Понятие, и основные виды и характеристики ККС

К ККС как и к другим типам компьютерных сетей, предъявляется ряд требований. Важное требование - это выполнение сетью ее главной функции: обеспечить пользователей к разделяемым ресурсам всех компьютеров, объединенных в сеть.

Производительность сети – это основное свойство корпоративных сетей. Производительность сети вымеряется благодаря показателям двух типов - временных, оценивающих задержку, вносимую сетью при выполнении обмена данными, и показателей пропускной способности, отражающих количество информации, переданной сетью в единицу времени. Два показателя являются взаимно обратными, и, зная один, вычислить другой не составит труда.

Основные характеристики сети:

время реакции;

пропускная способность;

задержка передачи и вариация задержки передачи данных.

В качестве временной характеристики производительности сети используется показатель, «время реакции».

Термин «время реакции» применяется в достаточно широком смысле, поэтому в данном моменте требуется уточнить, что иметься в виду под этим термином.

«Время реакции» - определяется, как промежуток времени между появлением запроса пользователя к какому-нибудь сетевому обслуживанию и приобретением ответа на этот запрос.

Несомненно, что смысл данного показателя зависит от типа сервиса, к которому обращается user, какой user и к какому серверу адресуется, а так-же от данного состояния других элементов сети - загруженности сегментов, через которые проходит запрос, загруженности сервера и т.п.

Время реакции складывается из нескольких составляющих:

1.время передачи запросов между клиентом и сервером через сегменты сети и промежуточное коммуникационное оборудование;

2.время подготовки запросов на клиентском компьютере;

3.время передачи ответов от сервера клиенту;

4.время обработки запросов на сервере;

5.время обработки получаемых от сервера ответов на клиентском компьютере.

При оценивании производительности сети не к отдельным парам узлов, а ко всем узлам в общем применяются критерии двух типов:

«средно – взвешенные» и «пороговые».

Средно - взвешенный критерий - выступает в роли сумм времен реакции всех или некоторых узлов при взаимодействии со всеми или некоторыми серверами сети по определенному сервису, то есть сумму вида:

где «T ij» - время реакции «I» - клиента при обращении к «j» - серверу, «n» - число клиентов, «m2 - число серверов.

Если усреднение производится и по сервисам, то в данной формулировке прибавится еще одно суммирование - по численности учитываемых сервисов. Оптимизация сети по предоставленному критерию заключается в нахождении значений параметров, при которых критерий имеет самое маленькое значение или хотя бы не превышает заданное число.

Пороговый критерий - отображает самое плохое время реакции по всем сочетаниям клиентов, серверов и сервисов:

где «i» и «j» располагают том же смыслом, что и в прошлом случае, а «k» означает тип сервиса.

Оптимизация может ещё выполняться с целью минимизации критерия, и так же с целью достижения им некоторой заданной величины.

Как правило, чаще всего используются пороговые критерии оптимизации потому что, они дают гарантирую всем пользователям положительную степень реакции сети на их запросы.

Средне - взвешенные критерии - могут дискриминировать некоторых пользователей, для которых время реакции значительно большое притом, что при усреднении получен вполне неплохой итог.

К примеру возможно, использовать и более дифференцированные критерии. В частности, можно установить цель и гарантировать каждому пользователю доступ к серверу, располагающегося в его сегменте, за время, не более 4-х – 5-ти секунд, к серверам, находящимся в его сети, но в сегментах, отделенных от его сегмента коммутаторами, за время, не более 10ти секунд, а к серверам других сетей - за время до 60-ти секунд.

Пропускная способность, она отражает объем данных, переданных сетью или ее частью в единицу времени. Различают среднюю, мгновенную и максимальную пропускную способность.

Средняя пропускная способность вычисляется путем деления всего объема переданной информации на время их передачи, выбирается довольно долговременный интервал времени - часв, дни или неделя.

Мгновенная пропускная способность различается с средней пропускной способностью тем, что для усреднения выбирается давольно малый отрезок времени - 10 мс или 1 с.

Максимальная пропускная способность - это наибольшая мгновенная пропускная способность, зафиксированная в течение периода наблюдения.

Главная задача, для решения которой строится любая сеть – большая скорость передачи данных среди компьютеров. Поэтому критерии, связанные с пропускной способностью сети или части сети, прекрасно отражают качество выполнения сетью ее основной функции.

Разберём способы построения критерия пропускной способности более подробно.

Критерии, отличающиеся единицей измерения передаваемых данных. В особенности единицы измерения передаваемой информации обычно применяются пакеты или биты. Должным образом, пропускная способность измеряется в пакетах в секунду или в битах в секунду.

Если вычислительные сети действуют по принципу коммутации пакетов, то измерение численности переданной информации в пакетах имеет смысл, к тому же, что пропускная способность коммуникационного оборудования, действующего на канальном уровне и выше, чаще и больше всего измеряется в пакетах в секунду.

Чаще всего имеют в виду пакеты протокола «Ethernet», как самого популярного, имеющие самый малый для протокола размер в 64 байта.

Пакеты самой малой длины предпочтены в качестве эталонных из-за того, что они создают для коммуникационного оборудования наиболее тяжелый порядок работы - вычислительные операции, производимые со всяким пришедшим пакетом, в очень слабой степени зависят от его размера, поэтому на единицу переносимых данных обработка пакета самой малой длины требует выполнения, гораздо больше операций, чем для пакета максимальной длины.

Измерение пропускной способности в битах в секунду дает более точный балл быстроты передаваемых данных, чем при использовании пакетов.

Критерии, различающиеся учетом служебной информации. В каждом протоколе есть заголовок, переносящий служебную информацию, и поле данных, в котором переносится информация, считающаяся для данного протокола пользовательской.

Допустим что, в кадре протокола «Ethernet» самого малого размера 46 байт играет роль поля данных, а остальные 18 являются служебной информацией.

При измерении пропускной способности в пакетах в секунду отделить пользовательскую информацию от служебной нельзя, а при побитовом измерении - можно.

Если пропускная способность измеряется без деления информации на служебную и пользовательскую, то при таких условиях запрещено ставить задачу выбора протокола или стека протоколов для этой сети.

Если же тип протокола не изменяется при настройке сети, то можно воспользоваться критериями, не выделяющие пользовательские данные из общего потока.

Надёжность корпоративных компьютерных сетей

Самой главной характеристикой вычислительной сети это безопасность и надёжность - способность правильно функционировать в течение продолжительного периода времени.

Увеличение надежности состоит в предотвращении неисправностей, отказов и сбоев за счет использования электронных схем и компонентов с большой степенью интеграции, понижения уровня помех, облегченных режимов работы схем, обеспечения тепловых режимов их работы, а также за счет совершенствования методов сборки аппаратуры. Надежность измеряется интенсивностью отказов и средним временем наработки на отказ. Надежность сетей как распределенных систем во многом определяется надежностью кабельных систем и коммутационной аппаратуры - разъемов, кроссовых панелей, коммутационных шкафов и т.п., обеспечивающих собственно электрическую или оптическую связность отдельных узлов между собой.

Повышение готовности предполагает подавление в определенных пределах влияния отказов и сбоев на работу системы с помощью средств контроля и коррекции ошибок, а также средств автоматического восстановления циркуляции информации в сети после обнаружения неисправности. Повышение готовности представляет собой борьбу за снижение времени простоя системы.

Критерием оценки готовности является коэффициент готовности, который равен доле времени пребывания системы в работоспособном состоянии и может интерпретироваться как вероятность нахождения системы в работоспособном состоянии.

Коэффициент готовности вычисляется как отношение среднего времени наработки на отказ к сумме этой же величины и среднего времени восстановления. Системы с высокой готовностью называют также отказоустойчивыми.

Основным способом повышения готовности является избыточность, на основе которой реализуются различные варианты отказоустойчивых архитектур. Вычислительные сети включают большое количество элементов различных типов, и для обеспечения отказоустойчивости необходима избыточность по каждому из ключевых элементов сети.

Если рассматривать сеть только как транспортную систему, то избыточность должна существовать для всех магистральных маршрутов сети, то есть маршрутов, являющихся общими для большого количества клиентов сети.

Такими маршрутами обычно являются маршруты к корпоративным серверам - серверам баз данных, Web-серверам, почтовым серверам и т.п. Поэтому для организации отказоустойчивой работы все элементы сети, через которые проходят такие маршруты, должны быть зарезервированы: должны присутствовать резервные кабельные связи, которыми можно воспользоваться при отказе одного из главных кабелей, все коммуникационные устройства на магистральных путях должны либо сами быть реализованы по отказоустойчивой схеме с резервированием всех основных своих компонентов, либо для каждого коммуникационного устройства должно иметься резервное аналогичное устройство.

Переход с основной связи на резервную или с основного устройства на резервное может происходить как в автоматическом режиме, так и вручную, при участии администратора. Очевидно, что автоматический переход повышает коэффициент готовности системы, так как время простоя сети в этом случае будет существенно меньше, чем при вмешательстве человека. Для выполнения автоматических процедур реконфигурации необходимо иметь в сети интеллектуальные коммуникационные устройства, а также централизованную систему управления, помогающую устройствам распознавать отказы в сети и адекватно на них реагировать.

Высокую степень готовности сети можно обеспечить в том случае, когда процедуры тестирования работоспособности элементов сети и перехода на резервные элементы встроены в коммуникационные протоколы. Примером такого типа протоколов может служить протокол FDDI, в котором постоянно тестируются физические связи между узлами и концентраторами сети, а в случае их отказа выполняется автоматическая реконфигурация связей за счет вторичного резервного кольца. Существуют и специальные протоколы, поддерживающие отказоустойчивость сети, например, протокол Spanning Tree, выполняющий автоматический переход на резервные связи в сети, построенной на основе мостов и коммутаторов.

Существуют различные градации отказоустойчивых компьютерных систем, к которым относятся и вычислительные сети. Приведем несколько общепринятых определений:

высокая готовность (high availability) - характеризует системы, выполненные по обычной компьютерной технологии, использующие избыточные аппаратные и программные средства и допускающие время восстановления в интервале от 2 до 20 минут;

устойчивость к отказам (fault tolerance) - характеристика таких систем, которые имеют в горячем резерве избыточную аппаратуру для всех функциональных блоков, включая процессоры, источники питания, подсистемы ввода/вывода, подсистемы дисковой памяти, причем время восстановления при отказе не превышает одной секунды;

непрерывная готовность (continuous availability) - это свойство систем, которые также обеспечивают время восстановления в пределах одной секунды, но в отличие от систем устойчивых к отказам, системы непрерывной готовности устраняют не только простои, возникшие в результате отказов, но и плановые простои, связанные с модернизацией или обслуживанием системы.

Все эти работы проводятся в режиме online. Дополнительным требованием к системам непрерывной готовности является отсутствие деградации, то есть система должна поддерживать постоянный уровень функциональных возможностей и производительности независимо от возникновения отказов.

Основными для теории надежности являются проблемы анализа и синтеза. Первая состоит в вычислении количественных показателей надежности существующей или проектируемой системы с целью определения соответствия ее предъявляемым требованиям. Целью надежностного синтеза является обеспечение требуемого уровня надежности системы.

Для оценки надежности сложных систем применяется следующий набор характеристик:

Готовность или коэффициент готовности (availability) - означает долю времени, в течение которого система может быть использована.

Готовность может быть улучшена путем введения избыточности в структуру системы. Чтобы сеть можно было отнести к высоконадежной, она должна как минимум обладать высокой готовностью, необходимо обеспечить сохранность данных и защиту их от искажений, должна поддерживаться согласованность (непротиворечивость) данных (например, если для повышения надежности на нескольких файловых серверах хранится несколько копий данных, то нужно постоянно обеспечивать их идентичность).

Безопасность (security) - способность системы защитить данные от несанкционированного доступа.

Отказоустойчивость (fault tolerance).

В сетях под отказоустойчивостью понимается способность системы скрыть от пользователя отказ отдельных ее элементов.

В отказоустойчивой системе отказ одного из ее элементов приводит к некоторому снижению качества ее работы (деградации), а не к полному останову.

В целом система будет продолжать выполнять свои функции;

Вероятность доставки пакета узлу назначения без искажений.

Наряду с этой характеристикой могут использоваться и другие показатели:

вероятность потери пакета (по любой из причин - из-за переполнения буферамаршрутизатора, из-за несовпадения контрольной суммы, из-за отсутствия работоспособного пути к узлу назначения и т. д.);

вероятность искажения отдельного бита передаваемых данных;

отношение потерянных пакетов к доставленным.

Основой надежности всех корпоративных сетей, является надежность сетей связи (СС), но обеспечение высокой надежности не является самоцелью, а представляет собой средство достижения максимальной эффективности сети.

Уровень надежности, при котором достигается максимум показателя эффективности СС, является оптимальным для нее. Этот уровень определяется многими факторами, к числу которых относятся: назначение СС, ее структура, размер убытков, вызванных потерей заявки на обслуживание, используемые алгоритмы управления, уровень надежности элементов СС, их стоимость, условия эксплуатации и т.д.

Оптимальный уровень надежности СС определяется на этапе системного проектирования системы более высокого порядка, в которую СС входит в качестве подсистемы.

Задача обеспечения требуемой надежности может решаться как при синтезе СС, так и в ходе управления уже существующей СС. В первом случае она сводится к определению варианта назначения типов элементов из заданного множества, обеспечивающего требуемый уровень надежности при минимальной стоимости. Решение ее применительно ко всей СС сразу для реальных сетей оказывается невозможным из-за большой размерности задачи.

Поэтому ее вначале решают для подсети, связывающей пару абонентов с высшим приоритетом. Затем с учетом сделанных назначений типов элементов решают эту же задачу для следующей по приоритетности тяготеющей пары и т. д., пока требования по надежности связи не будут удовлетворены для всех заданных тяготеющих пар.

Обеспечение требуемого уровня надежности на этапе управления существующей СС вначале решается с целью использования для этого внутренних ресурсов сети, без введения структурной избыточности, и сводится к формированию множества маршрутов для каждой тяготеющей пары, обеспечивающего требуемый уровень надежности.

Формирование множества маршрутов осуществляется итеративно, причем на каждом шаге для сформированного к началу этого шага множества рассчитывается вероятность успешной реализации сеанса. Если эта вероятность не меньше требуемой, процесс завершается.

Формирование начального множества маршрутов может осуществляться двумя способами.

Первый заключается в том, что пользователь включает в него маршруты, отобранные им на основании некоторого критерия, например, исходя из прежнего опыта их использования. Второй способ применяется, когда пользователь не имеет возможности самостоятельно сформировать это множество.

В этом случае отбирается некоторое количество (обычно не более десяти) наиболее надежных маршрутов, из которых пользователь выбирает по своему усмотрению некоторое подмножество. Если показатель надежности сформированной таким образом подсети меньше требуемого, из оставшегося множества выбираются наиболее надежные маршруты (возможно, один), оценивается обеспечиваемая при этом вероятность связности и т.д.