Основы проектирования систем
 Скачать 1.88 Mb.
|
|
нагрузочные параметры, описывающие взаимодействие ВС с внешней средой, т.е. нагрузку, создаваемую в сети решаемыми прикладными задачами и передаваемыми в вычислительной сети данными: число типов задач, ресурсоемкость каждой задачи, объем занимаемой памяти, длина передаваемых по сети сообщений и т.п. 4.2.1. Параметры структурно-функциональной организации ВС Структурные параметры ВС описывают: номенклатуру и количество устройств каждого типа, входящих в состав системы; 85 способ связи устройств между собой; технические данные устройств, которые при решении задач системотехнического проектирования ВС трактуются как параметры. При разработке моделей функционирования ВС на системном уровне в качестве элементов, параметры которых должны быть заданы, обычно рассматривают: центральный процессор (ЦП); оперативную память (ОП); процессоры (каналы) ввода-вывода (ПВВ, КВВ); внешние запоминающие устройства (ВЗУ) устройства ввода-вывода (УВВ). В качестве параметров ЦП на системном уровне обычно используется среднее время выполнения команды [мкс, нс,…] или быстродействие (производительность) процессора, задаваемое в зависимости от класса ВС в виде следующих величин: MIPS (Million Instructions Per Second) – единица измерения быстродействия, равная одному миллиону инструкций (команд) в секунду; FLOPS (или flops или flop/s) (Floating point Operations Per Second) — величина, используемая для измерения производительности суперЭВМ и показывающая, число операций с плавающей запятой, выполняемых за секунду. В качестве параметров ОП на системном уровне используются: ёмкость ОП [Мбайт, Гбайт, …]; время обращения (доступа) к ОП [мкс, нс,…]. В качестве параметра ПВВ используется пропускная способность [Мбайт/с, Гбайт/с, …]. В качестве параметров ВЗУ на системном уровне используются следующие величины: емкость ВЗУ [Гбайт, Тбайт,…]; скорость обмена [Мбайт/с, …]; скорость вращения НМД [тыс. оборотов в минуту] или скорость перемотки магнитной ленты в НМЛ [метров в секунду]; среднее время доступа к данным, называемое также временем поиска данных, затрачиваемое на перемещение головки или блока головок чтения- записи на требуемую дорожку (цилиндр) [мс, мкс]. В качестве параметра УВВ на системном уровне может использоваться скорость ввода-вывода [символов или строк в секунду]. Параметры структурной организации компьютерных сетей можно разбить на три группы: параметры топологии сети : количество и типы узлов связи и их взаимосвязь, задаваемая с помощью матрицы связей (инцидентности); параметры узлов , представляющих собой, в общем случае, средства вычислительной техники, реализующие функции коммутации и маршрутизации 86 в соответствии с принятой в данной сети технологией передачи данных; таким образом, в качестве системных параметров узлов связи могут использоваться те же параметры, что и для вычислительных систем; параметры каналов связи : тип канала (симплексный, дуплексный, полудуплексный), стоимостные параметры (удельная стоимость, стоимостная зависимость от пропускной способности), а также основной параметр – пропускная способность канала связи , определяемая как количество данных, измеряемое в битах, которое может быть передано по каналу за единицу времени (обычно за секунду): кбит/с, Мбит/с, Гбит/с, …. Совокупность параметров, описывающих функциональную организацию ВС, определяется способами управления вычислительным процессом и процессом передачи данных, задаваемых в виде дисциплин буферизации и обслуживания, распределения приоритетов и т.п. Конкретный состав функциональных параметров определяется целью исследований и видом модели, используемой при проектировании ВС. 4.2.2. Параметры нагрузки ВС Среди перечисленных выше трех групп параметров ВС наибольший интерес представляют нагрузочные параметры. Этот интерес обусловлен несколькими причинами, в частности, сложностью определения и задания их значений, которые в принципе могут быть получены путем измерений на реальных вычислительных системах и сетях с использованием специальных программных (а иногда и аппаратных) мониторов. Очевидно, что это оказывается невозможным для еще не существующих, а только проектируемых систем и сетей. В этом случае нагрузочные параметры могут быть заданы априорно, либо проектирование ведется в расчете на некоторую ожидаемую, возможно предельную, нагрузку. Нагрузка в вычислительной системе (сети) определяется потребностями задач и передаваемых данных (сообщений) в ресурсах системы и задается совокупностью нагрузочных параметров. Нагрузка, создаваемая в вычислительных системах и сетях, порождается источниками нагрузки, в качестве которых могут выступать пользователи, формирующие задачи для выполнения в ВС или сообщения, передаваемые в компьютерной сети. В зависимости от типа используемых ресурсов и формы обработки данных различают следующие виды нагрузки в ВС (рисунок 25): вычислительная, которая делится на: процессорную, создаваемую в ядре ВС – подсистеме ЦП-ОП; периферийную, создаваемую во внешних устройствах, прежде всего в ВЗУ; сетевая, которая делится на: канальную, создаваемую в каналах связи компьютерной сети; узловую, создаваемую в маршрутизаторах и коммутаторах. Ресурсы ВС делятся на ресурсы памяти и ресурсы устройств (рисунок 26). 87 Ресурс памяти – это емкость, которая может быть распределена в пространстве между несколькими задачами. Ресурсы памяти делятся на ресурсы оперативной и внешней памяти. Ресурс устройства – это количество работы, которую может выполнить устройство. Устройство характеризуется производительностью (быстродействием, скоростью работы) и определенное количество работы выполняет за вполне определенное время. Поэтому в качестве ресурса устройства часто рассматривают время, в течение которого устройство выполняет данную работу. Поскольку любое устройство ВС в каждый момент времени может выполнять только одну работу (задачу), то говорят, что ресурс устройства распределяется во времени. К устройствам, ресурсы которых распределяются только во времени, относятся процессоры, каналы и устройства ввода-вывода. Внешние запоминающие устройства распределяются как в пространстве, так и во времени. Ресурсоемкость – потребность задачи в определенном ресурсе (памяти или устройства). Ресурсоемкость задается матрицей ресурсоемкости задач: )] , 1 ; , 1 ( [ N j M i x X ij , где ij x – потребность задачи i Z в ресурсе j Y . Если j Y является памятью, то значение ij x определяет количество единиц информации (в битах или байтах), которые должны быть размещены в памяти Нагрузка в ВС Вычислительная Сетевая Процессорная Периферийная Канальная Узловая Рисунок 25. Виды нагрузки в ВС Ресурсы ВС Ресурсы памяти Ресурсы устройств ОП ВП ЦП КВВ Рисунок 26. Классификация ресурсов ВС ПВВ 88 j Y при выполнении задачи i Z . Если j Y – устройство, то ij x – время, необходимое для выполнения задачи i Z на этом устройстве, которое может быть определено через количество работы ij A , выполняемой задачей i Z в устройстве j Y , и производительность j V устройства j Y : j ij ij V A x / . Если задача i Z не использует ресурс j Y , то 0 ij x Источники нагрузки могут быть двух типов: внешние, порождающие нагрузку во внешней по отношению к рассматриваемой системе среде; внутренние, порождающие нагрузку внутри рассматриваемой системы. К внешним источникам нагрузки относятся: пользователи, формирующие запросы на выполнение определенных работ в системе и осуществляющие доступ к ресурсам системы с помощью устройств ввода, в качестве которых чаще всего выступают различного рода терминалы; внешние управляемые объекты, формирующие с помощью подключенных к ним датчиков и преобразователей информации данные о состоянии объекта, требующие обработки в системе; другие системы, рассматриваемые по отношению к исследуемой системе как внешняя среда. В качестве внутренних источников нагрузки могут выступать: отдельные устройства системы; программы, выполняемые в ЦП и формирующие запросы ввода- вывода к внешним устройствам; ВС, входящие в состав компьютерной сети и формирующие сообщения-ответы, посылаемые другим абонентам сети (ВС и пользователям). При построении моделей ВС внешние источники нагрузки могут быть включены в состав модели и рассматриваться как внутренние источники и, наоборот, внутренние источники нагрузки могут быть исключены из модели и заменены внешними источниками, что определяется целью исследования, правилом формирования нагрузки и рядом других факторов. Описание источника нагрузки предполагает задание следующих параметров: тип источника (внешний, внутренний); тип формируемой в источнике нагрузки; интенсивность (частота) формирования нагрузки или интервалы времени T между двумя соседними моментами формирования запросов к ресурсу. Интенсивность и средний интервал времени T связаны соотношением: T / 1 Нагрузочные параметры. Для описания нагрузки используются следующие основные параметры: 89 интенсивность формирования нагрузки, определяемая как среднее число запросов, поступающих к ресурсу за единицу времени; ресурсоемкость, задаваемая в дальнейшем как время обработки запроса (занятия ресурса) τ ; коэффициент нагрузки ресурса или просто нагрузка: τ λ y Следует различать нагрузку y и загрузку ρ системы. Загрузка ρ , представляющая собой коэффициент использования системы, никогда не может превысить значения 1, в то время как нагрузка y , характеризующая количество работы, возлагаемой на систему, может быть больше 1. Вычислительная нагрузка. Вычислительная нагрузка определяет объем работ, выполняемых в ВС, т.е. потребности в ресурсах ВС при решении определенных прикладных задач, и задается совокупностью параметров, определяющих нагрузку во всех устройствах системы. В зависимости от типа используемых ресурсов вычислительная нагрузка делится на процессорную и периферийную, которые описываются соответствующими параметрами ресурсоемкости, позволяющими определить параметры нагрузки. Процессорная нагрузка связана с обработкой данных в процессорах системы: ЦП и ПВВ (КВВ). В процессе системного анализа и проектирования ВС в качестве параметров процессорной обработки могут служить ресурсоемкость (трудоемкость) задачи в процессоре ЦП X , измеряемая числом инструкций или команд, выполняемых в ЦП при решении задачи, и его быстродействие ЦП V (число команд/инструкций в секунду, MIPS). Тогда время обработки задачи в ЦП: ЦП ЦП ЦП /V X τ Периферийная нагрузка связана с работой внешних (периферийных) устройств: УВВ и ВЗУ. Ресурсоемкость УВВ определяется объемом данных УВВ G , передаваемых в процессе обмена между УВВ и ОП, и скоростью передачи данных УВВ V конкретного устройства: УВВ УВВ УВВ /V G τ Ресурсоемкость ВЗУ, являющегося одновременно памятью и устройством, задается следующими параметрами: 1) ёмкостью ВЗУ E , занимаемой задачей в ВЗУ; 2) временем занятия ВЗУ, которое складывается из: времени доступа Д τ , затрачиваемого на поиск данных на внешнем носителе информации (НМД или НМЛ) и зависящего, в общем случае от расстояния r , на которое перемещается магнитная головка (для НМД) или магнитная лента (для НМЛ), и скорости п V их перемещения: п Д /V r τ ; времени поиска Н τ начала записи, затрачиваемого для НМД на поворот диска (в среднем на пол-оборота) и для НМЛ на перемещение магнитной ленты на величину старт-стопного промежутка; 90 времени передачи данных П τ , определяемого, как и для УВВ, объемом передаваемых данных ВЗУ G и скоростью передачи ВЗУ V : ВЗУ ВЗУ П /V G τ Таким образом, время обслуживания запроса в ВЗУ: П Н Д ВЗУ τ τ τ τ Сетевая нагрузка. Сетевая нагрузка создается сообщениями (пакетами) и определяется потребностями в ресурсах при передаче пакетов в компьютерной сети. В качестве ресурсов выступают каналы и узлы связи. Таким образом, сетевая нагрузка складывается из нагрузки, создаваемой пакетами в каналах связи (канальная нагрузка) и в узлах связи (узловая нагрузка). Канальная нагрузка задается для каждого канала связи (КС) компьютерной сети как i i i T Y С КС КС , где i КС – интенсивность потока пакетов в i-м КС (пакетов в единицу времени); i T С – среднее время передачи пакета по i-му КС. Интенсивность потока пакетов в КС определяется суммарной интенсивностью С передачи пакетов пользователями в сеть и вероятностью i p КС того, что эти пакеты пройдут через i-й КС: i i p КС С КС Время передачи пакета по КС определяется его длиной C L и пропускной способностью i C КС соответствующего канала: ) , 1 ( / КС C КС n i C L T i i , где n – количество КС в сети. Узловая нагрузка определяет потребность в ресурсах маршрутизатора или коммутатора при обработке пакетов. Обработка заключается в приеме и проверке корректности поступающих пакетов, анализе заголовка и выборе выходного канала связи. Маршрутизатор и коммутатор можно рассматривать как специализированные вычислительные машины, следовательно, для описания узловой нагрузки могут использоваться те же параметры, что и для вычислительной нагрузки. 4.3. Характеристики вычислительных систем Эффективность вычислительных систем и компьютерных сетей описывается совокупностью характеристик, которые могут быть разбиты на две группы (рисунок 27): качественные; количественные. К качественным характеристикам компьютерных сетей относятся: 1) операционные возможности сети, представляющие собой перечень услуг (сервисов) по передаче и обработке данных, предоставляемых пользователям сети, например, передача данных между удаленными пользователями сети, доступ к удаленным файлам, электронная почта и т.д.; 91 2) масштабируемость – способность сети при ее наращивании (при увеличении ресурсов) линейно увеличивать или, по крайней мере, не уменьшать свою производительность; 3) гибкость – способность системы приспосабливаться к изменяющимся условиям функционирования при выходе из строя оборудования или при изменении нагрузки; 4) совместимость – возможность совместной работы оборудования разных производителей и т.п. Количественные характеристики вычислительных систем и компьютерных сетей представляют собой совокупность показателей эффективности (качества), описывающих процессы обработки и передачи данных. Количественные характеристики можно разделить на две группы: глобальные, определяющие наиболее важные свойства системы как целостного объекта; локальные, определяющие свойства отдельных устройств или частей системы и позволяющие получить более детальное представление о качестве функционирования системы. Часто локальные характеристики входят в состав математических выражений для расчета глобальных характеристик. К глобальным характеристикам относятся: характеристики производительности; характеристики оперативности; характеристики надежности; экономические (стоимостные) характеристики; прочие характеристики (энергопотребления, массогабаритные и т.д.). Характеристики вычислительных систем Глобальные Локальные Производительности Оперативности Надежности Стоимостные Прочие Номинальная Комплексная Системная Рисунок 27. Классификация характеристик 92 4.3.1. Характеристики производительности Производительность ВС – мера мощности, определяющая количество работы, выполняемой системой в единицу времени. Понятие производительности охватывает широкую номенклатуру показателей эффективности ВС, определяющих качество функционирования как системы в целом, так и отдельных ее подсистем и элементов – технических и программных средств. Производительность ВС зависит, в первую очередь, от производительности отдельных ее элементов, называемой скоростью работы или быстродействием. Например быстродействие процессора измеряется числом команд (инструкций, операций), выполняемых в единицу времени. Для оценки производительности ВС в целом могут использоваться следующие показатели: номинальная производительность; комплексная производительность; системная производительность. Номинальная производительность характеризуется совокупностью значений быстродействий устройств, входящих в состав ВС: |