Учебник для вузов в. Олифер Н. Олифер Компьютерные Принципы, технологии, протоколы
 Скачать 22.28 Mb.
|
|
1 Это утверждение справедливо, когда интервал усреднения'скорости существенно превышает вели чину максимальной задержки. П роиз водите л ьность 169 Статистические характеристики выявляют закономерности в поведении сети, которые устойчиво проявляются только на длительных периодах времени. Когда мы говорим о дли тельном периоде времени, то мы понимаем под этим интервал, в миллионы раз больший, чем время передачи одного пакета, которое в современной сети измеряется микросекунда ми. Так, время передачи пакета Fast Ethernet составляет около 100 мкс, Gigabit Ethernet — около 10 мкс, ячейки ATM — от долей микросекунды до 3 мкс (в зависимости от скорости передачи). Поэтому для получения устойчивых результатов нужно наблюдать поведение сети, по крайней мере, в течение минут, а лучше — нескольких часов. Основным инструментом статистики является так называемая гистограмма распределе ния оцениваемой случайной величины. Рассмотрим этот инструмент на примере такой характеристики сети, как задержка пакета. Будем считать, что нам удалось измерить задержку доставки каждого из 2600 пакетов, переданных между двумя узлами сети, и сохранить полученные результаты. Эти результаты называются выборкой случайной величины. Для того чтобы получить гистограмму распределения, мы должны разбить весь диапазон измеренных значений задержек на несколько интервалов и подсчитать, сколько пакетов из нашей выборки попало в каждый интервал. Пусть все значения задержек укладыва ются в диапазон 20-90 мс. Разобьем его на семь интервалов по 10 мс. В каждый из этих интервалов, начиная с интервала 20-30 мс и т. д., попало 100 (я1), 200 (и2), 300 (иЗ), 300 (я4), 400 (я5), 800 (яб) и 500 (п і ) пакетов соответственно. Отобразив эти числа в виде горизонтальных уровней для каждого интервала, мы получим гистограмму, показанную на рис. 6.3, которая, основываясь всего на семи числах я1, я 2 ,..., я7, дает нам компактную статистическую характеристику задержек 2600 пакетов. Количество а замеров 800 - 700 - 600 - 500 - 400 - 300 - 200 - 100 - Рис. 6.3. Гистограмма распределения задержек пб .Л / 1 » % і » Плотность распределения задержек \ 1 1 п5/ \ \ \\ пЗ / \ \\ I\ \\ п 1 / / *» \\ 1 » V . -------- W 20 30 40 50 60 70 80 90 Задержка пакета 170 Глава 6. Сетевые характеристики Гистограмма задержек дает хорошее представление о производительности сети. По ней можно судить, какие уровни задержек более вероятны, а какие — менее. Чем больше пе риод времени, в течение которого собираются данные для построения гистограммы, тем с более высокой степенью достоверности можно предсказать поведение сети в будущем. Например, пользуясь гистограммой на рис. 6.3, можно сказать, что и в будущем при из мерениях задержек пакетов у 65 % пакетов задержка не превысит 60 мс. Для получения такой оценки мы сложили общее количество пакетов, задержки которых попали во все интервалы, большие 60 мс (1700 замеров), и разделили эту величину на общее количество пакетов (2600 замеров). Другими словами, мы нашли долю пакетов, задержки которых в выборке превышают 60 мс, и считаем, что наша выборка позволяет судить о поведении сети в будущем. Насколько точен такой прогноз? Собрали ли мы достаточно экспериментальных данных, чтобы делать более-менее достоверные прогнозы? Статистика позволяет судить и об этом, однако мы не будем рассматривать здесь эту увлекательную проблему и оставим ее специ альным книгам по статистике. При увеличении количества интервалов и времени наблюдения мы в пределе получаем не прерывную функцию, которая называется плотностью распределения задержки доставки пакета (показана пунктиром). В соответствии с теорией, вероятность того, что значение случайной величины окажется в определенном диапазоне, равна интегралу плотности рас пределения случайной величины от нижней до верхней границ данного диапазона. Таким образом, может быть вычислено вероятностное значение задержки пакета. Гистограмма дает хорошее детальное описание соответствующей характеристики, но чаще всего используются еще более компактные статистические оценки характеристик, которые позволяют представить характеристику одним числом на основе некоторой математической обработки имеющейся выборки. Наиболее часто для описания характеристик производительности сети используются следующие статистические оценки. □ Среднее значение (D) вычисляется как сумма всех значений оцениваемой величины деленная на количество всех измерений N: D = Y ^ - . Для примера, приведенного на рис. 6.3, среднее значение равно: (100 х 25 + 200 х 35 + + 300 х 45 + 300 х55 + 400 х 65 + 800 х 75 + 500 х 85)/2600 - 64,6 мс (для вычисления использованы средние значения интервалов). □ Медиана представляет такое значение оцениваемой величины, которое делит ранжи рованную (упорядоченную) выборку пополам, то есть таким образом, чтобы коли чество замеров, значения которых меньше или равны значению медианы, равнялось количеству замеров, значения которых больше или равны значению медианы. В нашем примере медианой выборки является значение 70 мс, так как число замеров, значения которых меньше или равны 70 мс, составляет 1300, а число замеров, значения которых больше или равны 70 мс, равно 1300. □ Стандартное отклонение ( J ) представляет собой среднее отклонение каждого отдель ного замера от среднего значения оцениваемой величины: Производительность 171 j . M z K . J v АГ-1 Очевидно, что если все задержки ф равны между собой, то вариация отсутствует, что подтверждают приведенные формулы — в этом случае D - ф и / = 0. □ К о э ф ф и ц и е н т в а р и а ц и и — это безразмерная величина, которая равна отношению стандартного отклонения к среднему значению оцениваемой величины: Коэффициент вариации характеризует оцениваемую величину без привязки к ее абсо лютным значениям. Так, идеальный равномерный поток пакетов всегда будет обладать нулевым значением коэффициента вариации задержки пакета. Коэффициент вариа ции задержки пакета, равный 1, означает достаточно пульсирующий трафик, так как средние отклонения интервалов от некоторого среднего периода следования пакетов равны этому периоду. □ Квантиль (процентиль) — это такое значение оцениваемой величины, которое делит ранжированную выборку на две части так, что процент замеров, значения которых меньше или равно значению квантиля, равен некоторому заданному уровню. В этом определении фигурируют два числа: заранее заданный процент и найденное по нему и замерам выборки значение квантиля. Рассмотрим для примера выборку задержек пакетов, показанную на рис. 6.3, и найдем для нее значение 80-процентного квантиля. Ответом будет 80 мс, так как ровно 80 % замеров выборки (то есть 2100 замеров из всех интервалов кроме последнего) имеют значения, меньшие или равные 80 мс. Медиана является частным случаем квантиля — это 50-процентный квантиль. Для оценки характеристик сети обычно используют квантили с достаточно большим значением процента, например 90-, 95- или 99-процентные квантили. Это понятно, так как если пользователю скажут, что сеть будет обеспечивать уровень задержек в 100 мс с веро ятностью 0,5, то это его не очень обрадует, так как он ничего не будет знать об уровне задержек половины своих пакетов. Мы рассмотрели применение статистических методов для оценки характеристик произ водительности сети на примере такой характеристики, как задержка. Естественно, эти методы применяются ко всем характеристикам производительности сети, так как все они являются случайными величинами. Активные и пассивные измерения в сети Для того чтобы оценить некоторую характеристику производительности сети, необходимо провести определенные измерения на последовательности пакетов, поступающих на не который интерфейс сетевого устройства. Существует два типа измерений в сети: активные измерения и пассивные измерения. Активные измерения основаны на генерации в узле-источнике специальных «измеритель ных» пакетов. Эти пакеты должны пройти через сеть тот же путь, что и пакеты, характе- 172 Глава 6. Сетевые характеристики ристики которых мы собираемся оценивать. Измерения в узле назначения проводятся на последовательности «измерительных» пакетов. Рисунок 6.4 иллюстрирует идею активных измерений. Пусть мы хотим измерить задерж ки пакетов некоторого приложения А , которые передаются от компьютера-клиента при ложения А компьютеру-серверу приложения А через сеть. Вместо того чтобы пытаться измерить задержки пакетов, генерируемых клиентским компьютером, мы устанавливаем в сети два дополнительных компьютера: сервер-генератор и сервер-измеритель. Сервер- генератор генерирует измерительные пакеты (показанные на рисунке серым цветом), а сервер-измеритель измеряет задержки этих пакетов. Для того чтобы измеряемые зна чения были близки к значениям задержки пакетов приложения А , нужно, чтобы измери тельные пакеты проходили через сеть по тому же пути, что и пакеты приложения А , то есть нужно постараться подключить сервер-генератор и сервер-измеритель по возможности ближе к оригинальным узлам. В нашем примере такое приближение достигнуто за счет подключения дополнительных узлов к портам тех же коммутаторов 51 и 52, к которым подключены оригинальные узлы. Кроме того, нужно, чтобы измерительные пакеты как можно больше «походили» на оригинальные пакеты — размерами, признаками, помещен ными в заголовки пакетов. Это требуется для того, чтобы сеть обслуживала их так же, как оригинальные пакеты. Клиент приложения А Пакеты приложения А Сервер приложения А Сервер-генератор Измерительные пакеты Рис. 6.4. Схема активных измерений Сервер-измеритель Однако измерительные пакеты не должны генерироваться слишком часто, иначе нагрузка сети может существенно измениться, и результаты замеров будут отличаться от тех, кото рые были бы получены в отсутствии измерительных пакетов. Другими словами, измерения не должны менять условий работы сети. Обычно интенсивность генерации измерительных пакетов не превосходит 20-50 пакетов в секунду. Существует специальное программное обеспечение, которое генерирует измерительные пакеты и измеряет их характеристики по прибытию на сервер-измеритель. Возникает естественный вопрос: зачем нужно решать столько проблем: размещать допол нительное оборудование, создавать условия для измерительных пакетов, близкие к усло виям обработки оригинальных пакетов, и в то же время стараться не изменить нагрузку сети? Не проще ли измерять параметры реальных пакетов? Ответ заключается в том, что активная схема упрощает процесс проведения измерений и позволяет добиться их высокой Производительность 173 точности. Так как сервер-генератор создает измерительные пакеты, то он легко может ис пользовать специальный формат пакетов для того, чтобы поместить в них необходимую для измерения информацию, например временную отметку (time-stamp) отправки пакета. Затем сервер-измеритель использует эту временную отметку для вычисления времени задержки. Очевидно, что для того чтобы измерения задержки были точными, нужна хоро шая синхронизация сервера-генератора и сервера-измерителя. Так как в схеме активнь х измерений они представляют собой выделенные узлы, такой синхронизации добиться проще, чем в случае синхронизации клиента и сервера приложения А , которые чаще всего представляют собой обычные компьютеры. Кроме того, иногда у инженеров, проводящих измерения, просто нет доступа к компьютерам, на которых работают приложения, чтобы установить там программное обеспечение для требуемых измерений поступающих паке тов. А если такой доступ и существует, то операционные системы клиента и сервера и их аппаратная платформа, скорее всего, не оптимизированы для точных измерений временных интервалов, а значит, вносят большие искажения в результаты (например, за счет задержек программы измерений в очереди к центральному процессору). Однако преимущества активной схемы измерений не являются абсолютными. В некоторых ситуациях более предпочтительной является схема пассивных измерений. Пассивные измерения основаны на измерениях характеристик реального трафика. Эту схему иллюстрирует рис. 6.5. Клиент Сервер приложения А приложения А Сервер-измеритель Рис. 6 .5 . Схема пассивных измерений Приводя аргументы в пользу схемы активных измерений, мы, в сущности, описали про блемы, которые приходится решать при использовании схемы пассивных измерений: сложности синхронизации клиента и сервера, дополнительные и неопределенные за держки, вносимые универсальными мультпрограммными операционными системами этих компьютеров, отсутствие в заголовке используемых приложением пакетов поля для переноса по сети временнбй отметки. Частично эти проблемы решаются за счет использования отдельного сервера-измерителя. Этот сервер принимает тот же входной поток пакетов, что и один из узлов, участвующий в обмене пакетами, характеристики которых нужно измерить (на рисунке показан случай, когда сервер-измеритель ставится в параллель с сервером приложения А). Для того что бы сервер-измеритель получал тот же входной поток пакетов, что и оригинальный узел, 174 Глава 6. Сетевые характеристики обычно прибегают к дублированию измеряемого трафика на порт, к которому подключен сервер-измеритель. Такую функцию, называемую зеркализацией портов, поддерживают многие коммутаторы локальных сетей. Сервер-измеритель может работать под управле нием специализированной операционной системы, оптимизированной для выполнения точных измерений временных интервалов. Сложнее решить проблему синхронизации. Некоторые протоколы переносят временное отметки в своих служебных полях, так что если, например, приложение А использует такой протокол, то часть проблемы решается. Однако и в этом случае остается открытым вопрос о точности системного времени в компьютере клиента приложения А; скорее все го она невысока. Поэтому в пассивном режиме измеряют те характеристики, которые не требуют синхронизации передатчика и приемника, например оценивают долю потерянных пакетов. Возможным вариантом пассивной схемы измерений является отсутствие выделенного сервера-измерителя. Некоторые приложения сами выполняют измерения задержек поступающих пакетов, например такими функциями обладают многие приложения IP- телефонии и видеоконференций, так как информация о задержках пакетов помогает определить возможную причину неудовлетворительного качества работы приложения. СТАНДАРТЫ ИЗМЕРЕНИЙ ------------------------- « ----------------------------------------------------- Как и в любой области, в сфере измерений имеются стандарты, создающие основу для одинаковой трактовки наиболее важных характеристик производительности сети. Разработкой таких стандартов занимается рабочая группа IETF под названием IPPM (IP Performance Metrics — метрики произ водительности ІР-сетей). И хотя из названия группы видно, что ее стандарты ориентированы на характеристики именно IP-пакетов, эти стандарты носят достаточно общий характер, так что за ис ключением некоторых деталей могут применяться как основа для описания характеристик любых других протоколов (что и происходит на практике). Каждый стандарт имеет однотипную структуру. Сначала характеристика описывается как случайная величина, то есть дается определение ее единич ного значения, которое является также значением ее единичного измерения. Затем дается описание того, что понимается под последовательностью замеров, то есть дается описание того, как правильно получить выборку значений характеристики. И наконец, приводятся рекомендуемые статистические оценки, которыми следует пользоваться при обработке полученной выборки значений. Обычно стандарты группы ІРРМ оставляют значительную свободу в выборе той или иной статистической оценки, рекомендуя несколько возможных оценок, например среднее значение, квантиль и макси мальное значение. Характеристики задержек пакетов В этом разделе мы более формально рассмотрим характеристики производительности сети, относящиеся к задержкам и потерям пакетов. Односторонняя задержка пакетов (One-Way Delay Metric, OWD) входит в число стан дартов IPPM и описана в RFC 2679 ( http://w w w .ietf.org/rfc/rfc2679.txt). Единичное значение этой метрики описывается как время передачи пакета определенного типа между некоторыми двумя узлами сети. Под определенным типом понимается пакет, который имеет определенный набор заранее заданных признаков; стандарт жестко не ого варивает эти признаки, но указывает, что ими могут быть, например, размер пакета, тип приложения, сгенерировавшего пакет, тип протокола транспортного уровня, который до ставил пакет, а также некоторые другие. Смысл используемого набора признаков состоит Производительность 175 втом, чтобы выделить из общего потока пакетов, приходящего в узел назначения, те паке ты, характеристики которых интересуют специалиста, проводящего измерения. Единичное значение односторонней задержки пакетов определяется как интервал времени между моментом помещения в исходящую линию связи первого бита пйкега уЗДт*отправителем м мо ментом приема последнего бита* пакета с вход ящей линии связ<4 узла-по/|уч^Твля. Так как в этом определении учитывается время буферизации пакета узлом-получателем, то задержка зависит от размера пакета, и для получения сопоставимых результатов жела тельно в определении типа пакетов задавать определенный размер пакета. RFC 2679 не поясняет, почему было выбрано определение задержки, зависящее от размера пакета, но можно предполагать, что это связано с удобством измерения времени прихода пакета, так как программно его можно измерить только после завершения записи всего пакета в буфер операционной системы. Да и понять, относится ли пакет к нужному типу, при получении только его первого бита также невозможно. В том случае, если пакет не прибыл в узел назначения за некоторое достаточно большое время (точное значение оставлено разработчику системы измерений), то пакет считается утерянным, а его задержка неопределенной (ее можно полагать равной бесконечности). Последовательность замеров рекомендуется выполнять в случайные моменты времени, подчиняющиеся распределению Пуассона. Такой порядок выбора времени замеров по зволяет избежать возможной синхронизации измерений с любыми периодическими флюк туациями в поведении сети, так как такая синхронизации может существенно исказить наблюдаемую картину. И, наконец, RFC 2679 рекомендует использовать следующие статистические оценки для одностороннего времени задержки: □ квантиль для некоторого процента, при этом само значение процента не оговарива ется; □ среднее значение задержки; □ минимальное значение задержки (в выборке). Квантили удобны для оценки задержек в тех случаях, когда процент потерь пакетов до статочно высок, так что вычисление среднего значения задержки вызывает определенные трудности (можно игнорировать потери пакетов, но тогда мы получим слишком зани женную оценку). Для вычисления квантиля потерянные пакеты можно рассматривать как пакеты, пришедшие с бесконечно большой задержкой, которая, естественно, больше значения квантиля. ПРИМЕЧАНИЕ-------------------------------------------------------------------------------------------------- В некоторых случаях желательно иметь более однозначные рекомендации для выбираемых стати стических оценок. На помощь здесь может прийти документ IETF, который на момент написания этой книги имел статус щгоекта стандарта Интернета. В этом проекте, называемом «Метрики IP- производительности для пользователей» (http://www.ietf.org/intemet-drafts/draft-ietf-ippm-reporting- 03.txt), приводятся более определенные рекомендации для основных характеристик производитель ности сети; к тому же выбранные оценки интуитивно понятны для пользователя. Так, в качестве оценки односторонней задержки в этом документе рекомендуется использовать медиану выборки. 176 Глава 6. Сетевые характеристики Время реакции сети представляет собой интегральную характеристику производитель ности сети с точки зрения пользователя. Именно эту характеристику имеет в виду поль зователь, когда говорит: «Сегодня сеть работает медленно». Ш ы т Ш д Ш я т т т кт у ф Ш п времени ^ т ^ а т р а т о ^ запроса пользователя атЦ,зап^,,,: < Время реакции сети можно представить в виде нескольких слагаемых, например (рис. 6.6): времени подготовки запросов на клиентском компьютере (^клиенті), времени передачи за просов между клиентом и сервером через сеть (£Сеть)> времени обработки запросов на серве ре (Сервер), времени передачи ответов ОТ сервера клиенту через сеть (снова £Сеть) и времени обработки получаемых от сервера ответов на клиентском компьютере (^клиентг)- Время реакции сети характеризует сеть в целом, в том числе качество работы аппаратного и программного обеспечения серверов. Для того чтобы отдельно оценить транспортные воз можности сети, используется другая характеристика — время оборота данных по сети. Время оборота пакета (Round Trip Time, RTT) входит в число стандартов IPPM, описа но в RFC 2681 (http://www.ietf.org/rfc/rfc2681.txt). Время оборота является составляющей времени реакции сети — это «чистое» время транспортировки данных от узла отправителя до узла назначения и обратно без учета времени, затраченного узлом назначения на под готовку ответа: RTT = 2 х tceTb. Единичное значение времени оборота определяется как интервал времени между отправкой первого бита пакета определенного типа узлом-отправителем узлу-получателю и получением последнего бита этого ракета узлом-отправитёлем после того» как пакет был получен узлом- получатеяём и отправлен обратно. При этом узел-получатель должен отправить пакет узлу-отправителю как можно быстрее, чтобы не вносить искажения за счет времени обработки пакета. RFC 2861 рекомендует ту же последовательность замеров времени оборота, что и для односторонней задержки, то есть случайные интервалы, подчиняющиеся распределению Пуассона. RTT является удобной для измерений характеристикой, так как для ее получения не требуется синхронизация узла-отправителя и узла-получателя (узел-отправитель ставит временную отметку на отправляемый пакет, а затем по прибытии его от узла-получателя сравнивает эту отметку со своим текущим системным временем). Производительность 177 Однако информативность времени оборота меньше, чем односторонней задержки, так как информация о задержке в каждом направлении теряется, а это может затруднить поиск проблемного пути в сети. Вариация задержки пакета (IP Packet Delay Variation, IPDV), которая входит в число стандартов IPPM, описана в RFC 3393 ( http://www.ietf.org/rfc/rfc3393.txt). Вариация задержки пакетов, которую также называют джиттером (jitter), очень важна для некоторых приложений. Так, при воспроизведении видеоклипа сама по себе задержка не очень существенна, например, если все пакеты задерживаются ровно на десять секунд, то качество воспроизведения не пострадает, а тот факт, что картинка появляется чуть позже, чем ее отослал сервер, пользователь даже не заметит (однако в интерактивных видеопри ложениях, таких как видеоконференции, подобная задержка будет, конечно, уже ощутимо раздражать). А вот если задержки постоянно изменяются в пределах от нуля до 10 секунд, то качество воспроизведения клипа заметно ухудшится, для компенсации таких пере менных задержек нужна предварительная буферизации поступающих пакетов в течение времени, превышающем вариацию задержки. Единичное значение оценки вариации задержки определяется в RFC 3393 как разность односго* роннихзадержекдішпб^ пакетов заданноготжшг полученныхнаште|>ввлеиэмейеиий Г. . Как и для односторонней задержки, тип пакета может задаваться любыми признаками, однако для определенности измерений вариации задержки размеры обоих пакетов пары должны быть одинаковыми. Основной вопрос в этом определении — каким образом вы брать пару пакетов на интервале измерения 77 Для ответа на этот вопрос в RFC 3393 вводится дополнительная функция — так называемая избирательная функция, которая и определяет правила выбора пары пакетов. Стандарт не определяет точное значение этой функции, он только говорит, что она должна существовать, и дает примеры возмож ных функций. Например, пары могут образовываться из всех последовательных пакетов, полученных на интервале; другим примером является выбор пакетов с определенными номерами в последовательности полученных пакетов, например пакетов с номерами 1, 5, 10,15 и т. д. с интервалом 5. Для оценки вариации задержки в соответствии с рекомендациями RFC 3393 требуется измерение задержек определенных пар пакетов. В то же время часто используется другой подход к определению вариации задержки, требующий только знания выборки односторон них задержек без их группировки в пары, отвечающие определенным условиям. Например, вуже упоминавшемся документе «Метрики IP-производительности для пользователей» в качестве оценки вариации задержки предлагается так называемый разброс задержки (delay spread). Разброс задержки определяется как разность между 75- и 25-процентными квантилями односторонней задержки. Таким образом, для того чтобы оценить вариацию задержки по этому определению, достаточно получить выборку значений односторонней задержки, а затем найти соответствующие квантили. Характеристики скорости передачи Скорость передачи данных (information rate) измеряется на каком-либо промежутке вре мени как частное от деления объема переданных данных за этот период на продолжитель ность периода. Таким образом, данная характеристика всегда является средней скоростью передачи данных. 178 Глава 6. Сетевые характеристики Однако в зависимости от величины интервала, на котором измеряется скорость, для этой характеристики традиционно используется одно из двух наименований: средняя или пи ковая скорость. Средняя скорость передачи данных (Sustained Information Rate, SIR)1 определяется на достаточно большом периоде времени. Это среднесрочная характеристика, период времени должен быть достаточным, чтобы можно было говорить об устойчивом поведении такой случайной величины, которой является скорость. Должен быть оговорен период контроля этой величины, например 10 секунд. Это означа ет, что каждые 10 секунд вычисляется скорость информационного потока и сравнивается с требованием к этой величине. Если бы такие контрольные измерения не проводились, это лишило бы пользователя возможности предъявлять претензии поставщику в некото рых конфликтных ситуациях. Например, если поставщик в один из дней месяца вообще не будет передавать пользовательский трафик, а в остальные дни разрешит пользователю превышать оговоренный предел, то средняя скорость за месяц окажется в норме. В этой ситуации только регулярный контроль скорости поможет пользователю отстоять свои права. которую разрвшветсядостигаїть тльзовательскоыупсжжу^ неоолишош ашоисшшвміш Этот период обычно называют периодом пульсации. Очевидно, что при передаче трафика можно говорить об этой величине только с некоторой степенью вероятности. Например, требование к этой характеристике может быть сформулировано так: «Скорость инфор мации не должна превышать 2 Мбит/с на периоде времени 10 мс с вероятностью 0,95». Часто значение вероятности опускают, подразумевая близость ее к единице. Пиковая скорость является краткосрочной характеристикой. PIR позволяет оценить способность сети справляться с пиковыми нагрузками, характерными для пульсирующего трафика и приводящими к перегрузке. Если в SLA оговорены обе скорости (SIR и PIR), очевидно, что периоды пульсации должны сопровождаться периодами относительного «затишья», когда скорость падает ниже средней. В противном случае показатель средней скорости соблюдаться не будет. Величина пульсации (обычно обозначаемая В) служит для оценки емкости буфера ком мутатора, необходимого для хранения данных во время перегрузки. Величина пульсации равна общему объему данных, поступающих на коммутатор в течение разрешенного ин тервала Т (периода пульсации) передачи данных с пиковой скоростью (PIR): В = PIR х Т. Еще одной характеристикой скорости передачи является коэффициент пульсации трафи ка — это отношение максимальной скорости на каком-либо небольшом периоде времени к средней скорости трафика, измеренной на длительном периоде времени. Неопределен ность временных периодов делает коэффициент пульсации качественной характеристикой трафика. 1 Традиционно, для одной и той же характеристики может существовать несколько названий. Мы при водим только те из них, которые, по нашему мнению, наилучшим образом отражают их смысл. Надежность 179 Скорость передачи данных можно измерять между любыми двумя узлами, или точками, сети, например между клиентским компьютером и сервером, между входным и выходным портами маршрутизатора. Для анализа и настройки сети очень полезно знать данные о про пускной способности отдельных элементов сети. Из-за последовательного характера передачи данных различными элементами сети общая про пускная способность любого составного пути в сети будет равна минимальной из пропускных способностей составляющих элементов маршрута. Для повышения пропускной способности составного пути необходимо в первую оче редь обратить внимание на самые медленные элементы, называемые у з к и м и м е с т а м и (bottleneck). Надежность Характеристики потерь пакетов В качестве характеристики потерь пакетов используется д о л я п о т е р я н н ы х п а к е т о в (обо значим ее I), равная отношению количества потерянных пакетов (Л/I) к общему количе ству переданных пакетов (ЛГ): L = NL/N. Может также использоваться аналогичная характеристика, оперирующая не количествами потерянных и переданных пакетов, а объемами данных, содержавшихся в этих пакетах. Доступность и отказоустойчивость Для описания надежности отдельных устройств служат такие показатели надежности, как с р е д н е е в р е м я н а р а б о т к и н а о т к а з , в е р о я т н о с т ь о т к а з а , и н т е н с и в н о с т ь о т к а з о в . Однако эти показатели пригодны только для оценки надежности простых элементов и устройств, которые при отказе любого своего компонента переходят в неработоспособное состояние. Сложные системы, состоящие из многих компонентов, могут при отказе одного из компо нентов сохранять свою работоспособность. В связи с этим для оценки надежности сложных систем применяется другой набор характеристик. Доступность (availability) означает долю времени, в течение которого система или служба на ходится в работоспособном состоянии. Доступность являетсждолговременной статистической характеристикой, поэтому измеря ется на большом промежутке времени, которым может быть день, месяц или год. Примером высокого уровня доступности является коммуникационное оборудование телефонных сетей, лучшие представители которого обладают так называемой доступностью «пять девяток». Это означает, что доступность равна 0,99999, что соответствует чуть более 5 ми нутам простоя в год. Оборудование и услуги передачи данных только стремятся к такому 180 Глава 6. Сетевые характеристики рубежу, но рубеж трех девяток уже достигнут. Доступность услуги является универсальной характеристикой, которая важна как пользователям, так и поставщикам услуг. Еще одной характеристикой надежности сложных систем является о т к а з о у с т о й ч и в о с т ь (fault tolerance). Под отказоустойчивостью понимается способность системы скрывать от пользователя отказ отдельных ее элементов. Например, если коммутатор оснащен двумя коммутационными центрами, работающими параллельно, то отказ одного их них не приведет к полному останову коммутатора. Однако производительность коммутатора снизится, он будет обрабатывать пакеты вдвое медлен ней. В отказоустойчивой системе отказ одного из ее элементов приводит к некоторому снижению качества ее работы ( д е г р а д а ц и и ) , а не к полному останову. В качестве еще одного примера можно назвать использование двух физических каналов для соединения комму таторов. В нормальном режиме работы трафик передается по двум каналам со скоростью С Мбит/с, а при отказе одного из них трафик будут продолжать передаваться, но уже со скоростью С/2 Мбит/с. Однако из-за того, что во многих случаях количественно опреде лить степени деградации системы или услуги достаточно сложно, отказоустойчивость чаще всего применяется как качественная характеристика. Характеристики сети поставщика услуг Рассмотрим основные характеристики, которыми оперирует поставщик услуг, оценивая эффективность своей сети. Эти характеристики часто являются качественными, то есть не могут быть выражены числами и соотношениями. Расширяемость и масштабируемость Термины «расширяемость» и «масштабируемость» иногда неверно используют как сино нимы. означает простого добавления отдельных компо- нвнтов сети (пользователей, компьютеров, приложений, служб), наращиваниядлины сегм ентов кабелей и замены существуюідвй аппаратуры более мощкрй. При этом принципиально важно, что простота расширения системы иногда может обе спечиваться в определенных пределах. Например, локальная сеть Ethernet, построенная на основе одного разделяемого сегмента коаксиального кабеля, обладает хорошей расши ряемостью в том смысле, что позволяет легко подключать новые станции. Однако такая сеть имеет ограничение rfa число станций — оно не должно превышать 30-40. Хотя сеть допускает физическое подключение к сегменту и большего числа станций (до 100), при этом резко снижается производительность сети. Наличие такого ограничения и является признаком плохой масштабируемости системы при ее хорошей расширяемости. Масштабируемость означает, что с т ь позволяет наращиватьжшичвство узлов и протяженность Для обеспечения масштабируемости сети приходится применять дополнительное комму никационное оборудование и специальным образом структурировать сеть. Обычно масшта- Характеристики сети поставщика услуг 181 бируемое решение обладает многоуровневой иерархической структурой, которая позволяет добавлять элементы на каждом уровне иерархии без изменения главной идеи проекта. Примером хорошо масштабируемой сети является Интернет, технология которого (Т С Р/ IP) оказалась способной поддерживать сеть в масштабах земного шара. Организационная структура Интернета, которую мы рассмотрели в главе 5, образует несколько иерархи ческих уровней: сети пользователей, сетей локальных поставщиков услуг и т. д. вверх по иерархии вплоть до сетей межнациональных поставщиков услуг. Технология TCP/IP, на которой построен Интернет, также позволяет строить иерархические сети. Основной протокол Интернета (IP) основан на двухуровневой модели: нижний уровень составляют отдельные сети (чаще всего сети корпоративных пользователей), а верхний уровень — это составная сеть, объединяющая эти сети. Стек T C P/IP поддерживает также концепцию автономной системы. В автономную систему входят все составные сети одного поставщика услуг, так что автономная система представляет собой более высокий уровень иерархии. Наличие автономных систем в Интернете позволяет упростить решение задачи нахождение оптимального маршрута — сначала ищется оптимальный маршрут между автономными си стемами, а затем каждая автономная система находит оптимальный маршрут внутри себя. Не только сама сеть должна быть масштабируемой, но и устройства, работающие на маги страли сети, также должны обладать этим свойством, так как рост сети не должен приво дить к необходимости постоянной смены оборудования. Поэтому магистральные коммута торы и маршрутизаторы строятся обычно по модульному принципу, позволяя наращивать количество интерфейсов и производительность обработки пакетов в широких пределах. Управляемость Управляемость сети подразумевает возможность централизованно контролировать состоя ние основных элементов сети, выявлять и разрешать проблемы, возникающие при работе сети, анализировать производительность и планировать развитие сети. Управляемость предполагает наличие в сети некоторых автоматизированных средств администрирования, которые взаимодействуют с программным и аппаратным обеспечением сети с помощью коммуникационных протоколов. В идеале средства администрирования сети представляют собой систему, осуществляющую наблюдение и контроль за каждым элементом сети — от простейших до самых сложных устройств, при этом сеть рассматривается как единое целое, а не как разрозненный набор отдельных устройств. Хорошая система администрирования обеспечивает наблюдение за сетью и, обнаружив проблему, активизирует определенное действие, исправляет ситуацию и уведомляет ад министратора о том, что произошло и какие шаги предприняты. Одновременно с этим система администрирования должна накапливать данные, на основании которых можно планировать развитие сети. Наконец, система администрирования должна быть незави сима от производителя и обладать удобным интерфейсом, позволяющим выполнять все действия с одной консоли. Решая тактические задачи, администраторы и технический персонал сталкиваются с еже дневными проблемами поддержания работоспособности сети. Эти задачи требуют быстрого решения, обслуживающий сеть персонал должен оперативно реагировать на сообщения о неисправностях, поступающих от пользователей или автоматических средств админи стрирования сети. Постепенно становятся заметными более общие проблемы производи 182 Глава 6. Сетевые характеристики тельности, конфигурирования сети, обработки сбоев и безопасности данных, требующие стратегического подхода, то есть планирования сети. Планирование, кроме того, подразу мевает умение прогнозировать изменения в требованиях пользователей к сети, решение вопросов применения новых приложений, новых сетевых технологий и т. п. Полезность системы администрирования особенно ярко проявляется в больших сетях: корпоративных или публичных глобальных. Без системы администрирования в таких се тях требуется присутствие квалифицированных специалистов по эксплуатации в каждом здании каждого города, где установлено оборудование сети, что в итоге приводит к необ ходимости содержания огромного штата обслуживающего персонала. В настоящее время в области систем администрирования сетей накопилось много не решенных проблем. Явно недостаточно действительно удобных, компактных и много протокольных средств администрирования. Большинство существующих средств вовсе не управляют сетью, а всего лишь обеспечивают наблюдение за ее работой и фиксацию важных событий, например отказов устройств. Реже системы администрирования вы полняют активные действия, ликвидирующие последствия нежелательного события или предотвращающие его. Совместимость Совместимость, или интегрируемость, сети означает, что сеть способна включать в себя самое разнообразное программное и аппаратное обеспечение, то есть в ней могут сосуще ствовать различные операционные системы, поддерживающие разные стеки коммуникаци онных протоколов, а также аппаратные средства и приложения от разных производителей. Сеть, состоящая из разнотипных элементов, называется неоднородной, или гетерогенной, а если гетерогенная сеть работает без проблем, то она является интегрированной. Основной путь построения интегрированных сетей — использование модулей, выполненных в соот ветствии с открытыми стандартами и спецификациями. Выводы Главным требованием, предъявляемым к компьютерной сети, является обеспечение высокого ка чества предоставляемых сетью услуг. При широком понимании в понятие «качество обслуживания» включают все возможные характеристики услуг и сети, желательные для пользователя. Наиболее важные формализованные характеристики сети относятся к ее производительности и надежности. Производительность сети оценивается с помощью статистических характеристик двух типов: характе ристик скорости передачи информации и характеристик задержек передачи пакетов. В первую группу входят средняя скорость и максимальная скорость на периоде пульсации, а также длительность этого периода. Во вторую группу входят: средняя величина задержки, средняя вариация задержки (джиттер), коэффициент вариации, а также максимальные значения задержки и вариации задержки. Для оценки надежности сетей применяются различные характеристики, в том числе: доля потерь пакетов, коэффициент доступности, означающий долю времени, в течение которого система мо жет быть использована, отказоустойчивость — способность системы работать в условиях отказа некоторых ее элементов. Надежность транспортных услуг сети обеспечивается надежностью ее компонентов (каналов и ком муникационного оборудования), наличием альтернативных маршрутов, а также повторной передачей потерянных или искаженных пакетов. Особую важность для поставщика услуг представляют такие качественные характеристики сети, как ее масштабируемость, расширяемость и управляемость. Вопросы и задания 183 Вопросы и задания 1. Могут ли различаться краткосрочные и долгосрочные значения одной и той же харак теристики, например средней скорости потока? 2. Что желательно оговорить в разделе соглашения SLA, относящегося ко времени за держек пакетов? 3. Какие составляющие задержки пакета являются фиксированными для пакета фикси рованной длины? 4. Какая составляющая задержки пакета зависит от длины пакета? 5. Каким образом передает пакеты идеальная сеть? Какие из вариантов ответов вы счи таете верными: а) не потеряв ни один из пакетов (и не исказив информацию ни в одном из них); б) в том порядке, в котором они были отправлены; в) с одной и той же и минимально возможной задержкой, определяемой временем распространения сигнала по среде линий связи. 6. Найдите медиану и среднее значение следующей выборки значений задержки пакетов (в мс): 10,12,15,17,18,20,10 000. 7. Как вы думаете, какая из оценок задержек, медиана или среднее значение, лучше ха: рактеризует задержки в сети, представленные выборкой из задания 6? 8. Найдите 85-процентный квантиль для выборки значений задержки пакетов из за дания 6. 9. Чем метод активных измерений отличается от схемы пассивных измерений? 10. Зависит ли единичное значения односторонней задержки пакета, определенное в RFC 2679, от размера пакета? И. В чем заключаются положительные и отрицательные стороны использования времени оборота в качестве характеристики задержек пакетов в сети? 12. Каким образом можно компенсировать вариацию задержки? 13. Что формирует избирательная функция? 14. Что из приведенного ниже может учитывать избирательная функция: а) время поступления пакетов; б) номера пакетов в выборке; в) разницу задержек пакетов. 15. Приведите пример выборки задержки пакетов на некотором интервале времени, на ко тором средняя скорость потока пакетов, поступающих на узел-получатель, отличается от средней скорости пакетов, генерируемых узлом-отправителем. 16. Может ли трафик передаваться с большими задержками, но без джиттера? 17. Объясните разницу между масштабируемостью ц расширяемостью. |