Влияние коллизий и ошибок на производительность сетевых приложений Текст научной статьи по специальности «Компьютерные и информационные науки»

ВЛИЯНИЕ КОЛЛИЗИЙ И ОШИБОК НА ПРОИЗВОДИТЕЛЬНОСТЬ

СЕТЕВЫХ ПРИЛОЖЕНИЙ С.М. Платунова Научный руководитель - к.т.н., доцент В.А. Костеж

Описывается постановка задачи исследования влияния коллизий и ошибок на производительность гетерогенных сетей.

Введение

Объектом исследования являются гетерогенные сети. Элементы неоднородности и особенности применяемых протоколов обуславливают вероятностный характер появление кадров в общей среде. Несмотря на наличие в сетевых операционных системах встроенных средств межсетевого взаимодействия, невозможно устранить вероятностный характер величины трафика и его временных показателей. В некоторых ситуациях время решения задачи может оказаться неприемлемым.

Исследование производительности гетерогенных сетей связано с идентификацией ошибок и определением их вероятностного влияния на работу сети. Вне зависимости от причин возникновения ошибок, в условиях проведения экспериментов, существует возможность получения интегральной оценки вероятности выполнения задачи в определенное время.

Особенности влияния коллизий и ошибок на производительность гетерогенных сетей

В работе под гетерогенной сетью понимается информационная сеть, в которой физически реализованы и взаимодействуют разнородные программно-аппаратные средства, такие как:

• операционные системы - среды (UNIX подобные, производства Microsoft и др.), утилиты командной строки, виртуальные машины, операционные системы на Live CD, тонкий клиент;

• различные коммутационные средства (коммутаторы 2, 3 уровней, роутеры, шлюзы);

• сочетание сетей различных типов (ЛВС, корпоративные, Интернет);

• сочетания различных вариантов администрирования (одноранговые сети, двухран-говые сети);

• различные протоколы - TCP/IP, NetBIOS, SMB...;

• различные прикладные программы, в широком смысле не согласующие между собой порядок использования общей среды;

• протоколы создания высокоскоростных широкополосных беспроводных сетей.

Принципы разделения среды (CSMA/CD - Carrier Sense Multiple Access With Collision Detection (CSMA/CD)) - и другие неоднородности обусловливают вероятностный характер появления кадров в общей среде и некоторые элементы статичности, например, решение конкретной задачи, первоначально порождает определенное количество кадров (N) впоследствии увеличивающееся из-за процедур разрешения коллизий и исправления ошибок (n).

Под производительностью сети в данной работе будем понимать показатель качества сети, который оценивается в количестве полезного трафика (N+n) за установленный промежуток времени ДГ.

В некоторых ситуациях время решения задачи может оказаться неприемлемым. Например, решения задачи отчета 1С при достаточно больших размерах исходных дан-

ных может привести к необходимости изменения физической структуры сети и изменения аппаратного состава.

Наличие дополнительного программного обеспечения может внести удобства в более глубокое изучение особенностей гетерогенных сред. Это может быть изучение трафика по объему и времени возникновения изменений, изучение чувствительности сети к критичности нагрузки, изменения во времени возникновения трафика (время начала работы той или иной программы).

Существует много причин появления дополнительного трафика (n), часть которых обусловлена коллизиями и ошибками. Например, под «ошибкой CRC» понимается пакет с неверной контрольной суммой или поврежденный пакет. Вариантов, из-за чего может произойти повреждение в гетерогенной среде, много, но для нашего исследования представляет интерес только результаты потери пакета и механизм его повтора, соответственно, влияние на производительность гетерогенной сети.

С точки зрения проводимых исследований, коллизия - это тоже кадр (фрейм) с неверной контрольной суммой, но коллизия не является, в общем случае, ошибкой работы сети. Таким образом, если первоначально для решения задачи необходимо было N кадров, то в результате в сети необходимое для решения задачи количество кадров будет (N+n), где n - случайная величина дополнительных кадров, определяемая процессом возникновения коллизий и ошибок и необходимостью повтора отдельных кадров.

Задача в сети должна быть решена за определенное время ДТ, которое, в общем случае, является случайной величиной, зависящей от множества факторов, например, оперативной срочности решения задачи, важности решения задачи, условий решения задачи т.д. На первоначальном этапе изучения будем рассматривать эту величину как статическую.

Вне зависимости от причин возникновения дополнительного трафика существует возможность при проведении тестирования или имитационного моделирования выявить интегральную оценку вероятности выполнения задачи в определенное время ДТ. В соответствии с исследованиями С. Поповского [1] и в соответствии со стандартами:

• в случае возникновения коллизии сетевой интерфейс (например, сетевая карта) повторяет передачу пакета с задержкой от 0 до 0,5 мсек;

• повтором уничтоженных пакетов занимается по тайм-ауту транспортный уровень протокола передачи, и, естественно, он не может быть столь малым, как в случае коллизии;

• начальное значение тайм-аута может составлять, по результатам исследований, 0,2 сек;

• начальные и последующие значения тайм-аута могут меняться для различных протоколов и сред передачи;

• учитывая время передачи уничтоженного пакета и обработки ошибки, суммарное время повтора составляет, примерно 0,5 сек;

• в определенных ситуациях коллизии могут мало влиять на показатели производительности гетерогенной сети (например, в случае низкого сетевого фона), но и в этом случае изменения трафика (n) будет обусловлено сетевыми ошибками. Автор исследований обратил внимание на то, что при кажущемся малом количестве ошибок CRC сеть становится практически неработоспособной.

В результате исследований В.М. Вишневского, А.И. Ляхова (Институт проблем передачи информации РАН, Москва, Россия), Хр. Даскаловой (Институт информационных технологий БАН, София, Болгария [2]) разработан вероятностный метод исследования, оценки производительности и оптимизации гетерогенных сетей. В соответствии с их исследованиями последовательные попытки передачи каждой станции сети разделены интервалом задержки, а также случайным временем отсрочки (backoff time), отсчет которого ведется только при свободном канале.

Время отсрочки Ь измеряется в интервалах длительностью о и равновероятно выбирается из множества (0, ..., Ж-1), где Ж = Жг - окно конкуренции, зависящее от стадии отсрочки, определяемой количеством 1 неудачных попыток передач пакета. После каждой неудачной передачи Ж удваивается, т.е. Жг =2гЖ0, и так до достижения максимальной величины Жт.

В настоящее время ведутся научные исследования, направленные на повышение эффективности сетей и выбор оптимальных параметров.

Если поведение отдельных станций предполагать независимым, то процесс можно описывать цепью Маркова, изображенной на рис. 1 (р - вероятность коллизии, предполагаемая независимой от числа г сделанных попыток передачи). Здесь состояние станций описывается парой (гк), где к - значение счетчика отсрочки.

Рис. 1. Марковская модель изменения состояния станции

Данный вариант модели рационален в предположении идеального канала передачи, что приводит к завышению оценок производительности гетерогенной сети, так как уровень помех и ошибок в сети существенен. В целом процессы в гетерогенной среде могут быть описаны выражением

1, если А! ( + п) < АТ, М = 0, т = 0

Р(А ) =

У

1 -р

0, если А! ( + п) > АТ

Здесь Р(Ау) - вероятность успешного завершения передачи трафика (Ы+п) в заданный период времени ДТ; Д! - стандартное время (длительность) кадра; (М+т) - дополнительный фоновый трафик, вызванный коллизиями и ошибками; Р2 - вероятность занятости общей среды трафиком или задержками в соответствии с результатами вышеописанных исследований.

В дополнение к сказанному процесс загрузки сети можно охарактеризовать так:

• в сети существует период Д!1 до наступления первой коллизии или ошибки. За этот период в сети успевает пройти Ыди кадров трафика основной задачи, и МДш кадров фонового трафика;

• при возникновении первой коллизии количество необходимого трафика для дальнейшей передачи будет равняться

N - N

А П

)+ 1)+ ((м - М

А п

)+1);

2

• далее существует период Дг2 до наступления второй коллизии или ошибки. За этот период в сети успевает пройти Ым2 кадров трафика основной задачи и МД\2 кадров фонового трафика;

• при возникновении второй коллизии количество необходимого трафика для дальнейшей передачи будет равняться:

(((ы - N )+1)— N + 1)+(((м-М )+ 1)-М +1).

^ ДЛ> ' Лí2 ' ^ Дг\> ' Дг 2 '

Процесс повторяется до момента исчерпания трафика основной (К+п) и/или фоновой (М+т) задачи.

Если фоновый трафик намного меньше, чем основной (М+т)<<(Ы+п), то вероятность наступления первой коллизии равняется Р =Дг (N + п)/ ДТ / к,

для второй коллизии:

Р =Д (Ы —N +1)+ п)/ (ДТ / к — Дг )

к 2 Дг1 1

и т.д. до момента прохождения основного трафика Ы+п.

Если моменты возникновения основного (Ы+п) и фонового (М+т) трафиков близки и находятся в промежутке: [0, Дг1] << ДТ/к, то вероятность наступления первой коллизии вычисляется на основе следующих предположений. В общую шину поступают кадры основного трафика и фонового трафика, причем поступление каждого кадра рав-новозможно в любой момент времени длительностью [0, Дг1]. Моменты поступления кадров независимы один от другого. Коллизия возникает, если разность между моментами поступления кадров меньше Дг (Дг намного меньше ДТ). Необходимо найти вероятность возникновения 1-й коллизии.

Обозначим моменты поступления кадров основного трафика и фонового трафика соответственно через и 1:т. В силу условия задачи должны выполняться двойные неравенства: 0 < г < ДТ/к;0 < г < ДТ/к . Введем в рассмотрение прямоугольную сис-

п т

тему координат хОу. В этой системе двойным неравенствам удовлетворяют координаты любой точки квадрата ОТАТ. Таким образом, этот квадрат можно рассматривать как фигуру, координаты точек которой представляют все возможные значения моментов поступления кадров в общую шину. Коллизия возникает, если разность между моментами поступления кадров меньше Дг, т.е. если:

• г — г < Дг для г > г или, что то же самое, г < г + Дг для г > г .

т п т п т п п т

Неравенство выполняется для тех точек фигуры, которые лежат выше прямой г = г и ниже прямой г = г + Дг;

т п т п

• г — г < Дг для г > г , или, что то же самое, г > г — Дг для г < г .

п т п т т п т п

Неравенство имеет место для точек, расположенных ниже прямой г = г и выше

тп

прямой г = г — Дг.

тп

Все точки, координаты которых удовлетворяют неравенствам, принадлежат шестиугольнику. Таким образом, этот шестиугольник можно рассматривать как фигуру, координаты точек которой являются благоприятными моментами времени !т и !п. Искомая вероятность 1-ой коллизии равняется:

Р И = ((АТ / к) 2 -(АТ / к -А!) 2 ^ / (АТ / к) 2 = ( (2АТ / к -А!))) (АТ / к) 2.

В дальнейшем предполагается в процессе исследований провести математическое моделирование с учетом вышеприведенных отношений.

Рис. 3. Схема диагностики сетевых процессов

Рис. 4. Типовая структура сети уровня корпорации

Удален- Позд- Корот Длин-

Причина Локальные ные ние кий ный Jab- Ошибка

ошибок коллизии коллизии коллизии е кадр кадр ber сяс

Дефектная сетевая плата >5% при и<30% >5% при и<30% Есть Есть Есть Есть Есть

Дефектный драйвер платы Есть Есть Есть Есть

Дефектный коммутатор >5% при и<30% >5% при и<30% Есть Есть Есть

Неправильное

подключение активного >5% при и<30% >5% при и<30% Есть Есть

оборудования

Слишком

длинный ка- Есть Есть

бель

Более 4 коммутаторов Есть

Неправильное заземление компьютеров >5% при и<30% >5% при и<30% Есть Есть Есть

Дефекты ка-

бельной системы и пассивного обо- >5% при и<30% >5% при и<30% Есть Есть Есть

рудования

Источник шу-

ма рядом с кабельной >5% при и<30% >5% при и<30% Есть Есть Есть

системой

Таблица. Типы ошибок и коллизий, фиксируемые измерительным средством

Рис. 5. Схема имитационного моделирования

Математическое моделирование [mathematical modeling] - процесс построения и исследования в динамике поведения математических моделей сети с использованием дополнительно разработанных программ. Кроме математического моделирования, предполагается имитационное моделирование. С. Поповским [1] была проведена диагностика сетевых процессов. В последнее время в сетях используется современные сетевые элементы. Типы ошибок и коллизий, фиксируемые измерительным средством в эксперименте С. Поповского, приведены в таблице.

В связи с изменениями скорости и аппаратного состава рационально провести имитационное моделирование на базе других сетевых элементов. При имитационном моделировании будут использоваться реальные аппаратные средства, а имитироваться будут условия решения задачи.

Заключение

В статье рассмотрен ряд аналитических моделей влияния коллизий и ошибок на производительность гетерогенных сетей. Ранее подобные исследования проводились В.М. Вишневским, А.И. Ляховым (Институт проблем передачи информации РАН), Москва, Россия, Хр. Даскаловой (Институт информационных технологий БАН, София, Болгария) для беспроводных сетей. Также предложены изменения проведения имитационного моделирования, ранее проведенные в исследованиях С. Поповского.

Литература

1. Российская государственная библиотека [Электронный ресурс] / Центр информ. технологий РГБ; ред. Власенко Т.В.; Web-мастер Козлова Н.В. - Электрон, дан. -М.: Рос. гос. б-ка, 1997. - Режим доступа: http://www.rsl. ги, свободный. - Загл. с экрана. - Яз. рус., англ.

2. Поповский С. Анализ влияния коллизий и ошибок на производительность сетевых приложений // База знаний компании ProLAN, Дефекты сетей [Электронный ресурс]

- Режим доступа: http://www.prolan.ru/company/article/kb/56.html#h1_01, свободный

- Загл. с экрана. - Яз. рус.

3. Вишневский В.М., Ляхов А.И., Даскалова Хр. Вероятностные методы исследования широкополосных беспроводных сетей // Proc. Int. Workshop «Distributed Computer and Communication Networks» (DCCN-2005). Sofia, Bulgaria, April 23-29, pp. 9-18, 2005. - Режим доступа: www.lyakhov.iitp.ru/dccn05_1.pdf

4. Вишневский В.М., Ляхов А.И. и др. Широкополосные беспроводные сети передачи информации. - М.: Техносфера, 2005. - 592 с.

5. Олифер В.Г., Олифер Н.А. Компьютерные сети: Принципы, технологии, протоколы: Учеб. пособие для студ. вузов. - СПб: Питер, 2004. - 672 стр.

6. Таненбаум Э. Компьютерные сети. - СПб: Питер, 2008. - 992 с.

7. Семенов Ю.А Алгоритмы телекоммуникационных сетей. В 3-х частях. Часть 1. Алгоритмы и протоколы каналов и сетей передачи данных. - М.: Интернет-университет информационных технологий, Бином. Лаборатория знаний, 2007 - 637 с.

8. Семенов Ю.А. Алгоритмы телекоммуникационных сетей. В 3-х частях. Ч.2 Протоколы и алгоритмы маршрутизации в INTERNET Ч.2 - М.: Интернет-Университет 2007. - 832 с.

9. Скотт Хогдал Дж. Анализ и диагностика компьютерных сетей. - М.: Лори, 2007. -364 с.

10. Лоу А.М., Кельтон В.Д. Имитационное моделирование. - СПб: Питер, Издательская группа BHV, 2004. - 848 стр.

11. Рыжиков Ю.И. Имитационное моделирование: Теория и технологии. - СПб: КОРОНА-принт, 2004. - 384 с.