Выполнение курсовой работы по расчету параметров коммутируемой сети — задача, которая часто ставит студентов в тупик. Обилие формул, необходимость обосновывать каждый шаг и строгие требования к результатам создают серьезное давление. Однако основная задача этой работы — не просто получить верные цифры, а закрепить навыки расчета и глубоко освоить принципы функционирования сетевых технологий. Цель курсовой — это практическое применение теории, которое готовит будущего специалиста к реальным задачам. Эта статья — ваш пошаговый план, который проведет вас от постановки задачи до готовых выводов, системно и доступно объясняя каждый этап. С этим руководством вы сможете не просто выполнить задание, а действительно разобраться в предмете.
Теперь, когда мы понимаем цель и имеем четкий план, давайте заложим теоретический фундамент для наших будущих расчетов.
Какие теоретические основы нужно заложить перед началом расчетов
Прежде чем приступать к формулам, важно понять логику, по которой строятся современные сети. Основой для большинства корпоративных сетей служит иерархическая модель, предложенная Cisco. Она логически разделяет всю сетевую инфраструктуру на три уровня, каждый со своими задачами:
- Уровень доступа (Access Layer): Это ближайший к пользователям уровень. Его главная задача — предоставить конечным устройствам (компьютерам, принтерам, IP-телефонам) доступ к сети. Обычно здесь используются простые и недорогие коммутаторы.
- Уровень распределения (Distribution Layer): Этот уровень выступает посредником между уровнем доступа и ядром. Он агрегирует трафик от нескольких коммутаторов доступа, применяет политики безопасности, управляет маршрутизацией между различными сегментами сети и обеспечивает качество обслуживания (QoS).
- Уровень ядра (Core Layer): Это высокоскоростная магистраль сети, отвечающая за быструю и надежную транспортировку больших объемов данных между различными частями уровня распределения. Отказоустойчивость и производительность здесь — абсолютный приоритет.
Понимание этой модели критически важно, поскольку архитектура сети — это не просто перечень оборудования, а продуманная стратегия, основанная на принципах надежности, масштабируемости и управляемости.
Эта теория — наш компас. Опираясь на нее, мы можем приступить к первому практическому шагу — проектированию архитектуры нашей сети.
Шаг 1. Как определить и обосновать архитектуру будущей сети
Определение архитектуры — это первый и один из ключевых этапов курсовой работы. Для большинства учебных и многих реальных задач трехуровневая иерархическая модель является стандартом де-факто, и ее выбор легко обосновать. Она обеспечивает высокую надежность за счет резервирования, легко масштабируется и упрощает управление трафиком.
Процесс обоснования архитектуры в курсовой работе можно разбить на следующие шаги:
- Проанализировать исходные данные: Изучите требования вашего задания — количество пользователей, типы трафика (данные, голос, видео), требования к надежности и производительности.
- Выбрать трехуровневую модель: На основе анализа заявите, что для построения отказоустойчивой и масштабируемой сети выбрана иерархическая модель, состоящая из уровней доступа, распределения и ядра.
- Обосновать выбор: Аргументируйте свое решение. Укажите, что такой подход позволяет локализовать проблемы, эффективно управлять трафиком и упрощает будущее расширение сети. На уровне доступа будут располагаться коммутаторы для подключения конечных пользователей. На уровне распределения — многоуровневые коммутаторы или маршрутизаторы для агрегации и применения политик. На уровне ядра — высокопроизводительные коммутаторы для обеспечения быстрой коммутации трафика.
Такой подход демонстрирует не слепое копирование схемы, а осознанный выбор, основанный на лучших отраслевых практиках. Переход к коммутируемым сетям всегда требует тщательного планирования.
Архитектура готова. Теперь нужно понять, какая нагрузка на нее ляжет. Переходим к анализу и моделированию трафика.
Шаг 2. Разбираемся с моделями и характеристиками трафика
Чтобы рассчитать параметры сети, нужно сначала понять, что именно мы будем считать. Трафик в сетях неоднороден, и его поведение описывается с помощью математических моделей. Выбор правильной модели — ключевой фактор, от которого зависит точность всех последующих расчетов.
Весь сетевой трафик можно условно разделить на два основных типа:
- Трафик реального времени (Real-Time): Это голосовые вызовы (VoIP) и видеоконференции. Такой трафик чрезвычайно чувствителен к задержкам и их вариациям (джиттеру). Для его описания часто используется Пуассоновский поток заявок, который предполагает, что события (например, начало звонка) происходят независимо друг от друга в случайные моменты времени.
- Трафик данных (Data): Это передача файлов, электронная почта, веб-серфинг. Этот тип трафика менее чувствителен к задержкам, но требует гарантированной доставки. Его поведение часто описывается более сложными моделями, но для учебных целей его также можно упростить до пуассоновского.
В курсовой работе вам необходимо проанализировать исходные данные и определить, какие типы трафика будут присутствовать в вашей сети. На основе этого вы выбираете соответствующие математические модели. Главный тезис, который нужно запомнить: правильно выбранная модель трафика — это 90% успеха в точности дальнейших расчетов. Она позволяет перейти от абстрактного описания к конкретным числовым характеристикам.
Мы определили, какой трафик и как будет вести себя в нашей сети. Настало время перевести эти модели в конкретные цифры — рассчитать интенсивность.
Шаг 3. Выполняем расчет интенсивности трафика на ключевых участках
Интенсивность трафика (или нагрузка) — это ключевой параметр, показывающий, какой объем данных проходит через сетевое устройство или канал связи в единицу времени. Расчет этого параметра является обязательной частью курсовой работы и выполняется последовательно, снизу вверх по иерархической модели сети.
Методика расчета выглядит следующим образом:
- Определяем интенсивность от одного источника. На основе исходных данных (например, средняя продолжительность разговора для VoIP или средний объем передаваемых данных) рассчитывается нагрузка, создаваемая одним пользователем или устройством. Для телефонии эта величина измеряется в Эрлангах.
- Суммируем интенсивность на уровне доступа. Рассчитывается общая нагрузка, поступающая на каждый коммутатор уровня доступа. Для этого интенсивность от одного источника умножается на количество источников, подключенных к этому коммутатору.
- Рассчитываем агрегированную интенсивность на уровнях выше. Трафик, поступающий на уровень распределения, является суммой трафика от всех подключенных к нему коммутаторов доступа. Аналогично, трафик на уровне ядра — это сумма трафика от всех коммутаторов уровня распределения. На этом этапе важно учитывать, как трафик распределяется по сети.
Например, если к коммутатору доступа подключено 24 пользователя VoIP, каждый из которых создает нагрузку 0.1 Эрл, то суммарная нагрузка на этот коммутатор составит 2.4 Эрл. Если к коммутатору распределения подключено 10 таких коммутаторов доступа, то на него поступит нагрузка в 24 Эрл. Эти цифры затем используются для расчета пропускной способности каналов и оценки производительности оборудования.
Мы получили числовые значения нагрузки. Теперь нужно выбрать математический аппарат, который поможет нам на основе этих данных рассчитать ключевые показатели качества.
Шаг 4. Выбираем правильную математическую модель для анализа сети
Чтобы оценить, как спроектированная сеть справится с рассчитанной нагрузкой, необходимо применить математический аппарат из теории массового обслуживания (ТМО). Сетевой коммутатор или маршрутизатор можно представить как систему массового обслуживания (СМО) — устройство, которое получает на вход поток заявок (пакетов), обрабатывает их в течение некоторого времени и отправляет дальше.
Существует множество моделей СМО, которые описываются специальной нотацией. Наиболее распространенными в телекоммуникациях являются:
- M/M/1: Простейший поток заявок (пуассоновский), экспоненциальное время обслуживания, один обслуживающий прибор (сервер). Эта модель хорошо подходит для базового анализа коммутаторов.
- M/D/1: Пуассоновский поток на входе, детерминированное (постоянное) время обслуживания. Применима, когда все пакеты имеют одинаковую длину.
- M/G/1: Пуассоновский поток на входе, произвольное (General) распределение времени обслуживания. Более универсальная, но и более сложная модель.
Для целей курсовой работы чаще всего достаточно использовать модель M/M/1. Она обеспечивает приемлемую точность для учебных расчетов и имеет относительно простые формулы для нахождения ключевых характеристик, таких как среднее время ожидания в очереди и среднее число заявок в системе. Обоснование выбора этой модели в работе показывает ваше понимание того, как теоретические концепции ТМО применяются для анализа реальных сетевых устройств.
Инструмент выбран и его логика ясна. Приступаем к кульминации нашей работы — расчету главных параметров качества обслуживания.
Шаг 5. Рассчитываем задержку, джиттер и другие показатели качества (PDV, PVV)
Это ядро всей курсовой работы, где вы на практике применяете собранные данные и выбранные модели. Ключевые показатели качества (QoS), которые необходимо рассчитать, — это задержка, джиттер и, для сетей Ethernet, специфические параметры PDV и PVV.
Задержка (Delay) и Джиттер (Jitter)
Задержка — это время, которое требуется пакету, чтобы дойти от отправителя к получателю. Используя выбранную модель СМО, например M/M/1, можно рассчитать среднюю задержку на каждом коммутаторе или маршрутизаторе по пути следования трафика. Суммарная задержка — это сумма задержек на всех устройствах и в среде передачи.
Джиттер — это вариация (или «дрожание») задержки для разных пакетов в одном потоке. Высокий джиттер губителен для голосовых и видеоприложений, так как приводит к искажению сигнала. Он рассчитывается как разница между максимальной и минимальной задержкой за определенный период.
Расчет PDV и PVV для сетей Ethernet
Для сетей Ethernet, особенно со сложной конфигурацией, стандарт требует расчета двух критически важных параметров для гарантии корректной работы механизма обнаружения коллизий.
-
PDV (Path Delay Value) — удвоенная задержка распространения сигнала. Этот параметр показывает, сколько времени займет у сигнала путешествие от самой дальней станции в сети до другой самой дальней станции и обратно. Расчет заключается в суммировании задержек, вносимых каждым сегментом кабеля и каждым сетевым устройством (повторителем, коммутатором) на пути. Для упрощения используются справочные значения задержек для разных типов кабеля и оборудования, измеряемые в битовых интервалах (bt).
PDV для сети Ethernet не должен превышать 575 битовых интервалов.
- PVV (Path Variability Value) — вариация задержки пути. Этот параметр показывает, насколько может сократиться межкадровый интервал (IPG) при прохождении пакетов через цепочку повторителей. Как и PDV, он рассчитывается путем суммирования табличных значений для каждого компонента сети.
Пример расчета PDV для простого пути «станция А — коммутатор — станция Б» выглядит как сумма «базовой задержки левого сегмента» + «задержка кабеля сегмента 1» + «задержка коммутатора» + «задержка кабеля сегмента 2» + «базовая задержка правого сегмента». Если итоговое значение меньше 575 bt, конфигурация считается корректной.
Все расчеты выполнены. Остался последний шаг — грамотно оформить полученные результаты и сделать выводы.
Шаг 6. Как правильно оформить результаты и сформулировать выводы
Заключительная часть курсовой работы не менее важна, чем сами расчеты. Здесь вы должны продемонстрировать, что смогли не только выполнить вычисления, но и проанализировать их результаты, связав их с первоначальными целями. Хорошая структура для заключения выглядит так:
- Сводная таблица с результатами. Представьте все ключевые расчетные значения в наглядной форме. Таблица должна включать интенсивность трафика на разных уровнях иерархии, итоговые значения задержки, джиттера, а также PDV и PVV для критических путей.
- Анализ результатов. Это самая важная часть. Сравните полученные вами значения с нормативными. Например, укажите: «Рассчитанное значение PDV составило 512 bt, что не превышает установленный стандартом предел в 575 bt». Проанализируйте, достаточна ли пропускная способность каналов для рассчитанной интенсивности трафика.
- Формулировка выводов. Кратко и четко ответьте на главный вопрос: соответствует ли спроектированная сеть требованиям по производительности и надежности? Например: «На основе проведенных расчетов можно сделать вывод, что разработанная архитектура коммутируемой сети способна обеспечить требуемое качество обслуживания для всех типов трафика».
- Рекомендации (если применимо). Если какие-то параметры оказались на пределе или превысили норму, вы можете предложить рекомендации по оптимизации, например, «для снижения задержки на участке X рекомендуется использовать более производительный коммутатор».
Ваша курсовая работа практически готова. Давайте в завершение пробежимся по финальному чек-листу, чтобы убедиться, что ничего не упущено.
Заключение и финальный чек-лист
Вы проделали большой путь: от изучения теоретических основ иерархических сетей до выполнения сложных расчетов и анализа их результатов. Главный урок, который стоит извлечь из этой курсовой работы, заключается в следующем: системный подход и глубокое понимание каждого шага гораздо важнее, чем механическое применение формул. Вы научились не просто считать, а проектировать, обосновывать и анализировать — а это и есть ключевые навыки сетевого инженера.
Перед тем как сдать работу, проверьте себя по этому финальному чек-листу:
- Архитектура: Выбрана ли иерархическая модель? Обоснован ли ее выбор с точки зрения надежности и масштабируемости?
- Трафик: Определены ли типы трафика и выбраны ли для них адекватные математические модели?
- Интенсивность: Рассчитана ли нагрузка для всех уровней сети (доступ, распределение, ядро)?
- Модель СМО: Обоснован ли выбор модели (например, M/M/1) для анализа производительности?
- Расчеты QoS: Выполнены ли расчеты задержки и джиттера?
- Расчеты Ethernet: Проверены ли значения PDV и PVV и сходятся ли они с нормативными (PDV < 575 bt)?
- Выводы: Сформулированы ли четкие выводы? Сравнены ли результаты с нормами? Есть ли сводная таблица?
- Оформление: Соответствует ли работа требованиям по оформлению таблиц, разделов и списка литературы?
Если на все вопросы вы ответили «да» — поздравляем, ваша курсовая работа готова к успешной защите!
Список используемой литературы
- Автоматическая коммутация под редакцией Ивановой О.Н. — М.: Радио и Связь, 1988.
- Баркун М.А. Цифровые системы синхронной коммутации. — М.: ЭКО-ТРЕНДЗ, 2001.
- Битнер В.И. Общеканальная система сигнализации №7. — Новосибирск, СибГУТИ, 1999.
- Булдакова Р. А. Принципы построения цифровых коммутационных полей. Учебное пособие. — Екатеринбург: УрТИСИ — СибГУТИ, 2002.
- Гольдштейн Б.С. Сигнализация в сетях связи. — М: Радио и связь, 1997.
- Гольдштейн Б.С. Протоколы сетей доступа. — М.: Радио и связь, 1999.
- Карташевский В.Г. Сети подвижной связи. -М.: ЭКО-ТРЕНДЗ, 2001.
- Росляков А.В. Общеканальная система сигнализации №7. — М.: ЭКО-ТРЕНДЗ, 1999.
- Скалин Ю.В. Цифровые системы передачи. — М.: Радио и связь, 1988.
- Телекоммуникационные системы и сети. Том l./Под ред. Шувалова В.П. Новосибирск: Сиб. Предприятие «Наука» РАМ, 1998.
- Маковеева М.М, Шинаков Ю.С. Системы связи с подвижными объектами : Учебное пособие для ВУЗов. – М.: Радио и Связь, 2002. – 440 с.
- РТМ по проектированию коммутационного оборудования с функциями ОКС 7 (ISUP) и ISDN(коррекция)