45996 (Проектирование производительности ЛВС)

ВСТУПЛЕНИЕ

В настоящее время в использовании ЛВС можно отметить две

тенденции: создание мощных корпоративных сетей и переход на тех-

нологию клиент-сервер.

Корпоративные ЛВС характеризуются многосегментной структу-

рой, большим числом рабочих станций (РС), наличием нескольких

серверов (файловых, баз данных, печати, модемов), маршрутизато-

ров, мостов и т.п. Эффективное использование технологии кли-

ент-сервер в таких сетях ставит ряд сложных задач перед админист-

раторами и пользователями ЛВС. Важнейший комплекс задач - обеспе-

чение требуемой производительности, пропускной способности сети и

планирование ее мощности.

Сейчас, когда ЛВС стали определяющим компонентом в информа-

ционной стратегии большинства организаций, недостаточное внимание

к оценке мощности ЛВС и ее планированию привело к тому, что се-

годня для поддержки современных приложений в технологии кли-

ент-сервер многие сети необходимо заново проектировать во многих

случаях и заменять.

Производительность и пропускная способность ЛВС определяется

рядом факторов: выбором серверов и рабочих станций, сетевого обо-

рудования, операционных систем рабочих станций, серверов и их

конфигураций, распределением файлов базы данных по серверам сети,

организацией распределенного вычислительного процесса, защиты,

поддержания и восстановления работоспособности в ситуациях сбоев

и отказов и т. п. Максимальные возможности корпоративной ЛВС для

конкретных приложений (банковская, офисная, проектно-конструк-

торская, управленческая деятельность и др.) могут быть достигнуты

только на основе комплексного подхода к оптимизации ЛВС на всех

этапах жизненного цикла (от технико-экономического обоснования и

технического задания на разработку до эксплуатации и модерниза-

ции).

Для решения задач оптимизации производительности и пропуск-

ной способности ЛВС используются методы и средства измерения

(анализа) и моделирования. Особенности трафика ЛВС делают модели-

рование сетей более трудным, чем моделирование систем с главной

машиной. В ЛВС трафик может сильно варьироваться, что определяет-

ся природой распределенной обработки. Так как такая обработка вы-

полняется и клиентом, и сервером, есть много способов распределе-

ния обработки информации между ними, но в первую очередь необхо-

димо знать о производительности самих приложений и влиянии прило-

жений на общую производительность и пропускную способность сети.

Как правило, средства моделирования позволяют определить

производительность и пропускную способность ЛВС на основе показа-

телей ее фактического оцениваемого трафика, указываемых админист-

ратором сети. Многие пакеты моделирования могут воспринимать дан-

ные и от инструментальных средств анализа сети (сетевых анализа-

торов), таких, например, как анализатор протокола Sniffer фирмы

Network General. Для крупномасштабных моделей такая возможность

имеет важное значение, поскольку в этом случае отпадает необходи-

мость во вводе в моделирующую программу множеств данных. Устано-

вив в сети программные измерительные средства и уяснив картину

- 3 -

полного сетевого трафика, можно использовать и данные с помощью

продуктов административного управления сетью, таких, как Sun Net

Manager фирмы Sun Microsystem и Open View фирмы Hewlett Packard.

Другим подходом к моделированию является создание вариантов "сце-

нариев" работы ЛВС, что позволяет программировать уровень трафика

на основе действий сетевых приложений.

Средства моделирования обычно включают модули, эмулирующие

все сетевые устройства. Например, пакет PlanNet фирмы Comdisco

позволяет моделировать все оборудование ЛВС Token Ring и Ethernet

вплоть до средств передачи речевых данных и телекоммуникаций.

После того как модель сети разработана и отла жена появляется

возможностъ проведения экспериментов, например, можно добавить в

сеть пользователей сегменты, мосты, коммутаторы, концентраторы,

изменить тип передающей среды или сервера и т.п. Модель покажет

пропускную способность сети, уровень трафика и ошибок, время ре-

акции.

Следует иметь в виду, что для решения задач оптимизации ЛВС

необходимы точные исходные данные (например, получаемые от сете-

вого анализатора), правильная оценка роста трафика, генерируемого

новым сетевым приложением, а также понимание возможности програм-

мы (пакета) моделирования и какие из "сценариев" жизнеспособны.

Инструментальные средства не могут дать конкретных рекомендаций

по поиску "узких" мест и оптимизации ЛВС, а только способны пока-

зать, как изменения могут повлиять на характеристики сети. Ин-

терпретировать данные, полученные инструментальными средствами,

разрабатывать планы устранения "узких мест" в ЛВС, сценарии для

их проверки, решать оптимизационные задачи должен администратор

сети.

.

- 4 -

МЕТОДЫ ОЦЕНКИ ЭФФЕКТИВНОСТИ ЛВС

И ИХ КОМПОНЕНТОВ

МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ

На различных стадиях жизненного цикла ЛВС могут использо-

ваться различные методы оценки ее эффективности и оптимизации.

В процессе проектирования ЛВС с использованием современной

методологии проектирования и технологических комплексов (САПР)

могут применяться экспериментальные методы исследования, аналити-

ческое и имитационное моделирование.

На стадиях опытной и рабочей эксплуатации ЛВС основным мето-

дом оценки их качества следует считать экспериментальное исследо-

вание. Оно позволяет собрать статистическую информацию о действи-

тельном ходе вычислительного, процесса, использовании оборудова-

ния, степени удовлетворения требований пользователей системы и

т.п. и затем по результатам ее обработки сделать заключение о ка-

честве проектных решений, заложенных при создании системы, а так-

же принять решение по модернизации системы (устранению "узких"

мест). Однако не исключено и использование методов моделирования,

с помощью которых можно оценить эффект от модернизации ЛВС, не

изменяя рабочей конфигурации и организации работы системы.

 1Моделирование 0 - один из наиболее распространенных методов

исследования. Модель ЛВС - это такое ее представление, которое

состоит из определенного количества организованной информации о

ней и построено с целью ее изучения. Другими словами, модель -

физическая или абстрактная система, представляющая объект иссле-

дования. При исследовании ЛВС, как правило, используются абс-

трактные модели, представляющие собой описания ЛВС на некотором

языке. Абстрактная модель, представленная на языке математических

отношений, называется  1математической моделью 0. Математическая мо-

дель М имеет форму функциональной зависимости W=W 4м 0(Х,F), где

W={W 41 0,W 42 0,...,W 4n 0} - показатели эффективности системы;

Х={x 41 0,x 42 0,...,х 4n 0} и F= {f 41 0,f 42 0,...,f 4Q 0} - соответственно параметры и

функции, выполняемые системой.

Поскольку при исследовании ЛВС возникает много различных

вопросов, для решения тех или иных задач может быть разработан

ряд моделей M={M 41 0,М 42 0,...,М 4o 0}. Эти модели представляют одну и ту

же систему, но разрабатываются в различных целях, представляют ВС

с различных точек зрения, а потому имеют различную степень дета-

лизации. Это означает, что в некоторой модели M 4i 0 C M могут от-

сутствовать определенные математические зависимости, а следова-

тельно, модель М может быть неадекватной реальной ВС. Поэтому в

совокупность моделей М должны входить такие частные модели, кото-

рые адекватно отражают отдельные стороны функционирования ЛВС в

соответствии с целью исследования и имеют такую степень детализа-

ции, которая достаточна для решения конкретной задачи с требуемой

точностью.

- 5 -

АНАЛИТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ

Использование аналитических методов связано с необходимостью

построения математических моделей ЛВС в строгих математических

терминах. Аналитические модели ВС носят обычно вероятностный ха-

рактер и строятся на основе понятий аппарата теорий массового

обслуживания, вероятностей и марковских процессов, а также мето-

дов диффузной аппроксимации. Могут также применяться дифференци-

альные и алгебраические уравнения.

При использовании этого математического аппарата часто уда-

ется быстро получить аналитические модели для решения достаточно

широкого круга задач исследования ЛВС. В то же время аналитичес-

кие модели имеют ряд существенных недостатков, к числу которых

следует отнести:

- значительные упрощения, свойственные большинству аналити-

ческих моделей (представление потоков заявок как простейших,

предположение об экспоненциальном распределении длительностей

обслуживания заявок, невозможность обслуживания заявок одновре-

менно несколькими приборами, например процессором и оперативной

памятью, и др.). Подобные упрощения, а зачастую искусственное

приспособление аналитических моделей с целью использования хо-

рошо разработанного математического аппарата для исследования ре-

альных ЛВС ставят иногда под сомнение результаты аналитического

моделирования;

- громоздкость вычислений для сложных моделей, например, ис-

пользование для представления в модели процесса функционирования

современной ЛВС по методу дифференциальных уравнений Колмогорова

требует (для установившегося режима) решения сложной системы ал-

гебраических уравнений;

- сложность аналитического описания вычислительных процессов

ЛВС. Большинство известных аналитических моделей можно рассматри-

вать лишь как попытку подхода к описанию процессов функционирова-

ния ЛВС;

- недостаточная развитость аналитического аппарата в ряде

случаев не позволяет в аналитических моделях выбирать для иссле-

дования наиболее важные характеристики (показатели эффективности)

ЛВС. Особенно большие затруднения при аналитическом моделировании

связаны с учетом в процессах функционирования ЛВС программных

средств операционных систем и другого общего ПО.

Указанные особенности позволяют заключить, что аналитические

методы имеют самостоятельное значение лишь при исследовании про-

цессов функционирования ЛВС в первом приближении и в частных,

достаточно специфичных задачах. В этих случаях возможности иссле-

дования аналитических моделей ЛВС существенно расширяют прибли-

женные методы, например методы диффузионной аппроксимации, методы

операционного анализа и аналитические сетевые модели.

Позднее будет рассмотрено аналитическое моделирование ЛВС на

основе теории систем массового обслуживания.

- 6 -

ИМИТАЦИОННОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ

В отличие от аналитического имитационное моделирование сни-

мает большинство ограничений, связанных с возможностью отражения

в моделях реального процесса функционирования исследуемой ЛВС,

динамической взаимной обусловленности текущих и последующих собы-

тий, комплексной взаимосвязи между параметрами и показателями эф-

фективности системы и т.п. Хотя имитационные модели во многих

случаях более трудоемки, менее лаконичны, чем аналитические, они

могут быть сколь угодно близки к моделируемой системе и просты в

использовании.

Имитационные модели представляют собой описание объекта исс-

ледования на некотором языке, которое имитирует элементарные яв-

ления, составляющие функционирование исследуемой системы, с сох-

ранением их логической структуры, последовательности протекания

во времени, особенностей и состава информации о состоянии процес-

са. Можно отметить имеющуюся аналогию между исследованием процес-

сов методом имитационного моделирования и экспериментальным их

исследованием.

Описания компонентов реальной ВС в имитационной модели носят

определенный логико-математический характер и представляют собой

совокупность алгоритмов, имитирующих функционирование исследуемой

ВС. Моделирующая программа, построенная на основе этих алгоритмов

(т. е. на основе математической модели), позволяет свести имита-

ционное моделирование к проведению экспериментов на ЭВМ путем их

"прогона" на некотором множестве входных данных, имитирующих пер-

вичные события, которые происходят в системе. Информация, фикси-

руемая в процессе исследования имитационной модели, позволяет оп-

ределить требуемые показатели, характеризующие качество исследуе-

мой ВС.

Основными недостатками имитационного моделирования, несмотря

на появившиеся в последнее время различные системы моделирования,

остаются сложность, высокая трудоемкость и стоимость разработки

моделей, а иногда и большая ресурсоемкость моделей при реализации

на ЭВМ.

Хотя существующие сегодня продукты моделирования способны

помочь квалифицированному инженеру ЛВС моделировать и планировать

сеть, они, по мнению экспертов, все еще слишком сложны в исполь-

зовании и порой неадекватно моделируют вычислительную среду кли-

ент-сервер. Специалисты считают, что необходимы новые модели

распределенной обработки, в которых основное внимание уделялось

бы пропускной способности сети одного узла к другому.

Пакетная ориентация существующих моделирующих программ озна-

чает, что архитектор сети или инженер должен сам определить, поз-

волит ли убыстрение конвейерной передачи улучшить время реакции.

Это справедливо для любого вида приложений, но особенно важно для

программ класса клиент-сервер. Поскольку есть много способов об-

работки распределения между клиентом и сервером, производитель-

ность нужно измерять на основе влияния приложения, а не только

пропускной способности каналов связи. Например, приложение, кото-