Аналіз об’єкту для якого проектується мережа

МЕТОДИЧНІ ВКАЗІВКИ

до виконання курсового проекту з дисципліни

«Проектування засобів та систем телекомунікаційних мереж»

(для студентів денної форми навчання по спеціальності
«Телекомунікаційні системи та мережі» 092401)

 

 

Розглянута на засіданні кафедри АТ

Протокол №9 від 22 жовтня 2007

Затверджена на засіданні

навчально-видавничої ради ДонНТУ

Протокол №3 від 05.03.08

 

-2008-

УДК 62-52621.398 (071)

 

Методичні рекомендації до курсового проекту за курсом "Проектування засобів та систем телекомунікаційних мереж" для студентів денної форми навчання по спеціальності 7.091402 "Телекомунікаційні системи та мережі" / Укл.: доц. Дегтяренко І.В., ас. Ступак Г.В., ас. Прядко Л.О. - Донецьк: ДонНТУ, 2008.- 58 с.

 

Даний курсовий проект спрямовано на опанування студентами теоретичних основ та практичних навичок проектування телекомунікаційних мереж зв’язку та підготовки к дипломному проектуванню.

Описано вимоги до структури, змісту та оформлення проекту. Наведено методики та приклади розрахунку параметрів мережі, що проектується.

 

 

Укладачі: доц. Дегтяренко І.В.

ас. Ступак Г.В.

ас. Прядко Л.О.

 

 

Рецензент: доц. Пасльон В.В.

1 Загальні положення та вимоги
до курсового проекту

 

Задачі курсового проектування:

- систематизація, закріплення, розширення та поглиблення теоретичних і практичних знань з дисципліни «Проектування засобів та систем телекомунікаційних мереж» та застосування цих знань при вирішенні конкретної задачі;

- розвиток навичок ведення самостійної роботи з проектування телекомунікаційних мереж та оволодіння методикою їх теоретичного й експериментального дослідження.

У курсовому проекті повинні бути розглянуті наступні питання:

- аналіз об’єкта для якого проектується телекомунікаційна мережа;

- аналіз існуючих рішень і мережевих технологій з точки зору доцільності використання в рамках даного проекту;

- розробка концепції побудови та формування архітектури телекомунікаційної системи (вибір топології, типів ліній зв’язку, синтез структурної схеми та ін.);

- розрахунок інформаційних потоків розглянутого об'єкта та планування навантажень на канали зв’язку;

- розробка технічного завдання на проектування телекомунікаційної мережі;

- розробка технічних рішень по реалізації мережі (вибір апаратної частини і програмного забезпечення, конфігурування елементів мережі, розробка СКС);

- формування графічної частини курсового проекту (креслення, схеми й ін.);

- оцінка показників якості спроектованої мережі (математичне чи імітаційне моделювання роботи розробленої телекомунікаційної системи, оцінний розрахунок її характеристик).

Курсовий проект повинен складатися з графічної частини та пояснювальної записки.

Графічна частина проекту – це комплект проектних креслень, які відображають прийняті проектні рішення (структурні, функціональні схеми, схеми СКС та між блочних з’єднань). Мінімальний об’єм графічної частини – два аркуша формату А2.

Пояснювальна записка – текстовий документ, що містить опис розроблювальної системи, обґрунтування прийнятих технічних рішень із приведенням необхідних розрахунків і даних. Приблизний об’єм пояснювальної записки – 45-60 сторінок.

Курсовий проект оформлюється відповідно до діючого ДСТУ 3008-95. Деякі вимоги до оформлення проекту наведено в розділі 4 даних методичних вказівок.

 

 

2 Вимоги до структури та змісту курсового проекту

 

Пояснювальна записка до курсового проекту має складатись з наступних розділів та додатків:

1. Аналіз об’єкту для якого проектується мережа.

2. Вибір концепції побудови мережі.

3. Апаратний синтез мережі.

4. Конфігурування устаткування (необов’язковий розділ для студентів заочної форми навчання).

5. Оцінка показників якості спроектованої мережі.

Додаток А – Технічне завдання на проектування

Вимоги до структури та змісту окремих розділів наведені нижче.

 

Аналіз об’єкту для якого проектується мережа

 

Даний розділ повинен висвітлювати наступні питання:

– опис об’єкта, для якого проектується мережа;

– опис існуючої мережі, та визначення її основних вад і обґрунтування необхідності модернізації та/або впровадження нової телекомунікаційної мережі;

– інформаційна модель об’єкта;

– розрахунок інформаційних потоків в межах об’єкта для якого проектується мережа;

– висновки.

Опис об¢єкта представляє собою стислу характеристику структури об’єкту та сфери його діяльності. Повинен бути описаний розподіл абонентів за географічною, функціональною та іншими ознаками. Обґрунтована актуальність впровадження мережі в цілому, та обов’язково сформульована мета проектування (тобто навіщо потрібна мережа, і що вона дає підприємству).

Другий підрозділ полягає в висвітленні недосконалостей існуючої мережі та її структури. В цьому пункті необхідно визначитися з причинами модернізації/побудови мережі в цілому, або окремих її сегментів/компонентів.

Підрозділ «Інформаційна модель об’єкта» спрямовано на детальний аналіз інформаційних зв’язків об’єкту, для якого проектується мережа. В ньому слід здійснити наступні кроки:

- визначити набір мережевих послуг, що мають бути надані абонентам;

- визначити кількість абонентів (користувачів) кожної мережевої послуги (визначення кількості абонентів необхідно робити з урахуванням перспективи розвитку протягом наступних 5-10 років);

- поділити абонентів на робочі групи та виділити окремі вузли мережі, що проектується;

- побудувати схему інформаційних зв’язків об’єкта (інформаційну модель) та проаналізувати її.

 

2.2 2.2 Розробка технічного завдання

 

2.2.1 Загальні відомості

 

В додатку А пояснювальної записки до курсового проекту має бути наведено технічне завдання (ТЗ) на проектування. Воно має відповідати наведеної далі формі. ТЗ складається на основі аналізу існуючої проблеми, а також методів її рішення спільно замовником і розроблювачем. У його складанні може брати участь також споживач системи, що проектується.

Технічне завдання розробляється протягом роботи над першими двома розділами курсового проекту. Остаточна редакція ТЗ формується після синтезу функціональної схеми мережі.

ТЗ – технічний документ, що має юридичну чинність. На його основі зважуються всі суперечні питання щодо якості і складу проектованої системи.

Нижче наведені пункти ТЗ та пояснення до їх змісту. Деякі пункти ТЗ можуть бути відсутні.

Технічне завдання підписується студентом та його керівником НДРС. В дипломному проекті ТЗ окрім того підписується нормоконтролером та консультантом з проектування, та затверджується завідувачем кафедри.

 

2.2.2 Структура та зміст ТЗ

 

1. Найменування й область застосування мережі (системи)

1.1 Повне найменування об'єкта проектування (відповідно до теми дипломного чи курсового проекту), умовна позначка (може бути відсутня).

1.2 Область застосування (можливі області застосування відповідно до теми проекту).

1.3 Загальна характеристика об'єкта, у якому використовується мережа (система).

2 Підстава для проведення розробки

2.1 Завдання на курсовий проект за дисципліною „Проектування засобів та систем телекомунікаційних мереж”.

2.2 План НДРС на тему _____________________

3 Мета і призначення розробки

3.1 Мета розробки - формулюється той техніко-економічний або соціальний ефект, який повинний бути забезпечений даною розробкою.

3.2 Призначення розробки - приводиться перелік основних і допоміжних функцій об'єкта проектування (розробки), перелічуються послуги.

4 Джерела розробки

4.1 Приводиться бібліографічний опис науково-технічних звітів, найменування інструкцій, паспортів на вироби.

4.2 Матеріали НДРС, курсового проектування, звіту про переддипломну практику.

5 Технічні вимоги

5.1 Вимоги до структури та складу мережі

5.1.1 Найменування, кількість і призначення складових частин мережі - приводиться перелік конструктивних одиниць на рівні функціональних блоків та вказується їхнє призначення.

5.1.2 Вимоги до топології метрежі та типів каналів зв'язку (пишеться на основі структурної та функціональної схем мережі).

5.1.3 Вимоги до мережних технологій, протоколів, які повинні використовуватись в мережі.

5.2 Показники призначення

В цьому пункті надаються основні технічні параметри мережі, що визначають якість роботи системи (наприклад: пропускна здатність, кількість абонентів, типи мережних послуг, параметри QoS та ін.).

5.3 Вимоги до технічних характеристик окремих елементів мережі (кількість портів, швидкість роботи, інтерфейси, протоколи та ін.).

5.4. Вимоги до технологічності, уніфікації та стандартизації (вказуються конкретні назви стандартів, якім повинна відповідати мережа та її елементи).

5.5 Вимоги до безпеки та захисту інформації.

5.6 Вимоги до структурованої кабельної системи (СКС).

5.6.1 Вимоги то ліній зв’язку та способу їх кріплення.

5.6.1 Вимоги до розташування устаткування.

5.7 Вимоги до умов експлуатації мережі та її елементів. Тут описуються умови, при яких повинна забезпечуватися робота виробу з заданими показниками: припустимі впливи кліматичних факторів і механічних впливів; умови взаємодії даної системи з іншими при експлуатації.

5.8 Вимоги до надійності системи. В даному розділі позначається критерій відмовлення, показники безвідмовності та ремонтопридатності. Ці показники повинні бути не нижче нормативних.

6 Економічні показники. В даному пункті висуваються вимоги до економічної ефективності, строку окупності, суми витрат на розробку й експлуатацію мережі, лімітна ціна та ін.

7 Вимоги до чисельності та кваліфікації персоналу.

8 Стадії та етапи розробки (у вигляді таблиці). Указується, що проект відповідає стадії "Технічне проектування", і приводиться перелік документів проекту та етапів виконання проекту. Також указується термін закінчення та здачі проекту.

 

2.3 Вибір концепції побудови мережі

 

Даний розділ повинен складатись з наступних підрозділів:

– вибір топології мережі та каналів зв’язку;

– вибір мережених технологій;

– опис типових архітектурних рішень обраних технологій та їх порівняння;

– синтез структурної схеми мережі;

– опис роботи функціональної схеми;

– висновки.

Від вибору топології та типів каналів зв'язку істотно залежать багато характеристик мережі. Наприклад, наявність між вузлами декількох шляхів підвищує надійність мережі та робить можливим балансування завантаження окремих каналів. Простота приєднання нових вузлів дозволяє мережі легко розширюватися. Економічні розуміння часто приводять до вибору топологій, для яких характерна мінімальна сумарна довжина ліній зв'язку.

Вибір оптимальної лінії зв'язку повинен вироблятися з обов'язковою прив'язкою до місцевості об'єкта, для якого проектується мережа та з урахуванням основних технологій. Вибір мережного устаткування цілком залежить від обраної базової технології побудови телекомунікаційної мережі. Для передачі сигналів у мережах використовуються наступні види каналів зв'язку: кабельні, радіорелейні, супутникові, оптичні і радіоканали. Від використання тих чи інших типів ліній зв’язку також багато залежить. В цьому пункті необхідно провести порівняльний аналіз тих чи інших типів ліній зв¢язку та топологій без поглиблення до рівня принципів функціонування взагалі, а в умовах мережі, що проектується.

У підрозділі присвяченому вибору технологій необхідно провести порівняльну характеристику декількох технологій побудови телекомунікаційних мереж, які є найбільш доцільними для даного об'єкта проектування. Перелік технологій може бути зазначений у завданні на проект чи додатково погоджений з керівником проекту. Порівняння може бути виконане у виді послідовного перерахування всіх основних особливостей, переваг та недоліків зазначених технологій стосовно заданого об’єкта. Підсумком даного порівняння повинна бути зведена таблиця, що наочно демонструє розходження між технологіями. Критеріями вибору мережених технологій можуть бути:

- кількість наданих служб;

- кількість абонентів;

- параметри якості обслуговування (QoS):

- масштабованість мережі;

- вартість реалізації мережі та її обслуговування;

- окупність інвестицій;

- сумісність з існуючою системою кабельних ліній;

- сумісність з наявним мережним устаткуванням;

- можливість взаємозв'язку з іншими мережами.

Щодо структурної схеми мережі, то вона формується на базі аналізу типових архітектурно-топологічних рішень обраних технологій. При цьому необхідно визначитися зі складом мережі, розміщенням та номенклатурою устаткування. Структурна схема повинна відображати склад та архітектуру всієї мережі. Крім того на ній може бути показано приблизне розміщення устаткування. В пояснювальній записці має бути наведено опис структурної схеми.

Функціональна схема має відображати принципи роботи мережі. Тут достатньо відобразити тільки типові вузли мережі. На цій схемі повинні обов’язково бути зазначені всі протоколи і логічні інтерфейси, що використовуються в мережі. Устаткування відображається на рівні функціональних модулів та блоків. Опис роботи схеми повинен містить порядок надання та обробки запитів від різних елементів мережі.

 

 

2.4 Апаратний синтез мережі

 

Даний розділ проекту повинен включати до себе:

– вибір активного мережного устаткування;

– вибір пасивного устаткування;

– синтез схеми з’єднань;

– розробку СКС для одного з вузлів мережі;

– висновки.

На основі аналізу вимог ТЗ обирається відповідна елементна база системи (активне устаткування): конкретні види і типи обладнання певних виробників – комутаційне обладнання, з’єднувальні лінії і та ін. Важливим при цьому є питання сумісності обладнання, тому найкраще вибирати обладнання однієї фірми-виробника. Необхідно передбачити можливість коректного з’єднання обладнання між собою.

Що стосується вибору пасивного обладнання, в рамках курсового проекту слід розрізняти пасивне обладнання телефонної та комп¢ютерної мереж, або структуровану кабельну системи. Якщо проектується суто комп¢ютерна чи телефонна мережа, то необхідно обирати відповідні пасивні компоненти, якщо ж мережа є комбінованою, то основною вимогою є побудова СКС.

Підпадає висвітленню також функціональна схема, яка повинна відображати принципи роботи мережі. На ній повинні бути вказані протоколи, логічні інтерфейси, що застосовуються в мережі, та обладнання. В пояснювальній записці необхідно описати роботу мережі в цілому спираючись на функціональну схему мережі.

 

2.5 Налаштування активного та пасивного устаткування

 

Після вибору устаткування формується схема з’єднань всієї мережі, чи окремого вузла. На цій схемі повинні бути відображені всі фізичні інтерфейси та типи кабелів, що використовуються у мережі. У пояснювальній записці повинно бути наведено опис цієї схеми. Також тут може бути наведена схема СКС вузла мережі та вимоги до її прокладки.

Конфігурування мережі може містити скріншоти чи лістінги програм налаштування мереженого устаткування. У разі наявності у складі системи, що проектується, IP-пристроїв, виконується їх конфігурування (надання IP-адрес, налаштовування комутаторів, маршрутизаторів та ін.). Багато в чому ці налаштовування залежать від обраного протоколу взаємодії. У даний момент існує маса протоколів, але найбільше поширення одержав протокол IP (Internet Protocol). Величезним плюсом даного протоколу є те, що він абсолютно не залежить від базових технологій побудови мереж. Т.ч. він здатний забезпечити як внутрішньомережеву взаємодію, так і взаємодія між мережами що відрізняються як по топології побудови, так і по базових технологіях. По суті, протокол IP – програмний модуль, що легко інтегрується в мережну ОС чи мережне устаткування. Протокол IP використовує власну систему адресації і власний адресний простір. Однією з головних задач конфігурування мережі є призначення IP адрес мережним інтерфейсам вузлів мережі. Відповідно необхідно вирішити задачу раціонального поділу адресного простору.

В разі неможливості наведення лістінга налаштування мережного обладнання необхідно описати основні параметри, які підлягають налаштуванню та чому вони повинні дорівнювати.

 

2.6 Оцінка якісних характеристик системи

 

В даному розділі наводяться результати імітаційного моделювання спроектованої мережі або результати аналітичних розрахунків деяких параметрів технічної ефективності мережі.

Параметри технічної ефективності описують роботу мережі як складний апаратно-програмно-інформаційний комплекс. Дані параметри можуть використовуватися для оцінки ефективності окремих блоків мережі. Для опису технічної ефективності мереж зв'язку використовуються наступні параметри:

1) Пропускна здатність. У загальному випадку С_мережі ¹ С_кз.

2) Затримка часу, внесена в передачу даних.

3) Швидкість передачі кадрів в одиницю часу.

4) Залежність часу затримки від середньої пропускної здатності.

Для оцінки показників якості окремих блоків мережі використовуються наступні параметри:

1) Інтегральна пропускна здатність ланки мережі на відрізку часу.

2) Динамічна пропускна здатність ланки мережі, що представляє собою кількість запитів мережі, що обслуговуються ланкою, на відносно невеликому інтервалі часу.

3) Середній час реакції ланки на запит користувача. Він складається з часу чекання запиту і часу обслуговування запиту.

4) Максимально можлива кількість активних абонентів.

5) Коефіцієнт затримки обслуговування. Це відношення середнього часу реакції до запиту об'єкта при максимальній активності абонентів.

Також однією з найважливіших характеристик мережі є затримки при передачі даних. Значення часу доставки є дуже важливою мережною характеристикою для служб, здійснюваних у реальному масштабі часу, тобто для телефонії, відеотелефонії й організації розподілених обчислень. У підрозділі 3.5 даних методичних вказівок наведено методику та приклад розрахунку затримки у мережі FR.

Імітаційне моделювання можна проводити за допомогою одного зі спеціалізованих пакетів (САПР), таких як MatLab, NetCracker, RPS, OptNet, ComNet, PowerSim, LabView та ін.

В пояснювальній записці повинно бути наведено опис створення, налаштування моделі, аналіз результатів моделювання та рекомендації що до їх використання.

 

3 Методики розрахунку параметрів мережі

 

3.1 Методика розрахунку трафіку мультисервісної мережі

 

В основі даної методики розрахунку трафіку полягають імовірності характеристики потоку даних, які генеруються різними мережними додатками.

Для використання цієї методики необхідно мати інформацію про:

- приблизну структуру мережі;

- кількість абонентів у кожному вузлі мережі;

- розподіл абонентів по різних класах обслуговування;

- перелік наданих мережних послуг;

- характеристики послуг.

Трафік розраховується окремо для кожного виду послуги на кожному мережному вузлі. Формула (3.1) для розрахунку має вигляд:

 

, (3.1)

 

де – номер мережної послуги;

– номер вузла;

– математичне очікування трафіку, який генерується k -ю послугою на і -му вузлі;

– швидкість передачі даних (у бітах чи пакетах на секунду) – середня пропускна здатність каналу зв’язку, якої достатньо для якісної передачі трафіку k -ї послуги;

– кількість абонентів на і -му вузлі, які користуються k -ю послугою;

– вірогідність використання к -ї послуги в час найбільшого навантаження (ЧНН).

 

. (3.2)

де - кількість викликів в ЧНН к -ї послуги.

– середня тривалість сеансу зв’язку для k -ї послуги;

– середня кількість викликів у час найбільшого навантаження для користувачів і -го вузла, які використовують k -у послугу.

Тут швидкість передачі даних знаходиться за формулою (3.3):

 

, (3.3)

 

де – максимальна пропускна здатність каналу зв’язку;

– пачковість на одного абонента – відношення між максимальною та середньою пропускною здатністю, необхідною для забезпечення k -ї послуги; ця величина характеризує вибухообразність трафіку.

Сумарний трафік, що генерується на і -му вузлі, дорівнює:

 

. (3.4)

 

Навантаження йде трьома напрямками:

- замикається всередині вузла;

- передається в сусідні вузли;

- передається до зовнішніх мереж.

Існує два підходу до розрахунку внутрішнього навантаження та вихідного трафіку:

1) Перший метод полягає у завданні коефіцієнтів, які показують долю трафіку в кожному напрямку: k₁ – у внутрішню мережу, k₂ – у сусідні вузли, k₃ – до інших мереж. При цьому має місце співвідношення:

 

. (3.5)

 

2) На кожному етапі аналізу мережної послуги визначають, які послуги є внутрішніми, які пов’язані з сусідніми вузлами, а які – з зовнішніми мережами. Необхідно враховувати долю службової інформації, що передається мережею (це буде ясно після вибору технології та протоколу передачі).

У випадку, якщо є послуги реального часу з постійним завантаженням певної смуги пропущення, то при виборі каналів обов’язково необхідно, щоб пропускна здатність каналу зв’язку була не меншою за необхідну смугу пропущення.

У таблиці 3.1 наведені орієнтовні характеристики деяких абонентських служб.

 

Таблиця 3.1 – Параметри трафіку широкомовних інтерактивних служб

Служба	Максимальна швидкість	Пачечність	Тривалість сеансу зв’язку Тс, с	Вхідне навантаження у ГНН (Ерл)
Телефонія IP телефонія	64 Кбіт/с 8-16 Кбіт/с		100..300	0,3..0,5
Факс (кольоровий)	2 Мбіт/с			0,01..0,03
Передача файлів	2 Мбіт/с	10..100	2..5	0,2..1
Відео-телефонія	10 Мбіт/с			0,05... 0,1
Пошук документів	64 Кбіт/с			0,05... 0,1
Дані за вимогою	64 Кбіт/с			0,2... 0,5
Інтернет	128-512 Кбіт/с			0.5...0.9

 

 

3.2 Побудова матриці інформаційних тяжінь.

 

Матриця інформаційних тяжінь розраховується для мереж з кількістю вузлів більше 5.

 

Таблиця 3.2 – Матриця інформаційних тяжінь

	A	B	C	D	E	γвихі
A
B
C
D
E
γвхі

 

; (3.6)

; (3.7)

, (3.8)

де – коефіцієнт інформаційного тяжіння по навантаженню;

– коефіцієнт інформаційного тяжіння по відстані.

 

3.3 Приклад розрахунку параметрів SDH-мережі

 

Приведемо приклад розрахунку параметрів мережі SDH. Необхідно обрати топологію мережі та рівень компонентів мережі SDH, якщо відомо навантаження в потоках Е1 між вузлами (дивися таблицю 3.3 нижче головної діагоналі) та резервне навантаження (вище головної діагоналі).

 

Таблиця 3.3 – Вхідні дані

	-
		-
			-
				-
					-

 

Схема зв'язку вузлів між собою наведена на рисунку 3.1:

Рисунок 3.1 – Схема зв'язку вузлів мережі SDH

Розв’язання.

1) Відповідно до топології мережі складемо таблицю зв’язків між вузлами (табл. 3.4):

 

Таблиця 3.4 – Зв’язки між вузлами мережі SDH

Зв'язок	Лінії
Основні лінії:
1-2	1-2
1-3	1-3
1-4	1-2-4
1-5	1-3-5
2-3	2-1-3
2-4	2-4
2-5	2-4-5
3-4	3-5-4
3-5	3-5
4-5	4-5
Резервні лінії:
1-2	1-3-5-4-2
1-5	1-2-4-5
2-4	2-1-3-5-4

 

2) Знаходимо навантаження на з’єднувальні лінії мережі (табл. 3.5):

Таблиця 3.5 - Навантаження на з’єднувальні лінії мережі

Лінія	Навантаження
1-2	20+25+10+5+5=65
1-3	15+30+10+5+5=65
3-5	30+5+5+5+5=50
4-5	10+5+5+5+5+5=35
2-4	25+10+10+5+5=55

 

3. Отже, обрана вище топологія в цьому випадку не є оптимальною через те що на лініях 1-2 та 1-3 требо встановлювати або комутатори рівня STM-4, або декілька комутаторів рівня STM-1, які будуть дуже неефективно використовуватися (63E1 відповідають STM-1).

Далі можна запропонувати іншу топологію (див. рис. 3.2) і провести розрахунки для неї.

Рисунок 3.2 – Схема топології мережі SDH

4) Відповідно до рисунку складаємо таблицю зв’язків (табл. 3.6):

 

Таблиця 3.6 – Відношення “зв’язки-лінії”

Зв'язок	Лінії
Основні лінії:
1-2	1-2
1-3	1-3
1-4	1-2-4
1-5	1-3-5
2-3	2-3
2-4	2-4
2-5	2-4-5
3-4	3-5-4
3-5	3-5
4-5	4-5
Резервні лінії:
1-2	1-3-2
1-5	1-2-4-5
2-4	2-3-5-4

 

5) Тепер знайдемо навантаження, які відповідають лініям (табл. 3.7).

 

Таблиця 3.7 – Навантаження, які відповідають лініям

Лінія	Навантаження
1-2	20+25+5=50
1-3	15+30+5=50
3-5	30+5+5+5=45
4-5	10+5+5+5+5=30
2-4	25+10+10+5=50
2-3	10+5+5=20

 

Таким чином ми можемо використовувати на всіх ділянках і вузлах комутатори рівня STM-1.