Базисные методы проектирования и анализа сетей ЭВМ
Покупка
Основная коллекция
Тематика:
Компьютерные сети. Интернет
Издательство:
Университетская книга
Автор:
Абросимов Леонид Иванович
Год издания: 2020
Кол-во страниц: 248
Дополнительно
Вид издания:
Учебное пособие
Уровень образования:
ВО - Бакалавриат
ISBN: 978-5-98699-153-5
Артикул: 635478.02.99
Доступ онлайн
280 ₽
В корзину
Даны основные понятия в области обеспечения безопасности и надежности технических систем и их наиболее важные показатели. Систематизированы методы обеспечения безопасности и надежности изделий на различных этапах их жизненного цикла: при разработке, производстве и эксплуатации. Основное внимание уделено методам качественного анализа («дерево отказов», метод анализа характера и последствий потенциальных отказов), превентивным методам борьбы с отказами (принципы обеспечения бездефектного производства, обнаружение предотказного состояния и предотвращение отказов в эксплуатации). Значительное место в пособии занимает системное изложение современной теории вероятностно-статистического анализа безопасности сложной технической продукции. В качестве базовой концепции принята методология «приемлемого риска». Применение методов вероятностного анализа безопасности проиллюстрировано на большом числе примеров. Учебное пособие предназначено для студентов, обучающихся в высших учебных заведениях по техническим специальностям. Может использоваться при подготовке аспирантов, специализирующихся в области испытаний, проектирования и эксплуатации сложных технических систем.
Скопировать запись
Фрагмент текстового слоя документа размещен для индексирующих роботов
Л.И. Абросимов Базисные методы проектирования и анализа сетей ЭВМ Допущено Учебно-методическим объединением вузов по университетскому политехническому образованию для студентов и магистрантов высших учебных заведений, обучающихся по направлению подготовки 230100 «Информатика и вычислительная техника» Москва • Óíèâåðñèòåòñêàÿ êíèãà• 2020
УДК 004.7 ББК 32.973.202 А16 Рецензенты В.П. Климанов, доктор технических наук, профессор кафедры «Информационные системы» Московского государственного технического университета «СТАНКИН» Ю.П. Кораблин, доктор технических наук, профессор кафедры моделирования информационных систем и сетей Российского государственного социального университета Абросимов Л.И. Базисные методы проектирования и анализа сетей ЭВМ: учебное пособие / Л.И. Абросимов. – М.: Университетская книга, 2020. – 248 с. ISBN 978-5-98699-153-5 Рассмотрены задачи выбора структур, комплексного учета распределения функций и производительности сетей ЭВМ. Изложены методики, позволяющие определять кратчайшие структуры сетей ЭВМ для распределенных по территории терминалов, методика определения кратчайших структур с заданной конфигурацией. Охарактеризованы особенности функционирования сети ЭВМ, учитывающие кратчайшие маршруты, объемы трафика, дублирование территориально размещенных серверов. Особое внимание уделено вопросам комплексной оценки производительности сетей ЭВМ. Изложены основные положения авторского метода контуров, основанного на полиномиальной аппроксимации и детализации описания маршрутов трафика, для решения не только задач анализа, но и задач оптимизации. Рассмотрены модели и методика расчета параметров для анализа производительности для различных вариантов терминальных сетей ЭВМ, WAN и кольцевых LAN. Приведены решения оптимизационных задач по критерию стоимостных затрат. Для студентов, магистров, аспирантов и преподавателей, осуществляющих подготовку по направлению 230100 «Информатика и вычислительная техника». Может быть полезно при подготовке других специальностей в области информационных систем и технологий технического вуза. УДК 004.7 ББК 32.973.202 ISBN 978-5-98699-153-5 © Абросимов Л.И., 2020 © Университетская книга, 2020 А16
ОГЛАВЛЕНИЕ Предисловие..................................................................................................5 Глава 1. Этапы проектирования вычислительных сетей....................7 Глава 2. Классификация структур сетей ЭВМ.....................................13 Глава 3. Расчет кратчайших древовидных структур произвольной конфигурации ..................................................................21 3.1. Расчет кратчайшей древовидной связной сети..............................21 3.2. Структура древовидной конфигурации централизованных сетей ..................................................................................................23 Глава 4. Расчет иерархической древовидной конфигурации сети...29 4.1. Постановка задачи ............................................................................29 4.2. Алгоритм расчета иерархической древовидной вычислительной сети .......................................................................32 Глава 5. Расчет кратчайшей связывающей сети заданной конфигурации.............................................................................................48 5.1. Постановка задачи ............................................................................48 5.2. Алгоритм определения кратчайшей связывающей сети заданной конфигурации...................................................................50 Глава 6. Расчет кратчайших маршрутов...............................................59 6.1. Постановка задачи ............................................................................59 6.2. Алгоритм определения кратчайших маршрутов............................60 6.3. Пример определения кратчайших маршрутов...............................65 Глава 7. Размещение массивов коллективного пользования в вычислительных сетях..........................................................................68 7.1. Постановка задачи ............................................................................68 7.2. Алгоритм размещения массивов коллективного пользования .....73 Глава 8. Производительность вычислительных сетей.......................81 8.1. Основные определения ....................................................................82 8.2. Спецификация архитектуры параметров вычислительной сети ..................................................................................................86 8.3. Параметры, определяющие производительность вычислительных сетей.....................................................................90 8.4. Задачи исследования производительности распределенных вычислительных сетей.....................................................................92
ОГЛАВЛЕНИЕ Глава 9. Основы метода контуров, обеспечивающего расчет производительности вычислительных сетей .......................................96 9.1. Основные понятия и расчетные соотношения ...............................98 9.2. Этапы метода контуров ..................................................................103 Глава 10. Методы решения нелинейных уравнений .........................114 10.1. Метод дихотомии ..........................................................................114 10.2. Метод тангенсов для решения нелинейных уравнений ............116 Глава 11. Расчет и анализ временных характеристик распределенных вычислительных сетей ............................................126 Глава 12. Расчет и анализ производительности WAN .......................140 12.1. Постановка задачи ........................................................................140 12.2. Расчет производительности WAN ...............................................145 Глава 13. Расчет и анализ производительности кольцевой локальной вычислительной сети .........................................................148 13.1. Постановка задачи ........................................................................148 13.2. Расчет производительности кольцевой локальной вычислительной сети .....................................................................153 Глава 14. Расчет и анализ временных характеристик терминальных сетей ................................................................................156 Глава 15. Оптимизация параметров терминальных сетей ..............178 15.1. Постановка задачи ........................................................................178 15.2. Алгоритм оптимизации параметров телекоммуникационной вычислительной сети ............................184 Глава 16. Оптимизация параметров кольцевой локальной вычислительной сети ..............................................................................187 16.1. Постановка задачи ........................................................................187 16.2. Процедура решения задачи ..........................................................194 Глава 17. Проблемы системной интеграции сетей ЭВМ ..................200 17.1. Проблемы облачных вычислений и пути их разрешения .........200 17.2. Проблемы оценки производительности сетей ЭВМ реальной размерности ....................................................................227 Литература ................................................................................................237 Приложение. Рабочая программа учебной дисциплины «Методы проектирования и анализа сетей ЭВМ» ..................................239
ПРЕдИсЛОВИЕ Настоящее учебное пособие представляет собой развернутый конспект лекций для магистров по курсу «Методы проектирования и анализа сетей ЭВМ» (по направлению подготовки 230100 «Информационные системы и технологии», профиль «Вычислительные машины, комплексы, системы и сети», дисциплина подготовки магистров М.1.6.2). Автором сделан очередной шаг обобщения опыта чтения лекций по сетям ЭВМ, которые автор читал для студентов кафедры вычислительных машин, систем и сетей в Московском энергетическом институте. Целью курса является подготовка системных интеграторов, использующих для принятия решений методы, которые позволяют получать количественные оценки, на основании которых на стадиях проектирования и модернизации сетей ЭВМ выбирается состав устройств и программного обеспечения. Для достижения поставленной цели автор предлагает методики, которые можно использовать при решении задач реальной размерности. Пособие рассчитано на системотехника, имеющего математическую и техническую подготовку в объеме курса подготовки бакалавров технического университета. Автор стремится при изложении методик и примеров объяснить основные этапы постановки и решения новых задач, которые ставит жизнь перед системными интеграторами. Поэтому при изложении каждой задачи последовательно излагается вербальная и математическая постановки каждой задачи, приводятся обоснования метода решения и алгоритм решения задачи. Пособие снабжено большим количеством примеров, в ряде случаев – примерами расчетного характера, в которых применение излагаемых методов иллюстрируется на конкретном материале и доводится до численного результата. Для стимулирования возможности самостоятельного изучения и для возможности коллективного обсуждения в группе с преподавателем предложены вопросы и задания самоподготовки. Глава 1 играет роль введения, ее содержание показывает сложный и итеративный характер разработки сетей ЭВМ. В первую очередь, в качестве базовых рассматриваются задачи выбора структур, комплексного учета распределения функций и производительности сетей ЭВМ, од
Предисловие нако нетрудно заметить, что предложенные этапы легко трансформируются для включения других технических параметров, которые, по мнению заказчика, являются важными при разработке любой специализированной сети ЭВМ. Главы 2–3 содержат изложение методик, которые позволяют определять кратчайшие структуры сетей ЭВМ для распределенных по территории терминалов: древовидные с произвольной и иерархической конфигурацией. Методика определения кратчайших структур с заранее заданной конфигурацией изложена в главе 4. Особенности функционирования сети ЭВМ, учитывающие кратчайшие маршруты, объемы трафика, дублирование территориально размещенных серверов рассмотрены в главах 5–6. В главах 9–17 особое внимание уделено вопросам комплексной оценки производительности сетей ЭВМ, при которой учитываются как задержки сообщений в каналах связи, так и задержки в серверах и терминалах, функционирующих в диалоговом режиме. В главах 8–10 излагаются основные положения предложенного автором метода контуров, основанного на полиномиальной аппроксимации и детализации описания маршрутов трафика. Это позволяет адекватно описать особенности структуры кабельных соединений, распределение маршрутов трафика и специфику обработки удаленных заданий серверами и терминалами. В результате для сетей ЭВМ, содержащих несколько сотен узлов, становится возможным решение не только задач анализа, но и задач оптимизации. В главах 11–14 рассмотрены модели и методика расчета параметров для анализа производительности для различных вариантов терминальных сетей ЭВМ, WAN и кольцевых LAN, а в главах 15–16 решаются оптимизационные задачи по критерию стоимостных затрат. В настоящее издание по сравнению с первым внесены изменения и дополнения. В каждую главу включены контрольные вопросы и задания, предназначенные для самоконтроля знаний, существенно переработаны главы 4–7 и 17, введено приложение, в котором приведены методические материалы, полезные при организации учебного процесса, устранены обнаруженные опечатки.
Глава 1. ЭтАПы ПРОЕКтИРОВАНИя ВычИсЛИтЕЛьНых сЕтЕй Ускорению темпов развития средств вычислительной техники способствовала разработка и реализация режимов обслуживания удаленных пользователей. Расширение состава пользователей привело к увеличению состава требуемых услуг, что, в свою очередь, обусловило появление новых, более серьезных требований к программным и техническим средствам вычислительной техники. Вычислительные сети (ВС) – это сложные системы, поэтому проектировщику необходимо вести комплексную разработку и учитывать разнообразие функций обработки информации, функций передачи данных и возможностей программной или аппаратной реализации этих функций. Как указывает Б. Байцер [10], работа архитектора вычислительных систем состоит в разработке комплекса аппаратурных и программных средств, реального с технической, экономической, функциональной и социальной точек зрения и такого, который работает, является оптимальным и жизнеспособным. Таким образом, разработчик вычислительных сетей должен знать технические и программные средства, реализующие разнообразные функции сети, их характеристики и условия совместного функционирования. Он должен уметь выделять из комплексной задачи проектирования вычислительных сетей отдельные подсистемы и подзадачи, для которых следует сформулировать цели проектирования, критерии и ограничения, математически сформулировать задачи проектирования и выбрать адекватную модель, позволяющую найти требуемое решение, на основании теоретически рассчитанных результатов принять конкретное техническое решение. Понимание сущности вычислительных сетей в целом и характеристик составляющих ее компонентов позволяет выделить следующую последовательность взаимосвязанных классов задач, практически решаемых при проектировании. Вначале решаются задачи структурного проектирования, которые на базе системного анализа с использованием обобщенных характеристик отдельных компонент позволяют выбрать базовую топологию сети из из
Глава 1. Этапы проектирования вычислительных сетей вестного класса структур и решить задачу группирования абонентов, размещения хост-машин и коллективных баз данных (БД). Далее, на базе более детальных моделей выбранная топология уточняется, определяются параметры ее компонентов. В качестве основных функциональных характеристик могут рассматриваться стоимость, время реакции системы, достоверность передачи данных, производительность и живучесть вычислительных сетей. При разработке и при реализации процедур автоматизированного выбора проектных решений серьезные трудности вызывает получение обобщенных характеристик вычислительных сетей, особенно в том случае, если решается задача их модернизации и развития. Грамотное определение исходных данных существенно влияет на точность получаемых результатов, поэтому технология сбора и анализа исходных данных также заслуживает пристального внимания. Сложность вычислительных сетей обусловлена наличием в составе системы технических средств. Они предоставляют вычислительные ресурсы, обеспечивающие коммутацию сообщений, хранение и передачу данных, а также программные средства, позволяющие реализовать функции прикладного и сетевого программного обеспечения, которое включает в свой состав протоколы взаимодействия различных сетевых уровней. Рассмотрим основные этапы проектирования вычислительных сетей (рис. 1.1. [8]). Начальным этапом разработки вычислительных сетей является анализ технического задания (блок 1), в результате выполнения которого выясняется: • относится разработка к созданию новой системы либо модернизируется уже существующая вычислительная сеть; • определяется состав основных параметров внешних характеристик (технических, экономических, социальных и т.д.), характеризующих вычислительную систему в целом. При анализе технических решений (блок 2) постоянно сопоставляются известные технические решения с заданными внешними характеристиками, в результате чего определяется состав функций (блок 3), которые должна выполнять разрабатываемая или модифицируемая вычислительная сеть. При описании состава функций целесообразно использовать понятия семиуровневой модели архитектуры вычислительной сети, в соответствии с которыми функции группируются по уровням: физическому, канальному, сетевому, транспортному, сеансовому, представления
Глава 1. Этапы проектирования вычислительных сетей 9 Рис. 1.1. Технологические этапы проектирования вычислительных сетей Анализ технического задания на разработку ВС ТОД (внешние характеристики) Анализ известных технических решений Определение состава выполняемых функций разрабатываемой ВС ТОД Определение класса разрабатываемой ВС ТОД Определение перечня серийных технических средств Определение перечня программных средств ВС ТОД Сбор и определе- ние количественных параметров технических и программных средств Разработка технических средств, соответствующих ТЗ Разработка программных средств, соответствующих ТЗ Параметры известных техниче- ских средств обеспе- чивают требова- ния ТЗ Нет Да Параметры известных програм- мных средств обеспе- чивают требова- ния ТЗ Нет Да Выбор топологии ВС ТОД Да Тополо- гия не соответ- ствует ТЗ из-за программных средств Да Нет Тополо- гия не соответ- ствует требованиям ТЗ из-за технических средств Размещение массивов ВС ТОД Нет Да Техни- ческие средства обеспечивают требова- ния ТЗ на размещение массивов Про- граммные средства обеспечивают требования ТЗ на размещение массивов Да Обеспечение достоверности ВС ТОД Обеспечение живучести ВС ТОД Да Технические средства обеспечивают требования ТЗ на достоверность Нет Нет Да Программные средства обеспечивают требования ТЗ на достоверность Нет Нет Технические средства обеспечивают требования ТЗ на живучесть Да Да Программные средства обеспечивают требования ТЗ на живучесть Обеспечение временных характеристик ВС ТОД Проектирование завершено Техни- ческие средства обеспечивают требова- ния ТЗ к временным характерис- тикам Програм- мные средства обеспечивают требования ТЗ к временным характерис- тикам Да Да Нет Нет
Глава 1. Этапы проектирования вычислительных сетей и прикладному. Каждый уровень разрабатываемой вычислительной сети должен содержать в своем составе набор функций, свойства которых существенно влияют на внешние характеристики системы в целом. Например, физический уровень может обеспечить различную среду передачи сигналов (витую пару, коаксиальный кабель, волоконнооптическую линию связи, среду для передачи радиосигналов и др.). Канальный уровень может применять различные протоколы обмена кадрами (BSC, X25, X75 и пр.), различные методы контроля безошибочного приема (контроль по четности, контроль методами циклического кодирования и т.д.). Сетевой уровень может реализовать различные методы маршрутизации сообщений (централизованный, децентрализованный, адаптивный и др.). Транспортный уровень может использовать различные способы передачи данных (в виде цепочек или датаграмм, в виде срочного или нормального потока и пр.). Сеансовый уровень вычислительной системы может обеспечивать различные режимы взаимодействия с прикладными процессами (монопольный или виртуальный), контроль за исправным состоянием сетевых ресурсов (циклический, случайный, по событиям), организацию и прекращение сеансов, изменение конфигурации технических средств, управление ресурсами сетевого и сессионного программного обеспечения. Уровень представления может содержать в своем составе реализацию различных функций, обеспечивающих согласованное взаимодействие конечного пользователя с сетевыми и сессионными ресурсами. В со- став функций этого уровня входят, например, различные средства обеспечения диалога, средства согласования форматов и сигналов и многое другое. Прикладной уровень может включать различные прикладные программы и базы данных, использование которых и определяет эффективность вычислительной сети. Ведь именно для широкого применения прикладных программ и баз данных в конечном счете и разрабатывается любая вычислительная сеть. Техническое задание в значительной степени предопределяет класс разрабатываемых вычислительных сетей (блок 4). Основные разрабатываемые вычислительные сети могут быть ограничены четырьмя классами: 1) вычислительная система коллективного пользования (ВСКП) содержит вычислительный комплекс (ВК), аппаратуру передачи данных (АПД), групповые устройства управления (ГУУ) и дисплеи;
Доступ онлайн
280 ₽
В корзину