Метод контуров для повышения технических характеристик распределенной вычислительной сети ОАО «РЖД»

Железнодорожный транспорт играет ключевую роль в экономике России. Значение железных дорог особенно велико при перевозках людей и грузов на дальние расстояния. Большой объем грузоперевозок и бесперебойное движение пассажирских составов невозможны без отлаженной системы связи, возможности мгновенного обмена данными, без системы диагностики и информационной безопасности. Важную роль в развитии информационного обмена между всеми подразделениями Российских железных дорог сыграло построение корпоративной цифровой сети передачи данных на всех участках железных дорог (с преимуществом внедрения ВОК) с организацией точек выделения на всех предприятиях, расположенных вдоль железнодорожных путей. При этом возможно два варианта построения сети — NG SDH и мультисервисных сетей Metro Ethernet.

Сеть передачи данных (СПД) Российских железных дорог является инфраструктурой передачи данных для отраслевых задач информатизации и предназначена для реализации надежной, оперативной и защищенной передачи информации между работниками железнодорожной отрасли и обеспечения их доступа к ресурсам отраслевых автоматизированных систем.

По степени близости реализуемых служб к конечным пользователям любую сеть логически можно разделить на несколько уровней:

-                   Наиболее удаленным от пользователя сегментом являются национальные и международные сети — WAN глобальные сети World Area Networks.

-                   Далее те, которые обеспечивают связанность региональных и городских сетей (известных также как «metro-сети», или MAN — Metropoliten Area Networks)

-                   И завершают формирование транспортной артерии до конечного пользователя, — сети «последней мили» и «последнего ярда» LAN local area networks. Каждый из этих участков решает вполне конкретные задачи, определяющие выбор топологии и технологии для конкретной сети.

Важнейшим критерием при организации и эксплуатации каждого из транспортных уровней является экономический фактор. Особую значимость он приобрел в последние годы, когда в компании «РЖД» да и на мировом рынке заметно сократились инвестиции в телекоммуникационную инфраструктуру. При рассмотрении экономических аспектов создания сети трудно найти единственно верное решение — слишком много факторов влияют на интегральную оценку эффективности того или иного варианта. При этом в последние годы наметились новые общие тенденции, отражающие стремление сделать инфраструктуру телекоммуникаций менее затратной.

Хотя в мире и нет ничего совершенного, попытаюсь сформулировать требования к идеальной городской сети. В первую очередь, определимся: под городской сетью мы будем понимать узлы маршрутизации и узлы доступа, от которых начинается участок «последней мили», а также каналы связи между ними. Основным предназначением такой сети является агрегация трафика пользователей и обмен им с магистральными сетями.

Другим критерием идеальной городской сети является ее универсальность. Давно кануло в Лету то время, когда для передачи каждого вида трафика создавалась отдельная сеть. Уже ни у кого не вызывает сомнений предпочтительность использования универсального канала передачи голоса, данных и видеосигналов.

Технология Ethernet это пакетная технология компьютерных сетей. В своем стремительном развитии уже давно перешагнула уровень локальных сетей. Она избавилась от коллизий, получила полный дуплекс и гигабитные скорости. Широкий спектр экономически выгодных решений позволяет смело внедрять Ethernet на магистралях.

Metro Ethernet строится по трехуровневой иерархической схеме и включает ядро, уровень агрегации и уровень доступа. Ядро сети строится на высокопроизводительных коммутаторах и обеспечивает высокоскоростную передачу трафика. Уровень агрегации также создается на коммутаторах и обеспечивает агрегацию подключений уровня доступа, реализацию сервисов и сбор статистики. В зависимости от масштаба сети ядро и уровень агрегации могут быть объединены. Каналы между коммутаторами могут строиться на основе различных высокоскоростных технологий, чаще всего Gigabit Ethernet и 10-Gigabit Ethernet. При этом необходимо учитывать требования по восстановлению сети при сбое и структуру построения ядра. В ядре и на уровне агрегации обеспечивается резервирование компонентов коммутаторов, а также топологическое резервирование, что позволяет продолжать предоставление услуг при одиночных сбоях каналов и узлов. Существенного сокращения времени на восстановление можно добиться только за счет применения технологии канального уровня. Поддержка технологии EAPS — собственного протокола компании Extreme Networks, предназначеного для поддержки топологии, исключающей зацикливание трафика и ее перестроение в случае нарушений в кольцевых сетях Ethernet. Cети, использующие EAPS, обладают всеми положительным свойствами сетей SONET/SDH и Resilient Packet Ring (RPR) включая время восстановления топологии =50ms.

Для обеспечения повышенной надежности и резервирования широко применяется топологическая модель кольца (рис. 1). Кольца обычно создают на уровнях опорной сети и доступа.

Рис. 1. Топология с учетом надежности и резервирования

Традиционной физической средой передачи данных по магистральным сетям является оптическое волокно. Базовыми магистральными технологиями на сегодня являются следующие: SONET/SDH, ATM, POS (Pocket over Sonet), EoSDH (Ethernet over SDH), DWDM, CWDM, DPT/RPR, Fast/Gigabit/10 Gigabit Ethernet.

Для проектирования, развития, повышения качества и характеристик, а также управления вычислительными сетями необходимо оценивать следующие характеристики: время реакции; время передачи; коэффициент загрузки и многие другие. Для получения требуемых временных параметров широко используются методы моделирования. Модель системы — это материальный или логической объект, построенный по определенным правилам представления моделируемых свойств системы с целью изучения функционирования системы. Поскольку перед разработчиком ВС возникает очень много вопросов, может быть создан ряд различных моделей системы. Все эти модели отображают одну и ту же систему, но либо рассматривают ее с различных точек зрения, либо имеют различную степень детальности.

Метод контуров представляет собой методологию, реализующую плановый, логически последовательный и поэтапный подход к разработке систем. Он состоит в разбиении (декомпозиции) системы на элементарные функции, которые, в свою очередь, делятся на подфункции, затем на задачи, и т. д. При этом создаваемая система сохраняет целостное представление, в котором все компоненты системы взаимосвязаны. В структурном анализе используются определенные виды моделей (диаграмм), наиболее распространенными среди которых являются следующие: SADT — функциональные диаграммы; DFD — диаграммы потоков данных; ERD — диаграммы «сущность-связь».

Рис. 2. Структура модели вычислительной сети

Компонентами моделируемых вычислительных сетей обычно являются узлы сетей и каналы передачи данных, соединяющих компоненты между собой (Рис. 2). Каждый узел при обработке осуществляет задержку сообщений и поэтому моделируется одноканальной системой массового обслуживания M/M/1/ (Рис.3)

Рис. 3. Узел моделируемой сети M/M/1/

Произведем расчет технических характеристик существующей структуры и проекта ядра сети. Расчет производится для максимального количества пакетов минимальной длины технологии Fast Ethernet. Это связано с заявленными характеристиками Cisco 2821, как наиболее узкого места в сети, 170000 пакетов в секунду. Cisco 2821 — Модульный маршрутизатор с интеграцией сервисов (Integrated Services Routers, ISR), оптимизированный для безопасной передачи данных, голоса и видео на скорости канала связи.

Расчет проводится при идеальных условиях без учета влияния каналов передачи данных, производятся по дугам двух типов трафика. 50 % составляет Интернет трафик до пользователей и 50 % трафик мультимедийных серверов до пользователя. Суммарная интенсивность потока равна 148 809 pps для FastEthernet.

 — интенсивность поступления пакетов на узел (pps)

 — интенсивность обслуживания (pps)

 — коэфицент загрузки узла

 — количество сообщений в узле и в очереди

 — количество сообщений в очереди

 — время задержки пакета в узле (s)

Суммарная интенсивность потока:

= 148 809 pps FastEthernet

Граф схема существующей структуры (Рис. 4). Граф схема структуры по проекту (Рис. 5). Дуги k1-k2-k4-k6 и k1-k3-k5-k6 (Рис. 6). Заявленные характеристики оборудования:

 (3750) = 35 700 000 pps

 (7301) = 900 000 pps

 (2821) = 170 000 pps

Рис. 4. Граф схема существующей структуры

Таблица 1

Технические характеристики оборудования (настоящее время)

Рис. 5. Граф схема структуры по проекту

Рис. 6 Дуги k1-k2-k4-k6 и k1-k3-k5-k6

Известно, что вероятность перехода p 1–3 и p 1–2 = 0,5

тогда К1 и К2 = 74404 pps

Таблица 2

Технические характеристики оборудования (расчет по проекту)

2821	0,000010	0,437671	0,778317	0,340646
7301	0,000001	0,082671	0,090122	0,007450
7301	0,000001	0,082671	0,090122	0,007450
3750	0,000000	0,004168	0,004186	0,000017
3750	0,000000	0,002084	0,002088	0,000004
sum	0,012 мс	0,95	0,3

Расчеты позволяют сделать следующие выводы:

-          новая схема позволяет вдвое понизить  коэф, загрузки узла для маршрутизаторов Cisco 2821 и Сisco 7301;

-          суммарное время задержки на узлах уменьшится в 4 раза,

В настоящее время в ОАО «РЖД» продолжается структурная реорганизация управления и совершенствование технологий управления деятельностью компании, что требует предоставления пользователям новых видов и услуг связи, переосмысления принципов построения технологической сети связи и базовых технических решений по ее функционированию,

Литература:

1.     В, Г, Олифер, Н, А, Олифер Новые технологии и оборудование IP-сетей,- СПб,:БХВ-Петербург, 2007,-512 с,:ил,

2.     Методы автоматизированного проектирования систем телеобработки данных: Учеб, пособие для вузов/ В, А, Мясников, Ю, Н, Мельников, Л, И, Абросимов, М,: Энергоатомиздат, 1998, 288 с,

3.     Абросимов Л, И, Расчет характеристик вычислительных систем сложной конфигурации с помощью контуров,// Изв, АН СССР, Сер, Техн, кибернетика,1983, N 5, С,98–106,

4.     Клейнрок Л, Вычислительные системы с очередями, М,: Мир, 1979,600 с,