Вступ "Засоби аналізу та оптимізації мереж"
Зміст
Основні задачі оптимізації локальних мереж
Якщо ви хочете, щоб ваша мережа працювала найефективнішим чином, то вам доведеться вирішити для себе такі завдання:
1. Сформулювати критерії ефективності роботи мережі.
Найчастіше такими критеріями служать продуктивність і надійність, для яких у свою чергу потрібно вибрати конкретні показники оцінки, наприклад, час реакції і коефіцієнт готовності, відповідно.
2. Визначити множину варіюючих параметрів мережі, які безпосередньо чи опосередковано впливають на критерії ефективності.
Ці параметри справді мають бути варіюючими, тобто потрібно переконатися в тому, що їх можна змінювати у деяких межах на ваше бажання. Так, якщо розмір пакета якогось протоколу у конкретній операційній системі встановлюється автоматично і може бути змінено шляхом настроювання, то цей параметр в даному випадку не є варіюючим, хоча в інший операційній системі він може належати до змінюваних за бажанням адміністратора, отже і варіюючим. Іншим прикладом може служити пропускна здатність внутрішньої шини маршрутизатора - вона може розглядатися як параметр оптимізації лише в тому разі, якщо ви припускаєте можливість заміни маршрутизаторів в мережі.
Усі варіюючі параметри бути згруповані у різний спосіб. Наприклад, параметри окремих конкретних протоколів (максимальний розмір кадру протоколу Ethernet чи розмір вікна непідтверджених пакетів протокол TCP) чи параметри пристроїв (розмір адресної таблиці чи швидкість фільтрації мосту, пропускна здатність внутрішньої шини маршрутизатора). Параметрами настроювання можуть бути і пристрій, і протоколи в цілому. Так, наприклад, поліпшити роботу мережі з повільними і зашумленими глобальними каналами зв'язку можна, перейшовши зі стека протоколів IPX/SPX на протоколи TCP/IP. Також можна домогтися значних поліпшень за допомогою заміни мережевих адаптерів невідомого виробника на адаптери BrandName.
3. Визначити поріг чутливості для значень критерію ефективності.
Так, продуктивність мережі можна оцінювати логічними значеннями "Працює"/ "Не працює", і тоді оптимізація зводиться до діагностики несправностей і приведення мережі у працездатний стан. Іншим крайнім випадком є тонка настройка мережі, за якої параметри працюючої мережі (наприклад, розмір кадру чи величина вікна непідтверджених пакетів) можуть варіюватися з метою підвищення продуктивності (наприклад, середнього значення часу реакції) хоча б на кілька відсотків. Як правило, під оптимізацією мережі розуміють певний проміжний варіант, коли потрібно вибрати такі значення параметрів мережі, щоб показники її ефективності істотно поліпшилися, наприклад, користувачі отримували відповіді на свої запити до серверу баз даних не за 10 секунд, а за 3 секунди, а передача файла на видалений комп'ютер виконувалася не за 2 хвилини, а за 30 секунд.
Таким чином, можна запропонувати три різних трактування завдання оптимізації:
1. Приведення мережі в будь-який працездатний стан.
Зазвичай це завдання вирішується першим, і включає:
пошук несправних елементів мережі - кабелів, рознімань, адаптерів, комп'ютерів;
перевірку сумісності устаткування та програмного забезпечення;
вибір коректних значень ключових параметрів програм і пристроїв, які забезпечують проходження повідомлень між вузлами мережі - адрес мереж і вузлів, використовуваних протоколів, типів кадрів Ethernet тощо.
2. Груба настройка - вибір параметрів, які різко впливають на характеристики (надійність, продуктивність) мережі.
Якщо мережа працездатна, але обмін даними відбувається дуже повільно (час очікування становить десятки секунд чи хвилини) або ж сеанс зв'язку часто розривається без видимих причин, то працездатною таку мережу можна назвати лише умовно, вона безумовно потребує грубої настройки. На цьому етапі необхідно знайти ключові причини істотних затримок проходження пакетів в мережі. Зазвичай причина серйозного уповільнення чи хиткої роботи мережі криється в одному невірно працюючому елементі чи некоректно встановленому параметрі, але через велику кількость можливих винуватців пошук може зажадати тривалого спостереження за роботою мережі і громіздкого перебору варіантів. Груба настройка багато в чому схожа на приведення мережі в працездатний стан. Тут також зазвичай задається деяке граничне значення показника ефективності і потрібно знайти такий варіант мережі, за якого це значення було б не гірше граничного. Наприклад, потрібно налаштувати мережу так, щоб час реакції серверу на запит користувача не перевищував 5 секунд.
3. Тонка настройка параметрів мережі (власне оптимізація).
Якщо мережа працює задовільно, то подальше підвищення її продуктивності чи надійності навряд чи можна досягти зміною лише якогось одного параметру, як це було разі повністю непрацюючої мережі або ж у разі її грубого настроювання. У разі нормально працюючої мережі подальше підвищення її якості зазвичай вимагає перебування певного вдалого поєднання значень великої кількості параметрів, тому цей процес і отримав назву "тонкого настроювання".
Навіть при тонкому настроюванні мережі оптимальне поєднання її параметрів (в суворому математичному розумінні терміна "оптимальність") отримати неможливо, та й не треба. Немає сенсу додатково витрачати колосальні зусилля по віднайденню суворого оптимуму, що характеризується від близьких до нього режимів роботи на величини такого ж порядку, що й точність вимірів трафіку у мережі. Досить знайти будь-який з близьких до оптимального рішень, щоб вважати завдання оптимізації мережі вирішеним. Такі близькі до оптимального рішення зазвичай називають раціональними варіантами, і саме їх пошук цікавить на практиці адміністратора мережі чи мережного інтегратора.
Пошук несправностей в мережі - це поєднання аналізу (виміру, діагностики і локалізації помилок) і синтезу (прийняття рішення про те, які зміни треба внести в роботу мережі, щоб виправити її роботу).
- Аналіз - визначення значення критерію ефективності системи для цього поєднання параметрів мережі. Іноді з цього етапу виділяють підетап моніторингу, на якому виконується й простіша процедура - процедура збору первинних даних про мережі: статистики про кількості які циркулюють у мережі кадрів і пакетів різних протоколів, стани портів концентраторів, комутаторів і маршрутизаторів тощо. Далі виконується етап власне аналізу, під яким розуміється складніший і інтелектуальний процес осмислення зібраної на етапі моніторингу інформації, зіставлення її з даними, отриманими раніше, вироблення припущень про можливі причини уповільненої чи ненадійною роботи мережі. Завдання моніторингу вирішується програмними і апаратними вимірювачами, тесторами, мережними аналізаторами і умонтованими засобами моніторингу систем управління мережами та системами. Завдання аналізу вимагає активнішого участі людини, а також використання таких складних засобів як експертні системи, які акумулюють практичний досвід багатьох мережевих фахівців.
- Синтез - вибір значень варіюючих параметрів, за яких показник ефективності має найкраще значення. Якщо поставлено порогове значення показника ефективності, то результатом синтезу є один варіантів мережі, який перевершує поставлене поріг. Приведення мережі в працездатне стан - це також синтез, коли перебуває будь-який варіант мережі, для якого значення показника ефективності відрізняється від стану "не працює". Синтез раціонального варіанту мережі - процедура найчастіше неформальна, оскільки вона пов'язана з вибором занадто великої і дуже різнорідної безлічі параметрів мережі - типів застосовуваного комунікаційного устаткування, моделей цього устаткування, числа серверів, типів комп'ютерів, типів операційних систем, параметрів цих операційних систем, стеків комунікаційних протоколів, їх параметрів тощо. Дуже часто мотиви, які впливають на вибір "в цілому", тобто вибір типу чи моделі устаткування, стека протоколів чи операційної системи, не носять технічного характеру, а приймаються з інших міркувань - комерційних, "політичних" тощо. Тому формалізувати постановку завдання оптимізації у таких випадках просто неможливо.
Критерії ефективності роботи мережі
Уся множина найчастіше використовуваних критеріїв ефективності роботи мережі може бути розділена на дві групи. Одна група характеризує продуктивність роботи мережі, друга - надійність.
Продуктивність мережі вимірюється за допомогою показників двох типів - тимчасових, які оцінюють затримку, внесену мережею при виконанні обміну даними, і показників пропускної здатності, які відбивають кількість інформації, переданої мережею за одиницю часу. Ці два типи показників є взаємно оберненими, і, знаючи один з них, можна вирахувати інший.
Час реакції
Зазвичай у якості тимчасової характеристики продуктивності мережі використовується такий показник як час реакції. Термін "час реакції" може використовуватися у дуже широкому значенні, тому у кожному випадку необхідно уточнити, що розуміється під цим терміном.
У загальному випадку, час реакції визначається як інтервал часу між виникненням запиту користувача до мережного сервісу одержанням і відповіді на цей запит (рис. 1.1). Очевидно, що сенс і значення цього показника залежать від типу сервісу, до якого звертається користувач, від того, який користувач і до якого серверу звертається, а також від поточного стану інших елементів мережі - завантаженості сегментів, через які проходить запит, завантаженості серверу тощо.
Варіантами критерію можуть служити часи реакції, виміряні при різних, але фіксованих станах мережі:
A) Повністю ненавантажена мережа. Час рекції вимірюється в умовах, коли до серверу 1 звертається лише клієнт 1, тобто на сегменті мережі, який об’єднує сервер 1 з клієнтом 1, немає жодної іншої активності - на ньому присутні лише кадри сесії FTP, продуктивність якої вимірюється. В інших сегментах мережі трафік може циркулювати, головне - щоб його кадри не потрапляли в сегмент, у якому проводяться виміри. Оскільки ненавантажений сегмент в реальній мережі - явище екзотичне, то цей варіант показника продуктивності має обмежену придатність - його хороші значення говорять лише про те, що програмне забезпечення і апаратура даних двох вузлів і сегмента мають необхідну продуктивність для роботи в полегшених умовах. Для роботи в реальних умовах, коли матиме місце боротьба за розділюючі ресурси сегмента з іншими вузлами мережі, продуктивність тестуючих елементів мережі може виявитися недостатньою.
B) Навантажена мережа. Це більш цікавий випадок перевірки продуктивності сервісу FTP для конкрентних сервера і клієнта. Однак при вимірі критерію продуктивності в умовах, коли в мережі працюють й інші вузли та сервіси, виникають свої складнощі - в мережі може існувати надто велика кількість варіантів навантаження, тому головне при визначенні критеріїв такого сорту - проведення вимірів при деяких типових умовах роботи мережі. Оскільки трафік в мережі має пульсуючий характер і харакетристики трафіка істотно змінюються в залежності від часу дня і дня тижня, то визначення типового навантаження - процедура складна, яка потребує тривалих вимірів на мережі. Якщо ж мережа лише проектується, то визначення типового навантаження ще більше ускладнюється.
Пропускна здатність
Основне завдання, для вирішення якого будується будь-яка мережа - швидка передача інформації між комп'ютерами. Тому критерії, пов'язані з з пропускною здатністю мережі або частини мережі, добре відбивають якість виконання мережею її основних функцій.
Існує велика кількість варіантів визначення критеріїв цього виду, точнісінько так само, як і у разі критеріїв класу "час реакції". Ці варіанти можуть відрізнятися один від одного: обраною одиницею виміру кількості переданої інформації, характером даних що враховуються - лише користувацькі або ж користувацькі разом із службовими, кількістю точок виміру переданого трафіка, способом усереднення результатів на мережу в цілому. Розглянемо різноманітні засоби побудови критерію пропускної здатності докладніше.
Критерії, які відрізняються одиницею виміру переданої інформації. Як одиниці виміру переданої інформації зазвичай використовуються пакети (чи кадри, далі ці терміни використовуватимуться як синоніми) чи біти. Відповідно, пропускна здатність вимірюється в пакетах в секунду або ж бітах за секунду.
Оскільки обчислювальні мережі працюють за принципом комутації пакетів (чи кадрів), то вимір кількості переданої інформації в пакетах має сенс, тим паче що пропускна здатність комунікаційного устаткування, працюючого на канальному рівні й вище, також найчастіше вимірюється в пакетах в секунду. Проте, через змінний розмір пакету (це характерно для всіх протоколів за винятком АТМ, має фіксований розмір пакета 53 байта), вимір пропускної здатності в пакетах за секунду пов'язаний з деякою невизначеністю - пакети якого протоколу і якого розміру маються на увазі? Найчастіше мають на увазі пакети протоколу Ethernet, як найпоширенішого, які мають мінімальний для протоколу розмір в 64 байта. Пакети мінімальної довжини обрані у якості еталонних через те, що вони створюють для комунікаційного устаткування найбільш важкий режим роботи - обчислювальні операції, що проводяться з кожним наступним пакетом, залежать від його розміру, тому на одиницю інформації обробка пакета мінімальної довжини вимагає виконання набагато більше операцій, ніж для пакета максимальної довжини.
Вимірювання пропускної здатності в бітах за секунду дає точнішу оцінку швидкості переданої інформації, ніж при використанні пакетів.
Критерії, які відрізняються врахуванням службової інформації. У протоколі є заголовок, котрий переносить службову інформацію, і поле даних, якому переноситься інформація, котра вважається для цього протоколу користувацькою. Наприклад, у кадрі протоколу Ethernet мінімального розміру 46 байт (з 64) являють собою поле даних, а 18 являються службової інформацією. При вимірі пропускної здатності в пакетах за секунду відокремити користувацьку інформацію від службової неможливо, а при побітовому вимірі - можна.
Якщо пропускна здатність вимірюється без поділу інформації на користувацьку і службову, то в цьому не можна ставити завдання вибору протоколу чи стека протоколів для цієї мережі. Це пояснюється тим, що навіть якщо при заміні одного протоколу на інший ми отримаємо вищу пропускну здатність мережі, то це не означає, що для кінцевих користувачів мережа працюватиме швидше - якщо частка службової інформації, що припадає на одиницю користувацьких даних, у цих протоколів різна, то можна у якості оптимального вибрати більш повiльний варіант мережі. Якщо ж тип протоколу не змінюється при настройкі мережі, то можна використовувати й критерії, не які виділяють користувацькі дані із загального потоку.
Критерії, які відрізняються кількістю і розташуванням точок виміру. Пропускну здатність можна вимірювати між будь-якими двома вузлами чи точками мережі, наприклад, між клієнтським комп'ютером 1 і сервером 3 з прикладу, наведеного на малюнку 1.2. При цьому отримувані значення пропускної здатності змінюватимуться при одних і тих самих умовах роботи мережі залежно від того, між якими двома точками проводяться виміри. Оскільки в мережі одночасно працює велика кількість користувацьких комп'ютерів і серверів, то повну характеристику пропускної здатності мережі дає набір пропускних здібностей, які виміряні для різноманітних поєднань взаємодіючих комп'ютерів - так звана матриця трафіка вузлів мережі. Існують спеціальні засоби вимірювання, які фіксують матрицю трафіка для кожного вузла мережі.
Оскільки в мережах дані на шляху до вузла призначення зазвичай проходять через кілька транзитних проміжних етапів обробки, то в якості критерію ефективності може розглядатися пропускна здатність окремого проміжного елемента мережі - окремого каналу, сегмента чи комунікаційного пристрою.
Перейти до Засоби аналізу та оптимізації мереж
