Оценка производительности сети

Потенциально высокая производительность – это одно из основных свойств распределенных автоматизированных систем, в состав которых входят локальные сети. Это свойство обеспечивается возможностью распараллеливания работ между несколькими узлами сети.

Существует несколько основных характеристик производительности сети:

- время реакции;

- пропускная способность;

- задержка передачи и вариация задержки передачи.

Время реакции сети является интегральной характеристикой производительности сети с точки зрения пользователя. Знание сетевых составляющих времени реакции дает возможность оценить производительность отдельных элементов сети, выявить узкие места и в случае необходимости выполнить модернизацию сети для повышения ее общей производительности.

Производительность сети оценивается с помощью показателей пропускной способности, которые отображают количество информации, переданной сетью в единицу времени и измеряются в кадр/с (fps - frame per second), пакет/с (pps - packets per second), бит или Байт в секунду (б/с, Б/с, bps, Bps), транзакций в секунду (tps).

Параметры, характеризующие показатели времени, например, такие, как задержка, вносимая сетью при выполнении обмена данными, измеряются в с, мс, мкс.

Пропускная способность характеризует, с одной стороны, потребность пользователя в интенсивности обмена информацией, а с другой стороны, – возможность оборудования локальной сети обеспечить требуемую интенсивность. С учетом вышеуказанной двойственности целесообразно показатели пропускной способности классифицировать исходя из двух критериев:

- по степени полезности информации (с учетом или без учета служебной информации, необходимой для передачи полезной информации);

- по длительности периода интеграции (интервала усреднения) показателей пропускной способности.

Указанная классификация для различных видов скоростей передачи данных как одного из основных показателей пропускной способности представлена на рис. 5.5.

Рисунок 5.5 – Классификация видов скоростей передачи данных

В зависимости от степени полезности передаваемой информации различают техническую и информационную скорость передачи данных [17].

Скорость техническая (R_t) – количество физических битов, которые могут быть переданы за единицу времени.

Скорость информационная (R_i) – количество полезной информации, переданное за единицу времени (без служебной информации).

В зависимости от длительности интервала усреднения различают среднюю и мгновенную скорости передачи данных [4, 12, 17].

Средняя скорость вычисляется путем деления общего объема переданных данных на время их передачи, причем выбирается достаточно длительный интервал усреднения – час, день или неделя.

Мгновенная скорость отличается от средней тем, что для интервала усреднения выбирается очень маленький промежуток времени – например, 1 мс, 10 мс или 1 с.

Исходя из того, что пропускная способность представляет собой максимально возможную скорость передачи данных, каждому виду скорости (технической и информационной) соответствует определенный вид пропускной способности.

Под номинальной пропускной способностью (C_n) обычно понимается максимальная мгновенная техническая битовая скорость передачи данных, оцениваемая на интервале передачи одного пакета.

Полезная пропускная способность (C_i) – это максимальная мгновенная информационная скорость передачи полезной информации, помещаемой в поле данных каждого пакета, формируемого на канальном или сетевом уровне (рис. 4.9). В общем случае полезная пропускная способность будет ниже номинальной из-за наличия в пакете служебной информации, а также из-за пауз между отдельными пакетами при их передаче.

Реальная полезная пропускная способность сети (С_r) - среднее количество полезной информации, передаваемой между разными парами узлов сети за требуемый для передачи информационного массива временной интервал t, C_r=max_t R_it .

Максимальная (пиковая) скорость – это наибольшая мгновенная скорость, зафиксированная в течение периода наблюдения.

Информационная скорость передачи данных зависит от длины информационного поля, так, например, для наиболее плохих условий длина поля данных для МАС-кадра равняется 49 Б, для наилучших условий - 1500 Б. Длина информационного поля пакета сетевого уровня уменьшается на длину IP-заголовка и находится в пределах от 26 Б до 1477 Б (рис. 4.9).

Для расчета пропускной способности нужно знать длину кадра, которая измеряется в байтах и вычисляется как

L_k = L_s + L_i , (5.4)

где L_s – длина служебных полей;

L_i – длина информационного поля.

Время передачи кадра можно рассчитать по формуле

T_{k =} τ _* L_k × 8, (5.5)

где τ - продолжительность передачи одного бита.

Общее время передачи кадра учитывает время межкадрового интервала τ_f :

T_{t =} T_k + τ_f .(5.6)

Полезная пропускная способность будет равна

С_i = (L_i*8)\T_t [бит/с] (5.7)

или

C_if = 1\T_t [fps]. (5.8)

При проектировании, настройке и оптимизации сети пропускная способность позволяет оценить возможности сети справляться с пиковыми нагрузками, характерными для особых периодов работы сети, например утренних часов, когда сотрудники предприятия почти одновременно регистрируются в сети и обращаются к разделяемым файлам и базам данных [4].

Пропускную способность можно измерять между любыми двумя узлами или точками сети, например, между клиентским компьютером и сервером, между входными и выходными портами маршрутизатора. Для анализа и настройки сети очень полезно знать данные о пропускной способности отдельных элементов сети.

Важно отметить, что из-за последовательного характера передачи пакетов различными элементами сети общая пропускная способность сети любого составного пути в сети будет равна минимальной из пропускных способностей составляющих элементов маршрута. Для повышения пропускной способности составного пути необходимо в первую очередь обратить внимание на самые медленные элементы – в данном случае таким элементом, скорее всего, будет маршрутизатор. Следует подчеркнуть, что если передаваемый по составному пути трафик будет иметь среднюю интенсивность, превосходящую среднюю пропускную способность самого медленного элемента пути, то очередь пакетов к этому элементу будет расти теоретически до бесконечности, а практически – до тех пор, пока не заполнится его буферная память, а затем пакеты просто начнут отбрасываться и теряться.

Иногда полезно оперировать с общей пропускной способностью сети, которая определяется как среднее количество информации, переданной между всеми узлами сети в единицу времени. Этот показатель характеризует качество сети в целом, не дифференцируя его по отдельным сегментам или устройствам.

Обычно при определении пропускной способности сегмента или устройства в передаваемых данных не выделяются пакеты какого-то определенного пользователя, приложения или компьютера – подсчитывается общий объем передаваемой информации. Тем не менее для более точной оценки качества обслуживания такая детализация желательна, и в последнее время системы управления сетями все чаще позволяют ее выполнять.

Задержка передачи определяется как задержка между моментом поступления пакета на вход какого-либо сетевого устройства или части сети и моментом появления его на выходе этого устройства. Этот параметр производительности по смыслу близок ко времени реакции сети, но отличается тем, что всегда характеризует только сетевые этапы обработки данных, без задержек обработки узлами сети. Обычно качество сети характеризуют величинами максимальной задержки передачи и вариацией задержки. Не все типы трафика чувствительны к задержкам передачи, обычно задержки не превышают сотен миллисекунд, реже – нескольких секунд. Такого порядка задержки пакетов, порождаемых файловой службой, службой электронной почты или службой печати, мало влияют на качество этих служб с точки зрения пользователя сети. С другой стороны, такие же задержки пакетов, переносящих голосовые данные или видеоизображение, могут приводить к значительному снижению качества предоставляемой пользователю информации – возникновению эффекта «эха», невозможности разобрать некоторые слова, дрожание изображения и т.п.

Оценку производительности сетей, использующих случайный метод доступа CSMA/CD, целесообразно осуществлять как для реальных режимов работы сетей, так и для идеальных случаев - при отсутствии коллизий и при передаче непрерывного потока пакетов, разделенных только межпакетным интервалом IPG [6]. Очевидно, такой режим реализуется, если один из абонентов активен и передает пакеты с максимально возможной скоростью. Неполное использование пропускной способности в этом случае связано, кроме существования интервала IPG, с наличием служебных полей в пакете Ethernet (см. рис. 4.9).

Пакет максимальной длины является наименее избыточным по относительной доле служебной информации. Он содержит 12304 бита (включая интервал IPG), из которых 12000 битов являются полезными данными.

Поэтому максимальная скорость передачи пакетов в сети Fast Ethernet (или скорость в кабеле — wire speed) составит в данном случае

V_t =10⁸ бит/с / 12304 бита = 8127,44 пакет/с.

Пропускная способность представляет собой скорость передачи полезной информации и в данном случае составит

V_i =8127,44 пакет/с • 1500 байтов = 12,2 Мбайт/с.

Эффективность использования физической скорости передачи сети, равной 100 Мбит/с для Fast Ethernet, по отношению только к полезным данным определяется в соответствии с выражением

=8127,44 пакет/с • 12000 бит /10⁸ бит/с = 98 %.

При передаче пакетов минимальной длины (с учетом интервала 1PG - 84 • 8 = 672 бита, из которых только 46 • 8 = 368 битов несут полезную информацию) возрастает скорость в кабеле (148809,52 пакет/с вместо 8127,44 пакет/с), что означает всего лишь факт передачи большого числа коротких пакетов. В то же время пропускная способность (6,8 Мбайт/с вместо 12,2 Мбайт/с) и эффективность (55% вместо 98 %) заметно ухудшаются.

Для реальных сетей типа Fast Ethernet с большим числом активных абонентов N пропускная способность на уровне 12,2 Мбайт/с для какого-либо абонента является пиковым, редко реализуемым значением. При одинаковой активности всех абонентов средняя пропускная способность для каждого из них составит 12,2/N Мбайт/с, а на самом деле может оказаться еще меньше из-за возникновения коллизий, ошибок в работе сетевого оборудования и влияния помех (в случае работы локальной сети в условиях, когда кабельная система подвержена влиянию больших внешних электромагнитных наводок).

Для реальных сетей более информативен такой показатель производительности, как показатель использования сети (network utilization), который представляет собой долю в процентах от суммарной пропускной способности (не поделенной между отдельными абонентами):

. (5.9)

Коэффициент K_u учитывает коллизии и другие факторы. Ни сервер, ни рабочие станции не содержат средств для определения показателя использования сети, для этого предназначены специальные, не всегда доступные из-за высокой стоимости аппаратно-программные средства типа анализаторов протоколов.

Считается, что для загруженных систем Ethernet и Fast Ethernet хорошим значением показателя использования сети является 30%. Это значение соответствует отсутствию длительных простоев в работе сети и обеспечивает достаточный запас в случае пикового повышения нагрузки. Однако если показатель использования сети значительное время составляет 80-90% и более, то это свидетельствует о практически полностью используемых (в данное время) ресурсах, что не оставляет резерва на будущее.

На рис. 5.6 приведена зависимость показателя использования сети от времени при условии, что предложенная нагрузка, т.е. скорость поступления данных от пользователя в сеть, линейно возрастает. Сначала показатель использования сети также линейно возрастает, но затем конкуренция за владение средой передачи порождает коллизии и рассматриваемый показатель достигает максимума (точка полной нагрузки на графике). При дальнейшем увеличении предложенной нагрузки показатель использования сети начинает уменьшаться, особенно резко после точки насыщения. Это «плохая» область работы сети. Считается, что сеть работает хорошо, если и предложенная нагрузка, и показатель использования сети высоки.

Рисунок 5.6 – Зависимость показателя использования сети от времени

при линейном увеличении предложенной нагрузки

(1 – наилучшая область работы, 2 – приемлемая, 3 - плохая)

Сеть считается перегруженной, если она не может работать при полной нагрузке в течение не менее 80% времени (предполагается, что при этом в течение не менее 20% времени показатель использования сети недопустимо мал из-за коллизий). После точки насыщения наступает крах Ethernet (Ethernet collapse), когда возрастающая предложенная нагрузка заметно превышает возможности сети. Сеть перестает передавать полезную пользовательскую информацию и работает «на себя», обрабатывая коллизии.

Оценим производительность Ethernet в условиях большой постоянной загрузки, то есть когда k станций постоянно готовы к передаче [2]. Предположим, что вероятность повторной передачи в каждом интервале времени постоянна. Если каждая станция передает в течение одного интервала времени с вероятностью p, то вероятность того, что какой-либо станции удастся завладеть каналом, равна

. (5.10)

Значение А будет максимальным, когда p=1/k. При k , стремящимся к бесконечности, А будет стремиться к 1/е. Вероятность того, что период соревнования за канал будет состоять из j интервалов, будет равна с, следовательно, среднее число интервалов борьбы за канал будет равно

. (5.11)

Так как длительность каждого интервала времени равна t_PDV, средняя продолжительность борьбы будет составлять w= t_PDV/A. При оптимальном значении вероятности р среднее количество интервалов за период борьбы никогда не будет превосходить е, а средняя продолжительность периода борьбы будет равна t_PDV × е » 2,7 t_PDV.

Если среднее время передачи кадра составляет t_k секунд, то коэффициент эффективности канала при его сильной загруженности будет равен

. (5.12)

Из этой формулы видно, как максимальная длина кабеля влияет на производительность – чем длиннее кабель, тем более долгим становится период борьбы за канал. Из этих рассуждений становится понятно, почему стандарт Ethernet накладывает ограничение на максимальное расстояние между станциями.

Полезно переформулировать уравнение (5.12) в терминах длины кадра L_k, пропускной способности сети C_i, длины кабеля L и скорости распространения сигнала с для оптимального случая: е интервалов столкновений на кадр. При t_k = L_k /C_i уравнение (5.12) примет вид

. (5.13)

Если второе слагаемое делителя велико, эффективность сети будет низкой. В частности, увеличение пропускной способности или размеров сети (произведение C_i × L) уменьшит эффективность при заданном размере кадра. К сожалению, основные исследования в области оборудования нацелены именно на увеличение этого произведения. Пользователи хотят большой скорости при больших расстояниях (что обеспечивают, например, оптоволоконные региональные сети), следовательно, для данных приложений стандарт Ethernet будет не лучшим решением.

На рис. 5.7 показана зависимость эффективности канала от числа готовых станций для t_PDV=51,2 мкс и скорости передачи данных, равной 10 Мбит/с. Для расчетов используется уравнение (5.13). При 64-байтовом временном интервале 64-байтовые кадры оказываются неэффективными, и это неудивительно. С другой стороны, если использовать кадры длиной 1024 байта, то при асимптотическом значении е периода состязания за канал, равном 64-байтовому интервалу, то есть 174 байтам, эффективность канала составит 85 %.

Рисунок 5.7 – Эффективность сетей стандарта 802,3 на скорости 10 Мбит/с с 512-битовыми интервалами времени

Чтобы определить среднее количество станций, готовых к передаче в условиях сильной загрузки, можно воспользоваться следующей грубой моделью. Каждый передаваемый кадр занимает канал на период состязания и на время передачи кадра, что составляет в сумме t_k+w секунд. Таким образом, за секунду по каналу передается 1/(t_k +w) кадров. Если каждая станция формирует кадры со средней скоростью l кадров в секунду, то при нахождении системы в состоянии k суммарная входная скорость k незаблокированных станций составит kl кадров в секунду. Поскольку в состоянии равновесия входная скорость должна быть равна выходной, мы можем приравнять эти две скорости и решить уравнение относительно k.

При проектировании сетей необходимо предусматривать проектные решения, которые позволяют не только на стадии проектирования обеспечивать прогнозируемые показатели производительности сети, но и управлять производительностью на стадии эксплуатации и развития сетей.

Цель управления производительностью заключается в том, чтобы измерять и предоставлять информацию о различных показателях производительности сети, что позволило бы поддерживать производительность объединенных сетей на приемлемом уровне [18]. К таким показателям производительности относятся следующие: пропускная способность сети, время отклика пользователя и степень загруженности канала.

Управление производительностью можно разделить на три основных этапа. В начале производится сбор данных о производительности. Они отражаются в виде параметров, интересующих сетевых администраторов. Затем эти данные анализируются и определяются нормальные (эталонные) значения параметров. Наконец, для каждой переменной определяются граничные значения производительности, превышение которых сигнализирует о проблеме в сети, требующей вмешательства. Управляющие элементы постоянно следят за параметрами производительности. При превышении граничного значения производительности в систему сетевого управления отправляется предупреждение.

Каждая из описанных операций является частью процесса настройки реактивной системы. Если производительность становится неприемлемой, поскольку превышается определенное пользователем граничное значение, система реагирует на этот факт отправкой сообщения. Управление производительностью также предусматривает профилактические меры. Например, для того чтобы предсказать влияние роста сети на метрики производительности, можно воспользоваться средствами моделирования сети. Такое моделирование предупредит администраторов о будущих проблемах и позволит вовремя предпринять контрмеры.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Необходимость повышения эффективности работы естественно распределенных на определенной местности технологических комплексов и линий путем автоматизации производства делает все более актуальной задачу построения распределенных автоматизированных систем (АС). В качестве среды транспортировки измерительной и управляющей информации в рамках таких автоматизированных систем управления, как технологическим процессом (АСУТП), так и производством (АСУП), все чаще применяют локальные информационные сети.

Эффективность осуществления распределенной автоматизированной системой своего назначения напрямую зависит от того, насколько она является системой реального времени как в смысле доставки и обработки информации для принятия управляющих решений в режиме реального времени с нормируемой задержкой, так и в смысле одновременности, параллельности решения определенного количества задач за гарантированное время.

Выбор неэффективной сетевой технологии, операционной системы или инструментальной среды для разработки специального программного обеспечения не позволит создать эффективную распределенную АС. С целью исключения подобных ситуаций необходимо на стадии проектирования локальных сетей применять технические решения, которые обеспечивали бы требуемые значения производительности и коэффициента использования сети, надежности, достоверности и своевременности при передаче данных, а также способствовали бы выбору уровня модели OSI, на котором обеспечивается решение задачи наиболее эффективным (рациональным) способом. При этом основные характеристики локальных сетей должны быть соподчинены соответствующим критериям качества АС.

К основным группам таких основных технических решений можно отнести:

- выбор требуемой топологии, обеспечивающей соответствующую надежность и живучесть АС, доставку информации по кратчайшему пути;

- построение и развитие распределенной АС с соответствующей географией за счет снятия ограничений, присущих для используемых сегментов локальных сетей, как на рекомендованные длины, так и на количество подключаемых к сегментам узлов путем физической структуризации сетей и выбора соответствующего структурообразующего оборудования;

- применение логической структуризации сети путем выбора соответствующего оборудования, позволяющего локализовать трафик и в пределах полученных логических доменов понизить уровень коллизий, уменьшить задержки доставки информации, повысить производительность сети;

- построение локальных сетей, работающих с требуемой производительностью и поддержанием эффективного значения коэффициента использования сети на всех стадиях жизненного цикла локальных сетей как при проектировании, так и при управлении производительностью во время эксплуатации систем;

- повышение уровня информационной безопасности путем группирования отдельных пользователей в логические домены с требуемой политикой безопасности.

Основными проектными процедурами, применяемыми при оценке качества работы локальной сети в первую очередь являются:

- расчет таких основных характеристик, используемых для оценки степени корректности работы сети, как время двойного оборота и сокращение межкадрового интервала;

- оценка коэффициента использования сети в зависимости от метода доступа к среде передачи данных с учетом доли полезной информации не только в кадрах, формируемых на канальном уровне, но и в IP-пакетах, формируемых на сетевом уровне;

- расчет режима насыщения и точки краха сети в зависимости от предложенной нагрузки со стороны оконечных узлов и пользователей распределенных автоматизированных систем.

Таким образом, применяемые сетевые технологии не должны быть ограничением при построении распределенных автоматизированных и электронных систем, а должны по своим основным показателям качества, таким, как производительность, масштабируемость, достоверность, время реакции системы, служить эффективным инструментом при создании АСУТП и АСУП.