Відмінності між версіями «Вплив топології зв'язків і продуктивності комунікаційних пристроїв на пропускну здатність мережі»

Версія за 09:05, 24 листопада 2009

Можливість зміни топології зв'язків між вузлами мережі надає мережному інтегратору широкі можливості для підвищення пропускної спроможності як мережі в цілому так і її окремих ділянок. Навіть при фіксованих пропускних спроможностях каналів зв'язків наявність двох альтернативних каналів між якими-небудь вузлами зразу ж в два рази підвищує пропускну спроможність мережі при взаємодії цих вузлів.

Локальні мережі, що використовують тільки повторители/концентратори, повинні будуватися по цілком певній топології - загальної шини, кільця або зірки, яка визначається базовою мережною технологією, що використовується (Ethernet, TokenRing і т.п.). Проте при використовуванні мостів, комутаторів або маршрутизаторів з'являється можливість використовувати складніші топології, відмінні від стандартних. Вибір відповідної топології мережі може розв'язати багато проблем вузьких (відносно пропускної спроможності) місць мережі. Це пов'язано не тільки з наявністю додаткових каналів зв'язку, але і з тією обставиною, що мережа утворює у такому разі не одне загальне середовище, що розділяється між всіма вузлами мережі, а декілька таких середовищ, пропускна спроможність яких розділяється вже тільки між вузлами даного сегменту мережі.

Безумовно, великий вплив на пропускну спроможність мережі має і продуктивність таких комунікаційних пристроїв як мости, комутатори і маршрутизатори. Ця продуктивність повинна бути достатньою для передачі міжсегментного або міжмережевого трафіку між частинами мережі, які утворюються в результаті установки в мережу пристроїв даного типу. Втрати кадрів або пакетів мостами, комутаторами або маршрутизаторами можуть приводити до значного зниження пропускної спроможності мережі, особливо якщо відновлення загублених пакетів здійснюється пртоколами з великими значеннями тайм-ауту очікування квитанцій, як це було показано в роздiлi 2.1.6.

Середовище передачі, що розділяється, як причина зниження продуктивності мережі

Повторювачі і концентратори локальних мереж реалізують базові технології, розроблені для середовищ передачі даних, що розділяються. Класичним представником такої технології є технологія Ethernet на коаксіальному кабелі. В такій мережі всі комп'ютери мережі розділяють в часі єдиний канал зв'язку, утворений сегментом коаксіального кабелю.

При передачі яким-небудь комп'ютером кадру даних вся решта комп'ютерів приймає його по загальному коаксіальному кабелю, знаходячись з передавачем в постійному побитном синхронізмі. На час передачі цього кадру ніякі інші обміни інформації в мережі не дозволяються. Спосіб доступу до загального кабелю управляється нескладним розподіленим механізмом арбітражу - кожний комп'ютер має право почати передачу кадру, якщо на кабелі відсутні інформаційні сигнали, а при одночасній передачі кадрів декількома комп'ютерами схеми приймачів вузлів уміють розпізнавати і обробляти цю ситуацію, звану колізією. Обробка колізії також нескладна - всі передаючі вузли припиняють виставляти біти своїх кадрів на кабель і повторюють спробу передачі кадру через випадковий проміжок часу.

При підключенні до загального каналу мережі Ethernet кожний вузол користується його пропускною здатністю 10 Мб/с протягом тільки деякої частки загального часу роботи мережі. Відповідно, на вузол доводиться ця ж частка пропускній здатності каналу. Навіть якщо спрощений вважати, що всі вузли одержують рівні частки часу роботи каналу і непродуктивні втрати часу отстутствуют, то за наявності в мережі N вузлів на один вузол доводиться тільки 10/N Мб/с пропускній здатності. Очевидно, що при великих значеннях N пропускна спроможність, що виділяється кожному вузлу, виявляється настільки малою величиною, що нормальна робота додатків і користувачів стає неможливою - затримки доступу до мережних ресурсів перевищують тайм-аути додатків, а користувачі просто відмовляються так довго чекати відгуку мережі.

Випадковий характер алгоритму доступу до середовища передачі даних, прийнятий в технології Ethernet, ще усугубляє ситуацію. Якщо запити на доступ до середовища генеруються вузлами у випадкові моменти часу, то при великій їх інтенсивності вірогідність виникнення колізій також зростає і приводить до неефективного використовування каналу: час виявлення колізії і час її обробки складають непродуктивні витрати. Частка часу, протягом якого канал надається в розпорядження конкретному вузлу, стає ще меншою.

До недавнього часу в локальних мережах рідко використовувалися мультимедійні додатки, перекачуючі великі файли даних, нерідко що складаються з декількох десятків мегабайт. Додатки ж, що працюють з алфивитно-цифровою інформацією, не створювали значного трафіку. Тому довгий час для сегментів Ethernet було дійсним емпіричне правило - в сегменті, що розділяється, не повинно бути більше 30 вузлів. Тепер ситуація змінилася і нерідко 3-4 комп'ютери повністю завантажують сегмент Ethernet з його максимальною пропускною здатністю в 10 Мб/с або ж 14880 кадрів в секунду.

Обмеження, пов'язані з виникаючими колізіями і великим часом очікування доступу при значному завантаженні сегменту, що розділяється, частіше за все виявляються більш серйозними, ніж обмеження на максимальну кількість вузлів, визначену в стандарті з міркувань стійкої передачі електричних сигналів в кабелях.

Техногия Ethernet була вибрана як приклад при демонстрації обмежень, властивих технологіям локальних мереж, оскільки в цій технології обмеження виявляються найбільш яскраво, а їх причини достатньо очевидні. Проте подібні обмеження властиві і всім іншим технологям локальних мереж, оскільки вони спираються на використовування середовища передачі даних як одного ресурсу, що розділяється. Кільця TokenRing і FDDI також можуть використовуватися вузлами мережі тільки в режимі ресурсу, що розділяється. Відмінність від каналу Ethernet тут полягає тільки в тому, що маркерний метод доступу визначає детерміновану черговість надання доступу до кільця, але як і раніше при наданні доступу одного вузла до кільця вся решта вузлів не може передавати свої кадри і повинні чекати, поки володіючий правом доступу вузол не завершить свою передачу.

Загальне обмеження локальних мереж, побудованих тільки з використанням повторителей і концентраторів, полягає в тому, що загальна продуктивність такої мережі завжди фіксована і рівна максимальній продуктивності протоколу, що використовується. І цю продуктивність можна підвищити тільки перейшовши до іншої технології, що пов'язане з дорогою заміною всього устаткування. Розглянуті обмеження є платнею за переваги, які дає використовування каналів, що розділяються, в локальних мережах. Ці переваги істотні, недаремно технології такого типу існують вже близько 20 років.

До переваг потрібно віднести в першу чергу:

• простоту топології мережі;
• гарантію доставки кадру адресату при дотриманні обмежень стандарту і коректно працюючій апаратурі;
• простоту протоколів, низьку вартість мережних адаптерів, повторителей і концентраторів, що забезпечила.

Проте процес витіснення повторителей і концентраторів, що почався, комутаторами говорить про те, що пріоритети змінилися, і за підвищення загальної пропускної здатності мережі користувачі готові піти на витрати, пов'язані з придбанням комутаторів замість концентраторів.

Підвищення продуктивності шляхом сегментації мережі мостами і комутаторами

Розділення загального середовища за допомогою локальних мостів

Для подолання обмежень технологій локальних мереж вже достатньо давно почали застосовувати локальні мости, які є функціональними попередниками комутаторів. Хоча в сучасних мережах комутатори майже витіснили мости з локальних мереж, принципи роботи і міркування по їх вживанню практично співпадають. Міст - цей пристрій, який забезпечує взаємозв'язок двох (рідше декількох) локальних мереж за допомогою передачі кадрів з однієї мережі в іншу за допомогою їх проміжної буферизації. Міст, на відміну від повторителя, не прагне підтримати побітовий синхронізм в обох об'єднуваних мережах. Натомість він виступає по відношенню до кожної з мереж як кінцевий вузол. Він приймає кадр, буферизує його, аналізує адресу призначення кадру, і лише у тому випадку, коли вузол, що адресується, дійсно належить іншій мережі, він передає його туди. Для передачі кадру в іншу мережу міст повинен отримати доступ до її середовища передачі даних, що розділяється, відповідно до тих же правил, що і звичайний вузол. Таким чином, міст ізолює трафік одного сегменту від трафіку іншого сегменту, фільтруючи кадри. Оскільки в кожний з сегментів тепер прямує трафік від меншого числа вузлів, то коефіцієнт завантаження сегментів зменшується (мал. 2.11). В результаті пропускна спроможність кожного сегменту збільшується, а, значить, підвищується і сумарна пропускна спроможність мережі.

Мал. 2.11. Локалізація трафіку при використовуванні моста Кожний сегмент мережі залишається доменом колізій, тобто ділянкою мережі, в якій всі вузли одночасно фіксують і відпрацьовують колізію, в якому б місці цієї ділянки вона б ні трапилася. Проте колізії одного сегменту не приводять до виникнення колізій в іншому сегменті, оскільки міст не транслює їх між сегментами.

Вимоги до пропускної здатності моста

Дотепер ми припускали, що при використовуванні моста для зв'язку двох сегментів замість повторителя загальна продуктивність мережі завжди підвищується, оскільки зменшується кількість вузлів в кожному сегменті і завантаження сегменту зменшується на ту частку трафіку, яка тепер є внутрішнім трафіком іншого сегменту. Це дейсвительно так, але за умови, що міст передає міжсегментний трафік без значних затримок і без втрат кадрів. Проте, аналіз розглянутого алгоритму роботи моста говорить про те, що міст може і затримувати кадри, і, за певних умов, втрачати їх. Затримка, що вноситься мостом, рівна принаймні часу запису кадру в буфер. Як правило, після запису кадру на обробку адрес також йде якийсь час, особливо якщо розмір адресної таблиці великий. Тому затримка збільшується на час обробки кадру. Час обробки кадру впливає не тільки на затримку, але і на вірогідність втрати кадрів. Якщо час обробки кадру виявиться менше інтервалу до надходження наступного кадру, то наступний кадр буде поміщений в буфер і чекатиме там, поки процесор моста не звільниться і не займеться обробкою кадру, що поступив. Якщо середня інтенсивність надходження кадрів буде протягом довгого часу перевищувати продуктивність моста, тобто величину, зворотну середньому часу обробки кадру, то буферна пам'ять, що є у моста для зберігання необроблених кадрів, може переповнитися. В такій ситуації мосту нікуди буде записувати кадри, що поступають, і він почне їх втрачати, тобто просто відкидати.

Втрата кадру - ситуація дуже небажана, оскільки її наслідки протоколами локальних мереж не ліквідовуються. Втрата кадру буде виправлена тільки протоколами транспортного або прикладного рівнів, які помітять втрату частини своїх даних і організують їх повторну пересилку. Проте, при регулярних втратах кадрів канального рівня продуктивність мережі може зменшитися у декілька разів, оскільки тайм-аути, що використовуються в протоколах верхніх рівнів, істотно перевищують часи передачі кадрів на канальному рівні, і повторна передача кадру може відбутися через десятки секунд. Для запобігання втрат кадрів міст повинен володіти продуктивністю, що перевищує середню інтенсивність міжсегментного трафіку, і великий буфер для зберігання кадрів, передаваних в періоди пікового навантаження.

Для того, щоб міст підвищував, а не знижував пропускну спосбность мережі, завжди повинне виконуватися наступне правило: Швидкість виконання мостом операції передачі кадрів між будь-якими двома його портами (ця операція називається forwarding) повинна бути завжди вище, ніж середня інтенсивність трафіку, існуючого між цими портами, що сполучаються, сегментами мережі. В локальних мережах часто виявляється справедливим емпіричне правило 80/20, говоряче про те, що при правильному розбитті мережі на сегменти 80% трафіку виявляється внутрішнім трафіком сегменту, і лише 20% виходить за його межі. Якщо вважати, що це правило діє по відношенню до конкретної мережі, то міст повинен володіти продуктивністю виконання операції forwarding в 20 % від максимальної пропускної здатності сегменту Ethernet, тобто продуктивністю 0.2х14880 = 3000 кадру в секунду. Звичайно, локальні мости володіють продуктивністю від 3000 кадрів в секунду і вище. Проте, гарантій на доставку кадрів в будь-яких ситуаціях міст, на відміну від повторителя, не дає. Це його принциповий недолік, з яким доводиться миритися.

Для того, щоб з'ясувати можливість успішного вживання моста в мережі, необхідно заздалегідь заміряти за допомогою аналізатора протоколів або ж системи управління мережею матрицю трафіку між вузлами мережі. Ця інформація дозволить зрозуміти рівень міжсегментного трафіку при розділенні мережі на сегменти і порівняти її з продуктивністю моста.