Построение сетевых моделей кратко

Обновлено: 30.06.2024

На заре создания компьютерных сетей были разработаны модели взаимодействия сетевых устройств, которые описывали программную и аппаратную реализации. Среди разработанных моделей наибольшее распространение получили:

Сетевая модель OSI (Open Systems Interconnection).
Модель DOD (Семейство TCP/IP).
Модель SPX/IPX.

Сетевая модель — это описание принципов работы протоколов сетевого взаимодействия, спецификация которых закреплена в стандартах связи и используется для передачи данных в цифровом виде.

Сетевая модель OSI

Для того чтобы корректно описать совместную работу сетевых устройств необходимо рассмотреть разные аспекты организации связи между ними. Модель OSI разбивает систему построения связи между сетевыми устройствами на уровни:

Физический.
Канальный.
Сетевой.
Транспортный.
Сеансовый.
Представления.
Прикладной.

Первые три уровня описывают среду передачи данных.

Физический уровень

Физический уровень (physical layer) отвечает за аппаратную реализацию передачи битов информации, то есть обеспечивает работу физических устройств: сетевых адаптеров, концентраторов, повторителей, медиаконвертеров (устройств для преобразования сигнала при переходе из сети с одной средой передачи данных в сеть с другой средой).

На физическом уровне рассматривают среды передачи данных: последовательный или параллельный порт, коаксиальный кабель, витая пара, радиоканал, оптоволокно, спутниковый интернет и т.д. Для передачи данных на физическом уровне существуют свои протоколы, то есть правила, по которым должен быть преобразован и передан сигнал с данными. Вы наверняка встречались с такими протоколами: IEEE 802.15 (Bluetooth), 802.11 Wi-Fi, GSM, DSL.

Канальный уровень

Канальный уровень (data link layer) используется для организации передачи данных по сети между устройствами и для контроля ошибок целостности данных. Если на физическом уровне обеспечивается передача битов информации, то на канальном — передача кадров (фреймов).

Каждый кадр позволяет передать 1446 байтов информации и содержит кроме служебной информации контрольную сумму кадра — хэш-сумма, которая рассчитывается по данным перед передачей и после передачи позволяет проверить сохранность данных. После получения хэш-сумма вновь рассчитывается по пришедшим данным и должна совпасть с той, которая передаётся в кадре. Если совпадает, можно считать, что данные переданы верно.

Сетевой уровень

Сетевой уровень (network layer) позволяет прокладывать путь данных по сети от одного сетевого устройства к другому, то есть определяет маршрут.

Создатели интернета спроектировали работу сетевых устройств как распределённой системы. Работу такой системы очень сложно парализовать. Путь внутри сети определяется для каждого пакета отдельно. Такая архитектура системы сложна, но обеспечивает устойчивое взаимодействие устройств, которые соединены любым образом в единую сеть.

Транспортный уровень

Транспортный уровень (transport layer) обеспечивает необходимую целостность данных и выстраивает пакеты в правильный порядок.

Веб-разработчикам чаще всего приходится сталкиваться с протоколами TCP и UDP. TCP используется для данных, целостность и порядок которых должны быть гарантирована, UDP — для данных, целостность которых важна только в конкретный момент времени внутри небольшого блока.

Вы наверняка знакомы с подёргиванием видео или небольшими прерываниями звука, если пользовались потоковыми сервисами (например, YouTube, Apple Music, Spotify и другими), которые используют под капотом в основном UDP. Зато, когда загружается страничка какого-то сайта, потерь нет. Это как раз проверка целостности на уровне протокола TCP.

Сеансовый уровень

Сеансовый уровень (session layer) позволяет организовать сеанс связи между устройствами сети. Это необходимо для работы приложений.

Вы можете знать протокол RPC (Remote Procedure Call Protocol — удалённый вызов процедур), если пользовались API на его основе (например, JSON-RPC, GraphQL или gRPC). Однако более распространённый протокол PPTP (Point-to-Point Tunneling Protocol) менее известен широкой аудитории, при этом используется он, например, для организации работы VPN (Virtual Private Network), обеспечивая туннель между компьютером и локальной сетью, имеющей подключение к интернету.

Уровень представления

Уровень представления (presentation layer) служит для организации преобразования данных (кодирования и декодирования), преобразования протоколов и прочих служебных задач высокого уровня.

С помощью протоколов этого уровня данные в форматах, которые используются на более низких уровнях, преобразуются к формату, который подходит для работы приложений. На этом уровне появляются абстракции представления данных — форматы и структуры данных, что позволяет подготовить данные к пересылке по сети и произвести обратное преобразование.

Например, преобразование изображений от битов, которые путешествуют по сети, к форматам типа JPEG или TIFF происходит именно на этом уровне.

Прикладной уровень

Прикладной уровень (application layer) — уровень приложений, то есть уровень, который обеспечивает максимальный уровень абстракции данных.

Другие модели

Безусловно модель OSI очень сложна и не раз подвергалась критике. В то же время эта модель предоставляет наиболее полное представление о том, как передаются данные по сети — от физической среды для передачи данных до особенностей организаций данных в специальные структуры, форматы и системы.

Иногда из модели OSI выделяют несколько уровней или отдельные семейства протоколов, которые могут использоваться для конкретных практических задач на программном уровне, в отрыве от конкретной на уровне аппаратной реализации. Примером могут служить модели DOD, IPX/SPX или AppleTalk. Но это удобно лишь с практической точки зрения: отсечь всё лишнее, чтобы вести разработку программного обеспечения наиболее эффективным способом.

Модель TCP/IP разрабатывалась для описания протоколов передачи данных в распределённых сетях и использовалась при проектировании оборудования и создания программного обеспечения для прообраза современного интернета. Четыре уровня этой модели соответствуют семи уровням модели OSI следующим образом:

Уровень сетевого доступа TCP/IP (Network Access Layer) включает:
- Физический уровень OSI.
- Канальный уровень OSI.
Межсетевой уровень TCP/IP (Internet Layer) соответствует:
- Сетевому уровню OSI.
Транспортный уровень TCP/IP (Transport Layer) соответствует:
- Транспортному уровню OSI.
Прикладной уровень TCP/IP (Application layer) включает:
- Прикладной уровень OSI.
- Представления уровень OSI.
- Сеансовый уровень OSI.

Модель IPX/SPX была разработана изначально для организации сетей в операционной системе DOS. Протоколы IPX для маршрутизации и SPX для передачи данных были широко распространены в 90-х годах прошлого века, а потом уступили пальму первенства стеку TCP/IP, поскольку не обладали достаточной эффективностью при передаче данных в глобальных сетях. Сейчас количество операционных систем, в которых реализован стек протоколов IPX/SPX стремительно сокращается. Модель IPX/SPX использует три уровня, аналогичных модели OSI:

Сетевой.
Транспортный.
Сеансовый.

На практике

Игорь Коровченко

Мониторинг пакетов

Существуют специальные утилиты, которые позволяют просматривать пакеты в сетевом трафике, что позволяет разобраться с работой того или иного сетевого устройства. В Linux и большинстве Unix-подобных систем есть консольная утилита tcpdump, есть и кросс-платформенная утилита Wireshark с графическим интерфейсом. Эти две утилиты в основном и используются для мониторинга пакетов.

Wireshark

Утилиту Wireshark можно скачать и установить с официального сайта. Она опенсорсная и имеет графический интерфейс, который состоит из трёх частей (сверху вниз):

список пакетов, пересылаемых по сети;
пакет, представленный в текстовом виде;
пакет, представленный в бинарном виде.

В Wireshark есть предустановленные фильтры, но можно формировать и собственные с помощью мастера или вручную в строке фильтрации в самом верху окна. Утилита Wireshark поможет веб-разработчику детально разобраться с пакетами, которые отправляются серверу или приходят от сервера. Если веб-сервер установлен на компьютере с Wireshark, можно посмотреть, как пользователи работают с сайтом.

Мониторинг пакетов также может помочь выявить аномальный трафик и проанализировать безопасность компьютера с точки зрения его работы с сетью. Данные можно сохранять в текстовый файл для последующего анализа в Wireshark или любым другим способом.

Tcpdump

Если графический интерфейс не доступен, например, вы настраиваете удалённый сервер, можно использовать tcpdump. Чтобы просмотреть трафик, надо набрать команду:

Не забывайте, что на некоторых операционных системах, утилиту необходимо запускать от имени администратора.

Пакеты можно фильтровать. Например, чтобы вывести пакеты, которые приходят на 80-й порт по протоколам транспортного уровня TCP или UDP, нужно выполнить команду:

Информацию можно выводить в файл, а не в терминал. Для этого нужно указать соответствующий ключ:

Чтобы прочитать этот файл, можно использовать Wireshark, который поддерживает данные в формате PCAP, или тот же tcpdump:

Сетевая модель (сетевой график, сеть) – это математическая модель, отражающая комплекс работ и событий, отображающих процесс достижения определенной цели и связанных с реализацией некоторого проекта, их технологической и логической последовательностью и связями. Сетевая модель (СМ) может быть представлена в виде графика или таблицы.

Анализ сетевой модели – это выявление взаимосвязи этапов реализации проекта и определение наиболее оптимального порядка выполнения этих этапов с целью сокращения сроков выполнения.

Основные понятия СМ: событие, работа и путь. На рисунке 7.1 представлена СМ, состоящая из 11 событий (кружки на рисунке) и 16 работ (стрелки), продолжительность выполнения которых указана над стрелками.

Рисунок 7.1 – Сетевая модель

Работа характеризует материальное действие, требующее использования ресурсов, или логическое действие, требующее лишь взаимосвязи событий. Работа обозначается парой упорядоченных чисел (i, j), где i – номер события, из которого выходит стрелка, обозначающая работу, j – номер события, в которое она входит. Работа не может начаться раньше, чем совершится событие, которое ей предшествует. Каждая работа имеет определенную продолжительность t(i, j). Например, запись t(2, 6) = 5 означает, что работа (2, 6) имеет продолжительность 5 единиц. К работам относятся также процессы, не требующие ни ресурсов, ни времени выполнения. Они заключаются в установлении логической взаимосвязи работ и показывают, что одна из них непосредственно зависит от другой; такие работы называются фиктивными, на графике изображаются пунктирными стрелками (рисунок 7.1, работа (4, 6)).

Событие – это результат выполнения одной или нескольких работ. Оно не имеет протяженности во времени, так как совершается в тот момент, когда оканчивается последняя входящая в него работа. События имеют порядковый номер i (i = ). В СМ имеется начальное событие (1), не имеющее предшествующих работ и событий, из которого работы только выходят, и конечное (N), в которое работы только входят, не имеющее последующих работ и событий.

Путь – это цепочка следующих друг за другом работ, соединяющих начальную и конечную вершины. На рисунке 7.1 путями являются L₁ = (1, 2, 6, 9, 11), L₂ = (1, 4, 7, 9, 11), L₃ = (1, 4, 6, 8, 11) и др. Продолжительность пути – это сумма продолжительностей составляющих его работ. Путь, имеющий максимальную длину, называют критическим (L_кр), его продолжительность – t_кр. Работы, принадлежащие критическому пути, называются критическими. Их несвоевременное выполнение ведет к срыву сроков всего комплекса работ.

Сетевые модели имеют ряд характеристик, которые позволяют определить степень напряженности выполнения отдельных работ, а также всего их комплекса и принять решение о перераспределении ресурсов. Но перед расчетом СМ следует убедиться, что она удовлетворяет следующим основным требованиям:

1. События правильно пронумерованы, то есть для каждой работы (i, j) i 0,8);

Сетевые графики (сетевые) модели являются мощным и гибким организационным инструментом менеджмента. Они позволяют осуществлять календарное планирование работ, оптимизацию использования ресурсов, сокращать продолжительность выполнения работ в зависимости от их стоимости или же увеличивать продолжительность исходя из бюджетных ограничений, организовывать оперативный менеджмент в ходе реализации деятельности. Сетевые графики занимают важнейшее место в современном проектном менеджменте.

Сетевой график представляет собой ориентированный граф (геометрическую фигуру, состоящую из вершин и направленных стрелок), изображающий все необходимые для достижения цели операции в их технологической взаимосвязи.

Основными понятиями сетевой модели являются:

Работа - это трудовой процесс, требующий затрат времени и ресурсов. В модели работа изображается в виде сплошной стрелки (дуги графа), над которой стоит цифра, показывающая ее продолжительность. Работа идентифицируется номерами начального и конечного события. Иногда в более сложных сетевых моделях допускается нанесение (сверху или снизу от стрелки) и других условных изображений, таких как наименование работы, ее стоимость, объем, исполнителя, продолжительности, количества ресурсов. С другой стороны, иногда используются модели без каких-либо числовых показателей и обозначений. Такая сеть называется структурной сетевой моделью, или топологией.

Рис. 4.1. Изображение на сетевом графике: а - работы и ожидания; б - технологического ожидания; в - зависимости событий

В понятие "работа" включается "процесс ожидания", т.е. процесс, не требующий затрат труда, но требующий затрат времени. Обычно ожидание изображают в виде пунктирной стрелки, над которой указывают продолжительность ожидания ( рис. 4.1 а, б).

Понятие работы учитывает "зависимость" между двумя или несколькими событиями, не требующую затрат времени, ресурсов, но показывающую логическую связь работ, например, что начало одной или нескольких работ зависит от результатов другой работы. На графике зависимость (или как часто ее не совсем правильно называют "фиктивная работа") показывается в виде пунктирной стрелки без указания времени.

Зависимость используется в сетевых графиках не только как технологическая или организационная связь, но и как элемент, необходимый для выполнения определенных правил построения сетевых графиков.

Событие - это результат выполнения одной или нескольких работ, позволяющий начинать другую работу. В сетевых моделях событие изображается, как правило, в виде кружка.

События не являются процессами и не имеют длительности, т.е. совершаются мгновенно. Поэтому каждое событие, включаемое в график, должно быть полно, точно и всесторонне определено (с точки зрения логической связи работ), его формулировка должна включать в себя результат всех непосредственно предшествующих ему работ.

Событие, стоящее в начале сетевого графика, в которое не входит ни одной работы, называется исходным событием. Событие, стоящее в конце сетевого графика, из которого не выходит ни одной работы, называется завершающим событием.

События делятся на простые и сложные. Простые события - это те, в которые входит одна работа. Сложные события - это те, в которых соединяются две или более работ.

Событие может являться частным результатом отдельной работы или же суммарным результатом нескольких работ. Событие может совершиться только тогда, когда закончатся все работы, ему предшествующие. Последующие работы могут начаться только после того, как произойдет это событие. Отсюда двойственный характер событий (кроме исходного и завершающего): для всех непосредственно предшествующих событию работ оно является конечным, а для всех непосредственно следующих за ним - начальным ( рис. 4.2).

Путь - это непрерывная последовательность стрелок, начиная от исходного события сетевой модели и заканчивая завершающим. Длина пути определяется продолжительностью работ, лежащих на этом пути.

При сравнении продолжительности путей выявляется путь, длина которого (суммарная продолжительность работ на этом пути) имеет наибольшую величину по сравнению с длиной любого другого пути. Такой путь называется критическим. Критический путь определяет общую продолжительность работ. Пример выявления критического пути изображен на рис. 4.3. Изображенный на рисунке сетевой график имеет пять путей.

При контроле работ, выполняемых по сетевому графику, главное внимание концентрируется на работах критического пути, так как именно от них зависит выполнение всех работ в установленный срок. Совершенно естественно, что для сокращения общей продолжительности работ надо искать возможности ускорения работ, лежащих на критическом пути.

Работы, лежащие на критическом пути, являются потенциально "узкими местами". Поэтому внимание руководителя должно сосредоточиваться именно на этих работах. А так как критический путь имеет самую большую продолжительность по сравнению с другими путями, то эти последние имеют запас времени, что дает возможность оперативно маневрировать ресурсами или снижать стоимость выполнения работ за счет увеличения их продолжительности.

Как показывает практика, чем больше работ включает сетевой график, тем меньше удельный вес работ, лежащих на критическом пути. Например, в модели со 100 работами на критическом пути будут находиться 10-12% от общего количества работ; при 1000 работ - 7-8%; при 5000 работ - 3-4%.

Правила построения сетевых моделей

Единой принятой последовательности составления сетевого графика нет. Поэтому строить графики можно по-разному - от начала и до окончания, а также и наоборот - от конца к началу. Более логичным и правильным следует признать метод построения графиков от исходного события до завершающего, т.е. слева направо, так как при таком построении четко понимается технология выполнения моделируемых работ. Этот метод получил наибольшее признание.

Поэтому в качестве первого правила последовательности отображения работ следует указать, что сетевые графики следует строить от начала к окончанию, т.е. слева направо.

Правило изображения стрелок. Стрелки, изображающие работы, ожидания или зависимости, могут иметь различный наклон и длину, но должны, как правило, идти слева направо. Стрелки в сетевом графике не должны отклоняться влево от оси ординат. И конечно, следует иметь в виду, что стрелки направляются всегда от предшествующих событий к последующим, от событий с меньшими номерами к событиям с большими номерами.

Правило пересечения стрелок. Пересечения стрелок допустимы, но чем меньше пересечений, тем график более продуман и нагляден.

Изложенные три правила можно рассматривать как предварительные. Теперь перейдем к основным правилам построения сетевых графиков.

Правило обозначения работ. В практике зачастую встречаются случаи, когда две и более работ выходят из одного и того же события, выполняются параллельно и заканчиваются одним и тем же событием.

Например, одновременно начинается проектирование двух вариантов конструкции новой машины. После их разработки проводится сопоставление и выбор лучшего варианта.

Но правильное изображение этих работ на сетевом графике не должно выводить две работы из одного события и завершать их одним тем же событием. При таком изображении обе работы получают одно и то же обозначение, а это недопустимо, так как при расчете сети невозможно будет определить параметры этих работ, да и всего сетевого графика ( рис. 4.4 а).

В сетевом графике между двумя смежными событиями может проходить только одна стрелка. Обычно для распараллеливания работ вводят дополнительное событие, что показано на рис. 4.4 б.

Правило расчленения и запараллеливания работ. Во многих процессах позволяется начинать следующую работу, не ожидая полного окончания предшествующей. В этом случае производится "расчленение" предшествующей работы.

Рис. 4.5. Построение сетевого графика: а) последовательные работы; б) расчленение и запараллеливание работ

На графике вводится дополнительное событие в том месте предшествующей работы, где может начаться новая. Пример этого приведен на рис. 4.5. Предстоящая работа предполагает необходимость корректировать рабочие чертежи (работа "а", продолжительность 30 дней) и изготовить испытательный стенд (работа "б", продолжительность 25 дней). Если эти работы изобразить последовательно, то общая продолжительность составит 55 дней, как это изображено на рис. 4.5 а, между работами. После составления сетевого графика и анализа взаимосвязи предполагается, что работу "б" можно начать после выполнения половины работы "а", т.е. через 15 дней. Закончить работу "б" можно только после полного окончания работы "а". Исходя из этого можно построить новый сетевой график, изображенный на рис. 4.5 б. Из него видно, что общая продолжительность работ теперь составляет 42 дня, т.е. мы получили выигрыш во времени на 13 дней.

Правило запрещения замкнутых контуров (циклов или петель). При построении сети недопустимо строить замкнутые контуры, т.е. пути, в которых некоторые события соединяются сами с собой. Нельзя допустить, чтобы в сети возник случай, когда один и тот же путь ведет к тому же событию, из которого он первоначально вышел. Различные случаи замкнутых контуров изображены на рис. 4.6 а, б.

Если такое замыкание произошло, то это означает, что имеются ошибки в технологии или в составлении графика.

Правило запрещения "тупиков". В сетевом графике не должно быть тупиков - событий, из которых не выходит ни одной работы, за исключением завершающего события (в многоцелевых графиках завершающих событий несколько, но это особый случай).

Правило запрещения "хвостовых" событий. В сетевом графике не должно быть хвостовых событий, т.е. событий, в которые не входит ни одной работы, если это событие не является начальным.

Правила запрещения "тупиков" и "хвостовых" событий проиллюстрированы на рис. 4.7.

Правила изображения дифференцированно-зависимых работ. В практике построения сетевых графиков постоянно встречаются случаи, когда одна группа работ зависит от другой группы, а одна или несколько работ имеют дополнительные зависимости или ограничения. Обычно для решения этой проблемы вводят дополнительные события, как это показано на рис. 4.8.

Рассмотрим две группы работ - "а", "б", "в" и "г", "д", "е", изображенные на рис. 4.8 а. Представим, что существует следующая зависимость между этими группами: работа "г" зависит от работ "б" и "в", а работа "д" зависит только от работы "б".

Сам собой напрашивающийся вариант сетевой модели, объединяющий обе группы работ, приведен на рис. 4.8 б.

Но такой вариант неправильный. Так как сетевой график показывает, что работа "д" зависит как от работы "б", так и от работы "в", а это противоречит исходной моделируемой технологии.

Чтобы построить правильную сетевую модель, необходимо ввести дополнительное событие.

Правильный сетевой график показан на рис. 4.8 в. Здесь видим, что работы "г" и "д", являющиеся дифференцированно-зависимыми, имеют каждая свою зависимость от предшествующих работ.

Рис. 4.8. Изображение дифференцированно-зависимых работ: а) исходная ситуация; б) неправильное построение; в) правильное построение

Правило учета непосредственных примыканий (зависимостей). В сетевом графике учитывается только непосредственное примыкание (зависимость) между работами ( рис. 4.9).

Исходя из сетевого графика на рисунке, можно сказать, что работе "г" предшествует только работа "в". Если нужно показать, например, что работе "г" предшествует также и работа "а", то это надо сделать специально вводимой зависимостью.

Правило кодирования событий сетевого графика. Для кодирования сетевых графиков необходимо руководствоваться следующими требованиями:

все события графика имеют самостоятельные номера;
кодируются события числами натурального ряда без пропусков;
номер последующему событию присваивается после присвоения номеров предшествующим событиям;
стрелка (работа) должна быть всегда направлена из события с меньшим номером в событие с большим номером.

Последовательность проставления цифр в событиях указана в самой нумерации событий и определена направленностью стрелок.

Четкая система кодирования позволяет выявить имеющиеся в сети замкнутые контуры.

Правила кодирования событий сетевого графика проиллюстрированы на рис. 4.10.

увеличить изображение
Рис. 4.10. Кодирование событий сетевого графика: а) правильное; б) неправильное (замкнутый контур)

Рисунок 7.1 – Сетевая модель

1. События правильно пронумерованы, то есть для каждой работы (i, j) i 0,8);

Читайте также: