Надійність комп'ютерних мереж

Сетевая надёжность

Сучасний Інтернет нараховує десятки мільйонів серверів і сотні мільйонів робочих станцій. Дана технологія стала широко використовуватися в інформаційних системах та бізнесі, саме з цієї причини проблема надійності мереж стає все більш актуальною. Адже зовсім не байдуже, чи отримає людина своєчасно відгук від банкомату, справить чи клієнт покупку, чи будуть коректно введені дані до системи навігації ракети і т.д.

Але перш ніж поставити питання про надійність Інтернет або навіть локальної мережі, потрібно визначити деякі базові поняття. Надійність будь-якої системи визначається надійністю складових її елементів. А надійність елементів задається часом напрацювання на відмову або ймовірністю відмови за обумовлений період часу. Надійності різних елементів можуть відрізнятися істотно. В результаті як усереднені значення надійності, так і розподілу ймовірності відмов різних мережних пристроїв можуть варіюватися в дуже широких межах. У багатьох випадках надійність і розподілу надійності визначаються емпірично.

І якщо вимога надійності визначити як працездатність всіх елементів, надійність Інтернету виявиться рівною нулю, бо завжди знайдеться несправний або відключений вузол або робоча станція. Якщо ж визначити надійність системи як можливість комунікації між, скажімо, 1000 будь-яких вузлів або робочих станцій, то надійність Інтернет виявиться практично рівною одиниці. Звичайно, якщо ваша робоча станція не потрапить до числа цих 1000 вузлів, ви навряд чи погодитеся з твердженням абсолютної надійності. Зрозуміло тому, що обидва визначення абсолютно неприйнятні. Не треба думати, що випадок оцінки надійності локальної мережі, що містить, наприклад, 100 робочих станцій, багато простіше.

Тут потрібно буде визначити, що таке відмову. Сучасна персональна ЕОМ - досить складний прилад, що містить кілька зовнішніх пристроїв, один або більше процесорів, оперативну пам'ять, мережевий інтерфейс, ОС і т.д. Що слід вважати відмовою робочої станції? Вихід з ладу джерела живлення, повісаніе ОС, руйнування системного диска, відмова мережевої карти і пр. або щось ще, наприклад, помилка в прикладній програмі або висмикування прибиральницею кабелю з розетки? Треба відразу сказати, що однозначної відповіді на це питання немає, все залежить від обставин.

Перш ніж переходити до теоретичної частини, подивимося, що можна зробити для поліпшення надійності мережі з практичної точки зору. Звичайно, цьому сприятиме використання RAID-систем жорстких дисків, катастрофостійкої системи дублювання резервних копій дисків у віддалених вузлах, розміщених у різних будівлях, тощо. Але не слід знімати з рахунку дублювання базових серверів: DNS, NTP (якщо вони потрібні), поштових серверів, серверів баз даних та ін Всередині локальної мережі підвищенню надійності може сприяти застосування протоколу STP, що може автоматично забезпечити обхід що відмовив ділянки LAN (якщо застосування динамічного протоколу внутрішньої маршрутизації неможливо або небажано, наприклад, з міркувань безпеки). У багатьох випадках украй важливо задубліровать шлюз мережі, що веде в Інтернет, тому що його відмова залишить усіх користувачів мережі без зв'язку. Компанія CISCO і багато інших фірм розробили протоколи резервування маршрутизаторів. У цих протоколах два або більше пристроїв спільно використовують віртуальні IP й Мас-адреси, які зазначені в мережевому сегменті для шлюзу за замовчуванням. Для реалізації такої схеми існує три протоколи:

   * HSRP (Hot Standby Router Protocol - протокол гарячого резервування маршрутизаторів) компанії CISCO;
   * IPSTB (IP Standby Protocol) компанії DEC;
   * VIRP (Virtual Router Redundancy Protocol - протокол надлишкового віртуального маршрутизатора).

Компанія CISCO підтримує тільки протокол HSRP. У цьому протоколі один з маршрутизаторів є основним (primary), а другий - резервним (standby). Після введення цього протоколу в дію всі запити і весь трафік шлюзу обслуговуються основним маршрутизатором. Дублюючий маршрутизатор залишається пасивним до виходу з ладу основного (рішення не найдешевше, якщо врахувати вартість маршрутизатора, навіть якщо дублюючий прилад простіше і дешевше основного).

При розгляді мережевий надійності мережа зазвичай описується графом, де ребра відображають мережеві канали, а в якості вузлів виступають робочі станції, сервери, повторювачі, перемикачі, маршрутизатори або інші пристрої.

Вихід з ладу робочої станції (термінальний вузол) створює проблеми її користувачеві, решта користувачів Інтернет, швидше за все, цього не помітять, але відмова сервера позначиться на роботі всіх його клієнтів, в тому числі і віддалених. Вихід же з ладу маршрутизатора (якщо це транзитний вузол) може вплинути на роботу цілого регіону. Звідси видно, що окремі вузли можуть по-різному впливати на роботу мережі в цілому. Навіть у класі серверів можна виділити групи різного впливу на рівень надійності. Наприклад, відмова сервера IN-ADDR.ARPA практично паралізує роботу всіх програм traceroute. Ще гірше вплив надасть вихід з ладу регіонального DNS-сервера. Саме з цієї причини такі сервери зазвичай дублюються (навіть у локальних мережах). Існують і інші сервери, які впливають на реалізацію певних мережевих функцій (поштові сервери, сервери баз даних в системах платежів, сервери центрів сертифікації та ін.) Очевидно, що вплив на надійність мережі може надавати не тільки устаткування або ОС, але і прикладні програми.

Цим список факторів, що впливають на надійність, не вичерпується. Якщо користувач не може отримати доступ до певного мережного ресурсу, це дуже часто пов'язане не з відмовою обладнання або програми, а просто з перевантаженням однієї з ділянок мережі по дорозі до зазначеного ресурсу (некомпетентність користувача в даному аналізі не розглядається). Тут мається на увазі не тільки обмеження пропускної здатності, але й можливе збільшення затримки доставки, що досить критично у випадку, наприклад, IP-телефонії або відео-конференцій. Таким чином, параметри надійності часто залежать від вектора завантажень (список значень завантажень каналів, що впливають на доступ та якість обслуговування). З цієї причини, формулюючи завдання оцінки надійності, потрібно визначити, які з параметрів важливі: зв'язність, пропускна здатність, час відновлення зв'язності або мінімізація затримок обслуговування.

Якщо ми розглянемо як приклад повний граф з чотирма вузлами, розміщеними в вершинах квадрата (6 ребер), то розрахунок зв'язності такої мережі буде включати комбінаторики перебору ребер і облік розподілу ймовірності обриву кожної з зв'язків. Неважко зрозуміти, що якщо спробувати проаналізувати надійність структурованої локальної мережі з сотнею ЕОМ, завдання виявиться на багато порядків складніше, я вже не кажу про Інтернет в цілому. Зазвичай множинність в таких завданнях дорівнює N! (Де N - кількість вузлів у графі зв'язків). У будь-якому випадку в якості вихідних даних повинні використовуватися значення надійності окремих вузлів і каналів, обчислені або виміряні з урахуванням тих факторів, вплив яких ви хочете врахувати. У багатьох випадках буває потрібно зробити припущення щодо розподілу ймовірності відмови розглянутих мережевих елементів. Крім того, треба вирішити, яка оцінка вам потрібна: для роботи мережі в середньому або для функціонування в екстремальних умовах. Заради спрощення проблеми часто робиться припущення про ідентичність розподілів і навіть рівність ймовірності відмови для всіх вузлів. Зрозуміло, що такі припущення роблять отриманий результат дуже приблизними. З цієї причини навіть оцінки кордонів надійності досить часто коректні лише по порядку величини. У багатьох випадках, коли потрібно отримати оцінку надійності конкретної мережі, непогані результати може дати розрахунок за методом Монте-Карло.

З цієї причини, перш ніж писати і запускати програму розрахунку надійності мережі треба навчитися оцінювати: а чи вистачить наявних обчислювальних ресурсів для вирішення поставленого завдання в поточному тисячолітті. Для цього існує математичні методи оцінки складності алгоритмів [А. V. AHO, J. D. Ullman, "Foundation of Computer Science", Computer Science Press, 1992, або VV Leeuwen, "Algorithms and Complexity", The MIT Cambridge, Massachusetts, Elsevier Science Publishers, 1990]. Через складність прямих обчислень багато дослідників обмежуються лише оцінкою можливих меж надійності. На практиці, навіть використовуючи самі продуктивні обчислювальні системи, можна оцінити надійність мережі з обмеженим числом вузлів. Для великих мереж доступними є лише оцінки нижній або верхньої межі надійності.

За відправну точку приймемо мережа G = (V, E), в якій V - набір вузлів або вершин графа мережі, а Е - набір неорієнтованих ребер або набір орієнтованих дуг. Більшість досліджень з мережевої надійності присвячені до-термінальним заходів. Нехай є набір з К вузлів і вузол sK (k = | K |). Задано мережа G, і всі дуги графа, що описує мережу, мають ймовірність надійності р. Тоді до-термінальна міра надійності визначається як (Pr - ймовірність):

Rel (G, s, K, p) = Pr [існує хоча б один працюючий шлях від s до кожного вузла з набору До]

Тобто, надійність мережі з графом G для набору вузлів К і вибраного вузла s при ймовірності мати надійний зв'язок для всіх ребер графа p дорівнює ймовірності того, що вузол s має хоча б один доступний шлях до кожного з вузлів К. Зазвичай ця величина відповідає певному часового інтервалу. Слід пам'ятати, що для локальних мереж не може бути двох шляхів від s до будь-якого з вузлів K.

Існує два важливих окремих випадку заходів: 2-термінальна мера з | К | = 2 і всетермінальная захід, де К = V. Ці заходи прийнято позначати Rel2 (G, s, p) і RelА (G, s, p), відповідно (Rel - надійність).

Читачеві, розраховує знайти якісь формули, підставивши в які число вузлів, ймовірності відмови каналів і вимоги до пропускної здатності, можна отримати оцінку надійності мережі, читати далі дану лекцію не варто. Таких формул просто не може існувати для скільки-небудь складних мережевих топологій (мережі з декількома десятками машин і структурованої схеми з'єднань вже ставляться до такого типу). Формули, які представлені нижче, демонструють алгоритми або моделі оцінки надійності та, як правило, не мають практичного значення. В решті частини цієї статті верхній індекс U - відповідає обмеженню надійності зверху, а L - обмеженню знизу.

Мережева надійність містить ряд аспектів, що стосуються проектування та аналізу мереж, які залежать від випадкових відмов їх компонентів. На прикладі порівняно простих і в той же час узагальнених сіткових моделей можна розглядати більшість пристроїв збоїв, які виникають на практиці. Мережеві класи та моделі охоплюють мережі передачі даних і голосу, комунікаційних мережі, архітектури ЕОМ, мережі електропередачі і системи управління.

У найперших моделях ЕОМ пам'ять організовувалася з безлічі окремих реле та вакуумних ламп. Комп'ютерні системи, які відмовляли при виході з ладу одного з їхніх елементів, були вкрай ненадійні, тому що ймовірність відмови одного елемента з тисяч є високою, навіть якщо ймовірність відмови окремого компонента низька.

Перші активні розробки в області систем підвищеної надійності проводилися для систем, чия відмова міг спричинити катастрофи та загибель людей. Прикладами таких систем є авіа-і космічні системи, управління ядерними реакторами, системи управління оборонними комплексами. Останнім часом широко поширена думка, що в ряді промислових галузей з економічної точки зору вигідніше застосовувати системи підвищеної надійності. Наприклад, це економічно виправдано в телекомунікаційних мережах, банківських системах - мережах підтвердження кредитоспроможності і в системах оформлення замовлень.

Основною метою досліджень в галузі мережевої надійності є прагнення розробити методи для інженерів-проектувальників, що спрощують проектування мереж, які вимагають підвищеної надійності. В ідеалі, бажано сформувати моделі проектування мереж та алгоритми, які використовують в якості вхідних даних характеристики мережевих компонентів, а також критерії проектування, і видають на виході оптимальну структуру мережі. Так як точні вирази для надійності мережі дуже складні, в моделях для проектування мереж замість явних виразів надійності використовуються замінники. У цьому розділі ми розглядаємо проблему аналізу заходи мережевий надійності. Різні моделі дослідження застосовуються спільно з процедурами проектування мережі. Якщо значення заходи надійності виявиться незадовільним, то слід змінити вхідні параметри проектної моделі. В іншому випадку, проектувальник може вручну скоректувати схему мережі. Коли одним з вищезгаданих методів отримана чергова топологія мережі, обчислюється нове значення заходи мережевий надійності. Побудувавши, таким чином, ітераційний процес, ми доб'ємося відповідності між знов отриманим та бажаним значенням заходи мережевий надійності.

У результаті розрахунків надійності спрощеної моделі мережі можуть бути вироблені рекомендації і критерії щодо вибору топології і структури, які допоможуть досягти більш високої надійності.

Области применения

юэюэ

Сети с коммутацией пакетов, уровень опорной сети

щлщзлшщ

Опорный уровень в сетях с коммутацией каналов

лодлд

Связные сети

уацуацуацуацу

Локальные оптоволоконные сети для передачи голоса

укпукпу

Архитектуры переключателей и компьютеров, устойчивые к сбоям

цуацуацацуацуа

Прочие применения

кнрнеореноеео

Причины возникновения сбоев

щугрпшупршуп

Основные определения

кпупукпукпукпп

Введение к сложности анализа надежности

цацуацацацаца

Сложность анализа сетевой надежности

цуацуацацуацу

k терминалов

цуацацу

2 терминала

цуацуацац

Всетерминальная мера

Поняття надійності

Типи відмов

Якість обслуговування

Засоби підвищення надійності

...

http://infsis.ru/nad/1.html

Поняття надійності

Наді́йність — властивість технічних об'єктів зберігати у часі у встановлених межах значення всіх параметрів, необхідних для виконання технічних (технологічних та ін.) функцій в заданих режимах і умовах застосування. Під технологічними об'єктами розуміють пристрої, прилади, механізми, машини, комплекси обладнання, буд. конструкції і споруди, технол. операції і процеси, системи зв'язку, інформаційні системи, автоматизов. системи управління технол. процесами тощо.

Типи відмов

Мережу Інтернет (спочатку відому під назвою ARPANET) було створено в 1969 р. як результат досліджень на замовлення Міністерства Оборони Сполучених Штатів Америки. Початкова мета розробки полягала у створенні відкритої мережі для обміну науковими ресурсами між вченими. Внаслідок цього було розроблено мережу на основі комутації пакетів (packet switching), яка принципово відрізнялася від відомих тоді систем комутації ліній (circuit switching), таких як телефонна мережа. Це дозволило значно підвищити гнучкість, життєздатність та масштабність, однак успіх був досягнуто ціною ослаблення безпеки. В мережі Інтернет будь-хто може надіслати будь-який пакет будь-кому, і при цьому одержувач має обробити пакет, який прийшов належним чином. Ослаблення безпеки полягає в тому, що зловмисник може вказувати в пакетах фальшиве джерело і надсилати від його імені шкідливі пакети. Тому всі системи, з’єднані з мережею Інтернет, перебувають у потен- ційній небезпеці, оскільки відкритість робить їх доступними для атакуючого. З розвитком мереж кількість фактів зловмисної діяльності почала швидко зростати. Згідно з даними CERT (Computer Emergency Response Team) , центру експертизи безпеки Інтернет, розташованому у Сполучених Штатах, кількість задокументованих випадків порушення безпеки або вторгнень стрімко зросла в 1994 р. до 137539 . Починаючи з 2004 р. CERT відмовився від підрахунку загальної кількості вторгнень і перейшов до практики детальних звітів зі статистикою та аналізом по окремих типах атак. Графік росту кількості вторгнень на протязі часу показано на рис. 1.