Учебник для вузов в. Олифер Н. Олифер Компьютерные Принципы, технологии, протоколы
 Скачать 22.28 Mb.
|
|
ГЛАВА 6 Сетевые характеристики Компьютерная сеть представляет собой сложную и дорогую систему, решающую ответственные задачи и обслуживающую большое количество пользователей. Поэтому очень важно, чтобы сеть не просто работала, но работала качественно. Понятие качества обслуживания можно трактовать очень широко, включая в него все возможные и желательные для пользователя свойства сети и поставщика услуг, поддерживающего работу этой сети. Для того чтобы пользователь и поставщик услуг могли более конкретно обсуждать проблемы обслуживания и строить свои отношения на формальной основе, существует ряд общепринятых ха рактеристик качества предоставляемых сетью услуг. Мы будем рассматривать в этой главе только ха рактеристики качества транспортных услуг сети, которые намного проще поддаются формализации, чем характеристики качества информационных услуг. Характеристики качества транспортных услуг отражают такие важнейшие свойства сети, как производительность, надежность и безопасность. Часть этих характеристик может быть оценена количественно и измерена при обслуживании поль зователя. Пользователь и поставщик услуг могут заключить соглашение об уровне обслуживания, в котором оговорить требования к количественным значениям некоторых характеристик, например, к доступности предоставляемых услуг. Термин «качество обслуживания» часто употребляется в узком смысле, как одно из современных направлений в сетевых технологиях, цель которого состоит в разработке методов качественной передачи трафика через сеть. Характеристики качества обслуживания объединяет то, что все они отражают отрицательное влияние механизма очередей на передачу трафика. Это влияние, в частности, может выражаться во временном снижении скорости передачи трафика, доставке пакетов с переменными задержками и потере пакетов из-за перегрузки буферов комму таторов. Типы характеристик 163 Типы характеристик Субъективные оценки качества Если опросить пользователей, чтобы выяснить, что они вкладывают в понятие качествен ных сетевых услуг, то можно получить очень широкий спектр ответов. Среди них, скорее всего, встретятся следующие мнения: □ сеть работает быстро, без задержек; □ трафик передается надежно; □ услуги предоставляются бесперебойно по схеме 24 х 7 (то есть 24 часа в сутки семь дней в неделю); □ служба поддержки работает хорошо, давая полезные советы и помогая разрешить про блемы; □ услуги предоставляются по гибкой схеме, мне нравится, что можно в любой момент и в широких пределах повысить скорость доступа к сети и увеличить число точек до ступа; □ поставщик не только передает мой трафик, но и защищает мою сеть от вирусов и атак злоумышленников; □ я всегда могу проконтролировать, насколько быстро и без потерь сеть передает мой трафик; □ поставщик предоставляет широкий спектр услуг, в частности помимо стандартного доступа в Интернет он предлагает хостинг для моего персонального веб-сайта и услуги ІР-телефонии. Эти субъективные оценки отражают пожелания пользователей к качеству сетевых сервисов. Пользователи, клиенты — это важнейшая сторона любого бизнеса, в том числе бизнеса сетей передачи данных, но существует и еще одна сторона — поставщик услуг (коммерче ский, если это публичная сеть, и некоммерческий, если это корпоративная сеть). Для того чтобы пользователи и поставщики услуг могли обоснованно судить о качестве сервисов, существуют формализованные характеристики качества сетевых услуг, которые позволяют количественно оценить тот или иной аспект качества. Характеристики и требования к сети Работая в сети, пользователь формулирует определенные требования к ее характеристи кам. Например, пользователь может потребовать, чтобы средняя скорость передачи его информации через сеть не опускалась ниже 2 Мбит/с. То есть в данном случае пользова тель задает тот диапазон значений для средней скорости передачи информации через сеть, который для него означает хорошее качество сервиса. Все множество характеристик качества транспортных услуг сети можно отнести к одной из следующих rpynfi: □ производительность; □ надежность; □ безопасность; □ характеристики, имеющие значение только для поставщика услуг. 164 Глава 6. Сетевые характеристики Первые три группы соответствуют трем наиболее важным для пользователя характе ристикам транспортных услуг — возможности без потерь и перерывов в обслуживании (надежность) передавать с заданной скоростью (производительность) защищенную от несанкционированного доступа и подмены информацию (безопасность1). Понятно, что по ставщик сетевых услуг, стремясь удовлетворить требования пользователей, также уделяет внимание этим характеристикам. В то же время существует ряд важных для поставщика характеристик сети, которые не интересуют пользователей. Дело в том, что сеть обслуживает большое количество пользователей, и поставщику услуг нужно организовать работу своей сети таким образом, чтобы одновременно удовлетворить требования всех пользователей. Как правило, это сложная проблема, так как основные ресурсы сети — линии связи и коммутаторы (маршрутизаторы) — разделяются между информационными потоками пользователей. Поставщику необходимо найти такой баланс в распределении ресурсов между конкурирующими потоками, чтобы требования всех пользователей были соблюдены. Решение этой задачи включает планирование и контроль расходования ресурсов в процессе передачи пользовательского трафика. Поставщика ин тересуют те характеристики ресурсов, с помощью которых он обслуживает пользователей. Например, его интересует производительность коммутатора, так как поставщик должен оценить, какое количество потоков пользователей он может обработать с помощью данного коммутатора. Для пользователя производительность коммутатора не представляет интерес, ему важен конечный результат — будет его поток обслужен качественно или нет. Временная шкала Рассмотрим еще один способ классификации характеристик — в соответствии с временной шкалой, на которой эти характеристики определяются. Долговременные характеристики определяются на промежутках времени от нескольких месяцев до нескольких лет. Их можно назвать характеристиками проектных решений. При мерами таких характеристик являются набор моделей и количество коммутаторов в сети, топология и пропускная способность линий связи. Эти параметры сети прямо влияют на характеристики качества услуг сети. Одно проектное решение может оказаться удачным и сбалансированным, так что потоки трафика не будут испытывать перегрузок; другое может создавать узкие места для потоков, в результате задержки и потери пакетов превысят допусти мые пределы. Понятно, что полная замена или глубокая модернизация сети связана с боль шими затратами финансовых средств и времени, поэтому они происходят не слишком часто и продолжают оказывать влияние на качество сети в течение продолжительного времени. Среднесрочные характеристики определяются на интервалах времени от нескольких се кунд до нескольких дней, как правило, включающих обслуживание большого количества пакетов. Например, к среднесрочным характеристикам может быть отнесено усредненное значение задержки пакетов по выборке, взятой в течение суток. Краткосрочные характеристики относятся к темпу обработки отдельных пакетов и изме ряются в микросекугідном и миллисекундном диапазонах. Например, время буферизации, или время пребывания пакета в очереди коммутатора или маршрутизатора, является ха рактеристикой этой группы. Для анализа и обеспечения требуемого уровня краткосрочных характеристик разработано большое количество методов, получивших название методов контроля и предотвращения перегрузок (congestions control and congestion avoidance). 1 Вопросы безопасности компьютерных сетей обсуждаются в главе 24 Производительность 165 Соглашение об уровне обслуживания Естественной основой нормального сотрудничества поставщика услуг и пользователей является договор. Договор всегда заключается между клиентами и поставщиками услуг публичных сетей передачи данных, однако не всегда в нем указываются количественные требования к эффективности предоставляемых услуг. Очень часто в договоре услуга специфицируется очень общо, например «предоставление доступа в Интернет». Однако существует и другой тип договора, называемый соглашением об уровне обслу живания (Service Level Agreement, SLA). В таком соглашении поставщик услуг и клиент описывают качество предоставляемой услуги в количественных терминах, пользуясь характеристиками эффективности сети. Например, в SLA может быть записано, что по ставщик обязан передавать трафик клиента без потерь и с той средней скоростью, с которой пользователь направляет его в сеть. При этом оговорено, что это соглашение действует только в том случае, если средняя скорость трафика пользователя не превышает, на пример, 3 Мбит/с, в противном случае поставщик получает право просто не передавать избыточный трафик. Для того чтобы каждая сторона могла контролировать соблюдение этого соглашения, необходимо еще указать период времени, на котором будет измеряться средняя скорость, например день, час или секунда. Еще более определенным соглашение SLA становится в том случае, когда в нем указываются средства и методы измерения ха рактеристик сети, чтобы у поставщика и пользователя не было расхождений при контроле соглашения. Соглашения SLA могут заключаться не только между поставщиками коммерческих услуг и их клиентами, но и между подразделениями одного и того же предприятия. В этом случае поставщиком сетевых услуг может являться, например, отдел информационных техноло гий, а потребителем — производственный отдел. Производительность Мы уже знакомы с такими важными долговременными характеристиками производитель ности сетевых устройств, как пропускная способность каналов или производительность коммутаторов и маршрутизаторов. Наибольший интерес данные характеристики пред ставляют для поставщиков услуг — на их основе поставщик услуг может планировать свой бизнес, рассчитывая максимальное количество клиентов, которое он может обслужить, определяя рациональные маршруты прохождения трафика и т. п. Однако клиента интересуют другие характеристики производительности, которые позволят ему количественно оценить, насколько быстро и качественно сеть передает его трафик. Для того чтобы определить эти характеристики, воспользуемся моделью идеальной сети. Идеальная сеть В разделе «Количественное сравнение задержек» главы 3 мы рассмотрели различные со ставляющие задержек в сети с коммутацией пакетов. Напомним, что такими составляю щими являются показатели времени: □ передачи данных в канал (время сериализации); □ распространения сигнала; 166 Глава 6. Сетевые характеристики □ ожидания пакета в очереди; □ коммутации пакета. Два первых типа задержки определяются свойствами каналов передачи данных (битовой скоростью и скоростью распространения сигнала п среде) и являются фиксированными для пакета фиксированной длины. Две вторых составляющих зависят от характеристик сети коммутации пакетов и в общем случае являются переменными. Будем считать, что сеть с коммутацией пакетов работает идеально, если она передает каж дый бит информации с постоянной скоростью, равной скорости распространения света в физической среде. Другими словами, идеальная сеть с коммутацией пакетов не вносит никаких дополнительных задержек в передачу данных помимо тех, которые вносятся каналами связи (и работает в отношении временных характеристик передачи данных так, как если бы она была сетью с коммутацией каналон). Результат передачи пакетов такой идеальной сетью иллюстрирует рис. 6.1. На верхней оси показаны значения времени поступления пакетов в сеть от узла отправителя, а на ниж нем — значения времени поступления пакетов в узел назначения. Другими словами, можно сказать, что верхняя ось показывает предложенную нагрузку сети, а нижняя — результат передачи этой нагрузки через сеть. Пусть задержка передачи пакета определяется как интервал времени между моментом от правления первого бита пакета в канал связи узлом отправления и моментом поступления первого бита пакета в узел назначения соответственно (на рисунке обозначены задержки d \, (І 2 и Как видно из рисунка, идеальная сеть доставляет все пакеты узлу назначения: □ не потеряв ни один из них (и не исказив информацию ни в одном из них); □ в том порядке, в котором они были отправлены; □ с одной и той же и минимально возможной задержкой (d\ = ^ и т. д.). Производительность 167 Важно, что все интервалы между соседними пакетами сеть сохраняет в неизменном виде. Например, если интервал между первым и вторым пакетами составляет при отправлении Ті секунд, а между вторым и третьим — Т 2 , то такими же интервалы останутся в узле на значения. Надежная доставка всех пакетов с минимально возможной задержкой и сохранением временных интервалов между ними удовлетворит любого пользователя сети независимо от того, трафик какого приложения он передает по сети — веб-сервиса или ІР-телефонии. Существуют и другие определения времени задержки пакета. Например, эту величину можно определить как время между моментом отправления первого бита пакета в канал связи узлом отправления и моментом поступления последнего бита пакета в узел на значения соответственно. Нетрудно видеть, что в этом определении в задержку пакета включено время сериализации, кроме того, понятно, что оба определения не противоречат друг другу и величина задержки, полученная в соответствии с одним определением, легко преобразуется в величину задержки, полученной в соответствии с другим. Мы выбрали первое определение для иллюстрации идеального поведения сети с коммутацией пакетов потому, что в этом случае задержка не зависит от размера пакета, что удобнее использовать, описывая «идеальность» обслуживания пакетов. Теперь посмотрим, какие отклонения от идеала могут встречаться в реальной сети и какими характеристиками можно эти отклонения описывать (рис. 6.2). Пакеты доставляются сетью узлу назначения с различными задержками. Как мы уже знаем, это неотъемлемое свойство сетей с коммутацией пакетов. Случайный характер процесса образования очередей приводит к случайным задержкам, при этом задержки e f дельных пакетов могут быть значительными, в десятки раз превос ходя среднюю величину задержек (d\ ^ ^ ^ ^ з и т . д.). Неравномерность задержек приводит к неравномерным интервалам между соседними пакетами. То есть изменяется характер временных соотношений между соседними пакетами, а это может катастрофически ска заться на качестве работы некоторых приложений. Например, при цифровой передаче речи 168 Глава 6. Сетевые характеристики -------------------------------- = 1_ (или более обобщенно — звука) неравномерность интервалов между пакетами, несущими замеры голоса, приводит к существенным искажениям речи. Пакеты могут доставляться узлу назначения не в том порядке, в котором они были отправ лены, например, на рис. 6.2 пакет 4 поступил в узел назначения раньше, чем пакет 3. Такие ситуации встречаются в дейтаграммных сетях, когда различные пакеты одного потока передаются через сеть различными маршрутами, а следовательно, ожидают обслуживания в разных очередях с разным уровнем задержек. Очевидно, что пакет 3 проходил через пере груженный узел или узлы, так что его суммарная задержка оказалась настолько большой, что пакет 4 прибыл раньше него. Пакеты могут терятьсяв сети или же приходить в узел назначения с искаженными дан ными, что равносильно потере пакета, так как большинство протоколов не способно вос станавливать искаженные данные, а только определяет этот факт по значению контрольной последовательности кадра (Frame Check Sequence, FCS). Пакеты также могут дублироватьсяпо разным причинам, например из-за ошибочных по вторных передач протоколов, обеспечивающих надежный обмен данными. В реальной сети средняя скорость информационного потока на входе узла назначения может отличаться от средней скорости потока, направленного в сеть узлом-отправителем. Виной этому являются не задержки пакетов, а их потери1. Так, в примере, показанном на рис. 6.2, средняя скорость исходящего потока снижаетсяиз-за потери пакета 5. Чем больше потерь и искажений пакетов происходит в сети, тем ниже скорость информационного потока. Как видно из приведенного описания, существуют различные характеристики произ водительности сети (называемые также метриками производительности сети). Нельзя в общем случае говорить, что одни из этих характеристик более, а другие — менее важные. Относительная важность характеристик зависит от типа приложения, трафик которого переносит сеть. Так, существуют приложения, которые очень чувствительны к задержкам пакетов, но в то же время весьма терпимы к потере отдельного пакета — примером может служить передача голоса через пакетную сеть. Примером приложения, которое мало чув ствительно к задержкам пакетов, но очень чувствительно к их потерям, является загрузка файлов (подробнее об этом говорится в главе 7). Поэтому для каждого конкретного случая необходимо выбирать подходящий набор характеристик сети, наиболее адекватно отра жающий влияние неидеальности сети на работу приложения. Статистические оценки характеристик сети Очевидно, что множество отдельных значений времени передачи каждого пакета в узел назначения дают исчерпывающую характеристику качества передачи трафика сетью в течение определенного промежутка времени. Однако это слишком громоздкая и, более того, избыточная характеристика производительности сети. Для того чтобы представить характеристики качества передачи последовательности пакетов через сеть в компактной форме, применяются статистические методы. Статистические методы служат для оценки характеристик случайных процессов, а именно такой характер имеют процессы передачи пакетов сетью. Сами характеристики произво дительности сети, такие как, например, задержка пакета, являются случайными величинами. |