Моделирование и синтез оптимальной структуры сети Ethernet

УДК 658.5.012. 
ББК 007:519.876 
    М74 
 
 
Р е ц е н з е н т ы :  доктор техн. наук, профессор  В. А. Антипов,  доктор техн. 
наук,  профессор  Е. А. Саксонов 
 
А в т о р ы :  А. В. Благодаров, А. Н. Пылькин, Д. М. Скуднев, А. П. Шибанов  

М74    Моделирование и синтез оптимальной структуры сети Ethernet. – 
М.: Горячая линия–Телеком, 2011. – 112 с.: ил. 

ISBN 978-5-9912-0184-1. 

Рассмотрены вопросы автоматизации проектирования локальных 
сетей Ethernet. Предложено решение задачи имитационного моделирования работы сети Ethernet с заданной структурой с целью выявления 
ее производительности. Рассмотрена проблема синтеза оптимальной по 
стоимости структуры сети Ethernet и ее решение с помощью генетических алгоритмов. 
Для специалистов в области проектирования компьютерных сетей, 
будет полезна студентам и аспирантам технических вузов. 
ББК 007:519.876 

Адрес издательства в Интернет WWW.TECHBOOK.RU 
 
 
Научное издание 

Благодаров Андрей Витальевич, Пылькин Александр Николаевич 
Скуднев Дмитрий Михайлович, Шибанов Александр Петрович 

Моделирование и синтез оптимальной структуры сети Ethernet 

Монография 
 
Компьютерная верстка  И. А. Благодаровой 
Обложка художника  В. Г. Ситникова 

 

Подписано в печать  18.02.2011.  Печать офсетная. Формат 60×88/16. Уч. изд. л. 7.  Тираж 500 экз. 
 

ISBN 978-5-9912-0184-1                                © А. В. Благодаров, А. Н. Пылькин,  
                                                                        Д. М. Скуднев, А. П. Шибанов, 2011 
                                                   © Издательство «Горячая линия–Телеком», 2011 

 

Введение 

В настоящее время локальные вычислительные сети (ЛВС) 
нашли широкое применение в различных сферах деятельности человека. В процессе развития ЛВС происходила стандартизация технологии объединения компьютеров в сеть – Ethernet, FDDI, Token 
Ring, и др. Наибольшее распространение получила сеть Ethernet, 
архитектура которой определяется стандартом IEEE 802.3 и базируется на протоколе функционирования общей среды передачи 
CSMA/CD. 
Проблемами анализа и параметрической оптимизации ЛВС 
Ethernet занимались многие отечественные и зарубежные ученые, 
например, Коган Я.А., Майоров С.А., Вишневский В.М., Марьянович Т.П., Ляхов В.А., Родионов А.С., Бертсекас Д, Клейн Дж., Войтер А.П., Эд Уилсон, и др. Эти вопросы достаточно хорошо проработаны. В настоящее время, как в России, так и за рубежом, практически единственным подходом к решению задачи выбора топологии ЛВС является опыт инженеров по системной интеграции. 
Так как ЛВС являются весьма сложными системами, это часто 
приводит к принятиям неоптимальных решений при их проектировании. Единственный способ избежать указанных трудностей – 
принимать решения с использованием средств автоматизированного проектирования.  
Аналитические методы оперируют с относительно простыми 
моделями. В них сложно учесть специфические требования пользователей, а для разработки нового математического аппарата требуется значительное время и высокая квалификация разработчиков 
модели. При использовании имитационных методов можно построить весьма подробную модель. Но проведение имитационных 
экспериментов требует значительных затрат машинного времени, 
особенно с тех случаях, когда необходимо исследовать поверхности отклика для нахождения наилучшего решения. Как аналитическое, так и имитационное моделирование при решении проектных 
задач дают возможность оценить основные показатели качества 
сети, в частности, найти так называемые «узкие места», т.е. точки,  
в которых могут возникнуть перегрузки или отказы сети.   
В последнее время появились работы по синтезу и структурной 
оптимизации компьютерных сетей на основе генетических алго

Введение 

 

4 

ритмов, в частности Кузнецова И.В., Трекина А.Г., Бугрова Д.А.,  
Аль-Шрайдеха Х. С., Адиль О., Мальчерека М. Получен ряд частных результатов, но в целом задача структурной оптимизации ЛВС 
Ethernet является нерешенной. Существенной характеристикой любой программы анализа или синтеза ЛВС Ethernet является ее 
функциональная полнота. То же самое можно отнести и системам 
структурной оптимизации таких сетей. Важна не только непосредственно сама топология сети, но и то, в какой мере она отвечает 
потребностям либо проектировщика сети, либо сетевого администратора. Другими словами, в процессе оптимизации (нахождения 
наилучшей структуры) постоянно должно проверяться выполнение 
показателей качества сети. Это – любые заданные системным администратором параметры и характеристики, такие как время реакции на запросы системных программ или пользователей, особенности протокола − полнодуплексный или полудуплексный, задержки при передаче пакетов и их вариации, достоверность передачи 
информации, процент потерь пакетов, влияние коллизий на характеристики сети, а также параметры, накладывающие ограничения 
на время восстановления и реконфигурации ЛВС Ethernet.  
Поэтому проблема создания новых систем синтеза оптимальной структуры ЛВС Ethernet с учетом возможности настройки такой системы на конкретную спецификацию (набор контролируемых параметров и характеристик) системного администратора является весьма актуальной.  
Исследования, результаты которых приведены в книге, проводились при финансовой поддержке Российского фонда фундаментальных исследований в форме гранта, шифр 07-07-00146-а. 
 

 

Г л а в а  1 

ЛОКАЛЬНЫЕ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНЫЕ СЕТИ 

И МЕТОДЫ ИХ ИССЛЕДОВАНИЯ 

1.1. Обзор литературы 

В работе Адиль Омер Юсиф Мохаммеда [1] предлагается математическая модель и алгоритмы определения оценки и анализа 
эффективности процессов функционирования системы администрирования локальной сети, а так же научно обоснованные рекомендации по совершенствованию используемой системы администрирования. Данные подходы позволяют оптимизировать процесс 
функционирования существующей локальной сети, находящейся  
в эксплуатации, путем внедрения новых программно-аппаратных 
средств и технологий. Для решения задач оптимизации структуры 
сети этого недостаточно, так как процессы администрирования сети, хотя и важны сами по себе, но не являются определяющими при 
структурной оптимизации сети.  
Работа Кузнецова И.В. [2] посвящена разработке общеметодологических принципов координированного управления в многоканальных телекоммуникационных системах. Рассматриваются: «интеллектуальное» или вторичное уплотнение сигналов путем согласованного совмещения их спектрально-временных характеристик  
и передачи в рамках одного или нескольких действующих каналов; 
общесистемное координирование – согласованное планирование 
трафиковых ресурсов с учетом изменения целей управления и/или 
ситуацией в действующей распределенной многоканальной системе. Результаты работы позволяют повысить пропускную способность канала, что немаловажно для магистральных каналов передачи данных или в тех случаях, когда нет технической возможности 
проложить дополнительный канал связи. В корпоративных сетях 
Ethernet полудуплексном режиме процесс передачи в среде задан 
жестко, и изменить его нельзя. Применить же результаты данной 
работы можно, в частности, в агрегированных каналах, связывающих коммутаторы, в которых допустимо применение нестандартных протоколов связи.  

Глава 1 

 

6 

В работах Трекина А.Г. [3, 6] рассматривается задача синтеза 
вычислительных систем с использованием генетических алгоритмов. Под архитектурой вычислительных систем понимается совокупность аппаратных средств вычислительных систем (структура 
вычислительных систем) и системного программного обеспечения 
(логическая среда вычислительных систем). В качестве оптимизационных параметров могут быть: число процессоров; тип каждого 
процессора; параметры коммутационной среды и др. В работе описаны подходы к оптимизации вычислительных систем, которые 
могут находиться в составе локальных сетей. Модифицированный 
генетический алгоритм, предложенный Трекиным А.Г., не может 
быть использован для решения задачи оптимизации крупномасштабных многофункциональных корпоративных сетей, так как он 
рассчитан на решение задач структурной оптимизации вычислительных систем. Поэтому способ реализации кроссовера, процессов 
мутации и селекции очередного поколения хромосом генетического алгоритма, а также − фитнесс-функции определяется, главным 
образом, особенностями функционирования вычислительных систем, а не локальных сетей.  
В работе Марека Мальчерека [4] предложена алгоритмическая 
и методическая основа проектирования высокоскоростных региональных и компьютерных сетей АТМ (асинхронных сетей с коммутацией ячеек). Разработаны функциональная структура, алгоритмическое и программное обеспечение синтеза сетей с АТМ коммутацией. Предложены аналитические модели компьютерных сетей, 
сформированы конкретные правила формирования базы типовых 
моделей компьютерных сетей. В связи с тем, что технология 
Ethernet принципиально отличается от технологии АТМ, то использование разработанных моделей для Ethernet-сетей.  
В диссертации Аль-Шрайдех Халед Садека [5] рассматриваются математическая модель, а также алгоритмы анализа, оценки  
и оптимизации локальной компьютерной сети. Последняя представляется как сложная кибернетическая человеко-машинная система. Для решения поставленной задачи используется матричнотабличный подход, который представляет собой совокупность методологических принципов, методик, алгоритмов и оптимизационных математических моделей. Использование такого подхода явля

Локальные вычислительные сети и методы их исследования 

 

7 

ется довольно громоздким и сложным. Сеть представляется  
в обобщенном виде, а существенные особенности сложной корпоративной сети не отражаются. 
Работа Бугрова Д.А. [7] посвящена повышению эффективности 
модернизации магистральных корпоративных сетей связи путем 
структурной оптимизации телекоммуникационных сетей. Оптимизация производится с использованием модифицированного генетического алгоритма по условию минимизации стоимости структуры 
магистральной корпоративной сети при заданных ограничениях на 
ее технические характеристики. Магистральные каналы − важная 
компонента любой сети. Сеть Ethernet состоит не только из магистральных каналов. Существует также развитая сеть каналов до конечного пользователя. В конечном итоге основной трафик для магистралей формируют абоненты сети, кроме того, трафик может 
быть сконцентрирован в пределах какой-то локальной группы 
пользователей. Поэтому результаты, изложенные в работе [7], не 
обладают необходимой полнотой для реализации целей настоящего 
исследования.  
В работе Воротницкого Ю.И. [8] рассматривается специфика 
решения задач оптимального проектирования сетей средствами 
генетических алгоритмов и причины, снижающие эффективность 
их применения. Предлагается модифицированная версия генетического алгоритма для синтеза плотносвязных образующих блоков и 
показывается ее эффективность для размещения в сети реплицируемого ресурса. Вопросы эффективности применения генетических алгоритмов, несомненно, важны при любом их применении. 
Но непосредственно использовать результаты работы [8] для 
структурной оптимизации сети Ethernet не представляется возможным.  
В работах [9,10] рассматривается формальное решение задачи 
оптимального разбиения на сегменты коммутируемой Ethernet сети 
с множественными резервными каналами. Для обеспечения условий работоспособности протокола STP требуется разбить коммуникационный граф сети на сегменты, разделенные между собой 
маршрутизаторами (коммуникационным оборудованием 3 уровня), 
не содержащие замкнутых контуров, и включающие в себя более  
9 узлов. Оптимизируемым параметром является стоимость или ко

Глава 1 

 

8 

личество маршрутизаторов (или коммутаторов 3 уровня), необходимых для выполнения такого разбиения. В работе рассматривается реализация только для одного протокола – STP. В реальных условиях в сетях используются и другие протоколы, а в большинстве 
случаев в пределах всей сети или одного сегмента функционирует 
не один протокол. 
Для решения равномерного и целесообразного распределения 
ресурсов коммутационного поля, в работе [11] были решены следующие задачи. Сформулирована задача глобальной трассировки, 
определены критерии оптимизации системы. Разработана структура хромосомы, принципы ее кодирования и декодирования. Предложены способы исключения неэффективных решений и повышения скорости проектирования. Модифицированы и реализованы 
новые механизмы генетических процедур кроссинговера, мутации, 
смены популяций. Разработан генетический алгоритм глобальной 
трассировки на базе новых структур хромосом и модифицированных генетических процедур. Проведены экспериментальные исследования генетического алгоритма глобальной трассировки. Однако 
не учтен трафик от абонентов его направление и интенсивность. 
В целом можно отметить, что задача структурной оптимизации 
крупномасштабной многофункциональной сети Ethernet не решена.  

1.2. Технология и архитектура сетей Ethernet 

Объектом исследований является крупномасштабная многофункциональная сеть, построенная на различных модификациях 
линейки Ethernet. Это фрагменты корпоративной сети, построенной 
по стандартам 10 Base, 100 Base, 1000 Base, 10000 Base, а также 
сети Metro Ethernet, географически распределенные в масштабах 
города и интегрирующие фрагменты сетей вышеуказанных стандартов. Сеть создается на основе технологии коммутации и методе 
доступа CSMA/CD (carrier sense multiply access with collision 
detection) и может соединяться с локальными сетями на основе 
других методов доступа, кольцевых сетей FDDI (Fiber Distributed 
Data Interface) и Token ring, Token Bus и сети 100 VG-AnyLAN  
с запросом по приоритету. На рис. 1.1 приведены основные компоненты, используемые для построения многофункциональной корпоративной сети Ethernet. Сети Gigabit Ethernet и 10 Gigabit 

Локальные вычислительные сети и методы их исследования 

 

9 

Ethernet позволяет реализовать высокоскоростной обмен через 
базовые опорные магистрали. 

 

Рис. 1.1.  Компоненты корпоративной сети Ethernet 
Алгоритм доступа к общей среде Ethernet изображен на  
рис. 1.2. Благодаря простоте случайного метода доступа CSMA/CD 
(метода доступа к среде с прослушиванием несущей и обнаружением коллизий) сеть Ethernet получила очень широкое распространение. Однако реализация протокола Ethernet с возможными коллизиями в общем разделяемом множеством компьютеров сегменте, 
привела к тому, что коэффициент нагрузки сегмента сети Ethernet 
по сравнению с другими технологиями невысок (рекомендуется 
выбирать его примерно 0,35 − 0,45). Процесс возникновения, распространения и обработки коллизий носит весьма сложный характер. Моделирование этого процесса проводится на основе дискретно-событийного подхода, когда в процессе имитации мы, используя календарь событий, обрабатываем возникающие элементарные 
события, и двигаемся при этом в пространстве имитационного эксперимента по случайной траектории. Другими словами, процесс 
имитации не поддается разделению на независимо выполняемые 
функции, что имеет место при объектно-ориентированном моделировании.  

Глава 1 

 

10 

 

Рис. 1.2.  Алгоритм работы сети Ethernet