности отдельных элементов и помочь с выработкой правильного решения.




1. ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ



В современных условиях для правильной разработки сети и ее обслуживания администраторы должны научиться решать следующие проблемы.

		Изменение организационной структуры. При выполнении проекта не следует разделять разработчиков программного обеспечения и сетевой архитектуры. Многие организации, внедряющие информационные технологии, имеют различные группы для выполнения сетевых операций и разработки вычислительных систем. Обычно единственным человеком, входящим в обе группы, является директор по информационным системам. В результате такого разделения связь между этими группами осуществляется плохо, а в итоге принимаются неэффективные решения. При разработке сетей и всей системы в целом нужно создавать единую команду из специалистов разного профиля. 

		Оценка экономической выгоды. В стоимость сети должны входить стоимости серверов, рабочих станций, конфигурирования сети, обучения обслуживающего персонала и пользователей. При переходе от мэйнфреймов к миникомпьютерам также нужно учитывать стоимость усиления сети, которая должна обеспечить увеличение потока информации и уменьшение времени реакции, необходимого для распределенных вычислений. 

		Проверка сетей. Важно использовать тесты на ранних стадиях разработки. Для этого можно создать прототип сети, который позволит оценить правильность принятых решений. С помощью такого прототипа можно предусмотреть возможные заторы и определить производительность разных архитектур. Пусть пользователи помогут проектировщикам оценить работу системы. Однако не стоит демонстрировать работу программы на линии T-1, если она будет работать в коммутируемой 56 Кбит/с сети. 

		Выбор протоколов. Чтобы правильно выбрать конфигурацию сети, нужно оценить возможности различных наборов протоколов. Важно определить, как сетевые операции, оптимизирующие работу одной программы или пакета программ, могут повлиять на производительность других. 

		Выбор физического расположения. Выбирая место установки серверов, надо, прежде всего, определить местоположение пользователей. Возможно ли их перемещение? Будут ли их компьютеры подключены к одной подсети? Будут ли эти пользователи иметь доступ к глобальной сети? 

		Вычисление критического времени. Необходимо определить время использования каждой программы и периоды максимальной нагрузки. Важно понять, как черезвычайная ситуация может повлияет на сеть, и определить, нужен ли резерв для непрерывной работы предприятия. 

		Испытание сети. Чтобы понять, какую нагрузку может выдержать сеть, надо ее смоделировать в уже работающей сети, проанализировать причины возникновения замедлений и заторов и определить, как увеличение количества пользователей может повлиять на работу сети. 

		Анализ вариантов. Важно проанализировать различные варианты использования программного обеспечения в сети. Централизация данных часто означает дополнительную нагрузку в центре сети, а распределенные вычисления могут потребовать усиления ЛВС рабочих групп. 

Администраторы сети, естественно, имеют возможность использовать большой набор программных и аппаратных решений, инструментов для решения вышеперечисленных задач создания и поддержки сети. Например, для контроля ее функционирования служат сетевые мониторы, анализаторы, генераторы нагрузки. Но проконтролировать функционирование сети монитором или анализатором можно только на реальном объекте. Как же поступить, если по каким-либо причинам нет реально действующего объекта, чтобы его исследовать? А причины здесь могут быть самые разные: слишком большая стоимость закупаемого оборудования, недопустимость вмешательства в конфигурацию сети вследствие обслуживания ею какого-либо критического объекта, значительная сложность переконфигурации и другие.

Выход есть в создании модели сети, поведение которой требуется исследовать. Такая модель значительно облегчает изменение архитектуры в случае необходимости и измерение требуемых параметров. Главные условия, которые к ней предъявляются – обеспечить достаточную адекватность реальному объекту, не допуская при этом ее излишнего усложнения.




2. ОБЗОР СУЩЕСТВУЮЩИХ РЕШЕНИЙ



Продукты для моделирования работы сети значительно отличаются друг от друга по цене, сложности и функциональным возможностям. Например, в этом секторе рынка можно встретить цены от 129 до 40 000 дол. и больше (если принять во внимание стоимость дополнительных модулей). Однако, ни один из продуктов нельзя рассматривать как полностью готовое к употреблению средство, способное в точности смоделировать работу существующей или даже вновь спроектированной сети. Необходимо потратить значительные средства на обучение, прежде чем станут возможными построение корректных моделей и интерпретация полученных результатов. Затем понадобится еще в течение шести-девяти месяцев непрерывно подстраивать модель, и только после этого она будет хотя бы приблизительно приведена в соответствие с действительностью.

Чтобы понять, почему так получается, надо вспомнить, как строятся модели при работе с этими продуктами. Все программы оснащены средствами графического проектирования, позволяющими строить схемы сети с помощью буксировки значков, соответствующих различным устройствам, из библиотеки на рабочее поле программы. Далее указывается, каким образом устройства соединены LAN- и WAN-каналами, работающими на разных скоростях, и, наконец, схема дополняется данными о работе сети, полученными от сетевых мониторов.

Получив все эти данные, программа строит систему математических уравнений, с помощью которых моделируется поведение сети. К сожалению, одна-две ошибки в начальной информации могут испортить все.

Каждый из рассмотренных продуктов имеет свою собственную "экологическую" нишу. Одни средства рассчитаны на управление локальными сетями, а другие предназначены для администраторов территориально-распределенных сетей. Одни просто позволяют строить схемы сетей и обладают ограниченными возможностями моделирования, другие же способны производить сложный анализ глобальных сетей.

Однако ни одно из средств не способно охватить все задачи, поэтому если необходимо смоделировать сеть и проанализировать ее работу, придется покупать несколько продуктов. Имеются также заметные различия между продуктами, которые, как утверждается, решают одни и те же задачи.

Следует обязательно выяснить, работу каких сетевых элементов способно рассчитывать то или иное средство. В этой области можно найти интересные результаты. Большинство продуктов рассчитывают, как будут работать те элементы сети, о которых у них имеются данные. Однако три пакета сплоховали: CANE от Image Net не может моделировать работу дисков, микросхем и контроллеров; Virtual Agent от Network Tools не принимает во внимание работу с очередями и скорость передачи данных по физическому носителю; SimuNet от Telenix не в состоянии учитывать, например, архитектуру устройств. За исключением NetArchitect от Datametrics, ни одно средство не умеет смоделировать работу системы в целом. Это означает, что невозможно принять во внимание, например, влияние параметров конечных станций. По-видимому, к этой проблеме производители обратятся несколько позже, когда станут более распространенными сети, при построении которых учитывается характер работающих в них приложений. Службы каталогов и сетевые протоколы в таких сетях будут поддерживать передачу трафика, чувствительного к задержкам.

Кроме того, средства моделирования сетей имеют несколько ограниченные возможности учета воздействия на пропускную способность сети работы с приоритетами и уровнями обслуживания. Если вспомнить, какое значение сейчас придается средствам предоставления уровней обслуживания и управления ими, станет ясно, что этот недостаток должен быть исправлен. Еще один важный момент - передача голоса через IP. Ясно, что производители средств моделирования будут обращать все больше внимания на эту проблему, по мере того как компании, стремящиеся переложить свой междугородний телефонный трафик на Internet, будут пытаться оценить воздействие соответствующей нагрузки на свои сети, базирующиеся на маршрутизаторах. Можно также ожидать появления новых компаний, которые сосредоточат свои усилия на новых технологиях, таких как Gigabit Ethernet и IP-телефония.



2.1 Продукты первой группы



2.1.1 Пакет NetCracker Professional

Фирма-производитель данного продукта – NetCracker Technology, платформа – Windows 95/98/NT.

NetCracker позволяет создавать модель сети практически любого масштаба – от локальной на несколько пользователей до уровня региона. Программа легко настраивается и относительна проста в использовании благодаря дружественному пользовательскому интерфейсу и использованиею технологии “drag and drop”.

	NetCracker имеет большую базу данных, хранящую информацию об около 5000 разнотипных устройствах: повторителях, концетраторах, коммутаторах, сетевых адаптерах, серверах различных производителей. Также имеются сведения о нагрузке, создаваемой различным программным обеспечением. Базу данных легко обновляема, через интернет с сервера производителя.

	Каждое устройство описывается набором свойств, которые подробно описывают такие данные как задержка, скорость передачи, фильтрации и перенаправления пакетов, используемые протоколы, тип портов, их доступность, описание интерфейсной карты и т.д. Аппаратное и программное обеспечение в совокупности позволяет описывать разнообразные сетевые архитектуры: клиент-сервер, VLAN (виртуальная локальная сеть), intranet, беспроводные сети и др. 

Сетевая нагрузка может быть описана обычным потоком данных, либо потоком голосовой и видеоинформации. Для задания этой нагрузки требуется указать станцию-отправитель, станцию-получатель и вид траффика: размер пакетов, время ожидания между их передачами, закон изменения этих величин, возможно также определить используемый протокол высокого уровня: SMTP, POP3, FTP, HTTP, CAD/CAM client-server, Database client-server, File client-server, Voice over IP peer to peer и др. Во время имитирования нагрузки каждый класс заявок наглядно показывается как серия движущихся прямоугольников определенного цвета. Направление, скорость движение и промежутки между ними приблизительно показывают основные характеристки траффика.

	NetCracker обладает развитыми средствами генерации отчетов. Как правило, быстрый отчет, включающий данные по загрузке всех узлов сети, спомощью специального мастера можно сделать за 1-2 минуты, с возможностью экспорта в HTML-файл.

	NetCracker обладает такой полезной возможностью, как разрыв и восстановление связей между сетевыми устройствами. Это позволяет промоделировать различные сценарии разрыва соединений, перегрузки сервера, перегрузки канала и др. Данная возможность чрезвычайно важна для администратора сети, так как делает возможным моделирование сети не только в нормальном режиме, но и в режиме выхода из строя ее отдельных элементов.

Достоинства и недостатки программы моделирования NetCracker удобно продемонстрировать на конкретном примере. Построим небольшую локальную сеть, состоящую из одного клиента, сервера и коммутатора между ними (рис. 1). Хотя рабочая станция, выступающая в качестве клиента, здесь одна, имеется возможность задать одновременно несколько классов заявок, генерируемых клиентом и обрабатываемых сервером. Это имитирует работу в сети одновременно нескольких клиентов.






рис. 1. Модель локальной сети в NetCracker Professional



Для построения указанной конфигурации были выполнены следующие действия:

		Из базы данных устройств были выбраны Ethernet Workstation, Ethernet Switch и Ethernet Server и “перетащены” на рабочее поле. В этих устройствах уже предполагается наличие сетевого адаптера Ethernet, поэтому добавдять его вручную не надо.

		Созданы связи между клиентом и коммутатором, а также между коммутатором и сервером. В свойствах канала указывался тип кабеля (витая пара), его длина и максимальная скорость передачи (10 Мбит/с)

		Созданы профили рабочих нагрузок, которые были затем добавлены в качестве траффика между клиентом и сервером: 4 класса заявки с размером пакета 50 байт и 2 класса с размером пакета 1500 байт, временем подготовки и обработки 2 мс. Выведены индикаторы использования каналов передачи и скорости обработки в клиенте и сервере.

После завершения работы имитации были получены следующие результаты:





рис. 2.Отображение результата моделирования локальной сети

	Данный пример наглядно показывает несовершенство примененной модели сети Ethernet. Никогда коэффициент использования моноканала не может достигать 100 %. Во-первых, метод доступа к среде CSMA/CD становится неэффективным при загруженности более 50-60%. С ее увеличением выше этой цифры, текущая пропускная способность практически не увеличивается. 

Во-вторых, обязательные временные интервалы между пакетами также снижают пропусную способность.

	NetCracker учитывает только максимальную пропускную способность моноканала. Моделирование функционирования протокола Ethernet упрощено до крайности. По существу, расчет текущей пропускной способности моноканала сводится к простой формуле:



	U = max(Qmax, Qgen)/Qmax * 100 %,



где 	U - коэффициент использования моноканала,

	Qmax – максимальная пропускная способность без учета затрат на ожидание между передачей пакетов, [бит/c],

	Qgen – пропускная способность, затребованная от моноканала станцией, [бит/c],

	Qgen = Qi,

где	Qi – нагрузка от каждого класса заявки, [бит/c].



	Примитивность использованной модели сети стала расплатой за богатые возможности по моделированию самых разнообразных сетевых архитектур. 

Не вникая в подробности функционирования, легко представить целый сегмент сети как область, которая просто сообщается с остальными устройствами через каналы связи с заданной пропускной способностью и заданной загруженностью. 

Такой же областью может быть и отдельная рабочая станция, и целая региональная сеть.



2.1.2 Пакет Orlan

	Данный продукт позволяет моделировать локальную сеть, включающую несколько типов сетевых устройств – рабочие станции, серверы, концетраторы и коммутаторы. 

	Пользовательсктй интерфейс достаточно удобен и позволяет произвольно перемещать элементы по рабочему полю, изменять масштаб просмотра, внешний вмд соединений и т.д. Имеющаяся база данных устройств невелика, но позволяет пользователю вносить новые и редактировать имеющиеся устройства. 

	По сравнению с остальными пакетами, эта программа наиболее простая в использовании. Настройки устройств сети сведены к минимуму. Отчасти это объясняется тем, какая математическая база была заложена в основу Orlan. Изучим ее более подробно.

	В основе Orlan лежит SCAT – Heuristic Algorithm for Queuing Network Model of Computing Systems, предназначенный для приближенного анализа сетевой модели вычислительных систем с организованными очередями. Вся исследуемая сеть представляется как замкнутая сеть массового обслуживания (МО), состоящая из систем массового обслуживания.

	Система МО включает в себя очередь, накапливающую заявки для обработки, и сервер (обслуживающий прибор), обрабатывающий эти заявки. Получив обслуживание в очередной системе МО, заявка следует в следующую систему МО для обработки. Замкнутая сеть МО имеет постоянное число заявок, циркулирующих в ней. 

Заявки могут быть сгруппированы в классы, где каждый класс задает определенную загрузку. Обслуживающий прибор представляет собой такие устройства, как процессор, сетевой адаптер, дисковый контроллер, жесткий диск и др. Система МО, которая может предоставить не более одного обслуживающего прибора для обработки поступившей заявки, называется системой с фиксированным (fized-rate) .потоком обработки. Такая система может использоваться для моделирования устройств ввода/вывода, например. Система МО, которая может предоставить каждой поступившей заявке отдельный сервер, называется системой с потоком задержки, или просто задержкой (delay). Если же количество обслуживающих приборов является сложной функцией от числа поступивших заявок, это загрузко-зависимая система МО. Это наиболее общий вариант, и он позволяет моделировать многопроцессорные системы, множество логических каналов с ограниченным числом физических каналов и т.д.

Алгоритм SCAT применим к продуцируемой (product-form) сети. Это обозначает сеть, чье равновесное вероятностное состояние может быть выражено как функция множества факторов, причем на каждую систему МО приходится один фактор. В таких сетях фиксированные или загрузко-зависимые потоки оброаботки описываются логикой FCFS - “первый пришел-первый обслужен“ (First Come First Served), логикой разделения обслуживания или LCFS – “последний пришел-первый обслужен” (Last Come First Served), причем в системах FCFS время обслуживание может быть экспоненциально зависимым или независимым по классам заявок. Продуцируемая сеть с фиксированными, загрузко-зависимыми системами МО или системами-задержками называется простой сетевой моделью.

По сравнению с другими алгоритмами строгого вычисления, SCAT требует меньшего объема памяти для работы, особенно когда в сети присутствует большое число систем МО и классов заявок. Целью его авторов было создать алгоритм с приемлемыми требованиями к памяти и производительности, обеспечив при этом ошибку не более 10 % при любых измерениях производительности.

SCAT позволяет вычислить средние (долговременные) характеристики: среднюю длину очереди, среднее время ожидания, загрузку и коэффициент использования для всех использованных узлов и классов заявок.

Попробуем промоделировать простую локальную сеть, состоящую из клиента, коммутатора и сервера с набором классов заявок, аналогичным предыдущему примеру (для NetCracker Professional):





рис. 3 Модель локальной сети в Orlan



Были получены следующие значения:

Средняя длина очереди в клиенте Lclient = 0,926;

Средняя длина очереди в сервере Lserver = 3,999;

Средняя длина очереди в моноканале Lch = 0,380;

Среднее время ожидания в клиенте Wclient = 1,999 мс;

Среднее время ожидания в сервере Wserver = 8,666 мс;

Среднее время ожидания в моноканале Wch = 1,040 мс;

Коэф. использования клиента Uclient = 92,6 %

Коэф. использования сервера Userver = 92,6 %

Коэф. использования моноканала Uch = 31,1 %

А теперь попробуем их сравнить со значениями, полученными с помощью NetCracker Professional.

Среднюю длину очереди и среднее время ожидания NetCracker не позволяет определить вообще. А между тем, большая длина очереди в сервере говорит о его перегруженности. 

Перегруженность сервера привела к тому, что он не успевает сразу отвечать на пришедшие заявки. Соответсвенно, канал передачи оказался не таким загруженным; по крайней мере, его коэффициент использования оказался далек от максимально возможного, как в NetCracker. Данный пример выявил преимущество примененной математической модели, которая позволила гораздо точнее рассчитатть требуемые параметры. Однако есть и некоторые недостатки. Во-первых, Orlan не позволяет промоделировать сеть произвольного размера. Увеличение ее размера усложняет построение и расчет соответствующей модели. Во-вторых, хотя SCAT пригоден для работы с любыми сетями, он не учитывает особенности работы протоколов канального уровня (например, метод доступа к среде CSMA/CD для Ethernet). Это значит, что при больших загрузках моноканала SCAT будет иметь слишком большую погрешность, а именно исследование поведения сети в “стрессовых” условиях представляет наибольший интерес.



2.2 Продукты второй группы



2.2.1 Пакет NetMaker XA

	Данный пакет от Make Systems получил награду World Class ("Продукт мирового класса").

Вычислительное ядро моделирования, используемое в NetMaker XA - одно из наиболее мощных на рынке, и это сыграло немаловажную роль в том, что продукт зарекомендовал себя столь хорошо. Не возникает никаких проблем ни с моделированием только что спроектированной небольшой сети, ни с усовершенствованием системы, приведенной производителем в качестве примера. Кроме того, генерируемые программой отчеты содержат всю необходимую информацию.

Главные недостатки NetMaker XA - необходимость серьезного обучения пользователя и высокая стоимость. Если к цене базовой конфигурации изделия добавить стоимость дополнительных модулей, получится довольно значительная сумма.

Основу продукта составляют модули Visualizer, Planner и Designer. Каждый из них выполняет какую-то одну функцию; чтобы смоделировать работу сети, необходимы все три.

Visualizer служит для получения информации о сети и ее просмотра. В его состав входят SNMP-модули автоматического распознавания, которые опрашивают сетевые устройства и создают соответствующие им объекты. Информацию об этих объектах можно затем редактировать с помощью Visualizer.

Planner - это библиотека устройств, которая помогает проанализировать, что получится при установке в сети нового устройства (например, дополнительного маршрутизатора). Make Systems поставляет встраиваемые модули (plug-in), содержащие объекты с данными о продуктах различных производителей. В таких объектах содержится полное описание различных моделей устройств (от числа сетевых интерфейсов до типа процессора); вся информация заверяется производителем. С помощью Planner пользователь может самостоятельно строить свои собственные объекты для описания сетевых устройств и каналов связи, не включенных в библиотеку.

Designer нужен для построения схем сетей. Данное средство позволяет легко и быстро создавать модели и анализировать альтернативы. Если пользоваться им совместно с Planner, можно получать информацию о том, как будет работать сеть заданной конфигурации.

Если требуется пойти несколько дальше, придется приобрести еще три модуля: Accountant, Interpreter и Analyzer. В состав Account входит тарификационная база данных; этот модуль помогает проанализировать затраты, связанные с использованием тех или иных сетей общего доступа. Очень полезным оказался модуль Interpreter, предназначенный для сбора данных от средств анализа трафика. Затем данные автоматически импортируются в модель, что позволяло использовать их почти в режиме реального времени, а не строить гипотезы относительно работы сети. Стоит все это богатство функций очень дорого - от 37 тыс. дол. за базовый комплект плюс доплаты за встраиваемые модули. Тому, кто захочет приобрести модули Accountant, Interpreter и Analyzer, придется раскошелиться еще на 30 тыс. дол. Установить NetMaker XA можно только на SPARCstation от Sun Microsystems. К этому надо добавить стоимость обучения, поскольку без него просто ничего не получится. 



2.2.2 Пакет Comnet Predictor

COMNET Predictor от CACI заслужил хорошую оценку. Правда, Predictor несколько менее проработан и не так прост в установке, как NetMaker XA. Кроме того, генерируемые им отчеты немного запутанны и малоинформативны, а схемы сетей чересчур перегруженны.

В базовую конфигурацию Predictor входит все, что требуется для построения схемы сети с помощью буксировки пиктограмм устройств из библиотеки. К сожалению, на схеме отображается так много информации, что разобраться в ней очень трудно. В состав Predictor входят и средства для самостоятельного создания устройств и редактирования библиотечной информации. 

Опция Baseliner позволяет импортировать информацию о топологии сети и характере трафика из различных популярных средств мониторинга сети. Благодаря Baseliner можно разобраться, какие объемы трафика генерирует то или иное приложение. После этого можно построить модель, в которой объем трафика от этого приложения будет ежемесячно возрастать на 10%, получив, таким образом, прогноз на несколько месяцев вперед. Тому, кто научится разбираться в схемах сетей (а сделать это не очень-то просто), Predictor покажется очень мощным средством, которым нетрудно пользоваться. Параметры элементов сетей, подобранных из библиотеки, поддаются тонкой настройке.

Затем можно пустить в ход предположения о росте сети - надо указать Predictor, в какой момент их следует включать в модель. По мере продвижения расчетов Predictor будет информировать пользователя о возникновении проблем. Например, сообщается, что через шесть месяцев уровень загрузки какого-либо маршрутизатора достигнет 80%, что является предельной величиной. Тогда можно ввести в модель еще один маршрутизатор и посмотреть, решит ли он это проблему.

Пользователю предоставляется целый ряд отчетов, однако чтобы извлечь из них полезную информацию, придется немало потрудиться: многие таблицы и графики дублируют друг друга, и это затрудняет понимание.

	Цена данного продукта – 29 тыс. долл, что тоже весьма недешево. Доступны версии под Windows 95/NT и Unix.



2.2.3 Пакет Ses/Strategizer

Данный пакет от Scientific and Engineering Software характеризуется относительно невысокой ценой (9995 дол.). 

SES/Strategizer просчитывает модели очень быстро. В одном из испытаний этот продукт был установлен на рабочей станции на базе Pentium II, и всего за 2 с программа рассчитала, как будет работать довольно сложная сеть в течение 24 ч. Можно также собирать тонкие статистические данные о каком-то одном конкретном элементе модели, например следить за степенью загрузки центрального процессора с разбивкой по процессам, пользователям и моделям поведения. 

Как и прочие пакеты, SES/Strategizer позволяет без труда задавать и модифицировать значения параметров, таких как пропускная способность. Кроме того, продукт выдает запрос на подтверждение ("Применить" или "Отмена"), если пользователь пытается закрыть диалоговое окно, щелкнув мышью на крестике в правом верхнем углу. Такая функция не предусмотрена в других продуктах, что неудобно, поскольку с ними никогда нельзя быть уверенным, какое действие будет предпринято по умолчанию.

И все же отдельные стороны SES/Strategizer нуждаются в доработке. Например, для просмотра результатов моделирования на том же ПК, где работает сама программа, требуется запустить Microsoft Excel; данные он должен брать из создаваемых SES/Strategizer файлов, где для разделения числовых полей используются знаки табуляции. Если Excel не установлен, пользователь получает странное сообщение об ошибке, указывающее на совершенно другую причину сбоя. Надо просто информировать пользователя, что ему следует установить Excel, или обеспечивать возможность просмотра средствами какой-нибудь другого приложения.

Различия между SES/Strategizer и Predictor отнюдь не так велики, как позволяет предположить разница в их ценах (19 тыс. дол.). Predictor хорош тем, что расчеты могут охватывать продолжительный период существования сети, а пользователь - учитывать рост трафика с течением времени. По части функций SES/Strategizer отстает совсем не так сильно - пользователю просто придется смириться с необходимостью постоянно просчитывать модель заново.




3. ОБОСНОВАНИЕ ПРИНЯТОГО РЕШЕНИЯ



3.1 Выбор типа модели



Можно выделить следующие главные недостатки, обнаруженные у рассмотренных пакетов моделирования сети:

		Недостоверность модели проявляется практически у всех продуктов. Дело лишь в том, что в пакетах высокого класса (NetMaker XA, COMNET Predictor) удалось снизить ее до приемлемой величины. Чтобы создать достоверную модель, необходимо затратить значительные средства на ее разработку. При этом к модели предъявляются противоречивые требования – она при этом должна быть достаточно удобной для использования, иметь примлемую сложность, но также и достаточно универсальной.

		Узкая специализация в основном характерна для простых пакетов. Например, Orlan не позволяет рассчитывать сложные сети больших размеров, в его базе данных сетевых устройств сеть только минимально необходимый набор для локальных сетей. Узкая специализация является следствием ограниченности математического аппарата, лежащего в основе модели, и снижает ее ценность.

		Высокая цена является следствием большой сложности разработки достаточно адекватной модели сети, включающей разнообразные сетевые устройства. Конечно, механизм формирования цены программного продукта достаточно сложен, и при ее формировании учитывались самые разнообразные факторы: объем исходного текста программы, уникальность разработки, квалификация программистов, время, потраченное на разработку, использование готовых решений, текущая ситуация на рынке и т.д. Тем не менее, высокая стоимость продукта ограничивает возможности по его использованию для конечного пользователя. Все перечисленные выше факторы вкладывают свою долю в определение экономического эффекта от внедрения нового продукта. По мере возможности требуется уменьшить эти недостатки. Их анализ побуждает к разработке метода моделирования, отличающегося от тех, которые были использованы в рассмотренных пакетов.

Имитационное моделирование предполагает построение модели, имитирующей работу исследуемой сети на основании описания протоколов, лежащих в ее основе. Эти протоколы могут относиться к разным уровням модели взаимодействие открытых систем OSI, поэтому необходимо предварительно задаться, какие именно протоколы будут участвовать в моделировании. Чем ниже уровень описанного протокола, тем детальнее и точнее будет созданная модель. 

Например, моделирование на физическом уровне позволяет естественно учесть множество важных характеристик среды передачи – задержку распространения, ослабление и рассеивание электромагнитного импулься в электрическом кабеле, дифференциальную задержку импульса света в оптическом волокне и т.д. С другой стороны, моделирование этих характеристик может привести к чрезвычайному усложнению имитационной модели, что, в конечном итоге, вынудит к необходимости отказаться от их учета. Естественно, требуется искать компромисс между сложностью модели и ее достоверностью.

Однако часто не требуется изучать процессы, происходящие в основе работы сети, с такой подробностью. Например, стандарт IEEE 802.3 (Ethernet) оговариваем физические и геометрические характеристики среды передачи. Если конкретная сеть Ethernet построена с соблюдением всех соответствующих рекомендаций, это гарантирует ее работоспособность на физическом и канальном уровне. Это избавляет от необходимости моделировать задержку распространения сигнала для обнаружения коллизий в моноканале.

	Есть принципиальная разница между аналитическим моделированием, применяющимся в большинстве коммерческих продуктов, и имитационным моделированием. 

Аналитическое моделирование предполагает построение математической модели, описывающей данную сеть, с последующим применением к ней некоторых методик расчета, основанных на предварительно найденных математических зависимостях. Имитационное моделирование именно “имитирует” работу реальных сетевых протоколов. Причем не важно, насколько “экзотичен” исследуемый протокол. По его описанию в любом случае можно построить имитационную модель, чего нельзя сказать об аналитической.

	Как же разрабатываемая модель должна избежать недостатков, характерных для рассмотренных пакетов моделирования ? 

	Цена готового продукта снижается при уменьшении совокупных затрат на его производство. Сюда входят издержки на оплату труда программистов, оплату машинного времени, арендную плату и другие затраты.

	Для создания более-менее универсальной модели необходимо реализовать в ней как можно больше наиболее популярных протоколов перелачи данных. 

Относительно экзотические алгоритмы лучше сделать в виде подключаемых модулей и разрабатывать по мере необходимости.

	И, наконец, достоверность модели определяется точностью имитации работы исследуемых протоколов. Это свойство модели должно наиболее выгодно отличать ее от остальных разработок.

	Разрабатываемая имитационная модель должна дать ответы на следующие вопросы, интересующие сетевого администратора:

		Загрузка моноканала – определяется как отношение текущей пропускной способности к максимальной.

		Загрузка сервера - отношение времени, в течение которого сервер обслуживал сетевые запросы, к общему времени работы сервера.

		Среднее время ожидания пакетов в каждом сетевом узле.

		Средняя длина очереди в каждом сетевом узле.

По полученным данным можно узнать время реакции на запрос, то есть основную характеристику, которая интересует конечного пользователя.



3.2 Выбор объекта моделирования



	Задача построения данной модели требует выяснить, протоколы, какого уровня модели OSI и какие именно предстоит моделировать. Очевидно, требуется отобрать те стандарты передачи данных, которые получили наибольшее распространение во всем мире, и реализовать их в первую очередь. 

Есть ли смысл обратить первоочередное внимание на Ethernet, не начинает ли он сдавать позиции в пользу более современных и совершенных протоколов передачи данных? Этот вопрос как нельзя лучше соответствует содержанию докладов и дискуссий семинара, проведенного в Москве в середине февраля 1999 г. компаниями «Виком-Оптик» и Nbase-Xyplex.

Тема семинара — “Построение корпоративных и магистральных информационных сетей с использованием технологии Gigabit Ethernet”. Обсуждались не только характеристики интерфейсов Gigabit Ethernet и новые спецификации, расширяющие стандарт; значительное внимание было уделено сравнению технологий Ethernet и АТМ.

Технология Ethernet применяется практически во всех сетях, независимо от их масштаба, и ей еще не найдено полностью адекватной замены. Конечно, не нужно забывать о преимуществах АТМ, однако пока не появятся АТМ-устройства для рабочих станций, передача трафика в высокоскоростных магистралях будет, в конечном счете, определяться характеристиками оконечных устройств Ethernet. Не следует также сбрасывать со счетов стоимость АТМ-устройств и сложность их инсталляции. Но успешное развитие технологии Ethernet и особенно ее последнего достижения, Gigabit Ethernet, нельзя рассматривать, не учитывая влияния конкурирующей с ней АТМ-технологии. Еще три года назад единственной технологией, способной удовлетворить требования масштабируемости сетей и предоставления услуг гарантированного качества (QoS), была АТМ.

Появление стандарта Gigabit Ethernet и интеграция сетевого оборудования позволили сетевым администраторам надеяться на то, что возможности контроля полосы пропускания и качества обслуживания будут реализованы и в сетях Gigabit Ethernet. Всплеск интереса к Gigabit Ethernet и дальнейшее совершенствование технологии обусловлены несколькими причинами.

Имеется ограниченное количество АТМ-приложений для сетей такого типа, и отсутствуют API-библиотеки для их создания. При этом для управления трафиком и потоком, предоставления услуг определенного качества необходимы не только отдельные приложения, но и простые программные средства для разработки последних.

Нужно учесть и специфику ЛВС, где более высокая масштабируемость Ethernet (100—1000 Мбит/ с по сравнению со 155—622 Мбит/ с для АТМ), разница в стоимости оборудования, использующего ту или иную из этих двух технологий, и простота эксплуатации Ethernet-устройств становятся решающими факторами в пользу выбора Ethernet для многих сетевых администраторов. Так, стоимость магистрали Gigabit Ethernet между 100- или 10-мегабитными коммутаторами составляет 25% от стоимости канала АТМ с пропускной способностью 622 Мбит/с (цена за порт Gigabit Ethernet составляет 1—3 тыс. долл., а за порт АТМ для канала со скоростью 622 Мбит/с — 7—10 тыс. долл.). Не секрет также, что из-за большого количества ячеек эффективность АТМ в ЛВС (т. е. производительность сети) намного ниже, чем в многопоточных магистралях.

Кроме того, из-за многих специфических особенностей АТМ снижается эффективность обработки трафика. Так, поддержка кольцевой обработки речевого трафика необходима только на границе локальной и глобальной сетей. Но в рамках ЛВС мультимедийные приложения вполне справляются с этой задачей, а Gigabit Ethernet обрабатывает данный вид трафика достаточно эффективно, обеспечивая весь набор функций работы с очередями. Соответственно, применение технологии АТМ для таких целей становится экономически неоправданным. 

Таким образом, напрашивается вывод о перспективности вложения средств в семейство протоколов Ethernet, Fast Ethernet, Gigabit Ehhernet. Соответственно, затраты на их исследование и моделирование также являются перспективными и оправданными.



3.3 Выбор программной основы



3.3.1 Использование существующих наработок

В целях упрощения проектирования системы моделирования, был предпринят поиск готовых решений и наработок. В первую очередь, была проверена возможность использования исходных текстов программ моделирования сети, описанных в разделе 2. Эти продукты принадлежат к различным группам сложности, функциональности и стоимости. Соответственно менялась и возможность их вторичного использования. 

Продукты первой группы более просты как в использовании, так и в проектировании. Под проектированием понимается в данном случае модификация существующей системы с целью изменения ее характеристик. К этой группе были отнесены пакеты моделирования NetCracker и OrLAN.

Продукты второй группы, а именно NetMaker XA, Comnet Predictor, Ses/Strategizer, более сложны. Это значит, что, в случае необходимости модернизации, задача стояла бы гораздо сложнее.

Но, пожалуй, решающим фактором является наличие самих исходных текстов и лицензии на изучение, модификацию, компиляцию исходных текстов и использование программы в коммерческий целях. Все вышеперечисленные продукты, кроме OrLAN, являются коммерческими, и не предусматривают подобной лицензии.

OrLAN является freeware продуктом, разработанным на кафедре КИСС ОГПУ, авторское право на который принадлежит Дмитрию Курганскому. Им было предоставлено право на модификацию исходного текста в различных целях, в том числе и с целью коммерческого распространения продукта.



3.3.2 Операционная система и средства разработки

Выбор операционной системы (ОС) во многом определяется тем, в какой среде работает OrLAN, удовлетворяет ли она поставленным требованием, а если нет – насколько сложна адаптация под другую ОС.

OrLAN работает в операционной системе Microsoft Windows95. Неиспользование разработчиком специфичных функций Windows95 дало возможность ее безпроблемного запуска в Windows98 и WindowsNT 4.0. 

Работа программы в ОС Microsoft Windows 3.11 не предполагается. Главная причина этого – быстро уменьшающаяся инсталляционна база Windows 3.11 вследствие ее многочисленных недостатков.

Работа OrLAN в Windows 2000 не проверялась вследствие невозможности получения ее полнофункциональной версии на данный момент.

Unix-подобные и остальные операционные системы не планируется использовать в качестве базы вследствие значительной сложности миграции OrLAN на эти платформы.

Выбор средства разработки (СР) определяется СР Орлана, его возможностями и, в случае необходимостями, трудностью перехода на другое СР.

Орлан был разработан с использованием Borland Delphi 3.0. В связи с наличием более поздней версии этого СР, был осуществлен переход на Borlan Delphi 5.0. Сам переход прошел без проблем, так как файлы проекта в формате Delphi 3.0 свободно читаются Delphi 5.0.


4. ОПИСАНИЕ ОБЪЕКТА МОДЕЛИРОВАНИЯ



4.1 Базовые структуры современных сетей предприятия



Транспортная система локальных сетей масштаба здания или кампуса уже достаточно давно стала включать разнообразные типы активного коммуникационного оборудования - повторители, концентраторы, коммутаторы и маршрутизаторы, соединенные в сложные иерархические структуры

Описанный подход стал нормой при проектировании крупных сетей и полностью вытеснил сети, построенные исключительно на основе пассивных сегментов кабеля, которыми совместно пользуются для передачи информации компьютеры сети. Преимущества сетей с иерархически соединенным активным оборудованием не раз проверены на практике и сейчас никем не оспариваются. 

Если не обращать внимание на типы используемого оборудования, а рассматривать их просто как многопортовые черные ящики, то может сложиться впечатление, что никаких других изменений в теории и практике построения локальных сетей нет - предлагаются и реализуются очень похожие схемы, отличающиеся только количеством узлов и уровней иерархии коммуникационного оборудования. 

Однако, качественный анализ используемого оборудования говорит об обратном. Изменения есть, и они существенны. За последние год-два коммутаторы стали заметно теснить другие виды активного оборудования с казалось бы прочно завоеванных позиций. Несколько лет назад в типичной сети здания нижний уровень иерархии всегда занимали повторители и концентраторы, верхний строился с использованием маршрутизаторов, а коммутаторам отводилось место где-то посередине, на уровне сети этажа. К тому же, коммутаторов обычно было немного - их ставили только в очень загруженные сегменты сети или же для подключения сверхпроизводительных серверов. 

Коммутаторы стали вытеснять маршрутизаторы из центра сети на периферию, где они использовались для соединения локальной сети с глобальными. 

Центральное место в сети здания занял модульный корпоративный коммутатор, который объединял на своей внутренней, как правило, очень производительной, магистрали все сети этажей и отделов. Коммутаторы потеснили маршрутизаторы потому, что их показатель "цена/производительность", рассчитанный для одного порта, оказался гораздо ниже при приближающихся к маршрутизаторам функциональным возможностям по активному воздействию на передаваемый трафик. Сегодняшние корпоративные коммутаторы умеют многое из того, что несколько лет назад казалось исключительной прерогативой маршрутизаторов: транслировать кадры разных технологий локальных сетей, например Ethernet в FDDI, осуществлять фильтрацию трафика по различным условиям, в том числе и задаваемым пользователем, изолировать трафик одного сегмента от другого и т.п. Коммутаторы ввели также и новую технологию, которая до их появления не применялась - технологию виртуальных сегментов, позволяющих перемещать пользователей из одного сегмента в другой чисто программным путем, без физической перекоммутации разъемов. И при всем при этом стоимость за один порт при равной производительности у коммутаторов оказывается в несколько раз ниже, чем у маршрутизаторов. 

После завоевания магистрального уровня корпоративной сети коммутаторы начали наступление на сети рабочих групп, где до этого в течение последних пяти лет всегда использовались многопортовые повторители (концентраторы) для витой пары, заменившие пассивные коаксиальные сегменты. Появились коммутаторы, специально предназначенные для этой цели - простые, часто неуправляемые устройства, способные только быстро передавать кадры с порта на порт по адресу назначения, но не поддерживающие всей многофункциональности корпоративных коммутаторов. Стоимость таких коммутаторов в расчете на один порт быстро снижается и, хотя порт концентратора по-прежнему стоит меньше порта коммутатора рабочей группы, тенденция к сближению их цен налицо. 

Типичная структура сети масштаба предприятия в общем виде приведена в прил.3.

При всем разнообразии структурных схем сетей, построенных на коммутаторах, все они используют две базовые структуры - стянутую в точку магистраль и распределенную магистраль. На основе этих базовых структур затем строятся разнообразные структуры конкретных сетей



4.1.1 Стянутая в точку магистраль на коммутаторе

Стянутая в точку магистраль (collapsed backbone) - это структура, при которой объединение узлов, сегментов или сетей происходит на внутренней магистрали коммутатора. Пример сети рабочей группы, использующей такую структуру, приведен на рис. 4.





рис. 4 Стянутая в точку магистраль на коммутаторе

Преимуществом такой структуры является высокая производительность магистрали. Так как для коммутатора производительность внутренней шины или схемы общей памяти, объединяющей модули портов, в несколько Гб/c не является редкостью, то магистраль сети может быть весьма быстродействующей, причем ее скорость не зависит от применяемых в сети протоколов и может быть повышена с помощью замены одной модели коммутатора на другую. 

Положительной чертой такой схемы является не только высокая скорость магистрали, но и ее протокольная независимость. На внутренней магистрали коммутатора в независимом формате одновременно могут передаваться данные различных протоколов, например, Ethernet, FDDI и Fast Ethernet, как это изображено на рисунке. Подключение нового узла с новым протоколом часто требует не замены коммутатора, а просто добавления соответствующего интерфейсного модуля, поддерживающего этот протокол. 

Если к каждому порту коммутатора в такой схеме подключен только один узел, то такая схема будет соответствовать микросегментированной сети. 



4.1.2 Распределенная магистраль на коммутаторах

В сетях больших зданий или кампусов использование структуры с коллапсированной магистралью не всегда рационально или же возможно. Такая структура приводит к протяженным кабельным системам, которые связывают конечные узлы или коммутаторы сетей рабочих групп с центральным коммутатором, шина которого и является магистралью сети. Высокая плотность кабелей и их высокая стоимость ограничивают применение стянутой в точку магистрали в таких сетях. Иногда, особенно в сетях кампусов, просто невозможно стянуть все кабели в одно помещение из-за ограничений на длину связей, накладываемых технологией (например, все реализации технологий локальных сетей на витой паре ограничивают протяженность кабелей в 100 м). 

Поэтому в локальных сетях, покрывающих большие территории, часто используется другой вариант построения сети - с распределенной магистралью. Пример такой сети приведен на рис. 5. 





рис. 5 Распределенная магистраль на коммутаторах



Распределенная магистраль - это разделяемый сегмент сети, поддерживающий определенный протокол, к которому присоединяются коммутаторы сетей рабочих групп и отделов. На примере распределенная магистраль построена на основе двойного кольца FDDI, к которому подключены коммутаторы этажей. Коммутаторы этажей имеют большое количество портов Ethernet, трафик которых транслируется в трафик протокола FDDI, когда он передается по магистрали с этажа на этаж. 

	Распределенная магистраль упрощает связи между этажами, сокращает стоимость кабельной системы и преодолевает ограничения на расстояния. 

Однако, скорость магистрали в этом случае будет существенно меньше скорости магистрали на внутренней шине коммутатора. Причем скорость эта фиксированная и не превышает в настоящее время 100 Мб/c. Поэтому распределенная магистраль может применяться только при невысокой интенсивности трафика между этажами или зданиями. 

Пример рисунка демонстрирует сочетание использования двух базовых структур, так как на каждом этаже сеть построена с использованием магистрали на внутренней шине коммутатора. 



4.2 Коммуникационное оборудование сетей



4.2.1 Повторители

Повторители Ethernet, в контексте сетей 10Base-T, часто называемые концентраторами или хабами, работают в соответствии со стандартом IEEE 802.3. Повторитель просто передает полученные пакеты во все свои порты независимо от адресата. 

С точки зрения производительности повторители просто передают пакеты с использованием всей полосы канала. Задержка, вносимая повторителем весьма мала (в соответствии с IEEE 802.3 - менее 3 микросекунд). Сети, содержащие повторители имеют полосу 10 Mbps подобно сегменту на основе коаксиального кабеля и прозрачны для большинства сетевых протоколов, таких как TCP/IP и IPX. 



4.2.2 Мосты

Мосты функционируют в соответствии со стандартом IEEE 802.1d. Подобно коммутаторам Ethernet мосты не зависят от протокола и передают пакеты порту, к которому подключен адресат. Однако, в отличие от большинства коммутаторов Ethernet, мосты не передают фрагменты пакетов при возникновении коллизий и пакеты с ошибками, поскольку все пакеты буферизуются перед их пересылкой в порт адресата. Буферизация пакетов (store-and-forward) приводит к возникновению задержки по сравнению с коммутацией на лету. Мосты могут обеспечивать производительность, равную пропускной способности среды, однако внутренняя блокировка несколько снижает скорость их работы. 



4.2.3 Маршрутизаторы

Работа маршрутизаторов зависит от сетевых протоколов и определяется связанной с протоколом информацией, передаваемой в пакете. Подобно мостам, маршрутизаторы не передают адресату фрагменты пакетов при возникновении коллизий. Маршрутизаторы сохраняют пакет целиком в своей памяти прежде, чем передать его адресату, следовательно, при использовании маршрутизаторов пакеты передаются с задержкой. Маршрутизаторы могут обеспечивать полосу, равную пропускной способности канала, однако для них характерно наличие внутренней блокировки. В отличие от повторителей, мостов и коммутаторов маршрутизаторы изменяют все передаваемые пакеты. 



4.2.4 Коммутаторы

Коммутаторы Ethernet подобно мостам и маршрутизаторам способны сегментировать сети Ethernet. Как и многопортовые мосты коммутаторы передают пакеты между портами на основе адреса получателя, включенного в каждый пакет. реализация коммутаторов обычно отличается от мостов в части возможности организации одновременных соединений между любыми парами портов устройства - это значительно расширяет суммарную пропускную способность сети. Более того, мосты в соответствии со стандартом IEEE 802.1d должны получить пакет целиком до того, как он будет передан адресату, а коммутаторы могут начать передачу пакета, не приняв его полностью


4.2.4.1 Классы коммутаторов

Хотя все коммутаторы имеют много общего, целесообразно разделить их на два класса, предназначенных для решения разных задач. 



4.2.4.1.1 Коммутаторы для рабочих групп

Коммутаторы для рабочих групп обеспечивают выделенную полосу при соединении любой пары узлов, подключенных к портам коммутатора. Если порты имеют одинаковую скорость, получатель пакета должен быть свободен, чтобы не возникло блокировки

Основным преимуществом коммутаторов для рабочих групп является высокая производительность сети на уровне рабочей группы за счет предоставления каждому пользователю выделенной полосы канала (10 Mbps). Кроме того, коммутаторы снижают (в пределе до нуля) количество коллизий - в отличие от магистральных коммутаторов, описанных ниже, коммутаторы рабочих групп, не будут передавать коллизионные фрагменты адресатам. Коммутаторы для рабочих групп позволяют полностью сохранить сетевую инфраструктуру со стороны клиентов, включая программы, сетевые адаптеры, кабели. Стоимость коммутаторов для рабочих групп в расчете на один порт сегодня сравнима с ценами портов управляемых концентраторов.



Магистральные коммутаторы

Магистральные коммутаторы обеспечивают соединение со скоростью передачи среды между парой незанятых сегментов Ethernet. Если скорость портов для отправителя и получателя совпадают, сегмент получателя должен быть свободен во избежание блокировки.

Магистральный коммутатор обеспечивает одновременную передачу пакетов со скоростью среды между любыми парами своих портов. Подобно коммутаторам для рабочих групп, магистральные коммутаторы могут поддерживать различную скорость для своих портов. Магистральные коммутаторы могут работать с сегментами 10Base-T и сегментами на основе коаксиального кабеля. В большинстве случаев использование магистральных коммутаторов обеспечивает более простой и эффективный способ повышения производительности сети по сравнению с маршрутизаторами и мостами. 



4.2.4.2 Технические реализации коммутаторов

В настоящее время коммутаторы используют в качестве базовой одну из трех схем взаимодействия своих блоков или модулей: 

коммутационная матрица; 

разделяемая многовходовая память; 

общая шина. 

Часто эти три способа взаимодействия комбинируются в одном коммутаторе



4.2.4.2.1 Коммутаторы на основе коммутационной матрицы

Коммутационная матрица - основной и самый быстрый способ взаимодействия процессоров портов, именно он был реализован в первом промышленном коммутаторе локальных сетей. Однако, реализация матрицы возможна только для определенного числа портов, причем сложность схемы возрастает пропорционально квадрату количества портов коммутатора 



4.2.4.2.2 Коммутаторы с общей шиной

Коммутаторы с общей шиной используют для связи процессоров портов высокоскоростную шину, используемую в режиме разделения времени. Эта архитектура похожа на архитектуру коммутаторов на основе универсального процессора, но отличается тем, что шина здесь пассивна, а активную роль выполняют специализированные процессоры портов. 

Кадр должен передаваться по шине небольшими частями, по несколько байт, чтобы передача кадров между несколькими портами происходила в псевдопараллельном режиме, не внося задержек в передачу кадра в целом. Размер такой ячейки данных определяется производителем коммутатора. Некоторые производители, например, LANNET (сейчас подразделение компании Madge Networks), выбрали в качестве порции данных, переносимых за одну операцию по шине, ячейку АТМ с ее полем данных в 48 байт. Такой подход облегчает трансляцию протоколов локальных сетей в протокол АТМ, если коммутатор поддерживает эти технологии

Шина, так же как и коммутационная матрица, не может осуществлять промежуточную буферизацию, но так как данные кадра разбиваются на небольшие ячейки, то задержек с начальным ожиданием доступности выходного порта в такой схеме нет



4.2.4.2.3 Коммутаторы с разделяемой памятью

Третья базовая архитектура взаимодействия портов - двухвходовая разделяемая память. 

Входные блоки процессоров портов соединяются с переключаемым входом разделяемой памяти, а выходные блоки этих же процессоров соединяются с переключаемым выходом этой памяти. Переключением входа и выхода разделяемой памяти управляет менеджер очередей выходных портов. В разделяемой памяти менеджер организует несколько очередей данных, по одной для каждого выходного порта. Входные блоки процессоров передают менеджеру портов запросы на запись данных в очередь того порта, который соответствует адресу назначения пакета. Менеджер по очереди подключает вход памяти к одному из входных блоков процессоров и тот переписывает часть данных кадра в очередь определенного выходного порта. По мере заполнения очередей менеджер производит также поочередное подключение выхода разделяемой памяти к выходным блокам процессоров портов, и данные из очереди переписываются в выходной буфер процессора. 

Память должна быть достаточно быстродействующей для поддержания скорости переписи данных между N портами коммутатора. Применение общей буферной памяти, гибко распределяемой менеджером между отдельными портами, снижает требования к размеру буферной памяти процессора порта. 



4.2.4.3 Оценка необходимой общей производительности коммутатора

В реальной практике коммутатор всегда вносит некоторые задержки при передаче кадров, а также может некоторые кадры терять, то есть не доставлять их адресатам. Из-за различий во внутренней организации разных моделей коммутаторов, трудно предвидеть, как тот или иной коммутатор будет передавать кадры какого-то конкретного образца трафика. Однако, существуют несложные расчеты, которые могут дать представление о том, как коммутатор будет вести себя в реальной ситуации. 

		Общая производительность коммутатора должна быть больше или равна суммарной интенсивности передаваемого трафика.

	Номинальная максимальная производительность протокола каждого порта коммутатора должна быть не меньше средней интенсивности суммарного трафика, проходящего через порт.

	Производительность процессора каждого порта должна быть не меньше средней интенсивности суммарного трафика, проходящего через порт. 

	Производительность внутренней шины коммутатора должна быть не меньше средней интенсивности суммарного трафика, передаваемого между портами, принадлежащими разным модулям коммутатора.

	


4.3 Сетевые стандарты



4.3.1 Стандарт Ethernet



4.3.1.1 История развития

Когда говорят Ethernet, то под этим обычно понимают любой из вариантов этой технологии. 

В более узком смысле, Ethernet - это сетевой стандарт, основанный на технологиях экспериментальной сети Ethernet Network, которую фирма Xerox разработала и реализовала в 1975 году (еще до появления персонального компьютера). В 1980 году фирмы DEC, Intel и Xerox совместно разработали и опубликовали стандарт Ethernet версии II для сети, построенной на основе коаксиального кабеля. 

Поэтому стандарт Ethernet иногда называют стандартом DIX по заглавным буквам названий фирм. 

На основе стандарта Ethernet DIX был разработан стандарт IEEE 802.3, который во многом совпадает со своим предшественником, но некоторые различия все же имеются. 

В то время, как в стандарте IEEE 802.3 различаются уровни MAC и LLC, в оригинальном Ethernet оба эти уровня объединены в единый канальный уровень. В Ethernet определяется протокол тестирования конфигурации (Ethernet Configuration Test Protocol), который отсутствует в IEEE 802.3. 

Несколько отличается и формат кадра, хотя минимальные и максимальные размеры кадров в этих стандартах совпадают. 

Для передачи двоичной информации по кабелю для всех вариантов физического уровня технологии Ethernet используется манчестерский код. 

Все виды стандартов Ethernet используют один и тот же метод разделения среды передачи данных - метод CSMA/CD.




4.3.1.2 Метод доступа CSMA/CD

В сетях Ethernet используется метод доступа к среде передачи данных, называемый методом коллективного доступа с опознаванием несущей и обнаружением коллизий (carrier-sense-multiply-access with collision detection, CSMA/CD). 

Этот метод используется исключительно в сетях с общей шиной. Простота схемы подключения - это один из факторов, определивших успех стандарта Ethernet. Говорят, что кабель, к которому подключены все станции, работает в режиме коллективного доступа (multiply-access,MA). 

Все данные, передаваемые по сети, помещаются в кадры определенной структуры и снабжаются уникальным адресом станции назначения. Затем кадр передается по кабелю. Все станции, подключенные к кабелю, могут распознать факт передачи кадра, и та станция, которая узнает собственный адрес в заголовках кадра, записывает его содержимое в свой внутренний буфер, обрабатывает полученные данные и посылает по кабелю кадр-ответ. Адрес станции-источника также включен в исходный кадр, поэтому станция-получатель знает, кому нужно послать ответ. 

При описанном подходе возможна ситуация, когда две станции одновременно пытаются передать кадр данных по общему кабелю. Для уменьшения вероятности этой ситуации непосредственно перед отправкой кадра передающая станция слушает кабель (то есть принимает и анализирует возникающие на нем электрические сигналы), чтобы обнаружить, не передается ли уже по кабелю кадр данных от другой станции. Если опознается несущая (carrier-sense, CS), то станция откладывает передачу своего кадра до окончания чужой передачи, и только потом пытается вновь его передать. Но даже при таком алгоритме две станции одновременно могут решить, что по шине в данный момент времени нет передачи, и начать одновременно передавать свои кадры. Говорят, что при этом происходит коллизия, так как содержимое обоих кадров сталкивается на общем кабеле, что приводит к искажению информации. 

Метод CSMA/CD определяет основные временные и логические соотношения, гарантирующие корректную работу всех станций в сети: 

Между двумя последовательно передаваемыми по общей шине кадрами информации должна выдерживаться пауза в 9.6 мкс; эта пауза нужна для приведения в исходное состояние сетевых адаптеров узлов, а также для предотвращения монопольного захвата среды передачи данных одной станцией. 

При обнаружении коллизии (условия ее обнаружения зависят от применяемой физической среды) станция выдает в среду специальную 32-х битную последовательность (jam-последовательность), усиливающую явление коллизии для более надежного распознавания ее всеми узлами сети. Каждый узел, который передавал кадр и столкнулся с коллизией, после некоторой задержки пытается повторно передать свой кадр. Узел делает максимально 16 попыток передачи этого кадра информации, после чего отказывается от его передачи. Величина задержки выбирается как равномерно распределенное случайное число из интервала, длина которого экспоненциально увеличивается с каждой попыткой. Такой алгоритм выбора величины задержки снижает вероятность коллизий и уменьшает интенсивность выдачи кадров в сеть при ее высокой загрузке. 

Четкое распознавание коллизий всеми станциями сети является необходимым условием корректной работы сети Ethernet. Если какая-либо передающая станция не распознает коллизию и решит, что кадр данных ею передан верно, то этот кадр данных будет утерян, так как информация кадра исказится из-за наложения сигналов при коллизии

Все параметры протокола Ethernet подобраны таким образом, чтобы при нормальной работе узлов сети коллизии всегда четко распознавались. Именно для этого минимальная длина поля данных кадра должна быть не менее 46 байт (что вместе со служебными полями дает минимальную длину кадра в 72 байта или 576 бит). Длина кабельной системы выбирается таким образом, чтобы за время передачи кадра минимальной длины сигнал коллизии успел бы распространиться до самого дальнего узла сети. Поэтому для скорости передачи данных 10 Мб/с, используемой в стандартах Ethernet, максимальное расстояние между двумя любыми узлами сети не должно превышать 2500 метров. 



4.3.1.3 Форматы кадров технологии Ethernet

Стандарт на технологию Ethernet, описанный в документе 802.3, дает описание единственного формата кадра МАС-уровня. Так как в кадр МАС-уровня должен вкладываться кадр уровня LLC, описанный в документе 802.2, то по стандартам IEEE в сети Ethernet может использоваться только единственный вариант кадра канального уровня, образованный комбинацией заголовков МАС и LLC подуровней. Тем не менее, на практике в сетях Ethernet на канальном уровне используются заголовки 4-х типов. Это связано с длительной историей развития технологии Ethernet до принятия стандартов IEEE 802. 

Различия в форматах кадров могут иногда приводить к несовместимости аппаратуры, рассчитанной на работу только с одним стандартом, хотя большинство сетевых адаптеров, мостов и маршрутизаторов умеет работать со всеми используемыми на практике форматами кадров технологии Ethernet. 

Ниже приводится описание всех четырех модификаций заголовков кадров Ethernet (причем под заголовком кадра понимается весь набор полей, которые относятся к канальному уровню): 

		Кадр 802.3/LLC (или кадр Novell 802.2) 

		Кадр Raw 802.3 (или кадр Novell 802.3) 

		Кадр Ethernet DIX (или кадр Ethernet II) 

		Кадр Ethernet SNAP 

Заголовок кадра 802.3/LLC является результатом объединения полей заголовков кадров, определенных в стандартах 802.3 и 802.2. 

Стандарт 802.3 определяет восемь полей заголовка: 

Поле преамбулы состоит из семи байтов синхронизирующих данных. Каждый байт содержит одну и ту же последовательность битов - 10101010. При манчестерском кодировании эта комбинация представляется в физической среде периодическим волновым сигналом. 

Начальный ограничитель кадра состоит из одного байта с набором битов 10101011. Появление этой комбинации является указанием на предстоящий прием кадра. 

Адрес получателя - может быть длиной 2 или 6 байтов (MAC-адрес получателя). Первый бит адреса получателя - это признак того, является адрес индивидуальным или групповым: если 0, то адрес указывает на определенную станцию, если 1, то это групповой адрес нескольких (возможно всех) станций сети. При широковещательной адресации все биты поля адреса устанавливаются в 1. Общепринятым является использование 6-байтовых адресов. 

Адрес отправителя - 2-х или 6-ти байтовое поле, содержащее адрес станции отправителя. Первый бит - всегда имеет значение 0. 

Двухбайтовое поле длины определяет длину поля данных в кадре. 

Поле данных может содержать от 0 до 1500 байт. Но если длина поля меньше 46 байт, то используется следующее поле - поле заполнения, чтобы дополнить кадр до минимально допустимой длины. 

Поле заполнения состоит из такого количества байтов заполнителей, которое обеспечивает определенную минимальную длину поля данных (46 байт). Это обеспечивает корректную работу механизма обнаружения коллизий. Если длина поля данных достаточна, то поле заполнения в кадре не появляется. Поле контрольной суммы - 4 байта, содержащие значение, которое вычисляется по определенному алгоритму (полиному CRC-32). После получения кадра рабочая станция выполняет собственное вычисление контрольной суммы для этого кадра, сравнивает полученное значение со значением поля контрольной суммы и, таким образом, определяет, не искажен ли полученный кадр. 

Кадр 802.3 является кадром MAС-подуровня, в соответствии со стандартом 802.2 в его поле данных вкладывается кадр подуровня LLC с удаленными флагами начала и конца кадра. 

Результирующий кадр 802.3/LLC изображен в левой части рисунка 4. Так как кадр LLC имеет заголовок длиной 3 байта, то максимальный размер поля данных уменьшается до 1497 байт. 





рис. 6 Форматы кадров Ethernet 



Справа на рис. 6 приведен кадр, который называют кадром Raw 802.3 (то есть "грубый" вариант 802.3) или же кадром Novell 802.3. Из рисунка видно, что это кадр MAC-подуровня стандарта 802.3, но без вложенного кадра подуровня LLC. Компания Novell долгое время не использовала служебные поля кадра LLC в своей операционной системе NetWare из-за отсутствия необходимости идентифицировать тип информации, вложенной в поле данных - там всегда находился пакет протокола IPX, долгое время бывшего единственным протоколом сетевого уровня в ОС NetWare. 

Кадр стандарта Ethernet DIX, называемый также кадром Ethernet II, похож на кадр Raw 802.3 тем, что он также не использует заголовки подуровня LLC, но отличается тем, что на месте поля длины в нем определено поле типа протокола (поле Type). Это поле предназначено для тех же целей, что и поля DSAP и SSAP кадра LLC - для указания типа протокола верхнего уровня, вложившего свой пакет в поле данных этого кадра. Для кодирования типа протокола используются значения, превышающие значение максимальной длины поля данных, равное 1500, поэтому кадры Ethernet II и 802.3 легко различимы. 

Еще одним популярным форматом кадра является кадр Ethernet SNAP (SNAP - SubNetwork Access Protocol, протокол доступа к подсетям). Кадр Ethernet SNAP определен в стандарте 802.2H и представляет собой расширение кадра 802.3 путем введения дополнительного поля идентификатора организации, которое может использоваться для ограничения доступа к сети компьютеров других организаций. 

В таблице приведены данные о том, какие типы кадров Ethernet обычно поддерживают реализации популярных протоколов сетевого уровня. 



табл. 1 Типы кадров, поддерживаемые различными реализациями протоколов сетевого уровня

Тип кадра 

Сетевые протоколы

Ethernet_II 

IPX, IP, AppleTalk Phase I

Ethernet 802.3 

IPX

Ethernet 802.2 

IPX, FTAM

Ethernet_SNAP 

IPX, IP, AppleTalk Phase II



4.3.1.4 Спецификации физической среды Ethernet

Исторически первые сети технологии Ethernet были созданы на коаксиальном кабеле диаметром 0.5 дюйма. В дальнейшем были определены и другие спецификации физического уровня для стандарта Ethernet, позволяющие использовать различные среды передачи данных в качестве общей шины. Метод доступа CSMA/CD и все временные параметры Ethernet остаются одними и теми же для любой спецификации физической среды. 

Физические спецификации технологии Ethernet на сегодняшний день включают следующие среды передачи данных: 

		10Base-5 - коаксиальный кабель диаметром 0.5 дюйма, называемый "толстым" коаксиалом. Имеет волновое сопротивление 50 Ом. Максимальная длина сегмента - 500 метров (без повторителей). 

		10Base-2 - коаксиальный кабель диаметром 0.25 дюйма, называемый "тонким" коаксиалом. Имеет волновое сопротивление 50 Ом. Максимальная длина сегмента - 185 метров (без повторителей). 

		10Base-T - кабель на основе неэкранированной витой пары (Unshielded Twisted Pair, UTP). Образует звездообразную топологию с концентратором. Расстояние между концентратором и конечным узлом - не более 100 м. 

		10Base-F - оптоволоконный кабель. Топология аналогична стандарту на витой паре. Имеется несколько вариантов этой спецификации - FOIRL, 10Base-FL, 10Base-FB. 

Число 10 обозначает битовую скорость передачи данных этих стандартов - 10 Мб/с, а слово Base - метод передачи на одной базовой частоте 10 МГц (в отличие от стандартов, использующих несколько несущих частот, которые называются broadband - широкополосными). 



4.3.1.5 Правило 4-х повторителей

При описании топологии сети стандарта 10Base-5 приводились ограничения на длину одного непрерывного отрезка коаксиального кабеля, используемого в качестве общей шины передачи данных для всех станций сети. Отрезок кабеля, завершающийся на обоих концах терминаторами и имеющий общую длину не более 500 м называется физическим сегментом сети. Однако при расчете окна коллизий общая максимальная длина сети 10Base-5 считалась равной 2500 м. Противоречия здесь нет, так как стандарт 10Base-5 (впрочем как и остальные стандарты физического уровня Ethernet) допускает соединение нескольких сегментов коаксиального кабеля с помощью повторителей, которые обеспечивают увеличение общей длины сети. 

Повторитель прозрачен для станций, он обязан передавать кадры без искажений, модификации, потери или дублирования. Говорят, что сегменты, соединенные повторителями, образуют один домен коллизий (collision domain). 

В общем случае стандарт 10Base-5 допускает использование до 4-х повторителей, соединяющих в этом случае 5 сегментов длиной до 500 метров каждый, если используемые повторители удовлетворяют ограничениям на допустимые величины задержек сигналов. При этом общая длина сети будет составлять 2500 м, и такая конфигурация гарантирует правильное обнаружение коллизии крайними станциями сети. Только 3 сегмента из 5 могут быть нагруженными, то есть сегментами с подключенными к ним трансиверами конечных станций. 



4.3.2 Стандарт Fast Ethernet как развитие стандарта Ethernet

В мае 1995 года комитет IEEE принял спецификацию Fast Ethernet в качестве стандарта 802.3u, который не является самостоятельным стандартом, а представляет собой дополнение к существующему стандарту 802.3 в виде глав с 21 по 30. Отличия Fast Ethernet от Ethernet сосредоточены на физическом уровне.

Более сложная структура физического уровня технологии Fast Ethernet вызвана тем, что в ней используется три варианта кабельных систем - оптоволокно, 2-х парная витая пара категории 5 и 4-х парная витая пара категории 3, причем по сравнению с вариантами физической реализации Ethernet (а их насчитывается шесть), здесь отличия каждого варианта от других глубже - меняется и количество проводников, и методы кодирования. А так как физические варианты Fast Ethernet создавались одновременно, а не эволюционно, как для сетей Ethernet, то имелась возможность детально определить те подуровни физического уровня, которые не изменяются от варианта к варианту, и остальные подуровни, специфические для каждого варианта. 

Официальный стандарт 100Base-T (802.3u) установил три различных спецификации для физического уровня (в терминах семиуровневой модели OSI) для поддержки следующих типов кабельных систем: 

		100Base-TX для двухпарного кабеля на неэкранированной витой паре UTP категории 5, или экранированной витой паре STP Type 1; 

		100Base-T4 для четырехпарного кабеля на неэкранированной витой паре UTP категории 3, 4 или 5; 

		100Base-FX для многомодового оптоволоконного кабеля. 

Форматы кадров технологии Fast Ethernet не отличаются от форматов кадров технологий 10-Мегабитного Ethernet'a. 

Все времена передачи кадров Fast Ethernet в 10 раз меньше соответствующих времен технологии 10-Мегабитного Ethernet'а: межбитовый интервал составляет 10 нс вместо 100 нс, а межкадровый интервал - 0.96 мкс вместо 9.6 мкс соответственно. 



4.3.3 Стандарт Gigabit Ethernet

Вопрос "Gigabit Ethernet - это Ethernet или нет?" отнюдь не праздный, и, хотя Gigabit Ethernet Alliance отвечает на него утвердительно на том основании, что эта технология использует тот же формат кадров, тот же метод доступа к среде передачи CSMA/CD, те же механизмы контроля потоков и те же управляющие объекты, все же Gigabit Ethernet отличается от Fast Ethernet больше, чем Fast Ethernet от Ethernet. В Gigabit Ethernet волоконно-оптические кабели становятся доминирующей средой передачи. Кроме того, Gigabit Ethernet ставит несравнимо более сложные технические задачи и предъявляет гораздо более высокие требования к качеству проводки. Иными словами, он гораздо менее универсален, чем его предшественники.


4.3.3.1 Спецификации физической среды Gigabit Ethernet

Основные усилия рабочей группы IEEE 802.3z направлены на определение физических стандартов для Gigabit Ethernet. За основу она взяла стандарт ANSI X3T11 Fibre Channel, точнее, два его нижних подуровня: FC-0 (интерфейс и среда передачи) и FC-1 (кодирование и декодирование). Зависимая от физической среды спецификация Fibre Channel определяет в настоящее время скорость 1,062 гигабод в секунду. В Gigabit Ethernet она была увеличена до 1,25 гигабод в секунду. С учетом кодирования по схеме 8B/10B мы получаем скорость передачи данных в 1 Гбит/с. 

Спецификация Gigabit Ethernet изначально предусматривала три среды передачи: одномодовый и многомодовый оптический кабель с длинноволновыми лазерами 1000BaseLX для длинных магистралей для зданий и комплексов зданий, многомодовый оптический кабель с коротковолновыми лазерами 1000BaseSX для недорогих коротких магистралей, симметричный экранированный короткий 150-омный медный кабель 1000BaseCX для межсоединения оборудования в аппаратных и серверных. Однако в настоящее время четырехпарная 100-омная проводка Категории 5 является наиболее распространенной кабельной системой во всем мире. Учитывая это, бюро по стандартам IEEE удовлетворило в марте 1997 г. запрос на создание отдельного комитета по разработке стандарта физического уровня 1000BaseT для четырехпарных кабелей с неэкранированными витыми парами Категории 5 длиной 100 м (т. е. для сетей с диаметром 200 м, как и в 100BaseT). Эта группа получила наименование 803.2ab. Данный стандарт будет опираться на иную схему кодирования, нежели Fibre Channel, и, вероятнее всего, появится на год позже, чем остальные три стандарта.



4.3.3.2 Дифференциальная задержка

Эффект дифференциальной задержки состоит в том, что один излучаемый лазером импульс света возбуждает несколько мод в многомодовом волокне. Эти моды, или пути распространения света, могут иметь разную длину и разную задержку. В результате при распространении по волокну отдельный импульс может даже разделиться на несколько импульсов, а последовательные импульсы могут накладываться друг на друга, так что исходные данные будет невозможно остановить.

Такая рассинхронизация (jitter) встречается все же довольно часто, поэтому 802.3z Task Force и отложила принятие стандарта. Предложенное решение заключается в том, что световой сигнал источника формируется предварительно специальным образом, а именно свет от лазера распределяется равномерно по диаметру волокна, в результате чего он больше напоминает свет от светоизлучающего диода. Цель подобной процедуры состоит в более равномерном распределении энергии сигнала между всеми модами.



4.3.3.3 Расширение несущей

Один из ключевых вопросов для Gigabit Ethernet - это максимальный размер сети. Перенос без изменения всех отличительных составляющих Ethernet - минимального размера кадра, времени обнаружения коллизии (или кванта времени - time slot) и CSMA/CD - на Gigabit Ethernet обернулся бы сокращением диаметра сети до 20 м. Рабочий комитет 802.3z предложил увеличить время обнаружения коллизии с тем, чтобы сохранить прежний диаметр сети в 200 м. Такое переопределение подуровня MAC необходимо для Gigabit Ethernet, иначе отстоящие друг от друга на расстоянии 200 м станции не смогут обнаружить конфликт, когда они обе одновременно передают кадр длиной 64 байт.

Предложенное решение было названо расширением несущей (carrier extension). Суть его в следующем. Если сетевой адаптер или порт Gigabit Ethernet передает кадр длиной менее 512 байт, то он посылает вслед за ним биты расширения несущей, т. е. время обнаружения конфликта увеличивается. Если за время передачи кадра и расширения несущей отправитель зафиксирует коллизию, то он реагирует традиционным образом: подает сигнал затора (jam signal) и применяет механизм отката (back-off algorithm).

Очевидно, однако, что если все станции (узлы) передают кадры минимальной длины (64 байт), то реальное повышение производительности составит всего 12,5% (125 Мбит/с вместо 100 Мбит/с). С целью повышения эффективности Gigabit Ethernet комитет предложил метод пакетной передачи кадров. В соответствии с этим методом короткие кадры накапливаются и передаются вместе. Передающая станция заполняет интервал между кадрами битами расширения несущей, поэтому другие станции будут воздерживаться от передачи, пока она не освободит линию. 

Проведенное AMD моделирование показывает, что в полудуплексной топологии с коллизиями сеть Gigabit Ethernet позволяет достичь пропускной способности 720 Мбит/с при полной нагрузке сети. Тем не менее подобные ухищрения (расширение несущей и пакетная передача кадров) свидетельствуют о том, что метод доступа к среде CSMA/CD в его теперешнем виде себя практически изжил.

Естественно, такие нововведения необходимы только для полудуплексного режима, так как для полнодуплексной передачи CSMA/CD не нужен. Действительно, в полнодуплескном режиме данные передаются и принимаются по разным путям, так что ждать завершения приема для начала передачи не требуется. Таким образом, в полнодуплескной топологии без коллизий реальная пропускная способность может превзойти указанный 72-процентный барьер и приблизиться к теоретическому максимуму в 2 Гбит/с.




5. РАЗРАБОТКА СИСТЕМЫ МОДЕЛИРОВАНИЯ



Разработка системы моделирования сводится к модификации исходных текстов Орлана с тем, чтобы он отвечал предъявленным к нему требованиям (см. раздел 1). Многие функции уже реализованы в Орлане. В частности, Орлан позволял:

		графически строить конфигурацию исследуемой сети;

		задавать параметры рабочих стангций, серверов, концетраторов коммутаторов и хранить их в базе данных;

		соединять узлы и задавать параметры соединений;

		проводить аналитическое моделирование заданной сети;

		представлять результаты моделирования в виде графиков;

		проводить экспресс-анализ сети;

		сохранять конфигурацию сети в виде файлов проекта.

Требовалось внести следующие изменения:

		усовершенствовать графический интерфейс

		доработать большинство диалоговых окон, удалив неиспользуемые и добавив новые поля; доработать функции разметки узлов и поиска пути в сети; усовершенствовать модуль формирования параметров для аналитического моделирования;

	и новые функции:

		имитационное моделирование;

		прогнозирование характеристик сети;

		представление результатов имитационного моделирования в виде графиков и сравнение их с результатами аналитики.



5.1 Состав системы



В целях улучшения повторяемости, расширяемости и повышения общей надежности был выбран принцип модульности системы. Это значит, что все выполняемые функции группировались по их назначению, причем каждая группа функций выполнялась своим модулем Связность модулей по данным выбиралась возможно ниже.

Итак, разработанная система Орлан имеет в своем составе следующие модули:

		Модуль ввода данных

		Модуль хранения данных.

		Модуль быстрой оценки загрузки сети.

		Модуль аналитического моделирования.

		Модуль имитационного моделирования.

		Модуль прогнозирования.

		Модуль отображения результатов

Схема взаимодействия между ними приведена в прил. 1, а их назначение будет подробно описано ниже.



5.2 Разработка модуля имитационного моделирования



5.2.1 Входные данные модуля

Для модуля имитационного моделирования входными данными являются:

		топология сети;

		рабочая нагрузка сети.

Топология сети задается в виде набора, или одномерного массива узлов с заданными связями между ними. Узлом является рабочая станция, коммутатор или сервер. Концетратор, хотя и учитывается при анализе топологии сети, в состав набора связей не включается. Причина этого в том, что концетратор, как и репитер, не изменяет сегментную структуру сети, в отличие от коммутаторов, маршрутизаторов и др. 

Каждый узел имеет заданное количество портов. Например, рабочая станция, как правило – один порт Ethernet, сервер – один или два порта, коммутатор – более 16 портов. Каждому порту ставится в соответствие некоторое число, обозначающее номер соединения. Порты разных узлов, имеющие одинаковый номер соединения, считаются соединенными. Порт узла, которому присвоен номер соединения 0, считается свободным.

Рабочая нагрузка задается в виде набора заявок, где для каждой заявки указывается:

		маршрут заявки;

		размер запроса в байтах Nз;

		время подготовки запроса в секундах Tз;

		размер ответа в байтах Nо;

		время подготовки ответа в байтах Tо;

		время цикла заявки Tц;

		нужен ли ответ сервера на запрос;

Заявка в данном случае обозначает совокупность запроса, который готовится на клиенте, и необязательного ответа на запрос, который готовится на сервере.

Запрос на своем пути от клиента к серверу обычно проходит через множество коммутаторов. Должен существовать только один путь между двумя любыми узлами сети, и он задается в виде маршрута заявки. Ответ, если он передается, проходит по тому же пути, что и запрос, но в обратном направлении.

Первый узел, на котором обрабатывается запрос – это сам клиент. Под обработкой в данном случае понимается приготовление запроса клиентским приложением в течение времени Tз. Один клиент может одновременно готовить несколько запросов для передачи на один и тот же или разные сервера. Время подготовки запроса на клиенте определяется только Tз и не зависит от Nз.

От размера пакета Nз зависит время его передачи по моноканалу. С увеличением Nт это время увеличивается, однако эта зависимость не линейная и определяется множеством факторов.

Параметры Tо и Nо имеют значение только в том случае, если требуется передать ответ сервера на запрос клиента. Если это так, их смысл аналогичен Tз и Nз соответственно.

Обычно клиентское приложение обращается к серверу с запросами на чтение и запись в базу данных, загрузку WEB-страниц и т.д. В данном случае клиент обычно не посылает следующего запроса до тех пор, пока он не получит ответ на уже посланный запрос. Чтобы задать такое его функционирование, следует указать время цикла Tц равным 0.

Довольно часто (например, на производстве) применяют датчики различных параметров, которые сообщают требуемую информацию через определенные равные промежутки времени. Эти промежутки времени следует указать в качестве времени цикла Tц.



5.2.2 Описание работы модуля

5.2.2.1 Алгоритмическая основа

Так как данный модуль моделирует функционирование сети Ethernet в соответствии со стандартом IEEE 802.3, алгоритм его работы определяется указанным стандартом, подробно описанным в разделах 4.3.1-4.3.3. Однако, имеют место некоторые обобщения и упрощения этого алгоритма, не оказывающие значительного влияния на достоверность имитационной модели.



5.2.2.2 Выбор кванта времени моделирования

Временные параметры функционирования сетей Ethernet обычно выражаются через время передачи одного бита при данной пропускной способности. Аналогично поступим в нашем случае.

Для моделирования был выбран минимальный промежуток, или квант времени tmin, равный 1 нс = 10-9с, умножением которого на целое число nx рассчитываются все необходимые задержки. Число nt определяется следующим образом:


nx = Tx / tmin ,



где Tx = требуемая задержка.

Например, передача одного байта при скорости передачи 1 Гбит/с займет: nx = ( 1 / 109 с) * 8 / 10-9 с = 8 [квантов].

В моделируемой сети может быть несколько участков (доменов коллизий) с разными пропускными способностями. Каждому такому участку назначается свое nx в зависимости от его пропускной способности.

При уменьшении tmin увеличивается точность моделирования, однако значительно возрастает вычислительная нагрузка. Поэтому предусмотрена возможность использования адаптивного минимального промежутка tmin ад. Например, если все участки сети работают на скорости передачи 10 Мбит/c, нет необходимости ждать каждому участку для передачи одного байта nx = ( 1 / 10 * 106 с) * 8 / 10-9 c = 800 [квантов]. В этом случае целесообразней взять 

tmin ад = tmin * nx = 10-9 с * 800 = 8 * 10-7 c и адаптивное nx ад = 1.

	Значения nx ад и tmin ад определяются участком сети с наибольшей пропускной способностью.

	Время, необходимое для передачи одного байта информации в данном участке сети, мы будем называть тактом.



5.2.2.3 Описание структуры данных

Параметры устройств сети и заявок представляются в виде классов объектов на языке Object Pascal. Основными классами модуля являются:

		Domain, представляющий домен коллизий сети Ethernet. Он имеет в своем составе переменные:

		TicsPerTact : integer – число квантов tmin ад, необходимое для передачи одного байта в этом домене.

		TicsLeft : integer – сколько осталось квантов времени до конца текущего такта.

		TotalTacts : int64 – суммарное число тактов, промоделированное в этом домене.

		FrameMinLength : byte – время, в течение которого возможно обнаружение коллизий.

		JobWaitTics : array of int64 – общее время ожидания каждой заявки в данном домене, включая время на ожидание в очереди.

		JobServicingTics : array of int64 – общее время ожидания каждой заявки в данном домене, без учета времени на ожидание в очереди

		NetNode, представляющий такие узлы сети, как клиент, сервер или коммутатор. Он содержит переменные:

		Сonns : array [0..31] of integer – массив номеров доменов, к которым подключен этот узел. Как правило, для рабочей станции используется только одно подключение, для коммутатора – несколько.

		MaxTaskNumber : integer – максимальное число заявок, которые могут одновременно обрабатываться в этом узле.

		TotalTacts : int64 – суммарное число тактов, промоделированное в этом узле.

		JobWaitTics : array of int64 – общее время ожидания каждой заявки в данном узле, включая время на ожидание в очереди.

		JobServicingTics : array of int64 – общее время ожидания каждой заявки в данном узле, без учета времени на ожидание в очереди

		NetJob, хранящий параметры каждой заявки. Большинство параметров уже описывалось выше. Это

		ReqSize : integer – размер запроса в байтах.

		AnsSize : integer – размер ответа в байтах.

		AnssNumber : integer – сколько нужно ответов на запрос клиента. Может принимать значения 0 или 1.

		CycleTyme : int64 – время цикла заявки.

	Остальными параметрами заявки являются:

		Hops : array of integer – маршрут заявки, составленный из номеров узлов. Первым в этом списке идет номер клиента, последним – номер сервера. Между ними указываются номера коммутатором.

		HopDelays : array if int64 – массив задержек заявки в каждом узле. Времена подготовки на клиенте и обработки на сервере стоят в этом массиве на первом и последнем местах соответственно.

		FrameState : FrameStateType – текущее состояние заявки. Возможные состояния показаны на структуре имитационной модели в приложении. В программе они обозначены следующим образом:

	 FrameStateType = (

	StInBuffer, – ожидание пакета во входном буфере узла;

	StNetNode, – обработка пакета в узле;

	StCanCollide, – передача начала пакета в канале;

	StTransmission, – передача остатка пакета;

	StPostWait, – ожидание полного освобождения канала после передачи;

	StRandomWait, – пауза в передаче после возникновения столкновения;

	StWaitForFree, – ожидание освобождения канала перед передачей;

	StWaitForCycle ) – ожидание окончания цикла, если требуется.

		NetWork, объединяющий три вышеперечисленных класса. Он содержит массивы объектов Domain, NetNode и NetJob.

Задание и хранение топологии сети, а также поиск пути между клиентом и сервером возлагается на другие модули Орлана.



5.2.3 Выходные данные модуля

Результаты моделирования хранятся в переменных JobWaitTics, JobServicingTics, TotalTacts, StatSuccCount. Их значения становятся доступными после окончания моделирования, их на их основе рассчитываются характеристики сети, интересующие сетевого администратора и пользователя.


5.2.3.1 Средняя длина очереди

Средняя длина очереди L для каждого узла Node или домена коллизий Dom и заявки Z рассчитывается следующим образом:



L:=Node.JobWaitTacts[Z] / Node.JobWaitTacts;

L:=Dom.JobWaitTacts[Z] / Dom.JobWaitTacts;

Значение JobWaitTacts для данного домена вычисляется так:

Dom.JobWaitTacts[i]:=

Dom.JobWaitTics[i] * Dom.TicsPerTact;



	Средняя суммарная длина очереди для каждого узла или домена рассчитывается как сумма L по всем заявкам из массива Jobs.



5.2.3.2 Среднее время ожидания

Среднее время ожидания W в миллисекундах для каждого узла Node или домена Dom и заявки Z рассчитывается следующим образом:



W:=Node.JobWaitTics[Z] / Jobs[Z].StatSuccCount / nX;

W:=Dom.JobWaitTixs[Z] / Jobs[Z].StatSuccCount / nX;



Переменная StatSuccCount хранит число удачных передач заявки типа Z. Значение nX равно 106 / nx min.

Среднее суммарное время ожидания рассчитывается как сумма W по всем заявкам из массива Jobs.



5.2.3.3 Средняя загрузка

Средняя загрузка U в процентах для каждого узла Node или домена Dom от заявки Z рассчитывается так:



	U:=Node.JobServicingTics[Z] * 100 / TotalTics;

	U:=Dom.JobServicingTics[Z] * 100 / TotalTics;



где TotalTics – число квантов моделирования сети.

	Суммарная загрузка узла или домена рассчитывается как сумма U по всем заявкам из массива Jobs.



5.2.3.4 Время отклика сети

Очевидно, что время, через которое пользователь получит ответ от сервера, равно времени обработки заявки W[Z]. Оно рассчитывается как сумма средних времен ожиданий заявки в каждом узле сети.

	Имеет смысл также среднее время отклика сети Wzs, которое вычисляется так:



	Wzs :=  Jobs[Z].StatSuccCount / 

Lan.StatSuccCount * W[Z],

где Lan.StatSuccCount – сумма Jobs[Z].StatSuccCount по всем заявкам из массива Jobs.



5.2.4 Анализ расхождения результатов в аналитике и имитации при изменения времени моделирования в имитации

При моделировании сети следует решить вопрос о том, какоим выбрать интервал моделирования. Если взять его большим, результаты будут стабильными, то расчет модели потребует значительных ресурсов. Если же взять его слишком малым, может недопустимо уменьшиться точность. Для решения этой задачи были проведены исследования для определенной тестовой конфигурации сети. Одним из условия было малая средняя длина очереди в моноканале, то есть проверялись результаты моделирования для слабозагруженных участков. Фиксировалось:

		Расхождение между аналитикой и имитацией для каждого класса заявок

		Среднее расхождение между аналитикой и имитацией (для всех классов)

		Расхождение между эталонным значением и полученным значением имитации для каждого класа заявок. В качестве эталонного значения берется значение в имитации для времени моделирования 10000 мс.

		Среднее расхождение между эталоном и имитацией (для всех классов)



табл. 2. Время моделирования – 10000 мс

Номер класса заявки

Передано пакетов в имитации

Длина очереди

в аналитике

Длина очереди в имитации

Расхождение с аналитикой, %

0

3696

0,0846

0,1206

29,8

1

3127

0,1291

0,1588

18,7

2

5476

0,2680

0,2062

23,0

3

658

0,0869

0,0613

29,4

4

2675

0,4171

0,3264

21,7

Всего:

15632

Среднее:

24,4



табл. 3 Время моделирования – 2000 мс

Номер класса заявки

Передано пакетов в имитации

Длина очереди

в аналитике

Длина очереди в имитации

Расхождение с аналитикой, %

Расхождение с эталоном, %

0

710

0,0846

0,1092

22,5

9,4

1

632

0,1291

0,1505

14,2

5,5

2

1099

0,2680

0,2058

30,2

0,2

3

132

0,0869

0,0657

24,3

6,7

4

533

0,4171

0,3265

21,7

0,1

Всего:

3106

Среднее:

22,2

4,2



табл. 4 Время моделирования – 100 мс

Номер класса заявки

Передано пакетов в имитации

Длина очереди

в аналитике

Длина очереди в имитации

Расхождение с аналитикой, %

Расхождение с эталоном, %

0

34

0,0846

0,1298

35,3

7,1

1

28

0,1291

0,1369

5,7

13,8

2

58

0,2680

0,2064

22,9

0,1

3

6

0,0869

0,0501

42,4

18,2

4

24

0,4171

0,3227

22,6

1,1

Всего:

150

Среднее:

25,6

8,0



табл. 5 Время моделирования – 7 мс

Номер класса заявки

Передано пакетов в имитации

Длина очереди

в аналитике

Длина очереди в имитации

Расхождение с аналитикой, %

Расхождение с эталоном, %

0

2

0,0846

0,0262

69,5

77,7

1

3

0,1291

0,1361

5,1

14,3

2

2

0,2680

0,0988

63,1

52,0

3

1

0,0869

0,0000

100,0

100,0

4

1

0,4171

0,1033

75,2

68,3

Всего:

8

Среднее:

62,6

62,2



Сведем полученные результаты в таблицу, показывающую изменение среднего расхождения в зависимости от вида распределения и времени моделирования.



табл. 6 Среднее расхождение с аналитикой

Время моделирования, мс

7

100

2000

10000

62,6

25,6

22,2

24,4



табл. 7 Среднее расхождение с эталоном

Время моделирования, мс

7

100

2000

10000

62,2

8,0

4,2

-



Таким образом, можно сделать вывод, что среднее расхождение с аналитикой и эталоном достаточно медленно уменьшается при установке времени моделирования более 100 мс.




5.3 Описание других компонентов системы



5.3.1 Модуль ввода данных

5.3.1.1 Модуль ввода топологии сети

Позволяет размещать на рабочем поле узлы сети и соединять их между собой для получения нужной топологии. Параметры коммутаторов и концетраторов определяются с помощью модуля, описанного в п.5.3.2. Параметры рабочих станций и серверов в основном определяются пользователем сразу после их размещения на рабочем поле. Перемещение узлов после их размещения на рабочем поле не нарушает их соединений между собой. Для соединения указывается протокол физического уровня, среда передачи, скорость канала и длина кабеля. Например, на рис. 7 показано соединение узла “Нижний Конц. 3” с узлом “Верхний Комм”.





рис. 7. Соединение двух узлов


5.3.1.2 Модуль задания рабочей нагрузки

Рабочая нагрузка задается в соответствии с описанием входных данных для модуля имитационного моделирования (раздел 5.2.1). Маршрут задается указанием узла-клиента и узла-сервера для каждой заявки (рис. 8).





рис. 8.Задание рабочей нагрузки.



5.3.2 Модуль хранения данных

Данный модуль предназначен для ввода, редактирования и хранения следующей информации об элементах, используемых в системе Орлан, в частности, коммутаторах и концетраторах: производителя, наименования, частоты внутренней шины, стоимости, описания портов и т.д. (см. рис. 9).

Также хранится информация об используемых сетевых ОС, прикладном ПО, процессорах и сетевых протоколах.






рис. 9. Форма для ввода параметров коммутатора.



5.3.3 Модуль быстрой оценки загрузки сети

Модуль быстрой оценки загрузки сети, или, иначе, экспресс-анализа, позволяет:

		показать разбиение сети на сегменты;

		вычислить длину каждого сегмента;

		показать пропускную способность каждого сегмента;

		быстро рассчитать примерную загрузку каждого сегмента;

		оценить возможность перегрузки каждого сегмента.

Экспресс-анализ позволяет быстро оценить основные параметры сети чтобы, в случае необходимости, исправить грубые просчеты в конфигурации сети, не прибегая к моделированию.






рис. 10. Экспресс-анализ сети



5.3.4 Модуль аналитического моделирования

Модуль аналитического моделирования, как и модуль имитационного моделирования, не взаимодействует непосредственно с пользователем. Формы задания входных и выходных данных похожи у этих модулей. Как правило, моделирование сначала производится аналитически, а затем имитационно, но один из видов моделирования можно отключить в случае необходимости. Так как в аналитике и имитации используются разные математические модели, их результаты различаются.



5.3.5 Модуль прогнозирования

Модуль прогнозирования позволяет рассчитать, как поведет себя сеть при изменении конфигурации или рабочей нагрузки. 

Пользователь указывает исходную рабочую нагрузку и нагрузку, к которой следует прийти через несколько шагов моделирования, число которых задается (рис. 11). Наиболее типичная ситуация увеличения числа клиентских станций задается как увеличение числа заявок, генерируемых одним клиентом.

После окончания моделирования, при отображении результатов добавляются соответсвующие вкладки в форме.





рис. 11.Указание диапазона нагрузки.



5.2.6 Модуль отображения результатов

На модуль отображения результатов возлагается задача вывода результатов и аналитики, и имитации. По существу, эта задача заключается в чтении специальным образом отформатированных файлов результатов моделирования и представлении их в виде графиков. Этот модуль также производит обработку результатов для получения некоторой дополнительной информации. Например, время передачи каждой заявки рассчитывается на основе выходных данных обоих модулей (рис. 12, п. 5.2.3.4).






рис. 12.Представление результатов моделирования.



Построив сеть с заданной топологией и указав нужные параметры, можно рассчитать суммарную стоимость примененного оборудования, не проводя моделирования (рис. 13). Администратор получает при этом сведения о необходимом наборе комплектующих для рабочих станций, серверов, коммутаторов и концетраторов, а также о требуемой длине кабелей всех примененных типов.



рис. 13.Отчет по проекту.


6. МОДЕЛИРОВАНИЕ КОРПОРАТИВНОЙ СЕТИ



Решим некоторую практическую задачу с помощью Орлана. 

Пусть на предприятии в настоящее время установлена сеть, показанная в прил.4. В ней можно выделить три группы рабочих станций, каждая из которых подключена к своему концетратору. Для сохранения простоты рисунка, один значок обозначает подгруппу из пяти рабочих станций. Имеется также два сервера: сервер верхнего уровня и сервер уровня рабочей группы. Направления трафика показаны на рисунке стрелками, причем чем толщина линии указывает на интенсивность потока.

Нас заинтересовали следующие вопросы:

		Насколько сейчас загружены серверы и каналы передачи 

		Сколько сейчас пакетов в среднем находятся в ожидании для обработки на серверах или передачи по моноканалу (то есть длина очереди).

		Как изменится загрузка сети при увеличении числа рабочих станций вдвое.

В соответствии с текущей нагрузкой, были указаны маршруты и параметры заявок. Модель сети была рассчита аналитически и имитационно, с использованием модуля прогнозирования.

Полученные результаты дали администратору сети достаточно важную информацию. Например, оказалось, что некоторые участки сети и так достаточно загружены, а при увеличении числа рабочих станций их загрузка становится чрезмерно большой. Другие же участки сети имеют достаточный запас пропускной способности, которого хватит и на будущее расширение сети.

Приведем наиболее интересные результаты в графическом виде (рис. 14, рис. 15). На одном графике показаны результаты и имитации, и аналитики. Они довольно сильно различаются. Это, естественно, обусловлено различием моделей, которые в них применяются.






рис. 14




рис. 15



Канал 1 загружен уже в исходном варианте до 50 %, а длина очереди равна 2 в имитации. С увеличением числа рабочих станций длина очереди возрастает до 6, а полезная загрузка канала возрастает всего лишь до 70 %. Этого и следовало ожидать для канала с методом доступа к среде CSMA/CD. Сеть с такой загрузкой не может нормально функционировать. 

Следует отметить, что аналитика дает гораздо меньшую длину очереди в канале, потому что в ней не учитываются коллизии пакетов. Для канала 2 длина очереди мала, и поэтому результаты аналитики и имитации хорошо совпадают. Сервер верхнего уровня загружен до вполне примлемой величины – 18 %. При удвоении числа рабочих станций его загрузка возрастет до 25 %. Причина его малой загруженности в том, что канал передачи не успевает передать достаточное количество пакетов, задерживая их. Администратор может сделать следующие выводы:

		Канал 1 уже является узким местом в производительности сети. При увеличении числа рабочих станций, ситуация еще более ухудшится. Самый простой выход из создавшегося положения – переход на 100 Мб/c канал. Из последнего рисунка видно, что такое увеличение пропускной способности кардинально решило проблему.

		Сервер верхнего уровня имеет некоторый запас производительности, поэтому с его модернизацией можно повременить.

Естественно, следует проанализировать значения загруженности, длины очереди и времени ожидания для всех сегментов данной сети и второго сервера для получения полной более информации о состоянии сети. А время отклика сети, вычисляемое в Орлане – это основная характеристика, которая интересует пользователя. В прил. 5 и 6 приведены результаты имитационного моделирования для сервера верхнего уровня – длина очереди, время ожидания и загрузка, а также результаты обоих видов моделирования для времени передачи каждого класса заявки. Проверялась та же топология сети, когда один символ рабочей станции обозначает пять клиентских ПК. Так как результаты показаны в виде копий экрана с диаграммами, выведено ограниченное количество информации, а именно, для десяти классов заявок.

			Результаты показывает, что нет значительных неравномерностей трафика сети по классам заявок, так как рабочие станции примерно одинаково нагружают сервер верхнего уровня и сервер рабочей группы, т.е. нагрузка в основном сбалансирована.


6. ТЕХНИКО-ЭКОНОМИЧЕСКИЕ РАСЧЕТЫ



6.1 Бизнес – план проекта



6.1.1 Резюме

Цель данного проекта - проектирование модуля имитационного моделирования для системы Орлан.

	Система моделирования Орлан позволяет быстро и с достаточной точностью промоделировать аналитически и имитационно сеть предприятия, и, в частности, узнать такие параметры, как

		среднюю длину очереди в каждом узле или моноканале

		среднее время ожидания в каждом узле или моноканале

		среднюю загрузку каждого узла или моноканала

		среднее время передачи заявки (время отклика сети)

Последний параметр, время отклика сети, непосредственно интересует конечного пользователя, и поэтому представляет особенную ценность. А модуль прогнозирования позволяет сэкономить значительные средства на проектировании сети.

	Разработанный модуль имитационного моделирования входит в состав системы моделирования Орлан.. 

Удобный пользовательский интерфейс и простота работы с системой привлечет пользователей. И, наконец, такое достоинство программы, как низкая цена, особенно по сравнению с продуктами конкурирующих фирм, поможет в продвижении системы Орлан на рынке.

Задачи изготовления копий ПП, распространения Орлана на рынке и технической поддержки пользователей возлагаются на фирму-партнер, специализирующуюся на такого рода услугах.

Для реализации проекта требуются кредиты общей суммой 10458 грн, срок окупаемости проекта – 2-3 месяца. Планируемая прибыль – около 16000 грн в год.


6.1.2 Описание товара

Данный программный продукт (ПП) призван помочь сетевым администраторам в проектировании сети предприятия и исследовании ее характеристик.

Система моделирования Орлан нетребовательна к ресурсам используемого персонального компьютера (ПК). Обычного ПК класса workstation (рабочая станция) с установленной операционной системой Windows95/98/NT достаточно для эффективной работы.

Программа написана в системе быстрой разработки приложений Borland Delphi 5.0 

Отличительная черта Орлана – имитационное моделирование ЛВС предприятия с большой точностью, что выгодно отличает его от остальных продуктов такого же уровня, присутствующих на рынке.

По результатам проведенного патентного поиска можно сказать, что на рынке программных продуктов имеет место недостаток в программном обеспечении, работающем по данному профилю.



6.1.3 Оценка рынка сбыта

Планируемый рынок сбыта – украинские и зарубежные потребители. ПП планируется реализовывать в розницу записанным на лазерные компакт-диски.

Система моделирования Орлан ориентирована на достаточно широкий круг пользователей. 

В первую очередь, естественно, это администраторы вычислительных сетей предприятий, стоящие перед задачей проектирования или исследования сети. 

Обязательное условие, накладываемое системой – проектируемая сеть должны основываться на стандарте Ethernet. Но, так как абсолютное большинство ЛВС отвечают этому условию, это не приведет к значительному сужению рынка сбыта.

Примерный объем продаж Орлана составляет 50 копий в год.



6.1.4 Конкуренты

Основными конкурентами являются: американские фирмы NetCracker Technology, ImagineThat Inc., COMNET и др., выпускающие аналогичные программные продукты. Они рекламируют свою продукцию в периодических изданиях, содержащих информацию о вычислительной технике и программном обеспечении.

Продукты фирм NetCracker Technology и ImagineThat Inc. находятся в той же ценовой категории, что и Орлан, но не могут обеспечить такие же возможности моделирования. Более дорогие продукты, например от COMNET, стоят на порядок дороже, и поэтому занимают свою нишу на рынке, отличную от той, куда позиционируется Орлан.



6.1.5 Стратегия маркетинга

Продвижением данного продукта на рынке занимается фирма-партнер, которая заинтересована в увеличении объема продаж Орлана. Задача организации рекламной кампании возлагается на нее, при этом основными средствами будут:

		компьютерная пресса (журнал Chip, Хакер, Компьютеное обозрение)

		интернет (создание собственной web-странички, размещение рекламных баннеров на украинских и иностранных сайтах).

		специализированные компьютерные выставки – “Компьютер-Банк-Офис ’ Одесса”, “CeBIT ’ Hannover” и др.

Должно сохраняться основное условие ведения рекламной компании: существенное превышение роста прибыли над затратной частью рекламного бюджета.

Фирма-парнер отчисляет разработчику некоторую часть от стоимости реализации каждой копии ПП. Цена реализации определяется ситуацией на рынке и выбирается фирмой-парнером.

Фирма-партнер также организует службу технической поддержки пользователей.



6.1.6 План производства

Ориентировочный срок разработки данного ПП – 2 месяца, однако он зависит от числа разработчиков и их квалификации.

Изготовление инсталляционных компакт-дисков планируется осуществлять на одном из действующих предприятий Одессы или Киева. Так как в данном области специализируется множество фирм, выбор подходящей не будет представлять трудностей. 

Себестоимость изготовления одного компакт-диска на таком предприятии составляет порядка 4 грн при объемах более 100 шт.

Также требуется изготовление печатного руководства пользователя и фирменной картонной упаковки для продукта.

Число произведенных копий данного ПП практически лимитировано только объемом рынка.

Выбор предприятий для решения этих задач возлагается на фирму-партнер.



6.1.7 Организационный план

Предприятие будет включать в себя группу разработки из 3-5 человек для проектирования, улучшения программы и выпуска её новых версий. После окончания разработки Орлана планируется переориентация разработчиков на выпуск аналогичных продуктов для других сегментов рынка на базе разработанной системы моделирования.

Разработчик данного ПП должен иметь навыки работы в ОС Windows98/98/NT и владеть средством разработки Borland Delphi 5.0. Желательно наличие сертификата специалиста Microsoft (MSP).

Зарплата специалиста такого класса находится в пределах 300-700 гривен. Возможна постоянная работа либо по совместительству.

			Для привлечения новых специалистов планируется воспользоваться услугами специализированных организаций по найму.

		

6.1.8 Финансовый план

Затраты на реализацию данного проекта составляют 10458 грн., при этом половину требуемой суммы необходимо внести сразу, а вторую половину – через месяц после начала проектирования.

Размеры отчислений фирмы-парнера разработчику будут определяться договором. Предположительно она должна:

		произвести разовую оплату стоимости данного ПП в размере 17297 грн.;

		отчислять 40 % от стоимости реализации в розницу с каждой копии ПП. 

Фирма-партнер сама будет определять цену реализации ПП, но рекомендованное значение составляет 800 грн.

Таким образом, данный проект окупает себя сразу же после заключения договора с фирмой-парнером, в дальнейшем прибыль составит около 16000 грн в год.



6.1.9 Стратегия финансирования

Для реализации проекта требуется взять кредиты в размере:

		5229 грн – для старта проекта;

		5229 грн – через 1 месяц после начала реализации проекта.

Кредиты будут возвращены после заключения договора на распространение ПП с фирмой-партнером.



6.2 Расчет цены программного продукта



Целью проекта является разработка модуля имитационного моделирования для системы Орлан. Данный модуль, как и вся система в целом, выполнен с помощью средства быстрой разработки приложений Borland Delphi. Рассчитаем цену реализации данного модуля как программного продукта нормативным методом, используя существующие нормы времени на разработку программных средств.

Расчёт цены нормативным методом должен включать следующие подразделы:

		Определение трудоёмкости разработки ПП.

		Определение цены ПП.

		Экономическая оценка сопутствующих результатов.



6.2.1 Определение трудоёмкости разработки ПП



Продолжительность разработки данного ПП зависит от таких факторов, таких как объём ПП, трудоёмкость его разработки, квалификация исполнителей, а также плановые сроки, диктуемые условиями рынка.

В качестве исходных данных для определения трудоёмкости разработки ПП использованы типовой состав этапов и укрупнённые нормы времени на разработку программных средств (ПС). Методом структурной аналогии по соответствующим каталогам аналогов ПС на основании таблицы определяем объём программных средств в тысячах условных машинных команд программы-аналога.



табл. 8 Каталог аналогов ПС

Наименование типа ПС

Объём функции ПС - V0,

усл. машинных команд

ПС СУБД

ПС система ведения линейных файлов

Комплексные системы ведения БД

ПС ввода информации

ПС автоматизации средств по каталогу

ПС автоматизированных расчётов

ПС общей математики и ПС имитационного моделирования

ПС организации вычислительного процесса

ПС оптимизационных расчётов

2500-9800

860-6600

950-7430

1060-5750

680-7000

1300-8600

7800-8800



1300-10200

1300-4200



	Выбрав аналог ПС, содержащий V0 в условных машинных командах, определяем трудоёмкость на основании табл. 9.



табл. 9 Трудоёмкость разработки ПС.

Объём ПС, тыс. условных машинных команд

Норма времени, чел/ч

1,00

2,00

3,00

4,00

5,00

6,00

7,00

8,00

9,00

10,00

12,00

14,00

16,00

18,00

20,00

229

244

262

283

306

330

357

385

414

445

510

580

654

731

812



	Разрабатываемая система включает в себя несколько ПС, соответствующим аналогам №4, №7, что соответствует V0 = 12 тыс. условным машинным командам с трудоёмкостью Тар = 510 чел/ч.

Трудоёмкость разработки ПП включает разработку следующих этапов:

технического задания - ТЗ;

технического проекта - ТП;

рабочего проекта - РП;

внедрения - ВН.

	Трудоёмкость разрабатываемого ПП определяется по каждому этапу отдельно на основании трудоёмкости аналога с учётом сложности разработки, степени новизны и степени использования в разработке стандартных модулей на основании формул:



Ттз=Тар *L1*Kн , 

Ттп=Тар *L2*Kн, 

Трп=Тар *L3*Kн *Kт, 

Твн=Тар *L4*Kн, 



где 

		Тар- укрупнённая норма времени на разработку аналога ПС, чел/ч, которая корректируется поправочным коэффициентом, учитывающим условия разработки ПС, т.е. в условиях компьютера, Кк = (0,70,8);

		Li - удельный вес i-го этапа разработки;

		Kн - поправочный коэффициент, учитывающий степень новизны;

		Kт - поправочный коэффициент, учитывающий степень использования в разработке типовых программ.



табл. 10 Значение удельных коэффициентов трудоёмкости стадии в общей трудоёмкости разработки ПС

Код стадии

Степень новизны



А

Б

В

ТЗ

ТП

РП

ВП

0,15

0,16

0,55

0,14

0,12

0,15

0,58

0,15

0,12

0,11

0,61

0,16



Из табл. 10 выбираем значения удельных весов всех этапов разработки

	L1=0,12;

	L2=0,15;

L3=0,58;

L4=0,15;

табл. 11 Значение поправочного коэффициента, учитывающего степень новизны ПС

Код степени новизны

Степень новизны

Значение Kн

А



Б



В

Принципиально новые ПО, не имеющие доступных аналогов

ПС, являющиеся развитием определённого параметрического ряда

ПС, имеющие аналог

1,75-1,2



1,0-0,8



0,7



Из этой таблицы выбираем значение Кн=1,0.



табл. 12 Значение коэффициента степени использования в разработке типовых программ

Степень охвата реализуемых функций разрабатываемого ПС типовыми программами, 

Значение Kт

60 и выше

40-60

20-40

до 20

0,6

0,7

0,8

0,9



Так как в области имитационного моделирования существует на сегодняшний момент достаточно большое число разработок, то считаем что 60% функций разрабатываемой системы, уже реализовано в других типовых программах. Кт=0,6. Исходя из полученных данных можно произвести расчёт по каждому из этапов отдельно:

Трудоёмкость технического задания:



Ттз=Тар *L1*Kн = 510*0,12*1 = 61 [чел/час]



Трудоёмкость технического проекта:



Ттп=Тар *L2*Kн = 510*0,15*1 = 76 [чел/час] 


	Трудоемкость разработки рабочего проекта:



Трп=Тар *L3*Kн *Kт = 510*0,58*1*0,6 = 175 [чел/час] 	



	Трудоёмкость отладки и внедрения:



Твн=Тар *L4*Kн = 510*0,15*1 = 76 [чел/час] 		



Для проведения дальнейших расчётов, необходимо определить примерный объём печатной документации, необходимой для изложения каждого из этапов проектирования:

	Объём технического задания:



Nтз=10 [стр]

	Разработка технического проекта:

Nтп=20 [стр]

	Разработка рабочего проекта:

Nрп=30 [стр]

	Отладка и внедрение:

Nинстр=20 [стр]

	Объём пояснительной записки:

Nпз=100 [стр]



Расчет трудоемкости разработки ПП представлен в табл. 13.



табл. 13 Расчет трудоемкости разработки ПП

Наименование этапов

Расчет, ч

Техническое задание

ТРтз =Ттз= 61;

ТКК =0,7. NТЗ = 7;

ТНК=0,15. NТЗ = 1

Разработка ТП

(алгоритма и блок-схемы)

ТРтп =Ттп=76;



ТКК =0,7. NТП = 14;



ТНК=0,15. NТП = 3



Разработка рабочего проекта

(составление программ)

ТРрп =Трп =175;



ТКК =0,7. NРП=21;



ТНК=0,15. NРП = 4



Отладка и внедрение

ТРо = Твн = 76;

ТКК =0,7. Nинстр= 14;

ТНК=0,15. Nинстр= 3

Пояснительная записка

ТПЗ =1,5.NПЗ =150;

ТКК =0,7. NПЗ = 70;

ТНК=0,15. NПЗ = 15

Всего, в т.ч. по видам работ:

Тобщ.= Тij = 690

на разработку

ТР = 538





контроль руководителя



ТКК = 126



нормоконтроль





ТНК = 26



Продолжительность разработки ПП в годах определяется по формуле:



		                 Т ij

		ТПП = _______ij____________ =690/2102=0,328 [лет]=120 [дней]

		            8,0. 0,73 .360



Где 	Тij - суммарная продолжительность разработки, ч; 8,0 - продолжительность рабочего дня (коэффициент перевода в рабочие дни), ч ; 0,73 - коэффициент перевода в календарные дни; Тij - трудоемкость j-го вида работ по i-му этапу.



6.2.2 Определение цены ПП

Для определения цены необходимо рассчитываем основную заработную плату исполнителей, материальные затраты, стоимость машино-часа и издержки на разработку ПП. Расчет основной заработной платы исполнителей приведен в табл. 14.



табл. 14 Расчет заработной платы

Наимено-вание

работ

Разряд

испол-

нителя

Трудоем-кость

работ, мес.

Ставка ми-

нимальной

заработной платы (Смз), грн.

Тариф-ный ко-эффи-циент (kTj)

Коэффи-циент по-вышения оклада (kПЗПj)

Расчет,

грн.

1.Разработка ПП

2.Контроль

руководи-теля

3.Нормо-контроль

19



21





21

2,6



0,6





0,1

74



74





74

5,87



7,1





7,1

0,81



0,74





0,74

914,8



233,3





38,8

Всего

-

-

-

-

-

Зо= 

1186,9



Разряд исполнителя определяется из справочника. На основании разряда получаем тарифный коэффициент и коэффициент повышения оклада. 

Ставка минимальной заработной платы на Украине составляет 74 грн. Трудоёмкость работ рассчитывается для каждого вида работ по формуле:



	Tjm = Tj/(8,0.25,4)



Размер основной заработной платы исполнителей определяют по формуле:



Зо =  Тj . С м.з . kТj . k ПЗПj 



Где 	Тj - трудоемкость j-го вида работ, мес. 

См.з - ставка минимальной заработной платы, 74 грн; 

kТj - тарифный коэффициент исполнителя j-го разряда; (постановление КМУ № 45 и дополнениями к нему); 

k ПЗПj - коэффициент повышения ставок и окладов, грн.

Произведём расчёт материальных затрат на разработку ПО. Результат расчётов представлен в табл. 15.




табл. 15 Расчет материальных затрат

Наименование материальных

расходов

Тип,

модель

Количество

Цена,

грн

Стоимость, грн

Дискета 

Бумага

Картридж для струйной печати цветной

BASF 1.44 Мб

А4

HP-504

2 шт

1 пачка

1 шт

3

24

62

6

24

62

Итого

-

-

-

З м = 92

Транспортно-заготовительные

Расходы – 10 %







Зтр-з =0,1. Зм =9,2

Всего







Зм = З м + Зтр-з =99,2



Стоимость машино-часа (Цмс) принимается равной стоимости машино-часа в лаборатории, в которой дипломник проходил преддипломную практику, т.е. Цмс=5 грн.

Исходя из трудоемкости (tотл, в) отладки и внедрения программы, определим суммарные затраты на машинное время:



Змв = Твн . Ц мс =76 . 5=380 [грн]



Расчёт статей затрат представлен в табл. 16.



табл. 16 Калькуляция ПП

Статья затрат

Значение, грн

Формула расчета

1. Затраты на материалы

2. Спецоборудование

3. Основная заработная плата

4. Дополнительная заработная плата

5. Отчисление на социальное страхование и государственное пенсионное обеспечение

99,2

1780,3



1186,9



118,6







470,0

Зм

Зспец =(1,5  2,0) . Зо



Зо



Зд = 0,1. Зо







Зсв, пф = 0,36 . (Зо + Зд)

6. Сбор на социальное страхо-вание на случай безработицы

7. Сбор на содержание дорог

8. Сбор в государственный инновационный фонд

9. Коммунальный налог







10. Стоимость машинного времени

11. Накладные расходы

12. Командировочные расходы



13. Себестоимость производственная



14. Коммерческие расходы



15. Плановая себестоимость полная





19,6

130,5

117,4



6,8









380,0

296,7



59,3



4665,3



699,7





5365,0





Зб= 0,015 . (Зо+Зд)

Зд=0,1 . (Зо+Зд)

ЗИФ=0,09 . (Зо+Зд)



ЗКН = rСП . ЗН min . 0,05,

где rСП = (Зо+Зд)/165=8, 

а ЗН min = 17 грн.



Змв

Зн=0,25 . Зо



Зкр=0,05 . Зо

 12

Спр =  Зi

 i=1

Зк =0,15 . Спр





Сп = Спр+Зк



Размер прибыли ПП, включаемый в цену, определяют по формуле:

П = Сп . P/100 = 5365 . 25 / 100 = 1341,25 [грн]

где Р - плановый уровень рентабельности (25 %).

Оптовая цена (сметная стоимость) ПП определяется по формуле:

Цо = Сп+П = 5365,0 + 1341,25 = 6706,25 [грн]

Налог на добавленную стоимость (налоговое обязательство) определяется по формуле:

НДС = 0,2 . Цо = 1341,25 [грн]	

Цена реализации ПП составит:

Цр=Цо+НДС = 8047,5 [грн]

Договорная цена формируется в зависимости от рыночных условий. В нашем случаем установим\

Цд=1,2 Цо = 9657,0 [грн]

Договорная цена на систему Орлан будет равна сумме цен модуля имитации и аналитики:

Цдо=Цди+Цда=9657,0+7640,5=17297,5 [грн]



6.2.3 Экономическая оценка сопутствующих результатов

В этом подразделе обосновывается необходимость учета сопутствующих результатов, а также социальных или экономических факторов, с учетом последствий их реализации и влияния на результаты планово-экономических расчетов, как положительных, так и отрицательных.

Набор сопутствующих результатов, связанный с мероприятиями НТП, весьма разнообразен, но механизм их прямого денежного измерения при оценке эффективности в общем виде отсутствует. Для их оценки рекомендуется привлечение различных методов, причем использование каждого метода определяется конкретным характером задачи. Самыми распространенными является метод предотвращения ущерба и балльный метод. При методе предотвращения ущерба стоимостная оценка сопутствующих результатов отражает возможные потери в случае отказа от реализации внедряемого по НТП.

Рассмотрим определение стоимостной оценки сопутствующих результатов балльным методом при реализации мероприятий по НТП, связанных с применением нового программного комплекса. Социальный результат нового инновационного продукта может проявиться в том, что при его использовании улучшается:

Удобство работы с системой

Круг задач решаемых системой;

Область применения системы;

Добавление новых данных в систему;

Надёжность системы;

Возможность встраивания в другие подсистемы, а также возможность расширения системы.

Будем выбирать те параметры, которые наиболее значимы для оптимального режима проектируемого ПП, т. е. больше всего оказывает влияние на работу ПП в целом, отдельного блока или даже параметра.

	Произведём оценку параметров по трехбалльной системе. Чем выше бал параметра, тем хуже считается сам параметр. Эта оценка представлена в табл. 17.



табл. 17 Балльная оценка для условий работы ПП

Перечень значимых параметров

Величина в баллах



До внедрения ПП

( или аналога )

После применения

Удобство работы с системой

Круг задач решаемых системой;

Область применения системы;

Добавление новых данных в систему;

Надёжность системы;

Возможность встраивания в другие подсистемы, а также возможность расширения системы;

2



2



3



2



3







3

1



1



2



1



2







2



	Средний балл всех значимых параметров, создающих оптимальные условия для ПП, составляет :

До внедрения:



 	

После внедрения:

 	


	Отсюда интегральная оценка категории качества работы или ПП в баллах составит:



До внедрения:

	 После внедрения:



	Величина работоспособности прибора от влияния параметров на быстродействие ПП определяется по формуле:











	Увеличение влияния благоприятных условий определяется по формуле:







Подводя итоги, отметим необходимость выполнения расчёта предполагаемой цены продукта до начала работы над проектом, так как можно оценить затраты на заработную плату исполнителей, руководителя проекта, затраты на нормоконтроль, расходные материалы а также другие материальные затраты. Составленную приблизительную цену продукта, можно сравнить с существующими аналогами на рынке ПО, что позволит определить конкурентоспособность продукта, и соответственно определить рентабельность разработки.


7. ОХРАНА ТРУДА



	Этот раздел дипломной работы посвящён рассмотрению воздействия опасных и вредных производственных факторов, действующих на оператора персональной ЭВМ, а также методы, позволяющие снизить уровень их влияния. 

	Деятельность оператора ЭВМ сопряжена со многими вредными факторами, такими как повышенный уровень шума на рабочем месте, повышенный уровень электромагнитного и электростатического излучения, отсутствие или недостаток естественного освещения и.т.д. Эти факторы безусловно, являются вредными для здоровья оператора, и поэтому, важно контролировать, чтобы они не превышали установленные нормы, а также проводить мероприятия, позволяющие снизить по возможности их вредное действие. Рассмотренные ниже факторы являются, как правило, характерными для любой персональной ЭВМ с SVGA дисплеем и стандартной конфигурацией. 

Большинство операторов ЭВМ подвержены воздействию таких психологических факторов, как умственное перенапряжение, перенапряжение слуховых и зрительных анализаторов, монотонность труда, эмоциональные перегрузки. Не последнее место в работе оператора занимает и эргономика его рабочего места, которая включает в себя кроме перечисленных факторов требования к комфортности самого рабочего места, одежде и др.

Длительное нахождение человека в зоне одновременного воздействия различных неблагоприятных факторов может привести к профессиональному заболеванию. Анализ травматизма среди операторов ЭВМ показывает, что в основном несчастные случаи происходят при выполнении ими несвойственным им работ. На втором месте несчастные случаи, связанные с воздействием электрического тока. Мера воздействия большинства вредных производственных факторов, которые испытывает оператор, работающий на персональной ЭВМ, нормируются. В данном разделе приведены фактические значения опасных и вредных	факторов, создаваемых на рабочем месте оператора, а также допускаемые нормативные значения данных факторов.



7.1 Анализ опасных и вредных факторов



7.1.1 Возможная опасность поражения электрическим током

	Электрические установки, к которым относится практически всё оборудование ЭВМ, представляют для человека потенциальную опасность. Несмотря на то, что источник питания модулей микроЭВМ имеет низкое (5 [В]) и, следовательно, безопасное напряжение, это не исключает возможности поражения оператора электрическим током. Наличие в блоке питания силового трансформатора, первичная обмотка которого подключена к напряжению 220 [В], а также использование электрифицированных инструментов и измерительных приборов, питающимися от сети 220 [В], создают дополнительную опасность электротравматизма. 

Для предотвращения поражения операторов ЭВМ электрическим током исключительно важная роль отводится правильной организации обслуживания действующих электроустановок, проведению превентивных профилактических работ по технике безопасности. При этом под правильной организацией работ понимается строгое выполнение ряда организационных и технических мероприятий и средств, установленных действующими «Правилами технической эксплуатации электроустановок потребителей и правила техники безопасности при эксплуатации электроустановок потребителей» и «Правила установки электроустановок» (ПУЭ). 

Необходимо также отметить, что все современные ЭВМ соответствуют общепринятым международным стандартам на уровень защищённости электроприборов, что сводит риск поражения электрическим током при работе с ними к минимуму.




7.1.2 Повышенный уровень электромагнитных излучений

Источником интенсивных электромагнитных полей инфранизких частот является как монитор ЭВМ так и системный блок. У большинства мониторов создаваемые ими электромагнитные поля значительно сильнее по бокам и сзади, чем перед самим экраном.  В 1999 г. был принят новый ряд международных стандартов, на уровень электромагнитного излучения мониторов. Поэтому помещение оснащается мониторами, поддерживающими стандарт TCO 99. В противном случае следует оснастить мониторы ЭВМ стеклянными защитными фильтрами, которые необходимо обязательно заземлить.



7.1.2 Недостаток естественного освещения

Согласно действующим строительным нормам и правилам СНиП 11-4-79 для естественного освещения регламентирован коэффициент естественной освещенности КЕО. При этом наименьшим объектом различения является точка на экране монитора. Определим размер точки исходя из того, что разрешение пятнадцатидюймового монитора с адаптером SVGA, работающего при экранном разрешении 1024х768 точек. При этом размер экрана 320х210 мм, следовательно, наименьший размер объекта различения - минимальный из двух значений: 210 / 768 = 0.27 мм; 320/1024 = 0.31 мм, то есть 0.27 мм.



табл. 18 Нормы естественной освещенности 

Мин. размер объекта различения

Хар-ка зрит. Работы

Разряд зрит. работы.

Подразряд зрительной работы

КЕО, % При боковом освещении

0,25 – 0,5

средней 

IV

независимо от подразряда

0,75



7.1.3 Недостаточное искусственное освещение

Согласно действующим строительным нормам и правилам СНиП 11-4-79 для искусственного освещения регламентирована наименьшая допустимая освещенность рабочих мест.

Рекомендуемая освещенность для работы с экраном дисплея составляет 200 [лк], а при работе с экраном в сочетании с работой над документами – 400 [лк].

Для искусственного освещения помещения узла применяются люминесцентные лампы ЛТБ (тепло-белый свет) мощностью 40 Вт, у которых высокая световая отдача, продолжительный срок службы, малая яркость светящейся поверхности и спектральный состав близкий к естественному. 

Система общего искусственного освещения выполнена потолочными лампами, размещенными параллельно светопроёмам и равномерно по потолку. 

Чтобы избежать отражений, которые могут снизить четкость восприятия, не следует располагать рабочее место прямо под источником света.



7.1.4 Повышенный уровень шума на рабочем месте

Основными источниками шума при работе с ЭВМ являются электродвигатели охлаждающего вентилятора блока питания ЭВМ, принтеры,	использующие механические способы печати (матричные принтеры), работающие накопители на гибких магнитных дисках (дисководы) а также работающая офисная техника (ксероксы, сканеры). Первые источники шума относят к постоянным, остальные к импульсным.

Как правило, уровень шума в современных условиях не превышает допустимого уровня.



7.2 Мероприятия по снижению уровня воздействия опасных и вредных производственных факторов



7.2.1 Мероприятия по защите от поражения электрическим током

	Для предотвращения электрического травматизма необходимо:

			Обеспечить правильную организацию обслуживания действующих электрических установок, установленную "Правилами технической эксплуатации электроустановок потребителей" (ПТЭ) и "Правилами устройства электроустановок" (ПУЭ). 

			Обеспечить надёжную электрическую изоляцию токоведущих частей.

			Обеспечить все электроприборы защитным заземлением (3-х полюсные вилки и розетки).



7.2.2 Мероприятия по защите от повышенного уровня электромагнитных излучений

В качестве таких мероприятий рекомендовано:

		Экранирование дисплея (источника ЭМП). В стекло ЭЛТ добавляется оксид свинца, либо используется защитный оптический экран (optical glass filter) .

		Удаление рабочего места от источника ЭМП. Пользователям, желающим снизить уровень облучения, следует расположиться так, чтобы расстояние до экрана монитора составляло величину, равную длине вытянутой руки.

		Рациональное размещение оборудования. Предусмотрено расположение на расстоянии не менее 1.22 [м] от боковых и задних стенок других мониторов. Оператор располагается на расстоянии 50-70 [см] от экрана монитора.

		Защита временем. Допустимое время пребывания за экраном монитора Т, ч : Т = 50/Е–2 , где Е – напряженность электрической составляющей воздействующего поля в зоне монитора, [кВ/м]. При Е = 8,5 [кВ/м] : Т = 50/8,5 = 3,8 [ч]. Таким образом, необходимо проводить за монитором не более 4 часов в сутки и не более 20 часов в неделю.

		Использование новых видов техники. Любой монитор, работающий на не ЭЛТ, не излучает переменных ЭМП, связанных с наличием систем вертикального и горизонтального отклонения электронного луча. Такими мониторами являются жидкокристаллические дисплеи (LCD), которые рекомендованы для замены имеющихся. Дополнительное достоинство таких дисплеев – это также то, что оператор видит полученное на них изображение не в прямом, а в отражённом свете, что снижает утомляемость глаз.



7.2.3 Мероприятия по поддержке микроклимата

Для обеспечения надлежащего качественного (в т.ч. аэроионного и непыльного) состава воздуха предусмотрены:

		Систематические проветривание помещений.

		Ежедневная влажная уборка.

		Поддержка работоспособности приточно-вытяжной вентиляции.

		Установка автономных кондиционеров в оконных рамах, число которых определяется согласно расчету воздухообмена и по количеству теплоизбытка от ЭВМ, числа работающего персонала и солнечной радиации.

	Для исключения дестабилизирующего микроклимат (и освещение) влияния солнечной радиации на окнах обязательно наличие жалюзи.



7.2.4 Мероприятия по обеспечению пожарной безопасности

	Для обеспечения пожарной безопасности используют организационные, эксплутационные, технические и режимные мероприятия по противопожарной защите.

Организационные мероприятия предусматривают правильную эксплуатацию оборудования, правильное содержание помещений, наличие огнетушащих средств, наличие пожарной сигнализации, противопожарный инструктаж обслуживающего персонала.

К техническим мероприятиям относятся: соблюдение противопожарных правил, норм при устройстве электрических проводок и электрооборудования, правильное размещение оборудования.

Мероприятия режимного характера – это, как правило, запрещение курения в неположенных местах, производство сварочных и других работ в пожароопасных помещениях.

Эксплутационными мероприятиями являются своевременные профилактические осмотры, ремонты и испытания технологического оборудования.

	Любая современная ПЭВМ (за исключением переносных компьютеров работающих от источников питания в 5[В]), является прежде всего электроприбором, подключённым к сети в 220[В]. И хотя ЭВМ и рассчитаны на безопасную постоянную работу, всё же возможны случаи, когда некачественная сборка блока питания, может привести к короткому замыканию, которое может привести к возгоранию. Кроме того напряжение к электроустановкам подается по кабельным линиям, которые также представляют особую пожарную опасность. Наличие горючего изоляционного материала, вероятных источников зажигания в виде электрических искр и дуг, разветвленность и труднодоступность делают кабельные линии местом наиболее вероятного возникновения и развития пожара.

Для предотвращения пожара и его последствий помещения необходимо оборудовать:

			Установками пожарной сигнализации.

			Углекислотными ручными огнетушителями ОУ-5 для тушения электроустановок под напряжением. 

			Противодымной защитой из вентиляторов для защиты людей от токсичных продуктов сгорания и дыма. Система такого рода включается автоматически при срабатывании дымовых автоизвещателей либо вручную. Вытяжная вентиляция при этом удаляет из помещения воздух с вредными примесями, которые и представляют наибольшую опасность для персонала, оказавшегося в зоне пожара.


7.3 Индивидуальное задание. Расчет производительности кондиционеров



В связи с тем, что в качестве объекта исследования с позиции охраны труда выбрано рабочее место оператора ЭВМ и одним из важнейших факторов окружающей среды является воздух рабочей зоны. Параметры микроклимата регулируются с помощью вентиляционных установок, управляемых автоматическими средствами регулирования (кондиционерами), поэтому в данном разделе выполнен расчет производительности кондиционеров.

Расчетные параметры наружного воздуха определяются климатическими условиями местности, где будет находится кондиционер. В табл. 19 внесены параметры наружного воздуха города Одессы. В табл. 20 приведены параметры внутреннего воздуха для условий работы на ЭВМ.



табл. 19 Параметры наружного воздуха города Одессы

Период года

Температура

Энтальпия

Влагосодержание

Относительная влажность

Холодный и переходный

-15

-3.1

16.4

68.0

Теплый

30.5

14.5

11.7

41.5



табл. 20 Параметры внутреннего воздуха для условий работы на ЭВМ

Период года

Температура

Энтальпия

Влагосодержание

Относительная влажность

Холодный и переходный

20

13.7

14.7

30.0

Теплый

22

15.3

16.5

30.0



Дополнительные исходные данные:

		Число работающих – 3.

		Характеристика остекленения p=1,05

		Площадь поверхности остекления Sост = 10 м2

		Радиация через 1 м площади остекленения qост=130 kcal/м2h

		Мощность осветительной установки Ny=0,8

		Количество вредных веществ, содержащихся в удаляемом из рабочей зоны воздухе Zуд= 2851 mg/m3

		Количество вредных веществ, содержащихся в приточном воздухе Zп= 200 mg/m3



7.3.1 Холодный и переходной периоды года

7.3.1.1 Расчёт по избыткам явной теплоты

Количество воздуха, удаляемого из рабочей зоны:



	

	

где Qя -избытки явной теплоты в помещении,

tуд - температура удаляемого воздуха,

tп - температура приточного воздуха



	Qя=Q1+Q2+Q3;

	

Q1 - явная теплота, выделяемая организмами работающих;

	Q1=qяn

qя - количество явной теплоты, выделяемой одним работающим,

так, при tв,=20 °С : qя = 85 kcal/h, 

Q1 = 85 . 3 = 255 kcal/h

Q2 - теплота от солнечной радиации, 

	Q2=Sостqостp

Sост - площадь поверхности остекления, 

qост - радиация через 1м площади поверхности остекления, qост=130 kcal/м2h

р - коэффициент, зависящий от характеристики остекления, р=1.05




Q2 = 10.130.1,05 = 1365 kcal/h.

Q3- теплота от источников освещения

	Q3 = 860Ny,

Ny - мощность осветительной установки, 

- коэффициент перехода электроэнергии в теплоту, =0,8

Q3= 860.0,8.0,8 = 550,4 kcal/h

Qя= 255+1365+550,4 = 2170 kcal/h

Подставляя полученные данные, получаем: 

 m3/h



7.3.1.2 Расчет по избыткам влаги

Количество воздуха, удаляемого из рабочей зоны:



	,

	

где  - избытки влаги в помещении, g/h:

	;

dуд - влагосодержание удаляемого воздуха,

dn - влагосодержание приточного воздуха,

n - количество работающих в помещении,

d - количество влаги, выделяемой одним работающим

при tв=20 °С : d=75 g/h;

 g/h,

 m3/h.



7.3.1.3 Расчет по избыткам полной теплоты

		Количество воздуха, удаляемого из рабочей зоны,

		
	

		

где	Qп, - избытки полной теплоты в помещении,

Jуд - энтальпия удаляемого воздуха, 

Jn - энтальпия приточного воздуха



	Qп = Q1+Q2+Q3;

	

Q1 - избыточное количество полной теплоты, выделяемой работающими;

	Q1 = qпn

qп - количество полной теплоты, выделяемой одним работающим,

n - количество работающих;

Q2, Q3 - теплота соответственно от солнечной радиации и от источников освещения.

при tв,=20 °С qп = 130 kcal/h, откуда

Q1 = 130.3 = 390 kcal/h.

Тогда

Qп = 390+1365+550,4 = 2305 kcal/h;

Окончательно получаем

 m3/h.



7.3.1.4 Расчёт по количеству выделяющихся вредных веществ

Количество воздуха, удаляемого из рабочей зоны, m3/h.



	,

	

	
где

	Z суммарное количество вредных веществ, поступающих в помещение, mg/m3,

	Z=Zл+Zпр;

	Zл – количество вредных веществ, выделяемое людьми, mg/h; 

	Zл=Z1n;

	Z1 – количество CO2, выделяемое одним работающим.

При t = 20...220C 	Z1=35000 mg/h

	n – количество работающих в помещении;

	Zпр – прочие выделяемые вредные вещества;

	Zуд, Zп – количество вредных веществ, содержащихся соответственно в удаляемом из рабочей зоны воздухе и в приточном воздухе, mg/m3.

Если в помещении находятся 3 человека, то

Zл=35000.3 = 105000 mg/h;

 Z=105000+0 = 105000 mg/h;

откуда окончательно получаем

 m3/h.



7.3.2 Тёплое время года

7.3.2.1 Расчёт по избыткам явной теплоты

Количество воздуха, удаляемого из рабочей зоны рассчитывается по формулам, приведенным выше.

Количество явной теплоты, выделяемой одним работающим при tв=220C qя=70 kcal/h, тогда находим явную теплоту, выделяемую организмами работающих

Q1 = 70 . 3 = 210 kcal/h.

Теплота от солнечной радиации:

Q2 = 1365 kcal/h.

Теплота от источников освещения:


Q3= 550,4 kcal/h.

Теперь можно найти избытки явной теплоты в помещении:

Qя= 210+1365+550,4 = 2125 kcal/h; и получаем:

 m3/h.



7.3.2.2 Расчет по избыткам влаги

Количество влаги, выделяемое одним работающим при tв = 220С d = 100 g/h, тогда находим избыток влаги в помещении  g/h. получаем

 m3/h.



7.3.2.3 Расчет по избыткам полной теплоты

			Количество полной теплоты, выделяемой одним работающим при tв = 220C qп=125 kcal/h, тогда избыточное количество полной теплоты, выделяемой одним работающим

		Q1 = 3 . 125 = 375 kcal/h.

		Подставляя Q1, Q2, Q3, получаем: Qп = 375+1365+550,4 = 2290 kcal/h;

тогда находим

 m3/h.



7.3.2.4 Расчёт по количеству выделяющихся вредных веществ

Поскольку выделяемое одним работающим количество CO2 при tв=220С такое же, как и в зимний период Z1=35000 mg/h, а в компьютерном классе прочие вредные вещества не выделяются, то расчет количества воздуха, удаляемого из рабочей зоны в теплое время года, остаётся таким же:



 m3/h


Вывод



На основе выполненных вычислений были получены значения объемов воздуха, наибольшее из которых составляет 2385,4 мз/h. Исходя из результатов расчета и используя данные СКВ, для вентиляции выбираем кондиционер KН-2,5, имеющий следующие характеристики:

Подача по воздуху - 2500 мз/h;

Установленная мощность – 3,09 kW.

Этот кондиционер будет обеспечивать оптимальные условия работы для человека на протяжении всего года.

2