Rozlegle sieci komputerowe

Wrocław, dnia 08.06.2011r.

Rozległe sieci komputerowe

Prowadzący: dr inż. Przemysław Ryba

Autorzy:

Piotr Respondek

Gwidon Jóźwiak

  1. Założenia projektowe.

    1. Zakres sieci.

Sieć będzie obejmowała takie miasta jak: Szczecin, Bydgoszcz, Olsztyn, Białystok, Poznań i Łódź z centralą w Gdańsku.

Ponadto w każdym z województw będą znajdowały się 3 bankomaty:

Województwo Pomorskie: Sopot, Gdynia, Słupsk

Województwo Zachodnio-Pomorskie: Koszalin, Świnoujście, Stargard Szczeciński

Województwo Kujawsko-Pomorskie: Toruń, Włocławek, Grudziądz

Województwo Warmińsko-Mazurskie: Elbląg, Giżycko, Szczytno

Województwo Podlaskie: Łomża, Suwałki, Augustów

Województwo Wielkopolskie: Piła, Leszno, Kalisz

Województwo Łódzkie: Piotrków Trybunalski, Wieluń, Łowicz

Komunikacja.

Oddziały wojewódzkie komunikują się z centralą za pomocą sieci lokalnej z protokołem TCP/IP.

Każdy z bankomatów posiada port X.25, a komputer je obsługujący port X.25 i kartę LAN. Komputer zlokalizowany jest w centrali.

Natężenie ruchu.

Podane niżej natężenia ruchu (w megabajtach) dotyczą wymiany informacji w ciągu dnia w okresie 9 godzin pracy banku.

Oddział wojewódzki – oddział wojewódzki : 15MB (w jedną stronę)

Oddział wojewódzki – centrala: 205MB (w obie strony łącznie)

Bankomat – komputer obsługujący bankomaty: 0,3 MB (w obie strony łącznie)

Wymagania dotyczące łączy.

Średnie opóźnienie pakietu nie może przekroczyć 0,7 s/pakiet.

Linie transmisyjne dzierżawione od TP S.A.

Ogólny opis koncepcji rozwiązania.

Ponieważ sieć jest projektowana dla banku to najważniejszymi aspektami są niezawodność i bezpieczeństwo. Z tego względu należy się zabezpieczyć przed ewentualnymi przerwami w łączności. Sieć zostanie oparta na dzierżawionych łączy od jednego z najpopularniejszych dostawców internetowych i telekomunikacyjnych, jakim jest Telekomunikacja Polska S. A. Oferuje ona dość dobre warunki dostępności sieci, jednak nie są one wystarczające, dlatego zastosujemy topologię pierścienia, która jest najczęściej stosowanym rozwiązaniem w rozległych sieciach i gwarantuje dostępność mimo awarii jednego połączenia. Dla lepszego zabezpieczenia zastosujemy redundantne łącze, jednak priorytetem będzie pierścień.

Bankomaty będą podłączone do węzłów wojewódzkich przy zastosowaniu topologii gwiazdy i będą się łączyły z lokalnymi oddziałami przy użyciu protokołu X.25, ponieważ są do tego przystosowane (posiadają wbudowany port X.25). Protokół ten umożliwia transfer do 2Mb/s, co jest wystarczające do transferu tak niewielkich danych. Można przesłać całą dzienną ilość informacji w ciągu ok. 2 sekund (0,3MB * 8 = 2,4Mb).

  1. Dobór struktury sieci.

    1. Topologia sieci.

Jak opisano powyżej sieć będzie oparta na pierścieniu z jednym redundantnym połączeniem. Topologia ta gwarantuje, że pakiet z dowolnego węzła przejdzie maksymalnie przez 2 przełączniki pośredniczące. Co prawda przełączniki działają szybciej niż routery, ale i tak wprowadzają pewne opóźnienia przy przełączaniu pakietów, dlatego jest to kolejna zaleta tej architektury, poza opisaną wyżej niezawodnością.

Ponadto z każdego węzła będzie rozchodziła się gwiazda dla bankomatów.

Poniżej schemat logiczny sieci.

Rysunek Schemat logiczny sieci

Poniżej przedstawiamy topologię naniesioną na rzeczywistą mapę. Ze względu na czytelność mapy nie umieściliśmy na niej położenia bankomatów. Na niebiesko zostały zaznaczone połączenia należące do pierścienia, a na czerwono redundantne łącze.

Rysunek Mapa połączeń fizycznych

Poniżej przedstawiamy tabelę odległości poszczególnych połączeń.

Tabela Długości łączy szkieloetowych

Połączenie Odległość [km]
Gdańsk-Szczecin 363
Szczecin-Poznań 235
Poznań-Łódź 203
Łódź-Białystok 328
Białystok-Olsztyn 240
Olsztyn-Bydgoszcz 209
Bydgoszcz-Gdańsk 168
Gdańsk-Łódź 343

Bankomaty będą podłączone tak jak to widać na schemacie logicznym, a poniższa tabela przedstawia te przynależności oraz długości łączy.

Tabela Rozmieszczenie bankomatów

Węzeł lokalny Położenie bankomatu Odległość od węzła lokalnego [km]
Gdańsk Sopot 12
Gdynia 22
Słupsk 118
Szczecin Koszalin 159
Świnoujście 107
Stargard Szczeciński 47
Poznań Piła 102
Leszno 80
Kalisz 120
Łódź Piotrków Trybunalski 50
Wieluń 100
Łowicz 55
Białystok Łomża 80
Suwałki 123
Augustów 91
Olsztyn Elbląg 101
Giżycko 104
Szczytno 49
Bydgoszcz Toruń 46
Włocławek 101
Grudziądz 73

Analiza niezawodnościowa.

Jak już wcześniej nadmieniono niezawodność sieci jest bardzo ważna dla banku, ponieważ jest on instytucją zaufania publicznego. Z tego powodu stała się ona dla nas priorytetem.

Mimo, że topologia pierścienia gwarantuje już pewien stopień zabezpieczenia przed przerwaniem jednego z łączy, postanowiliśmy wprowadzić dodatkowe zabezpieczenie w postaci nadmiarowego połączenia między Gdańskiem a Łodzią. Połączenie to zostało wybrane z kilku prostych względów:

- nie powoduje zwiększenia liczby odwiedzanych przełączników przy przerwaniu łącza należącego do pierścienia

- odległość od Gdańska jest krótsza o ok. 70 km od połączenia Gdańska z Białymstokiem, który również spełnia powyższy warunek

- Gdańsk został wybrany ze względu na to, że w nim znajduje się cała centrala, a dzięki nadmiarowemu łączu powstały 3 drogi dostępu do centrali

W obecnej sytuacji mamy dwa rodzaje awarii: przerwanie łącza należącego do pierścienia, przerwa łącza nadmiarowego. W przypadku zerwania któregokolwiek z niech pakiety będą dostarczane inną drogą zgodnie z priorytetami. Ponadto sieć jest zabezpieczona przed dwoma awariami na raz.

Sieć nie jest tylko zabezpieczona przed awariami dwóch łączy wychodzących z tego samego węzła, poza Gdańskiem i Łodzią. Jednak w tej sytuacji jest odseparowany tylko jeden węzeł.

Kolejne niezabezpieczone przypadki to jednoczesna awaria dwóch łączy takich jak:

- Szczecin-Gdańsk i Poznań-Łódź

- Łódź-Białystok i Olsztyn-Bydgoszcz

- Gdańsk-Bydgoszcz i Olsztyn-Białystok.

W tych przypadkach odseparowane są dwie sąsiednie jednostki, jednak zachowują komunikację między sobą.

Jedynym sposobem zabezpieczenia się przed takimi sytuacjami jest stworzenie dodatkowych łączy, jednak wiąże się to z kosztami, które nie są współmierne do prawdopodobieństwa zajścia tych zdarzeń.

Przypadki, w których nastąpi awaria 3 i więcej łączy również nie są zabezpieczone, ale prawdopodobieństwo ich zajścia jest znikome.

Reguła doboru tras.

Sztywne trasy ustalone zostaną za pomocą statycznych tablic ARP wykonanych dla każdego urządzenia. Biorąc pod uwagę niewielką liczbę węzłów „ręczne” zarządzanie urządzeniami nie jest problemem i gwarantuje pełną kontrolę nad doborem tras, co umożliwia zaplanowanie i wybranie optymalnej trasy, która zmniejszy niepotrzebne obciążenia łączy oraz przyspieszy przesyłanie pakietów. Na mapie widać zaznaczone interfejsy obsługujące połączenia między poszczególnymi węzłami.

Rysunek Mapa z oznaczonymi interfejsami

Tabela Tablica ARP dla Gdańska

Węzeł docelowy Interfejs Priorytet
2 I1 25
I2 100
I3 50
3 I1 25
I2 100
I3 50
4 I1 25
I2 50
I3 100
5 I1 50
I2 25
I3 100
6 I1 50
I2 25
I3 100
7 I1 100
I2 25
I3 50

Tabela Tablica ARP dla Łodzi

Węzeł docelowy Interfejs Priorytet
1 I1 25
I2 100
I3 50
2 I1 50
I2 100
I3 25
3 I1 100
I2 50
I3 25
4 I1 100
I2 50
I3 25
6 I1 25
I2 50
I3 100
7 I1 25
I2 100
I3 50

Tabela Tablica ARP dla Bydgoszczy

Węzeł docelowy Interfejs Priorytet
1 I1 100
I2 50
3 I1 50
I2 100
4 I1 50
I2 100
5 I1 100
I2 50
6 I1 100
I2 50
7 I1 100
I2 50

Tabela Tablica ARP dl Olsztyna

Węzeł docelowy Interfejs Priorytet
1 I1 100
I2 50
2 I1 100
I2 50
4 I1 50
I2 100
5 I1 50
I2 100
6 I1 50
I2 100
7 I1 100
I2 50

Tabela Tablica ARP dla Białegostoku

Węzeł docelowy Interfejs Priorytet
1 I1 50
I2 100
2 I1 100
I2 50
3 I1 100
I2 50
5 I1 50
I2 100
6 I1 50
I2 100
7 I1 50
I2 100

Tabela Tablica ARP dla Poznania

Węzeł docelowy Interfejs Priorytet
1 I1 100
I2 50
2 I1 100
I2 50
3 I1 100
I2 50
4 I1 100
I2 50
5 I1 100
I2 50
7 I1 50
I2 100

Tabela Tablica ARP dla Szczecina

Węzeł docelowy Interfejs Priorytet
1 I1 50
I2 100
2 I1 50
I2 100
3 I1 50
I2 100
4 I1 50
I2 100
5 I1 100
I2 50
6 I1 100
I2 50

Wyznaczenie średniego opóźnienia pakietu.

Na średnie opóźnienie pakietów największy wpływ ma ilość węzłów pośredniczących pomiędzy węzłem początkowym a końcowym. Jako że używanym przez nas protokołem jest X.25 (wprowadzający duże opóźnienia w węzłach sieci) należy podjąć działania dążące do minimalizacji opóźnień. Zauważyliśmy, że w szkielecie sieci komunikacja najczęściej przebiega pomiędzy Centralą a Oddziałami Wojewódzkimi. Bazując na tym spostrzeżeniu, zdecydowaliśmy się na wprowadzenie dodatkowego łącza w szkielecie sieci, które łączy oddział centralny z najbardziej oddalonym (z punktu widzenia topologii) oddziałem wojewódzkim. Dzięki temu rozwiązaniu zmniejszona zostaje maksymalna liczba węzłów pośrednich na drodze pakietu, a więc i opóźnienie. Dodatkowymi atutami tego rozwiązania jest łatwiejsze zrównoważenie obciążeń na łączach oraz zwiększenie niezawodności sieci.

Średnie opóźnienie wyznaczymy ze wzoru zakładającego dość spore uproszczenia, określone przez Kleinrocka. Mimo, że uproszczenia odrealniają wynik, to stosuje się je dość powszechnie, gdyż nic lepszego nie wymyślono do tej pory.

Wzór wyznaczający średnie opóźnienie pakietów prezentuje się następująco:

gdzie

- sumaryczne natężenie strumienia pakietów wprowadzanych do sieci [pakiet/s]

- średni przepływ bitów w kanale [bit/s]

- przepustowość kanałów [bit/s]

Na podstawie tablicy routingu stworzymy tabelkę prezentującą obliczenia, gdzie

- długość pakietu [bit/pakiet] (zalecane przez TP S.A. 1024 bit/pakiet)

W celu obliczenia średniego przepływu bitów w kanale musimy policzyć ile danych przepływa przez dany kanał. Na podstawie danych umieszczonych w założeniach oraz tablic ARP możemy określić jak wędruje i ile zajmuje dany pakiet. Do obliczenia ilości danych przepływających przez dany kanał użyliśmy następującego wzoru:

Ilość_danych = A*0.3MB + B*205MB + C*15MB, gdzie:

A – Liczba bankomatów komunikujących się z Centralą przez dany kanał,

B – Liczba Oddziałów komunikujących się z Centralą przez dany kanał,

C – Liczba Oddziałów komunikujących się z innymi Oddziałami przez dany kanał.

Wartości tych zmiennych znajdują się w tabeli poniżej.

Tabela Natężenie ruchu w kanale

Kanał A B C
Gdańsk-Bydgoszcz 6 2 8
Bydgoszcz-Olsztyn 3 1 6
Olsztyn-Białystok 0 0 8
Białystok-Łódź 3 1 10
Łódź-Poznań 3 1 10
Poznań-Szczecin 0 0 6
Szczecin-Gdańsk 3 1 4
Gdańsk-Łódź 9 3 6

Na podstawie wzoru i tabeli obliczyliśmy ilość przesyłanych danych w każdym z łączy. Wyniki przedstawia tabela.

Tabela Ilość przesyłanych danych

Kanał Rozmiar danych (MB)
Gdańsk-Bydgoszcz 531,8
Bydgoszcz-Olsztyn 295,9
Olsztyn-Białystok 120
Białystok-Łódź 355,9
Łódź-Poznań 355,9
Poznań-Szczecin 90
Szczecin-Gdańsk 265,5
Gdańsk-Łódź 707,7

Teraz możemy już przystąpić do obliczania f(x,y) a następnie wyliczenia średniego opóźnienia pakietu. Do tego zadania wykorzystaliśmy arkusz kalkulacyjny Excel. Tabela wynikowa wygląda następująco:

Tabela Obliczanie opóźnienia pakietów

Połączenie f(x, y) [Kb/s] c(x, y) [Kb/s] f(x, y) / (c(x, y) - f(x, y) ri' [pakiet/s]
Gdańsk-Bydgoszcz 134.460 320.000 0.725 134.460
Bydgoszcz-Olsztyn 74.820 196.000 0.617 74.820
Olsztyn-Białystok 30.340 64.000 0.901 30.340
Białystok-Łódź 89.990 192.000 0.882 89.990
Łódź-Poznań 89.990 192.000 0.882 89.990
Poznań-Szczecin 22.760 64.000 0.552 22.760
Szczecin-Gdańsk 67.230 192.000 0.539 67.230
T 0.010 [s/pakiet] SUMA 5.099 509.590

Jednak, jak wyżej wspominaliśmy, sam protokół X.25 dodaje dodatkowe opóźnienia na węzłach – średnio ok. 0,2 s/węzeł. Pakiety w naszej sieci pokonują maksymalnie 2 węzły, zatem do wyliczonego opóźnienia należy dodać opóźnienie protokołu:

TX.25 = 2 [węzeł/pakiet] * 0,2 [s/węzeł] = 0,4 [s/pakiet].

Zatem sumaryczne opóźnienie to:

Ts = T + Tx.25 = 0,04 + 0,01 = 0,47 [s/pakiet]

Wynik ten spełnia wymagania postawione w założeniach

Podłączenie bankomatów.

W naszej sieci znajduje się 21 bankomatów. Pierwotnie planowaliśmy połączyć je z centralą przy pomocy łączy dzierżawionych, jednak koszt takiego rozwiązania jest bardzo wysoki. Z uwagi na bardzo małą ilość danych przesyłanych przez bankomaty w ciągu 9 godzin można przyjąć, że ich czas połączenia z komputerem zarządzającym jest dość krótki. Z tego względu postanowiliśmy zastosować analogowe połączenia komutowane do komunikacji bankomatów z oddziałami. Każdy bankomat wyposażony zostanie w modem i na czas realizacji transakcji będzie nawiązywał połączenie z oddziałem, który również będzie posiadał modem. Na koszt tych połączeń wpływa jedynie czas ich trwania, dlatego jest to rozwiązanie o wiele tańsze.

Połączenie do Internetu.

Polityka bezpieczeństwa wielu banków zaleca, aby sieci, w których przesyłane są poufne informacje nie były podłączone do Internetu. Projektowana sieć ma podłączone bankomaty, a co za tym idzie zawiera tajne dane takie jak dane o kontach bankowych.

Jednak w tym przypadku Internet zostanie podłączony. Skorzystamy z usług firmy Polpak. Zostanie od podłączony do przełącznika w Gdańsku.

Adresacja.

Adresacja w sieci X.25 polega na przydzieleniu unikalnego adresu każdemu z użytkowników sieci. W projektowanej przez nas sieci rozległej zostanie zastosowane adresowanie zgodne z zaleceniem X.121. Adresy użyte przez nas będą adresami typu prywatnego. Maksymalna długość adresu wynosi 15 cyfr dziesiętnych. Adres składał się będzie z czterech pól:

P – znacznik międzynarodowy (1 cyfra)

DNIC – identyfikator sieci publicznej (4 cyfry), u nas ma postać 260 1 (kraj Polska, sieć POLPAK)

PNIC – identyfikator sieci prywatnej (max 6 cyfr), numer ten jest przydzielany przez odgórną organizację, więc oznaczamy go umownie jako ******

ETN – numer DTE w sieci prywatnej (max 4 cyfry)

W naszym przypadku adresy będą wyglądały następująco :

0 260 1 ****** <adres węzła>, gdzie adres węzła to xy00

X – numer oddziału

Y – numer bankomatu (gdy równy 0 to oznacza oddział, nie bankomat)

Tabela Adresacja urządzeń

Lp. Miejscowość Adres
Gdańsk 02601******1000
Sopot 02601******1100
Gdynia 02601******1200
Słupsk 02601******1300
Szczecin 02601******2000
Koszalin 02601******2100
Świnoujście 02601******2200
Stargard Szczeciński 02601******2300
Poznań 02601******3000
Piła 02601******3100
Leszno 02601******3200
Kalisz 02601******3300
Łódź 02601******4000
Piotrków Trybunalski 02601******4100
Wieluń 02601******4200
Łowicz 02601******4300
Białystok 02601******5000
Łomża 02601******5100
Suwałki 02601******5200
Augustów 02601******5300
Olsztyn 02601******6000
Elbląg 02601******6100
Giżycko 02601******6200
Szczytno 02601******6300
Bydgoszcz 02601******7000
Toruń 02601******7100
Włocławek 02601******7200
Grudziądz 02601******7300

Wykaz urządzeń.

Poniżej znajduje się tabela z urządzeniami jakie potrzebujemy do budowy zaprojektowanej sieci:

Tabela Wykaz urządzeń

Urządzenie Model Liczba
Router 3COM Router 5231 1
Przełącznik 6-portowy RAD SPS-6 5
Przełącznik 12-portowy RAD SPS-12 2
Modem RAD ASM 31 42

Router będzie pełnił rolę bramy do Internetu. Przełączniki 6 portowe będą znajdowały się w węzłach wojewódzkich oprócz Gdańska i Łodzi, tam będą przełączniki 12 portowe. Każdy z przełączników będzie miał interfejsy połączone tak jak na mapie w punkcie 3.3. Pozostałe interfejsy będą wykorzystane do połączenia z bankomatami.

Tabela Zastosowania interfejsów

Nr interfejsu Zastosowanie
1 Połączenie z sąsiadem
2 Połączenie z sąsiadem
3 Połączenie z bankomatem
4 Połączenie z bankomatem
5 Połączenie z bankomatem
6 Wolny (możliwość rozbudowy)

Ponadto w Łodzi Gdańsk będzie podpięty do interfejsy 3, a bankomaty przesuną się na pozycje 4, 5 i 6. Analogicznie będzie w Gdańsku, jednak tam jeszcze na ostatnim (12 interfejsie) będzie podłączone łącze internetowe.

Modemy służyć będą do przesyłania danych między bankomatami a oddziałami w kanale analogowym.

Bibliografia.

  1. Wykład.

  2. http://www.tp.pl/b/binaries/PL/358491/Lacza_Dzierzawione_reg_1.03.10_367095146.pdf

  3. http://www.tp.pl/b/binaries/PL/358529/cennik_uslugi_krajowe_lacza_dzierzawione_tp_310309_2_23_367134552.pdf

  4. http://www.data-connect.com/RAD_SPS-6_12.htm

Wykaz tabel.

Tabela 1 Długości łączy szkieloetowych 6

Tabela 2 Rozmieszczenie bankomatów 6

Tabela 3 Tablica ARP dla Gdańska 8

Tabela 4 Tablica ARP dla Łodzi 9

Tabela 5 Tablica ARP dla Bydgoszczy 9

Tabela 6 Tablica ARP dl Olsztyna 10

Tabela 7 Tablica ARP dla Białegostoku 10

Tabela 8 Tablica ARP dla Poznania 10

Tabela 9 Tablica ARP dla Szczecina 11

Tabela 10 Natężenie ruchu w kanale 12

Tabela 11 Ilość przesyłanych danych 13

Tabela 12 Obliczanie opóźnienia pakietów 13

Tabela 13 Adresacja urządzeń 15

Tabela 14 Wykaz urządzeń 15

Tabela 15 Zastosowania interfejsów 16

Wykaz ilustracji.

Rysunek 1 Schemat logiczny sieci 5

Rysunek 2 Mapa połączeń fizycznych 5

Rysunek 3 Mapa z oznaczonymi interfejsami 8


Wyszukiwarka