Моделирование сетей. 
Оптимизация производительности сети

СОДЕРЖАНИЕ Введение

1. Литературный обзор. Средства анализа и оптимизации локальных сетей

1.1 Введение. В чем состоит планирование сети

1.2 Экспертиза, проектирование и реинжиниринг инфраструктуры информационных ресурсов предприятия.

1.2.1 Процесс проектирования и реинжиниринга ИР

1.2.2 Построение модели ИР предприятия

1.3 Использование моделирования для

оптимизации производительности сети

1.3.1 Бездефектное проектирование вычислительных систем

2. Постановка задачи

3. Теоретическая часть.

3.1 Влияние топологии связей и производительности коммуникационных устройств на пропускную способность сети

3.1.1 Разделяемая среда передачи как причина снижения производительности сети

3.1.2 Повышение производительности путем сегментации сети мостами и коммутаторами

3.1.2.1 Разделение общей среды с помощью локальных мостов

3.1.2.2 Требования к пропускной способности моста

3.1.2.3 Сегментация сетей с помощью коммутаторов

3.1.2.4 Оценка необходимой общей производительности коммутатора

3.1.3 Влияние маршрутизаторов на производительность сети

3.1.4 Интерпретация результатов тестирования мостов, коммутаторов и маршрутизаторов

4. Практическая часть. Моделирование сетей. Оптимизация производительности сети

4.1 Введение

4.2 Общие положения. Назначение системы структурно-логического проектирования и моделирования компьютерных сетей OPNET

4.3 Рекомендации по подготовке к циклу лабораторных работ

4.4 Методические рекомендации Лабораторная работа № 1. Тема: Оценка вариантов подключения Интернета для малой домашней PC сети

Лабораторная работа № 2. Тема: Оценка многоэтажного формирования Lan

Лабораторная работа № 3. Тема: Оценка производительности приложения Лабораторная работа № 4. Тема: Исследование производительности приложения Лабораторная работа № 5. Тема: Прогнозирование влияния размера окна TCP на работу приложения Лабораторная работа № 6. Тема: Оценка политики межсетевой защиты для управления сетевым трафиком Лабораторная работа № 7. Тема: Поиск неисправностей и прогнозирование работы приложения Oracle

5. Охорона працi

Заключение

Литература

ВВЕДЕНИЕ

Существуют специальные, ориентированные на моделирование вычислительных сетей программные системы, в которых процесс создания модели упрощен. Такие программные системы сами генерируют модель сети на основе исходных данных о ее топологии и используемых протоколах, об интенсивностях потоков запросов между компьютерами сети, протяженности линий связи, о типах используемого оборудования и приложений. Программные системы моделирования могут быть узко специализированными и достаточно универсальными, позволяющие имитировать сети самых различных типов. Качество результатов моделирования в значительной степени зависит от точности исходных данных о сети, переданных в систему имитационного моделирования.

Программные системы моделирования сетей — инструмент, который может пригодиться любому администратору корпоративной сети, особенно при проектировании новой сети или внесении кардинальных изменений в уже существующую. Продукты данной категории позволяют проверить последствия внедрения тех или иных решений еще до оплаты приобретаемого оборудования. Конечно, большинство из этих программных пакетов стоят достаточно дорого, но и возможная экономия может быть тоже весьма ощутимой.

Программы имитационного моделирования сети используют в своей работе информацию о пространственном расположении сети, числе узлов, конфигурации связей, скоростях передачи данных, используемых протоколах и типе оборудования, а также о выполняемых в сети приложениях. Обычно имитационная модель строится не с нуля. Существуют готовые имитационные модели основных элементов сетей: наиболее распространенных типов маршрутизаторов, каналов связи, методов доступа, протоколов и т. п. Эти модели отдельных элементов сети создаются на основании различных данных: результатов тестовых испытаний реальных устройств, анализа принципов их работы, аналитических соотношений. В результате создается библиотека типовых элементов сети, которые можно настраивать с помощью заранее предусмотренных в моделях параметров. Системы имитационного моделирования обычно включают также набор средств для подготовки исходных данных об исследуемой сети — предварительной обработки данных о топологии сети и измеренном трафике. Эти средства могут быть полезны, если моделируемая сеть представляет собой вариант существующей сети и имеется возможность провести в ней измерения трафика и других параметров, нужных для моделирования. Кроме того, система снабжается средствами для статистической обработки полученных результатов моделирования.

Систем динамического моделирования вычислительной системы достаточно много, они разрабатываются в разных странах. Кроме того, зачастую развитые системы диагностирования установленной вычислительной системы (интеллектуальные кабельные тестеры, сканеры, анализаторы протоколов) также причисляют к системам моделирования, что не соответствует действительности. Классифицируем системы по двум связанным критериям: цена и функциональные возможности. Как и следовало ожидать, функциональные возможности систем моделирования жестко связаны с их ценой. Анализ предлагаемых на рынке систем показывает, что динамическое моделирование вычислительных систем — дело весьма дорогостоящее. Хотите получить реальную картину в вычислительной системе — платите деньги. Все системы динамического моделирования могут быть разбиты на две ценовые категории:

* Дешевые (сотни и тысячи долларов).

* High-end (десятки тысяч долларов, в полном варианте — сто и более тысяч долларов).

Многие из них представляют собой набор пакетов и разброс в цене одной и той же системы определяется комплектом поставки, т. е. объемом выполняемых функций. Дешевые системы отличаются от дорогих тем, насколько подробно удается в них описать характеристики отдельных частей моделируемой системы. Они позволяет получить лишь «прикидочные «результаты, не дают статистических характеристик и не предоставляют возможности проведения подробного анализа системы. Системы класса high-end позволяют собирать исчерпывающую статистику по каждому из компонентов сети при передаче данных по каналам связи и проводить статистическую оценку полученных результатов. По функциональности системы моделирования, используемые при исследовании вычислительных систем, могут быть разбиты на два основных класса:

* Системы, моделирующие отдельные элементы (компоненты) системы.

* Системы, моделирующие вычислительную систему целиком.

В данной дипломной работе для изучения вопросов оптимизации производительности сетей используется продукт OPNET фирмы Opnet Technologies.

Семейство OPNET — средство для проектирования и моделирования локальных и глобальных сетей, компьютерных систем, приложений и распределенных систем. Возможность импорта и экспорта данных о топологии и сетевом трафике. Анализ воздействия приложений типа клиент — сервер и новых технологий на работу сети. Моделирование иерархических сетей, многопротокольных локальных и глобальных сетей; учет алгоритмов маршрутизации. Объектно-ориентированный подход. Исчерпывающая библиотека протоколов и объектов. Включает следующие продукты: Netbiz (проектирование и оптимизация вычислительной системы), Modeler (моделирование и анализ производительности сетей, компьютерных систем, приложений и распределенных систем), ITGuru (оценка производительности коммуникационных сетей и распределенных систем).

1. ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР Средства анализа и оптимизации локальных сетей

1.1 Введение В чем состоит планирование сети Корпоративная сеть — это сложная система, включающая тысячи самых разнообразных компонентов: компьютеры разных типов, начиная с настольных и кончая мейнфремами, системное и прикладное программное обеспечение, сетевые адаптеры, концентраторы, коммутаторы и маршрутизаторы, кабельную систему. Основная задача системных интеграторов и администраторов состоит в том, чтобы эта громоздкая и весьма дорогостоящая система как можно лучше справлялась с обработкой потоков информации, циркулирующих между сотрудниками предприятия и позволяла принимать им своевременные и рациональные решения, обеспечивающие выживание предприятия в жесткой конкурентной борьбе. При этом задачи, которые решаются системными администраторами, можно разбить на три группы. Первая группа — ежедневные задачи администрирования, вторая группа — ежемесячное и ежегодное администрирование. Третью группу задач рассмотрим позже.

Так как жизнь не стоит на месте, то и содержание корпоративной информации, интенсивность ее потоков и способы ее обработки постоянно меняются. Последний пример резкого изменения технологии автоматизированной обработки корпоративной информации у всех на виду — он связан с беспрецедентным ростом популярности Internet в последние 2 — 3 года.

Изменения, причиной которых стал Internet, многогранны. Гипертекстовая служба WWW изменила способ представления информации человеку, собрав на своих страницах все популярные ее виды — текст, графику и звук. Транспорт Internet — недорогой и доступный практически всем предприятиям (а через телефонные сети и одиночным пользователям) — существенно облегчил задачу построения территориальной корпоративной сети, одновременно выдвинув на первый план задачу защиты корпоративных данных при передаче их через в высшей степени общедоступную публичную сеть с многомиллионным «населением». Стек TCP/IP сразу же вышел на первое место, потеснив прежних лидеров локальных сетей IPX и NetBIOS, а в территориальных сетях — Х.25.

Популярность Internet оказывает на корпоративные сети не только техническое и технологическое влияние. Так как Internet постепенно становится общемировой сетью интерактивного взаимодействия людей, то Internet начинает все больше и больше использоваться не только для распространения информации, в том числе и рекламной, но и для осуществления самих деловых операций — покупки товаров и услуг, перемещения финансовых активов и т. п. Это в корне меняет для многих предприятий саму канву ведения бизнеса, так как появляются миллионы потенциальных покупателей, которых нужно снабжать рекламной информацией, тысячи интересующихся продукцией клиентов, которым нужно предоставлять дополнительную информацию и вступать в активный диалог через Internet, и, наконец, сотни покупателей, с которыми нужно совершать электронные сделки. Сюда нужно добавить и обмен информацией с предприятиями-соисполнителями или партнерами по бизнесу. Изменения схемы ведения бизнеса меняют и требования, предъявляемые к корпоративной сети. Например, использование технологии Intranet сломало привычные пропорции внутреннего и внешнего трафика предприятия в целом и его подразделений — старое правило, гласящее, что 80% трафика является внутренним и только 20% идет вовне, сейчас не отражает истинного положения дел. Интенсивное обращение к Web-сайтам внешних организаций и других подразделений предприятия резко повысило долю внешнего трафика и, соответственно, повысило нагрузку на пограничные маршрутизаторы и межсетевые экраны (firewalls) корпоративной сети. Другим примером влияния Internet на бизнес-процессы может служить необходимость аутентификации и авторизации огромного числа клиентов, обращающихся за информацией на серверы предприятия извне. Старые способы, основанные на заведении учетной информации на каждого пользователя в базе данных сети и выдаче ему индивидуального пароля, здесь уже не годятся — ни администраторы, ни серверы аутентификации сети с таким объемом работ не справятся. Поэтому появляются новые методы проверки легальности пользователей, заимствованные из практики организаций, имеющих дело с большими потоками клиентов — магазинов, выставок и т. п. Влияние Internet на корпоративную сеть — это только один, хотя и яркий, пример постоянных изменений, которые претерпевает технология автоматизированной обработки информации на современном предприятии, желающем не отстать от конкурентов. Постоянно появляются технические, технологические и организационные новинки, которые необходимо использовать в корпоративной сети для поддержания ее в состоянии, соответствующем требованиям времени. Без внесения изменений корпоративная сеть быстро морально устареет и не сможет работать так, чтобы предприятие смогло успешно выдерживать жесткую конкурентную борьбу на мировом рынке. Как правило, срок морального старения продуктов и решений в области информационных технологий находится в районе 3 — 5 лет.

Как же нужно поступать, чтобы предприятию не нужно было бы полностью перестраивать свою корпоративную сеть каждые 3 — 5 лет, что безусловно связано с огромными расходами? Ответ простой — нужно постоянно следить за основными тенденциями развития мира сетевых и информационных технологий и постоянно вносить в сеть (в программы, сервисы, аппаратуру) такие изменения, которые позволили бы сети плавно отрабатывать каждый резкий поворот. То есть нужно правильно видеть стратегическое направление развития вашей корпоративной сети, постоянно коррелировать его с направлением развития всего сетевого мира и тогда меньше шансов завести корпоративную сеть в такой тупик, откуда нет иного выхода, кроме полной перестройки сети. По крайней мере, нельзя вкладывать большие деньги и силы в решения, в будущности которых имеются большие сомнения. Например, весьма рискованно строить сегодня новую сеть исключительно на сетевой операционной системе NovellNetWare, которая переживает всеми признаваемый кризис. Если в вашей сети уже работает с десяток серверов NetWare, то добавление к ним нового сервера IntranetWare может быть и целесообразно, так как дает возможность старым серверам возможность работы с Internet и сетями TCP/IP. Но построение новой сети за счет покупки нескольких десятков копий IntranetWare трудно назвать стратегически верным решением, WindowsNT и Unix сейчас дают гораздо больше гарантий относительно своей жизнеспособности.

Стратегическое планирование сети, а это и является третьей задачей администрирования, состоит в нахождении компромисса между потребностями предприятия в автоматизированной обработке информации, его финансовыми возможностями и возможностями сетевых и информационных технологий сегодня и в ближайшем будущем. Причем это относится как к действующим сетям, подлежащим модернизации, так и проектируемым.

При стратегическом планировании сети нужно принять решения по четырем группам вопросов:

Какие новые идеи, решения и продукты являются стратегически важными? Какие решения в стратегически важных областях являются перспективными? Какие из них могут оказаться полезными в вашей корпоративной сети?

Каким образом новые решения и продукты нужно внедрять в существующую сеть? На какие этапы нужно разбить процесс перехода на новые решения и продукты, как обеспечить максимально безболезненное взаимодействие новых и старых частей и компонентов сети?

Как рационально выбрать внешних соисполнителей для внедрения в сеть новых решений и продуктов? Как выбрать интеграторов, производителей и поставщиков программных и аппаратных продуктов, провайдеров услуг территориальных сетей?

Как организовать процесс обучения своих сотрудников новым технологиям и продуктам? Стоит ли набирать уже обученных специалистов со стороны?

1.2 Экспертиза, проектирование и реинжиниринг инфраструктуры информационных ресурсов предприятия В настоящее время практически единственным критерием выбора решений при проектировании локальных и глобальных сетей является определенный, хотя и зачастую довольно узкий и, часто, «теоретический» опыт инженеров по системной интеграции. Это объясняется тем фактом, что не каждая фирма может позволить себе держать стенд оборудования даже одного производителя, например, Cisco или Cabletron, не говоря уже о десятках производителей в мире. Решения принимаются, как правило, по каталогам производителей, или, в идеальном случае, что довольно редко, по эксплуатационной документации на оборудование.

Отсутствие объективного контроля за качеством и стоимостью решений приводит к значительному перерасходу средств заказчика.

Использование средств автоматизации проектирования (САПР) или их компонентов — это тот путь, который позволяет принимать обоснованные решения.

Процесс проектирования информационных ресурсов (ИР) предприятия должен в обязательном порядке включать этапы построения и тестирования моделей решений (часто в литература употребляется термин «планирование» ИР) с помощью систем моделирования (которые являются компонентами САПР) различных уровней детализации.

1.2.1 Процесс проектирования и реинжиниринга ИР Определим понятие информационных ресурсов предприятия (ИР). ИР — это программно-технический комплекс предприятия, включающий:

компьютерное оборудование;

периферия;

сетевое оборудование;

сетевое программное обеспечение;

клиентское программное обеспечение;

инструментальное программное обеспечение (СУБЗ, СУБЗ);

прикладное программное обеспечение;

специальное программное обеспечение (системы мониторирования и управления сетями);

телефонное оборудование.

Таким образом, процесс проектирования, реинжиниринга и модернизации ИР затрагивает весь программно-технический комплекс предприятия. Использование САПР, в частности систем моделирования, позволяет значительно снизить расходы на разработку структуры ИР, внедрение и модернизацию ИР, устранить возможные риски, быстро оценить проектные решения «за столом», не производя закупок оборудования.

Процесс проектирования и внедрения ИР или их компонентов состоит из следующих этапов:

обследование предприятия;

составление и утверждение технического задания;

технический проект:

— построение модели ИР и моделирование;

— просмотр вариантов «что будет — если»;

— оптимизация решения;

рабочий проект;

установка и наладка;

опытное функционирование;

приемочные испытания;

обучение и сервис.

При разработке технического проекта проводится построение модели ИР или их компонентов, первичное моделирование, просмотр различных вариантов технологий, протоколов, оборудования, повторное моделирование при необходимости и анализ результатов.

Процесс реинжиниринга ИР состоит из следующих этапов:

построение модели существующих ИР предприятия или из компонентов вручную или автоматически;

моделирование, анализ вариантов «что будет — если»

модернизация и прогноз.

В процессе реинжиниринга ИР могут использоваться системы мониторирования и управления сетями, такие, как IBM NetView, HP OpenView, Cabletron Spectrum и другие. При этом при построении модели используются данные по топологии и трафику, полученные из этих систем. При необходимости эти данные могут корректироваться вручную.

Таким образом, используя моделирование, мы можем:

оценить пропускную способность сети и ее компонентов;

определить узкие места в структуре ИР;

сравнить различные варианты организации ИР.

осуществить перспективный прогноз развития ИР;

предсказать будущие требования по пропускной способности сети, используя данные прогноза;

оценить влияние на ИР программного обеспечения, мощности рабочих станций или серверов, сетевых протоколов.

Используя моделирование при реинжиниринге ИР мы имеем возможность:

определить топологию сети с помощью системы мониторирования и управления сетью и использовать эти данные для модели;

вычислить размер трафика, создаваемого, приложениями, пользователями, подразделениями одного предприятия или предприятиями в разных географических зонах;

оценить требования по пропускной способности сети;

осуществить перспективный прогноз с помощью анализа совокупности моделей, полученных в течение определенного времени;

оценить требуемое количество и производительность серверов в сети;

оценить влияние на ИР модернизации программного обеспечения, рабочих станций или серверов, сетевых протоколов;

сравнить различные варианты модернизации ИР.

Таким образом, проектируя ИР или проводя их реинжиниринг с применением САПР, мы имеем следующие преимущества:

просмотр большого числа вариантов «на столе» и выбор оптимального решения без затрат на оборудование;

определение предпосылок для модернизации сети, прогноз производительности;

экономия денег, ресурсов.

1.2.2 Построение модели ИР предприятия Модель ИР предприятия состоит из двух частей: описание топологии и описание трафика. При этом под топологией ИР мы понимаем совокупность сетевого, компьютерного, периферийного оборудования с их характеристиками, установленным программным обеспечением и технологиями передачи данных (связями). При построении топологии используются все возможные доступные источники информации:

техническое задание;

технический проект;

эксплуатационная документация;

обследование предприятия;

системы управления сетями;

При построении трафика также необходимо использовать следующие источники информации:

техническое задание;

технический проект;

эксплуатационная документация;

обследование предприятия;

системы управления сетями;

сетевые анализаторы.

1.3 Использование моделирования для оптимизации производительности сети В настоящее время наблюдается стремительный рост сложности корпоративных информационных систем.

Эффективность построения и использования корпоративных информационных систем стала чрезвычайно актуальной задачей, особенно в условиях недостаточного финансирования информационных технологий на предприятиях.

Критериями оценки эффективности могут служить снижение стоимости реализации информационной системы, соответствие текущим требованиям и требованиям ближайшего времени, возможность и стоимость дальнейшего развития и перехода к новым технологиям.

Моделирование может использоваться как при проектировании будущей вычислительной системы, так и для реинжиниринга и анализа имеющейся.

Основу информационной системы составляет вычислительная система, включающая такие компоненты, как кабельная сеть и активное сетевое оборудование, компьютерное и периферийное оборудование, оборудование хранения данных (библиотеки), системное программное обеспечение (операционные системы, системы управления базами данных), специальное ПО (системы мониторинга и управления сетями) и в некоторых случаях прикладное ПО.

Наиболее распространенным подходом к проектированию информационных систем в настоящее время является использование экспертных оценок. В соответствии с этим подходом специалисты в области вычислительных средств, активного сетевого оборудования и кабельных сетей на основании имеющегося у них опыта и экспертных оценок осуществляют проектирование вычислительной системы, обеспечивающей решение конкретной задачи или класса задач. Этот подход позволяет минимизировать затраты на этапе проектирования, быстро оценить стоимость реализации информационной системы. Однако решения, полученные с использованием экспертных оценок, носят субъективный характер, требования к оборудованию и программному обеспечению также грешат субъективностью, как и оценка гарантий работоспособности и развиваемости предлагаемого проекта системы.

В качестве альтернативного может быть использован подход, предполагающий разработку модели и моделирование (имитацию работы — simulation) поведения вычислительной системы.

1.3.1 Бездефектное проектирование вычислительных систем Можно говорить о «бездефектном» проектирования информационных систем. Оно достигается комплексным применением высокоуровневого моделирования (моделирования функций или бизнес-процессов) предприятия и низкоуровневого моделирования вычислительной системы.

Использование высокоуровневого моделирования позволяет гарантировать полноту и правильность выполнения информационной системой функций, определенных заказчиком. То есть построенная модель безупречна по функциональности (система должна выполнять то, что задумано). Однако гарантировать, что конкретная реализация вычислительной системы на предприятии будет выполнять эти функции, высокоуровневое моделирование не может.

К системам высокоуровневого моделирования относятся такие системы, как ARIS, Rational Rose. С их помощью реализуются принципы структурного анализа, когда предприятие представляется в виде сложной системы, состоящей из разных компонентов, имеющих различного рода взаимосвязи друг с другом. Эти средства позволяют определить и отразить в моделях основные компоненты предприятия, протекающих процессов, используемой информации, а также представить взаимосвязи между этими компонентами.

Создаваемые модели представляют собой документированную совокупность знаний об ИС предприятия — о его организационной структуре взаимодействиях между предприятием и прочими субъектами рынка, составе и структуре документов, последовательностях шагов процессов, должностных инструкциях отделов и их сотрудников.

Моделирование функций вычислительной системы напрямую сегодня не представляется возможным. Данная задача в полном объеме не разрешима. Однако возможно моделирование работы системы в динамике (динамическое моделирование), при этом его результаты позволяют по косвенным показателям судить о функционировании всей системы.

Так, мы не можем проверить правильность функционирования сервера базы данных и программного обеспечения, однако по выявляемым задержкам на сервере, необслуженным запросам и т. д. мы можем сделать вывод о его работе.

Таким образом, рассматриваемые системы предназначены не для функционального моделирования вычислительных систем (это, к сожалению, невозможно), а для динамического их моделирования.

Моделирование вычислительной системы позволяет произвести более точный, по сравнению с экспертными оценками, расчет необходимой производительности отдельных компонентов и всей системы в целом, в том числе системного и прикладного программного обеспечения. При этом появляется возможность использовать не максимальные значения характеристик используемого вычислительного оборудования, а характеристики, учитывающие, специфику использования этого оборудования в конкретном учреждении.

Основу моделирования составляют модели оборудования и процессов (технологий, программного обеспечения), используемых при работе интересующего объекта. При моделировании на компьютере воспроизводятся реальные процессы в обследуемом объекте, исследуются особые случаи, воспроизводятся реальные и гипотетические критические ситуации. Основным достоинством моделирования является возможность проведения разнообразных экспериментов с исследуемым объектом, не прибегая к физической реализации, что позволяет предсказать и предотвратить большое число неожиданных ситуаций в процессе эксплуатации, которые могли бы привести к неоправданным затратам, а может, и к порче оборудования.

В случае моделирования вычислительных систем таким объектом является информационная система, определяющая способы получения, хранения, обработки и использования различной корпоративной и внешней информации.

В процессе моделирования возможно следующее:

определение минимально необходимого, но обеспечивающего потребности передачи, обработки и хранения информации оборудования (даже не имеющего реальных аналогов) в настоящее время;

оценка необходимого запаса производительности оборудования, обеспечивающего возможное увеличение производственных потребностей в ближайшее время (один-два года);

выбор нескольких вариантов оборудования с учетом текущих потребностей, перспективы развития на основании критерия стоимости оборудования;

проведение проверки работы вычислительной системы, составленной из рекомендованного оборудования.

2. ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ Исходя из содержания учебного плана для дневного, вечернего и заочного обучения по специальности «Компьютерные системы и сети» и учебных программ «Теория проектирования компьютерных систем и сетей», «Исследование и проектирование компьютерных систем и сетей», тема дипломной работы была сформулирована следующим образом: «Моделирование сетей. Оптимизация производительности сети».

В дипломной работе необходимо выполнить следующее:

1. Разработать методические рекомендации по выполнению лабораторных работ с использованием системы структурно-логического проектирования и моделирования OPNET фирмы Opnet Technologies по следующим темам:

Оценка вариантов подключения Интернета для малой домашней PC сети. моделирование сеть производительность Оценка многоэтажного формирования Lan.

Оценка производительности приложения.

Исследование производительности приложения.

Прогнозирование влияния размера окна TCP на работу приложения.

Оценка политики межсетевой защиты для управления сетевым трафиком.

Поиск неисправностей и прогнозирование работы приложения Oracle.

2. Рассмотреть средства анализа и оптимизации локальных сетей, экспертиза, проектирование и реинжиниринг инфраструктуры информационных ресурсов предприятия, использование моделирования для оптимизации производительности сети.

3. Изучить влияние топологии связей и производительности коммуникационных устройств на пропускную способность сети.

4. Разработать практические задания и контрольные вопросы к лабораторным работам.

5. Разработать электронную систему заданий на проведение лабораторных работ, которая должна содержать справочные материалы по отрабатываемым темам, порядок выполнения лабораторных работ, контрольные вопросы и задания, позволяющие самостоятельно отрабатывать учебный материал.

3. ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ

3.1 Влияние топологии связей и производительности коммуникационных устройств на пропускную способность сети Возможность изменения топологии связей между узлами сети предоставляет широкие возможности для повышения пропускной способности как сети в целом так и ее отдельных участков. Даже при фиксированных пропускных способностях каналов связей наличие двух альтернативных каналов между какими-либо узлами сразу же в два раза повышает пропускную способность сети при взаимодействии этих узлов.

Локальные сети, использующие только повторители/концентраторы, должны строиться по вполне определенной топологии — общей шины, кольца или звезды, которая определяется используемой базовой сетевой технологией (Ethernet, TokenRing и т. п.).

Однако при использовании мостов, коммутаторов или маршрутизаторов появляется возможность использовать более сложные топологии, отличающиеся от стандартных. Выбор подходящей топологии сети может решить многие проблемы узких (в отношении пропускной способности) мест сети. Это связано не только с наличием дополнительных каналов связи, но и с тем обстоятельством, что сеть образует в таком случае не одну общую среду, разделяемую между всеми узлами сети, а несколько таких сред, пропускная способность которых разделяется уже только между узлами данного сегмента сети.

Безусловно, большое влияние на пропускную способность сети имеет и производительность таких коммуникационных устройств как мосты, коммутаторы и маршрутизаторы. Эта производительность должна быть достаточной для передачи межсегментного или межсетевого трафика между частями сети, которые образуются в результате установки в сеть устройств данного типа. Потери кадров или пакетов мостами, коммутаторами или маршрутизаторами могут приводить к значительному снижению пропускной способности сети, особенно если восстановление утерянных пакетов осуществляется пртоколами с большими значениями тайм-аута ожидания квитанций

3.1.1 Разделяемая среда передачи как причина снижения производительности сети Повторители и концентраторы локальных сетей реализуют базовые технологии, разработанные для разделяемых сред передачи данных. Классическим представителем такой технологии является технология Ethernet на коаксиальном кабеле. В такой сети все компьютеры сети разделяют во времени единственный канал связи, образованный сегментом коаксиального кабеля.

При передаче каким-нибудь компьютером кадра данных все остальные компьютеры принимают его по общему коаксиальному кабелю, находясь с передатчиком в постоянном побитном синхронизме. На время передачи этого кадра никакие другие обмены информации в сети не разрешаются. Способ доступа к общему кабелю управляется несложным распределенным механизмом арбитража — каждый компьютер имеет право начать передачу кадра, если на кабеле отсутствуют информационные сигналы, а при одновременной передаче кадров несколькими компьютерами схемы приемников узлов умеют распознавать и обрабатывать эту ситуацию, называемую коллизией. Обработка коллизии также несложна — все передающие узлы прекращают выставлять биты своих кадров на кабель и повторяют попытку передачи кадра через случайный промежуток времени.

При подключении к общему каналу сети Ethernet каждый узел пользуется его пропускной способностью 10 Мб/с в течение только некоторой доли общего времени работы сети. Соответственно, на узел приходится эта же доля пропускной способности канала. Даже если упрощенно считать, что все узлы получают равные доли времени работы канала и непроизводительные потери времени отстутствуют, то при наличии в сети N узлов на один узел приходится только 10/N Мб/с пропускной способности. Очевидно, что при больших значениях N пропускная способность, выделяемая каждому узлу, оказывается настолько малой величиной, что нормальная работа приложений и пользователей становится невозможной — задержки доступа к сетевым ресурсам превышают тайм-ауты приложений, а пользователи просто отказываются так долго ждать отклика сети.

Случайный характер алгоритма доступа к среде передачи данных, принятый в технологии Ethernet, еще усугубляет ситуацию. Если запросы на доступ к среде генерируются узлами в случайные моменты времени, то при большой их интенсивности вероятность возникновения коллизий также возрастает и приводит к неэффективному использованию канала: время обнаружения коллизии и время ее обработки составляют непроизводительные затраты. Доля времени, в течение которого канал предоставляется в распоряжение конкретному узлу, становится еще меньше.

До недавнего времени в локальных сетях редко использовались мультимедийные приложения, перекачивающие большие файлы данных, нередко состоящие из нескольких десятков мегабайт. Приложения же, работающие с алфивитно-цифровой информацией, не создавали значительного трафика. Поэтому долгое время для сегментов Ethernet было действительным эмпирическое правило — в разделяемом сегменте не должно быть больше 30 узлов. Теперь ситуация изменилась и нередко 3−4 компьютера полностью загружают сегмент Ethernet с его максимальной пропускной способностью в 10 Мб/с или же 14 880 кадров в секунду.

Ограничения, связанные с возникающими коллизиями и большим временем ожидания доступа при значительной загрузке разделяемого сегмента, чаще всего оказываются более серьезными, чем ограничение на максимальное количество узлов, определенное в стандарте из соображений устойчивой передачи электрических сигналов в кабелях.

Техногия Ethernet была выбрана в качестве примера при демонстрации ограничений, присущих технологиям локальных сетей, так как в этой технологии ограничения проявляются наиболее ярко, а их причины достаточно очевидны. Однако подобные ограничения присущи и всем остальным технологям локальных сетей, так как они опираются на использование среды передачи данных как одного разделяемого ресурса. Кольца TokenRing и FDDI также могут использоваться узлами сети только в режиме разделяемого ресурса. Отличие от канала Ethernet здесь состоит только в том, что маркерный метод доступа определяет детерминированную очередность предоставления доступа к кольцу, но по-прежнему при предоставлении доступа одного узла к кольцу все остальные узлы не могут передавать свои кадры и должны ждать, пока владеющий правом доступа узел не завершит свою передачу.

Общее ограничение локальных сетей, построенных только с использованием повторителей и концентраторов, состоит в том, что общая производительность такой сети всегда фиксирована и равна максимальной производительности используемого протокола. И эту производительность можно повысить только перейдя к другой технологии, что связано с дорогостоящей заменой всего оборудования.

Рассмотренные ограничения являются платой за преимущества, которые дает использование разделяемых каналов в локальных сетях. Эти преимущества существенны, недаром технологии такого типа существуют уже около 20 лет.

К преимуществам нужно отнести в первую очередь:

простоту топологии сети;

гарантию доставки кадра адресату при соблюдении ограничений стандарта и корректно работающей аппаратуре;

простоту протоколов, обеспечившую низкую стоимость сетевых адаптеров, повторителей и концентраторов.

Однако начавшийся процесс вытеснения повторителей и концентраторов коммутаторами говорит о том, что приоритеты изменились, и за повышение общей пропускной способности сети пользователи готовы пойти на издержки, связанные с приобретением коммутаторов вместо концентраторов.

3.1.2 Повышение производительности путем сегментации сети мостами и коммутаторами

3.1.2.1 Разделение общей среды с помощью локальных мостов Для преодоления ограничений технологий локальных сетей уже достаточно давно начали применять локальные мосты, которые являются функциональными предшественниками коммутаторов. Хотя в современных сетях коммутаторы почти вытеснили мосты из локальных сетей, принципы работы и соображения по их применению практически совпадают.

Мост — это устройство, которое обеспечивает взаимосвязь двух (реже нескольких) локальных сетей посредством передачи кадров из одной сети в другую с помощью их промежуточной буферизации. Мост, в отличие от повторителя, не старается поддержать побитовый синхронизм в обеих объединяемых сетях. Вместо этого он выступает по отношению к каждой из сетей как конечный узел. Он принимает кадр, буферизует его, анализирует адрес назначения кадра, и только в том случае, когда адресуемый узел действительно принадлежит другой сети, он передает его туда.

Для передачи кадра в другую сеть мост должен получить доступ к ее разделяемой среде передачи данных в соответствии с теми же правилами, что и обычный узел.

Таким образом, мост изолирует трафик одного сегмента от трафика другого сегмента, фильтруя кадры. Так как в каждый из сегментов теперь направляется трафик от меньшего числа узлов, то коэффициент загрузки сегментов уменьшается. В результате пропускная способность каждого сегмента увеличивается, а, значит, повышается и суммарная пропускная способность сети.

Каждый сегмент сети остается доменом коллизий, то есть участком сети, в котором все узлы одновременно фиксируют и отрабатывают коллизию, в каком бы месте этого участка она бы ни случилась. Однако коллизии одного сегмента не приводят к возникновению коллизий в другом сегменте, так как мост не транслирует их между сегментами.

3.1.2.2 Требования к пропускной способности моста До сих пор предполагалось, что при использовании моста для связи двух сегментов вместо повторителя общая производительность сети всегда повышается, так как уменьшается количество узлов в каждом сегменте и загрузка сегмента уменьшается на ту долю трафика, которая теперь является внутренним трафиком другого сегмента. Это действительно так, но при условии, что мост передает межсегментный трафик без значительных задержек и без потерь кадров. Однако, анализ рассмотренного алгоритма работы моста говорит о том, что мост может и задерживать кадры, и, при определенных условиях, терять их. Задержка, вносимая мостом, равна по крайней мере времени записи кадра в буфер. Как правило, после записи кадра на обработку адресов также уходит некоторое время, особенно если размер адресной таблицы велик. Поэтому задержка увеличивается на время обработки кадра.

Время обработки кадра влияет не только на задержку, но и на вероятность потери кадров. Если время обработки кадра окажется меньше интервала до поступления следующего кадра, то следующий кадр будет помещен в буфер и будет ожидать там, пока процессор моста не освободится и не займется обработкой поступившего кадра. Если средняя интенсивность поступления кадров будет в течение длительного времени превышать производительность моста, то есть величину, обратную среднему времени обработки кадра, то буферная память, имеющаяся у моста для хранения необработанных кадров, может переполниться. В такой ситуации мосту некуда будет записывать поступающие кадры, и он начнет их терять, то есть просто отбрасывать.

Потеря кадра — ситуация очень нежелательная, так как ее последствия протоколами локальных сетей не ликвидируются. Потеря кадра будет исправлена только протоколами транспортного или прикладного уровней, которые заметят потерю части своих данных и организуют их повторную пересылку. Однако, при регулярных потерях кадров канального уровня производительность сети может уменьшиться в несколько раз, так как тайм-ауты, используемые в протоколах верхних уровней, существенно превышают времена передачи кадров на канальном уровне, и повторная передача кадра может состояться через десятки секунд.

Для предотвращения потерь кадров мост должен обладать производительностью, превышающей среднюю интенсивность межсегментного трафика, и большой буфер для хранения кадров, передаваемых в периоды пиковой нагрузки.

Для того, чтобы мост повышал, а не понижал пропускную способность сети, всегда должно выполняться следующее правило:

Скорость выполнения мостом операции передачи кадров между любыми двумя его портами (эта операция называется forwarding) должна быть всегда выше, чем средняя интенсивность трафика, существующего между соединяемыми этими портами сегментами сети.

В локальных сетях часто оказывается справедливым эмпирическое правило 80/20, говорящее о том, что при правильном разбиении сети на сегменты 80% трафика оказывается внутренним трафиком сегмента, и только 20% выходит за его пределы. Если считать, что это правило действует по отношению к конкретной сети, то мост должен обладать производительностью выполнения операции forwarding в 20% от максимальной пропускной способности сегмента Ethernet, то есть производительностью 0.2×14 880 = 3000 кадра в секунду. Обычно, локальные мосты обладают производительностью от 3000 кадров в секунду и выше.

Однако, гарантий на доставку кадров в любых ситуациях мост, в отличие от повторителя, не дает. Это его принципиальный недостаток, с которым приходится мириться.

Для того, чтобы выяснить возможность успешного применения моста в сети, необходимо предварительно замерить с помощью анализатора протоколов или же системы управления сетью матрицу трафика между узлами сети. Эта информация позволит понять уровень межсегментного трафика при разделении сети на сегменты и сравнить ее с производительностью моста.

3.1.2.3 Сегментация сетей с помощью коммутаторов Технология коммутации сегментов Ethernet была предложена фирмой Kalpana в 1990 году в ответ на растущие потребности в повышении пропускной способности локальных сетей. Эта технология основана на отказе от использования разделяемых линий связи между всеми узлами сегмента и использовании коммутаторов, позволяющих одновременно передавать пакеты между всеми его парами портов.

Функционально многопортовый коммутатор работает как многопортовый мост, то есть работает на канальном уровне, анализирует заголовки кадров, автоматически строит адресную таблицу и на основании этой таблицы перенаправляет кадр в один из своих выходных портов или фильтрует его, удаляя из буфера. Новшество заключалось в параллельной обработке поступающих кадров, в то время как мост обрабатывает кадр за кадром. Коммутатор же обычно имеет несколько внутренних процессоров обработки кадров, каждый из которых может выполнять алгоритм моста. Таким образом, можно считать, что коммутатор — это мультипроцессорный мост, имеющий за счет внутреннего параллелизма высокую производительность.

Первый коммутатор для локальных сетей появился для технологии Ethernet. Кроме очевидной причины, связанной с наибольшей популярностью сетей Ethernet, существовала и другая, не менее важная причина — эта технология больше других страдает от повышения времени ожидания доступа к среде при повышении загрузки сегмента. Поэтому сегменты Ethernet в крупных сетях в певую очередь нуждались в средстве разгрузки узких мест сети, которыми стали коммутаторы фирмы Kalpana, а затем и других компаний.

Некоторые компании стали развивать технологию коммутации и для повышения производительности других технологий локальных сетей, таких как TokenRing и FDDI. Так как в основе технологии коммутации лежит алгоритм работы прозрачного моста, то принцип коммутации не зависит от метода доступа, формата пакета и других деталей каждой технологии. Коммутатор изучает на основании проходящего через него трафика адреса конечных узлов сети, строит адресную таблицу сети и затем на ее основании производит межкольцевые передачи в сетях TokenRing или FDDI. Принцип работы коммутатора в сетях любых технологий оставался неизменным, обеспечивая одновременное продвижение кадров между парами портов коммутатора.

Безусловно, повышение производительности сети при установке коммутатора в общем случае не будет такой значительной, как в примере. На эффективность работы коммутатора влияет много факторов, и в некоторых случаях, как это будет показано ниже, коммутатор может совсем не дать никаких преимуществ по сравнению с концентратором. Примером такого фактора может служить несбалансированность трафика в сети — если порт 1 и порт 2 коммутатора чаще всего обращаются к порту 3 коммутатора, то порт 3 будет периодически занят и недоступен для одного из двух этих портов и входящий в них трафик будет простаивать, ожидая освобождения порта 3.

3.1.2.4 Оценка необходимой общей производительности коммутатора В идеальном случае коммутатор, установленный в сети, передает кадры между узлами, подключенными к его портам, с той скоростью, с которой узлы генерируют эти кадры, не внося дополнительных задержек и не теряя ни одного кадра. В реальной практике коммутатор всегда вносит некоторые задержки при передаче кадров, а также может некоторые кадры терять, то есть не доставлять их адресатам. Из-за различий во внутренней организации разных моделей коммутаторов, трудно предвидеть, как тот или иной коммутатор будет передавать кадры какого-то конкретного образца трафика. Лучшим критерием по прежнему остается практика, когда коммутатор ставится в реальную сеть и измеряеются вносимые им задержки и количество потерянных кадров. Однако, существуют несложные расчеты, которые могут дать представление о том, как коммутатор будет вести себя в реальной ситуации.

Для того, чтобы коммутатор справился с поддержкой требуемого трафика, необходимо выполнение нескольких условий.

1. Общая производительность коммутатора должна быть больше или равна суммарной интенсивности передаваемого трафика:

где B — общая производительность коммутатора, Pij — средняя интенсивность трафика от i-го порта к j-му; сумма берется по всем портам коммутатора, от 1 до 6.

Если это неравенство не выполняется, то коммутатор заведомо не будет справляться с потоком поступающих в него кадров, и они будут теряться из-за переполнения внутренних буферов. Так как в формуле фигурируют средние значения интенсивностей трафика, то никакой, даже очень большой размер внутреннего буфера или буферов коммутатора не сможет компенсировать слишком медленную обработку кадров.

Суммарная производительность коммутатора обеспечивается достаточно высокой производительностью каждого его отдельного элемента — процессора порта, коммутационной матрицы, общей шины, соединяющей модули и т. п. Независимо от внутренней организации коммутатора и способов конвейеризации его операций, можно определить достаточно простые требования к производительности его элементов, которые являются необходимыми для поддержки заданной матрицы трафика. Перечислим некоторые из них.

2. Номинальная максимальная производительность протокола каждого порта коммутатора должна быть не меньше средней интенсивности суммарного трафика, проходящего через порт:

где Сk — номинальная максимальная производительность протокола k-го порта (например, если k-ый порт подддерживает Ethernet, то Сkравно 10 Мб/с), первая сумма равна интенсивности выходящего из порта трафика, а вторая — входящего. Эта формула полагает, что порт коммутатора работает в стандартном полудуплексном режиме, для полнодуплексного режима величину Сkнужно удвоить.

3. Производительность процессора каждого порта должна быть не меньше средней интенсивности суммарного трафика, проходящего через порт. Условие аналогично предыдущему, но вместо номинальной производительности поддерживаемого протокола в ней должна использоваться производительность процессора порта.

4. Производительность внутренней шины коммутатора должна быть не меньше средней интенсивности суммарного трафика, передаваемого между портами, принадлежащими разным модулям коммутатора:

где Bbus — производительность общей шины коммутатора, а сумма

SijPij берется только по тем i и j, которые принадлежат разным модулям.

Эта проверка должны выполняться, очевидно, только для тех коммутаторов, которые имеют внутреннюю архитектуру модульного типа с использованием общей шины для межмодульного обмена. Для коммутаторов с другой внутренней организацией, например, с разделяемой памятью, несложно предложить аналогичные формулы для проверки достаточной производительности их внутренних элементов.

Приведенные условия являются необходимыми для того, чтобы коммутатор в среднем справлялся с поставленной задачей и не терял кадров постоянно. Если хотя бы одно из приведенных условий не будет выполнено, то потери кадров становятся не эпизодическим явлением при пиковых значениях трафика, а явлением постоянным, так как даже средние значения трафика превышают возможности коммутатора.

Условия 1 и 2 применимы для коммутаторов с любой внутренней организацией, а условия 3 и 4 приведены в качестве примера необходимости учета производительности отдельных.

Так как производители коммутаторов стараются сделать свои устройства как можно более быстродействующими, то общая внутренняя производительность коммутатора часто с некоторым запасом превышает среднюю интенсивность любого варианта трафика, который можно направить на порты коммутатора в соответствии с их протоколами. Такие коммутаторы называются неблокирующими, что подчеркивает тот факт, что любой вариант трафика передается без снижения его интенсивности.

Однако, какой бы общей производительностью не обладал коммутатор, всегда можно указать для него такое распределение трафика между портами, с которым коммутатор не справится и начнет неизбежно терять кадры. Для этого достаточно, чтобы суммарный трафик, передаваемый через коммутатор для какого-нибудь его выходного порта, превысил максимальную пропускную способность протокола этого порта. В терминах условия 2 это будет означать, что второе слагаемое SiPik превышает пропускную способность протокола порта Сk.