Digital network channel capacity research

Full Text

Качество функционирования цифровых сетей множественного доступа определяется вероятностно-временными характеристиками, основными из которых являются: производительность сети, её пропускная способность (максимальная производительность), вероятность потери сообщения, среднее время доставки сообщения, средняя и пиковая скорости передачи. Постановка задачи В цифровых сетях связи с коммутацией каналов качество обслуживания задается допустимой вероятностью потерь по вызовам. В сетях пакетной коммутации качество обслуживания характеризует совокупность показателей, среди которых можно выделить потери информационных пакетов и время пребывания пакетов в сети. С точки зрения оператора связи пропускная способность сети связи - это максимальный объем трафика, который может быть пропущен сетью при условии соблюдения требований по качеству обслуживания. Таким образом, пропускная способность сети связи - это базовый показатель, позволяющий прогнозировать доходы оператора связи. Следует отметить, что получение сверхприбылей в сетях связи за счет пропуска внепланового трафика связано, как правило, с нарушениями требований по качеству обслуживания. В условиях жесткой конкуренции пренебрежение качеством обслуживания может вызвать сокращение клиентской базы. Информация представлена в виде сообщений - совокупности знаков либо непрерывных сигналов, являющихся переносчиками информации. Дискретные сообщения сформированы в результате последовательной выдачи источником сообщений отдельных элементов (знаков). Непрерывные сообщения не разделяются на отдельные элементы, они характеризуются непрерывными сигналами - непрерывными функциями времени. Под каналом связи понимается совокупность технических средств и среда распространения сигналов для односторонней передачи информационных данных от отправителя (именуемого источником) к получателю (именуемого приемником). Сеть передачи данных (СПД) - это совокупность оконечных устройств (так называемых терминалов) связи, которые объединены каналами передачи данных и коммутирующими устройствами (то есть узлами сети). Протокол передачи данных - набор соглашений интерфейса логического уровня, которые определяют обмен данными между различными программами. Пропускная способность - это метрическая характеристика, которая демонстрирует соотношение предельного количества проходящих единиц информации в единицу времени через канал, систему или узел связи. Решение задачи Пусть дискретный канал передачи данных определяется следующими характеристиками: { } i Xx = - алфавит источника сообщений; { } i Yy = - алфавит получателя сообщений; (/) HXY - потери информации; (/) H Y X - ложная информация, которая возникает при помехах; ( , ) I Y X - количество информации, которая была передана по каналу связи. Иногда удобней использовать пропускную способность канала, рассчитанную не на один входной символ, а на единицу времени 1 1 , CC T ′= бит/с. Выражение для пропускной способности канала связи вида ( ) 2 1 log 1 ssCF = +ρ получено с помощью оценки вероятности ошибки при передаче сообщений. Здесь C - пропускная способность, бит/с; s F - максимальная частота сигнала, 1 / S S n PPρ= - отношение «сигнал/шум» на входе приемника канала связи. Данное выражение получается из анализа геометрических структур в сигнальных пространствах. Для этого сигнал ( ) st с ограниченным спектром представляется рядом функций вида sin . x x При рассмотрении теоретических и практических вопросов изучения пропускной способности сети необходимо различать номинальную и эффективную пропускные способности. Номинальная пропускная способность - это битовая скорость передачи данных, поддерживаемая на интервале передачи одного пакета. Эффективная (полезная) пропускная способность канала связи - это средняя скорость передачи пользовательских данных. Здесь под пользовательскими данными понимаются данные, содержащиеся в поле данных каждого пакета. Очевидно, что в общем случае эффективная пропускная способность протокола будет ниже номинальной в силу присутствия в пакете различной служебной информации. Кроме того, это может быть обусловлено и присутствием пауз между передачей отдельных пакетов. Современные информационные системы (ИС) предприятий и организаций все шире используют подключение к сети Internet для реализации облачной модели эксплуатации программного обеспечения классов ERP (Enterprise Resource Planning, планирование ресурсов предприятия), MRP (Manufacturing Resources Planning, планирование ресурсов производства), CRM (Customer (Client) Relationships Management, управление взаимоотношениями с клиентами) и т. д., а также офисных программных продуктов типа Microsoft Offi ce 365, что позволяет уменьшить необходимое количество лицензий, более гибкое использование и экономию ресурсов для их приобретения. Пусть каждое устройство, работающее в локальной компьютерной сети (ЛКС), использует несколько различных программных приложений для решения некоторого определенного количества задач. Данные, генерируемые этими приложениями, передаются через межсетевой экран во внешнюю сеть. Тогда трафик ñ V через межсетевой экран, генерируемый этими приложениями с одного сетевого устройства, есть сумма вида VV = =∑ (1) Если каждая задача может быть решена с помощью запуска нескольких типов программных приложений, то общий трафик , ñfV генерируемый всеми возможными программными приложениями одного сетевого устройства для решения всего спектра задач, можно описать формулой 11 . vnl cf ik ki VV = = =∑∑ (2) Тогда общий трафик через межсетевой экран, генерируемый всеми устройствами ЛКС, есть 111 . vnlt acf i jk kji VV = = = =∑∑∑ (3) Определив, в какой период времени t необходимо передать рассчитанный по формуле (3) трафик, можно рассчитать требуемую пропускную способность межсетевого экрана для описанных выше задач и программных приложений для всех устройств, входящих в корпоративную сеть /.d acf BVt = (4) Приведенные формулы позволяют описать трафик через межсетевой экран, создаваемый программными приложениями, для которых не требуется обеспечение определенной пропускной способности сети. Ряд сетевых приложений требует обязательного выделения некоторой пропускной способности сети, обеспечивающей их минимальные потребности. Пропускную способность c B через межсетевой экран, генерируемый этими приложениями с одного сетевого устройства, представляет формула 1 , bn ci i BB = =∑ (5) где b n - число типов решаемых задач. Каждая задача может быть решена с помощью запуска нескольких типов программных приложений, требующих для работы определенную пропускную способность сети. Общая пропускная способность , cfB требующаяся для всех возможных программных приложений одного сетевого устройства для решения всего спектра задач, соответствует формуле 11 . bb tn cf ik ki BB = = =∑∑ (6) Тогда пропускная способность межсетевого экрана для приложений, требующих определенный ее минимум для работы, требуемая всеми сетевыми устройствами ЛКС, может быть описана формулой 111 . bnlt acf i jk kji BV = = = =∑∑∑ (7) Полная пропускная способность B межсетевого экрана для обработки всех типов данных всех приложений всех сетевых устройств ЛКС может быть определена по формуле: 111 . vnlt acf d acf i jk kji V B B B V t = = = = + = + ∑∑∑ (8) Пропускная способность межсетевого экрана r B выбирается на базе рассчитанной B следующим образом: имеется q стандартных пропускных способностей межсетевых экранов одной компании-производителя, отсортированных по возрастанию: 1, { BB = 2, B , … , mB , … . }qB В связи с быстрым увеличением объемов передаваемой информации необходимо выполнить прогнозирование развития ИС и ЛКС предприятия и ввести коэффициенты запаса для расчета пропускной способности межсетевого экрана . rB Учитывая постоянный рост трафика, расширение спектра решаемых задач и реализующих их программных продуктов, целесообразно выбирать коэффициент запаса в диапазоне 1,3…1,5. Заключение Поскольку ИС многих предприятий являются территориально распределенными, для связи сотрудников через сеть Internet между собой и с клиентами в бизнес-целях широко используются функции обмена мгновенными сообщениями, Internet-пейджеры, работа в многочисленных социальных сетях и других Internet-сервисах, без чего развитие современных бизнес-отношений совершенно невозможно. Поэтому каждая ЛКС обособленного подразделения предприятия, подключенная к Internet, должна быть защищена межсетевым экраном во избежание заражения вредоносным программным обеспечением, вторжения злоумышленников и связанной с этим потери данных, кражи интеллектуальной собственности и т. д. Важным вопросом в изучении пропускной способности канала является измерение показателей в территориально распределенных сетях, принадлежащих крупным предприятиям.

About the authors

L. G Shatov

Povolzhskiy State University of Telecommunications and Informatics

Samara, Russian Federation

References

Supplementary files