Новости
Главная / Студентам / КС / Лекция 9. Сетевые характеристики

Лекция 9. Сетевые характеристики

Типы характеристик

Компьютерная сеть представляет собой сложную и дорогую систему, решающую ответственные задачи и обслуживающую большое количество пользователей. Поэтому очень важно, чтобы сеть не просто работала, но работала качественно.

Понятие качества обслуживания можно трактовать очень широко, включая в него все возможные и желательные для пользователя свойства сети и поставщика услуг, поддерживающего работу этой сети. Для того чтобы пользователь и поставщик услуг могли более конкретно обсуждать проблемы обслуживания и строить свои отношения на формальной основе, существует ряд общепринятых характеристик качества предоставляемых сетью услуг. Мы будем рассматривать в этой главе только характеристики качества транспортных услуг сети, которые намного проще поддаются формализации, чем характеристики качества информационных услуг. Характеристики качества транспортных услуг отражают такие важнейшие свойства сети, как производительность, надежность и безопасность.

Часть этих характеристик может быть оценена количественно и измерена при обслуживании пользователя. Пользователь и поставщик услуг могут заключить соглашение об уровне обслуживания, в котором оговорить требования к количественным значениям некоторых характеристик, например к доступности предоставляемых услуг.

Субъективные оценки качества

Если опросить пользователей, чтобы выяснить, что они вкладывают в понятие качественных сетевых услуг, то можно получить очень широкий спектр ответов. Среди них, скорее
всего, встретятся следующие мнения:

  • сеть работает быстро, без задержек;
  • трафик передается надежно, данные не теряются;
  • услуги предоставляются бесперебойно по схеме 24 х 7 (то есть 24 часа в сутки семь дней в неделю);
  • служба поддержки работает хорошо, давая полезные советы и помогая разрешить проблемы;
  • услуги предоставляются по гибкой схеме, мне нравится, что можно в любой момент и в широких пределах повысить скорость доступа к сети и увеличить число точек доступа;
  • поставщик не только передает мой трафик, но и защищает мою сеть от вирусов и атак злоумышленников;
  • я всегда могу проконтролировать, насколько быстро и без потерь сеть передает мой трафик;
  • поставщик предоставляет широкий спектр услуг, в частности помимо стандартного доступа в Интернет он предлагает хостинг для моего персонального веб-сайта и услуги 1Р-телефонии.

Эти субъективные оценки отражают пожелания пользователей к качеству сетевых сервисов.

Количественные характеристики и требования

Пользователи сети — это хотя и важная, но только одна сторона бизнеса сетей передачи данных. Существует и другая сторона — поставщик услуг, коммерческий, если это публич¬ная сеть, или некоммерческий, если сеть корпоративная. Для того чтобы обе стороны — пользователи и поставщики услуг — могли «найти общий язык», существуют формализо¬ванные количественные характеристики качества сетевых услуг.

Получая сетевые услуги, пользователь формулирует определенные требования к характеристикам сети. Например, пользователь может потребовать, чтобы средняя скорость передачи его информации через сеть не опускалась ниже 2 Мбит/с. То есть в данном случае пользователь задает тот диапазон значений для средней скорости передачи информации через сеть, который для него означает хорошее качество сервиса.

Все множество характеристик качества транспортных услуг сети можно отнести к одной из следующих групп:

  • производительность;
  • надежность;
  • безопасность;
  • характеристики, имеющие значение только для поставщика услуг.

Первые три группы соответствуют трем наиболее важным для пользователя характеристикам транспортных услуг — возможности без потерь и перерывов в обслуживании (надежность) передавать с заданной скоростью (производительность) защищенную от несанкционированного доступа и подмены информацию (безопасность). Понятно, что поставщик сетевых услуг, стремясь удовлетворить требования клиентов, также уделяет внимание этим характеристикам. В то же время существует ряд характеристик, важных для поставщика сети, но не представляющих интереса для пользователей.

Дело в том, что сеть обслуживает большое количество клиентов и поставщику услуг нужно организовать работу своей сети таким образом, чтобы одновременно удовлетворить требования всех пользователей. Как правило, это сложная проблема, так как основные ресурсы сети — линии связи и коммутаторы (маршрутизаторы) — разделяются между информационными потоками пользователей. Поставщику необходимо найти такой баланс в распределении ресурсов между конкурирующими потоками, чтобы требования всех пользователей были соблюдены. Решение этой задачи включает планирование и контроль расходования ресурсов в процессе передачи пользовательского трафика. Например, его интересует производительность коммутатора, так как поставщик должен оценить, какое количество потоков пользователей он может обработать с помощью данного коммутатора. Для пользователя же производительность коммутатора никакого значения не имеет, ему важен конечный результат — будет его поток обслужен качественно или нет.

Временная шкала

Рассмотрим еще один способ классификации характеристик — в соответствии с временной шкалой, на которой эти характеристики определяются.

Долговременные характеристики (или характеристики проектных решений) определяются на промежутках времени от нескольких месяцев до нескольких лет. Примерами таких характеристик являются количество и схема соединения коммутаторов в сети, пропускная способность линий связи, конкретные модели и характеристики используемого оборудования. Эти параметры сети прямо влияют на характеристики качества услуг сети. Одно проектное решение может оказаться удачным и сбалансированным, так что потоки трафика не будут испытывать перегрузок; другое может создавать узкие места для потоков, в результате задержки и потери пакетов превысят допустимые пределы. Понятно, что полная замена или глубокая модернизация сети связана с большими финансовыми и временными затратами, поэтому они не могут происходить часто, а значит, выбранные однажды параметры продолжают оказывать влияние на качество функционирования сети в течение продолжительного времени.

Среднесрочные характеристики определяются на интервалах времени от нескольких секунд до нескольких дней. Как правило, за это время происходит обслуживание большого количества пакетов. Например, к среднесрочным характеристикам может быть отнесено усредненное значение задержки пакетов по выборке, взятой в течение суток.
Краткосрочные характеристики относятся к темпу обработки отдельных пакетов и измеряются в микросекундном и миллисекундном диапазонах. Например, время буферизации, или время пребывания пакета в очереди коммутатора либо маршрутизатора, является характеристикой этой группы. Для анализа и обеспечения требуемого уровня краткосрочных характеристик разработано большое количество методов, получивших название методов контроля и предотвращения перегрузок.

Соглашение об уровне обслуживания

Основой нормального сотрудничества поставщика услуг и пользователей является договор. Такой договор заключается всегда, однако далеко не всегда в нем указываются количественные требования к эффективности предоставляемых услуг. Очень часто в договоре услуга специфицируется очень общо, например «предоставление доступа в Интернет».

Однако существует и другой тип договора, называемый соглашением об уровне обслуживания (Service Level Agreement, SLA). В таком соглашении поставщик услуг и клиент описывают качество предоставляемой услуги в количественных терминах, пользуясь характеристиками эффективности сети. Например, в SLA может быть записано, что поставщик обязан передавать трафик клиента без потерь и с той средней скоростью, с которой пользователь направляет его в сеть. При этом оговорено, что это соглашение действует только в том случае, если средняя скорость трафика пользователя не превышает, например, 3 Мбит/с, в противном случае поставщик получает право просто не передавать избыточный трафик. Для того чтобы каждая сторона могла контролировать соблюдение этого соглашения, необходимо еще указать период времени, на котором будет измеряться средняя скорость, например день, час или секунда. Еще более определенным соглашение об уровне обслуживания становится в том случае, когда в нем указываются средства и методы измерения характеристик сети, чтобы у поставщика и пользователя не было расхождений при контроле соглашения.

Соглашения об уровне обслуживания могут заключаться не только между поставщиками коммерческих услуг и их клиентами, но и между подразделениями одного и того же пред-приятия. В этом случае поставщиком сетевых услуг может являться, например, отдел информационных технологий, а потребителем — производственный отдел.

Производительность

Мы уже знакомы с такими важными долговременными характеристиками производительности сетевого оборудования, как пропускная способность каналов или производительность коммутаторов и маршрутизаторов. Наибольший интерес данные характеристики представляют для поставщиков услуг — на их основе поставщик услуг может планировать свой бизнес, рассчитывая максимальное количество клиентов, которое он может обслужить, определяя рациональные маршруты прохождения трафика и т. п.

Однако клиента интересуют другие характеристики производительности, которые позволят ему количественно оценить, насколько быстро и качественно сеть передает его трафик. Для того чтобы определить эти характеристики, воспользуемся моделью идеальной сети.

Идеальная сеть

В разделе «Количественное сравнение задержек» главы 3 мы рассмотрели различные составляющие задержек в сети с коммутацией пакетов. Напомним, что такими составля-ющими являются показатели времени:

  •  передачи данных в канал (время сериализации);
  • распространения сигнала;
  • ожидания пакета в очереди;
  • коммутации пакета.

Две первые составляющие задержки полностью определяются свойствами каналов передачи данных (битовой скоростью и скоростью распространения сигнала в среде) и являются фиксированными для пакета фиксированной длины.

Две последние составляющие зависят от характеристик сети коммутации пакетов (загрузки коммутаторов и их быстродействия) и для пакета фиксированной длины в общем случае являются переменными.

Будем считать, что сеть с коммутацией пакетов работает идеально, если она передает каждый бит информации с постоянной скоростью, равной скорости распространения света в используемой физической среде. Другими словами, идеальная сеть с коммутацией пакетов не вносит никаких дополнительных задержек в передачу данных помимо тех, которые вносятся каналами связи, то есть две последние составляющие задержки равны нулю.


Результат передачи пакетов такой идеальной сетью иллюстрирует рис. 5.1. На верхней оси показаны значения времени поступления пакетов в сеть от узла отправителя, а на ниж-ней — значения времени поступления пакетов в узел назначения. Говорят, что верхняя ось показывает предложенную нагрузку сети, а нижняя — результат передачи этой нагрузки через сеть.

Пусть задержка передачи пакета определяется как интервал времени между моментом от-правления первого бита пакета в канал связи узлом отправления и моментом поступления первого бита пакета в узел назначения соответственно (на рисунке обозначены задержки d\fd2H ds пакетов 1, 2 и 3 соответственно).
Как видно из рисунка, идеальная сеть доставляет все пакеты узлу назначения:

  • не потеряв ни одного из них (и не исказив информацию ни в одном из них);
  • в том порядке, в котором они были отправлены;
  • с одной и той же и минимально возможной задержкой (d\ = d2 и т. д.).

Важно, что все интервалы между соседними пакетами сеть сохраняет в неизменном виде. Например, если интервал между первым и вторым пакетами составляет при отправлении Т\ секунд, а между вторым и третьим — Т2, то такими же интервалы останутся в узле на-значения.

Надежная доставка всех пакетов с минимально возможной задержкой и сохранением временных интервалов между ними удовлетворит любого пользователя сети независимо от того, трафик какого приложения он передает по сети — веб-сервиса или 1Р-телефонии.

Существуют и другие определения времени задержки пакета. Например, эту величину можно определить как время между моментом отправления первого бита пакета в канал связи узлом отправления и моментом поступления последнего бита пакета в узел назначения соответственно (такое определение используется в документе RFC 2679, описывающем характеристики задержек IP-пакетов). Нетрудно видеть, что в этом определении в задержку пакета включено время сериализации, кроме того, понятно, что оба определения не противоречат друг другу и величина задержки, полученная в соответствии с одним определением, легко преобразуется в величину задержки, полученной в соответствии с другим.

Мы выбрали первое определение для иллюстрации идеального поведения сети с коммутацией пакетов потому, что в этом случае задержка не зависит от размера пакета, что проще использовать, описывая «идеальность» обслуживания пакетов.


Теперь посмотрим, какие отклонения от идеала могут встречаться в реальной сети и какими характеристиками можно эти отклонения описывать (рис. 5.2).

Пакеты доставляются сетью узлу назначения с различными задержками. Как мы уже знаем, это неотъемлемое свойство сетей с коммутацией пакетов.

Случайный характер процесса образования очередей приводит к случайным задержкам, при этом задержки отдельных пакетов могут быть значительными, в десятки раз превосходя среднюю величину задержек (d\ Ф d2 Ф d$ и т. д.). Неравномерность задержек изменяет относительное положение пакетов в выходном потоке, а это может катастрофически сказаться на качестве работы некоторых приложений. Например, при цифровой передаче речи исходный поток представляет собой равномерно отстоящие друг от друга пакеты, несущие замеры голоса. Неравномерность интервалов между пакетами выходного потока приводит к существенным искажениям речи.

Пакеты могут доставляться узлу назначения не в том порядке, в котором они были отправлены, например на рис. 5.2 пакет 4 поступил в узел назначения раньше, чем пакет 3. Такие ситуации встречаются в дейтаграммных сетях, когда различные пакеты одного потока передаются через сеть различными маршрутами, а следовательно, ожидают обслуживания в разных очередях с разным уровнем задержек. Очевидно, что пакет 3 проходил через пере¬груженный узел или узлы, так что его суммарная задержка оказалась настолько большой, что пакет 4 прибыл раньше него.

Пакеты могут теряться в сети или же приходить в узел назначения с искаженными данными, что равносильно потере пакета, так как большинство протоколов не способно восстанавливать искаженные данные, а только определяет этот факт по значению контрольной суммы в заголовке кадра.

Пакеты также могут дублироваться по разным причинам, например из-за ошибочных повторных передач пакета, предпринятых протоколом, в котором таким образом обеспечивается надежный обмен данными.

В реальной сети средняя скорость информационного потока на входе узла назначения может отличаться от средней скорости потока, направленного в сеть узлом-отправителем. Виной этому являются не задержки пакетов, а их потери . Так, в примере, показанном на рис. 5.2, средняя скорость исходящего потока снижается из-за потери пакета 5. Чем больше потерь и искажений пакетов происходит в сети, тем ниже скорость информационного потока.

Как видно из приведенного описания, существуют различные характеристики производительности сети (называемые также метриками производительности сети). Нельзя в общем случае говорить, что одни их этих характеристик более, а другие — менее важные. Относительная важность характеристик зависит от типа приложения, трафик которого переносит сеть. Так, существуют приложения, которые очень чувствительны к задержкам пакетов, но в то же время весьма терпимы к потере отдельного пакета — примером может служить передача голоса через пакетную сеть. Примером приложения, которое, напротив, мало чувствительно к задержкам пакетов, но очень чувствительно к их потерям, является загрузка файлов (подробнее об этом говорится в следующей главе). Поэтому для каждого конкретного случая необходимо выбирать подходящий набор характеристик сети, адекватно отражающий влияние «неидеальности» сети на работу приложения.