Программный комплекс разработан на кафедре ВТ ТРТУ по программе "Перспективные информационные технологии" (подпрограмма" Информатика") Государственного Комитета Российской Федерации по высшему образованию.

4. ОРГАНИЗАЦИЯ ГЛОБАЛЬНЫХ СЕТЕЙ В РАМКАХ СТАНДАРТА ISO

4.1. Вводная лабораторная работа.

OSI - многоуровневая организация глобальных сетей

5. ПРОЕКТИРОВАНИЕ ГЛОБАЛЬНЫХ СЕТЕЙ

5.1. Лабораторная работа N 1.

Синтез глобальной сети радиальной структуры

Цель работы

Ознакомление с методами анализа и синтеза централизованных информационных сетей.

Исходные данные и задание к работе

Заданы места расположения источников информации, интенсивности запросов к центру обработки информации. Каждый узел-концентратор обслуживает сообщения терминалов, связанных с ним (в кружке каждого города выводится число терминалов). Будем полагать, что все терминалы генерируют одинаковый поток сообщений. Интенсивность и средняя длина сообщений одного терминала выводится в окне "Terminal params".

Необходимо оптимизировать структуру сети (выбрать местоположение центрального узла и пропускные способности линий связи). При выборе центрального узла сети использовать алгоритм "центр масс". Критерий оптимизации задается преподавателем.

Исходные данные генерируются ПЛК NET_LAB индивидуально для каждого студента (либо бригады) и выводятся на экран.

Теоретическое введение к работе

Рассмотрим алгоритм построения информационной сети звездообразной структуры - "центр масс". Исходными данными являются:

- множество мест расположения на заданной территории абонентских пунктов А{i}, где i=1,...,N;

- матрица пропускных способностей каналов связи С=7220с4ij7220;

- матрица стоимости линий связи S=7220s4ij7220.

При построении сети абонентские пункты подключаются к концентраторам, либо непосредственно к единственному центру сети. На первом этапе задача упрощается путем группирования абонентских пунктов и замены каждой группы терминалов эквивалентным узлом, расположенным в центре масс и имеющим вес, пропорциональный количеству абонентских пунктов в группе. При этом вес нового центра масс W=W4i0+W4j0, где W4i0 и W4j0 - соответственно веса узлов A4i0 и A4j0. В качестве веса любого узла может использоваться количество терминалов или суммарный поток сообщений, генерируемый этим узлом ко всем остальным узлам сети. Координаты нового центра масс вычисляются как

где X4i0, X4i0, X4j0, Y4j0 - декартовые или географические координаты узлов сети A4i0 и A4j0 соответственно.

Процесс группирования начинается с выбора ближайшей пары абонентских пунктов, которая затем заменяется одним пунктом с весом, пропорциональным двум абонентским пунктам, и расположенном в "центре масс" исходных двух узлов, далее выбирается ближайший к данному "центру масс" абонентский пункт и определяется новый "центр масс" с учетом весов абонентских пунктов и т.д. Размер группы ограничен пропускной способностью концентратора. Определенный таким образом "центр масс" является местом расположения концентратора, либо концентратор размещается в ближайшем к "центру масс" допустимом месте расположения.

На втором этапе работа осуществляется на множестве узлов, являющихся "центрами масс" групп, с весами, пропорциональными количеству объединенных в группы абонентских пунктов. Полученный таким образом "центр масс" является пунктом, в котором целесообразно разместить обрабатывающий центр информационной сети.

В лабораторной работе процесс построения сети начинается со второго этапа. При этом число абонентских пунктов, присоединенных к узлу-концентратору, указано в кружке каждого города. Интенсивность и средняя длина сообщений одного терминала выводится в окне "Terminal params".

В качестве модели канала информационной сети принята система массового обслуживания М/М/1. Среднее время задержки сообщения в канале с номером i вычисляется как: где: 1/7m4i0 - средняя длина сообщения (бит/сообщение), c4i0 - пропускная способность этого канала (бит/сек.),

7l4i0 - интенсивность потока сообщений (сообщений/сек.)

в этом канале.

Очевидно, что нагрузка на канал должна быть меньше его пропускной способности.

Среднее время задержки для всей сети вычисляется как:

где 7l4ij0 - интенсивность обмена между i-м и j-м узлом сети,

n - число узлов в сети.

Стоимость канала зависит от пропускной способности и длины, и может быть представлена как

S4j0 = V(c4j0) + S(c4j0)770l4j0 ,

где l4j0 - длина канала,

V(c4j0) - постоянная составляющая,

S(c4j0) - переменная составляющая.

Стоимость сети определяется как сумма всех S4j0.

Порядок выполнения работы

Путем выбора центра радиальной сети и подбором пропускных способностей каналов студент должен найти оптимальную конфигурацию.

На первом этапе на основе алгоритма "центр масс" с учетом числа терминалов в каждом пункте проектируемой сети (указано в кружке, соответствующем пункту (городу) сети) и расстояний между пунктами определяется местоположение центра сети. Центр сети выбирается в окне меню "Set net center". На экране центр сети помечен квадратом.

Расчет требуемых пропускных способностей каналов связи производится с учетом передаваемых по каналам потоков информации (исходя из интенсивности потока от одного терминала, числа терминалов, средней длины сообщений). Пропускная способность канала задается в окне меню "Channel params". Перебор каналов осуществляется опцией меню "Select channel". Выбранный канал помечен темным квадратом, параметры канала отображаются в окне Channel status.

Для сравнения на экран (окно Network status) выводятся значения стоимости и задержки текущего варианта сети и подоптимального машинного. В окне "Optimum" отображается степень близости текущего варианта сети машинному. Пример синтеза централизованной информационной сети приведен на рис. 4.

Контрольные вопросы к работе

1. Дать возможные математические постановки задачи синтеза централизованной информационной сети.

2. Какая модель канала связи использована при расчете задержки?

3. Пояснить работу алгоритма "центр масс".

4. Какие параметры влияют на стоимость линии связи?

5. Какие упрощения и ограничения использованы при синтезе структуры сети?

Содержание отчета

Математическая постановка задачи. Краткое описание методики и алгоритмов используемых при синтезе структуры информационной сети. Исходные данные. Полученная в результате синтеза структура сети. Таблицы пропускных способностей и загрузки каналов связи. Стоимость сети, задержки в сети.

5.2. Лабораторная работа N 2.

Синтез глобальной сети древовидной структуры..........20

Цель работы

Изучение алгоритмов синтеза информационной сети древовидной структуры.

Исходные данные и задание к работе

Заданы места расположения источников информации, интенсивности запросов к центру обработки информации. Необходимо оптимизировать структуру сети (выбрать местоположение центрального узла и пропускные способности линий связи). Поиск осуществляется в классе древовидных структур.

Критерий оптимизации и алгоритм синтеза задается преподавателем.

Исходные данные генерируются ПЛК NET_LAB индивидуально для каждого студента (либо бригады) и выводятся на экран.

Теоретическое введение к работе

Алгоритмы определения оптимальной структуры при наличии ограничений для сети большой размерности требуют значительных затрат времени вычисления. Поэтому на практике применяются эвристические алгоритмы, которые позволяют найти решения близкие к оптимальным при значительном уменьшении объема вычислений.

Рассмотрим следующие эвристические алгоритмы построения информационных сетей древовидной структуры: алгоритм Прима, алгоритм Краскала, алгоритм Ежи-Вильямса.

В основе алгоритма Ежи-Вильямса лежит процедура поиска наиболее удаленных узлов (в смысле стоимости) и соединения их с соседними узлами с целью обеспечения наибольшего выигрыша по стоимости. При использовании алгоритма Прима производятся обратные действия, вначале выбираются узлы ближайшие к центру, затем к этим узлам подключаются ближайшие к ним и т.д. По алгоритму Краскала последовательно выбираются линии с наименьшей стоимостью.

Алгоритм Прима

Шаг 0. Каждому узлу приписывается вес W4i0. При этом W410=0 (центральный узел), все остальные W4i0 равны бесконечности, i>1. Затраты Т4ij0 определяются следующим образом: S4ij0-W4i0, где S4ij0-стоимость подключения пункта A4i0 к пункту A4j0. Первоначально все Т4ij0 равны бесконечности, кроме T41j0.

Шаг 1. Найти минимальное значение T4ij0 для узлов, которые еще не включены в сеть.

Шаг 2. Проверка ограничений по пропускной способности каналов связи. Если ограничения выполняются перейти к шагу 3, иначе вернуться к шагу 1.

Шаг 3. Добавить линию (i,j), установить W4j0=0, изменить исходные условия и заново вычислить все Т4ij0. Вернуться к шагу 1.

Алгоритм Краскала

Шаг 1. Выбирается линия (i,j) с наименьшей стоимостью.

Шаг 2. Проверка ограничений по пропускной способности и отсутствию циклов.

Шаг 3. Добавить линию (i,j).

Алгоритм повторяется до тех пор пока все узлы не будут включены в сеть.

Алгоритм Ежи-Вильямса

Шаг 0. Вычисление всех параметров затрат 7t4ij0=s4ij0-s4i10 для всех i,j >1, где s4ij0 соответствующий элемент матрицы стоимости.

Шаг 1. Выбрать минимальное 7t4ij0.

Шаг 2. Проверка ограничений. Если ограничения выполняются, то перейти к шагу 3. Если нет, то положить 7t4ij0 равным бесконечности и вернуться к шагу 1.

Шаг 3. Добавить линию (i,j), изменить исходные условия (учесть потоки), вернуться к шагу 1.

Исследования показывают, что в среднем алгоритм Ежи-Вильямса работает лучше других, затем по эффективности располагается алгоритм Краскала, далее - алгоритм Прима. Однако, это качественные выводы, так как количественные различия между решениями, полученными с помощью этих алгоритмов, меняются в зависимости от размеров задачи, ограничений и распределения терминалов по площади.

Использование эвристических алгоритмов является компромиссом между стремлением улучшить качество сети и объемом вычислений.

Порядок выполнения работы

Путем выбора местоположения центра обработки сети, выбором каналов и их пропускных способностей студент должен найти оптимальную структуру древовидной информационной сети.

Местоположение центра обработки сети определяется на основе алгоритма "Центр масс" (см. лабораторную работу N 1) либо задается преподавателем.

На основе одного из эвристических алгоритмов (задается преподавателем) студент, используя опцию меню "create/delete channel" создает желаемую конфигурацию сети, что достигается путем выбора действий "создать/удалить канал" и инцидентных каналу вершин.

Расчет требуемых пропускных способностей каналов связи производится с учетом передаваемых по каналам потоков информации. Пропускная способность канала задается в окне "Channel params". Перебор каналов осуществляется опцией меню "Select channel". Выбранный канал помечен темным квадратом, параметры канала отображаются в окне Channel status.

Для сравнения на экран (окно "Network status") выводятся значения стоимости и задержки текущего варианта сети и подоптимального. В окне "Optimum" отображается степень близости текущего рабочего варианта сети к оптимальному. Если сеть незамкнута и имеет петли, то выдается сообщение об ошибке.

Контрольные вопросы к работе

1. Дать математическую постановку задачи синтеза информационной сети древовидной структуры.

2. Как рассчитывается задержка в древовидной сети?

3. Пояснить работу используемых алгоритмов.

4. Какие модели и ограничения были использованы при проектировании сети древовидной структуры?

5. Какие параметры влияют на стоимость сети?

Содержание отчета

Математическая постановка задачи. Краткое описание методики, используемой при синтезе структуры информационной сети. Исходные данные. Полученная в результате синтеза структура сети. Таблицы пропускных способностей и загрузки каналов связи. Стоимость сети, задержки в сети.

5.3. Лабораторная работа N 3.

Синтез глобальной распределенной сети

Цель работы

Изучение методов синтеза глобальных распределенных сетей.

Исходные данные и задание к работе

Заданы места расположения источников информации, интенсивности обмена информацией (абонентские пункты генерируют нагрузку, равномерно распределенную для всей сети).

Необходимо оптимизировать структуру сети (выбрать линии связи и их пропускные способности).

Исходные данные генерируются индивидуально для каждого студента (либо бригады) программным комплексом NET_LAB и выводятся на экран. Алгоритмы оптимизации, которые необходимо использовать, и критерий оптимизации указываются преподавателем.

Теоретическое введение к работе

Общая задача синтеза распределенной информационной сети заключается в выборе топологии (ВТ), пропускных способностей (ВПС) и распределения потоков (РП).

При решении задачи оптимизации необходимо иметь зависимость задержки Т от параметров сети. В работах Л.Клейнрока показано, что если входящие в каждый узел потоки распределены по пуассоновскому закону и независимы, а длины сообщений распределены экспоненциально, то среднее время задержки пакетов в