Разработка моделей повышения производительности компьютерных сетей на основе стохастических методов
Анализ методов и программных средств повышения производительности коммуникационных сетей. Имитационное моделирование производительности компьютерных сетевых систем. Комплекс визуального объектно–ориентированного программирования C++Builder v5.0.
| Рубрика | Программирование, компьютеры и кибернетика |
| Вид | диссертация |
| Язык | русский |
| Дата добавления | 24.05.2018 |
| Размер файла | 868,6 K |
Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже
Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.
Размещено на http://www.allbest.ru/
Государственный комитет связи, информатизации и телекоммуникационных технологий Республики Узбекистан
ТАШКЕНТСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ ИНФОРМАЦИОННЫХ ТЕХНОЛОГИЙ
Специальность «5A330201 - Компьютерные системы и их программное обеспечение»
Диссертация
на соискание академической степени магистра
РАЗРАБОТКА МОДЕЛЕЙ ПОВЫШЕНИЯ ПРОИЗВОДИТЕЛЬНОСТИ КОМПЬЮТЕРНЫХ СЕТЕЙ НА ОСНОВЕ СТОХАСТИЧЕСКИХ МЕТОДОВ
Болтаев Р.Ж.
Ташкент 2013
СОДЕРЖАНИЕ
АННОТАЦИЯ МАГИСТЕРСКОЙ ДИССЕРТАЦИИ
ВВЕДЕНИЕ
ГЛАВА 1. АНАЛИЗ ПРОГРАММНЫХ СРЕДСТВ ПОВЫШЕНИЯ ПРОИЗВОДИТЕЛЬНОСТИ КОМПЬЮТЕРНЫХ СЕТЕЙ
1.1 Анализ методов и программных средств повышения производительности коммуникационных сетей
1.2 Основные проблемы задачи разработки методов и программных средств повышения производительности коммуникационных сетей
1.3 Критерии эффективности работы сети
1.4 Время реакции
1.5 Основные варианты определения показателя "время реакции"
ГЛАВА 2. МЕТОДЫ МОДЕЛИРОВАНИЯ ПРОИЗВОДИТЕЛЬНОСТИ КОМПЬЮТЕРНЫХ СЕТЕЙ
2.1 Стохастические методы моделирования производительности компьютерных сетей
2.2 Общие стохастические модели M|G|1
2.3 Имитационное моделирование производительности компьютерных сетей
ГЛАВА 3. СТРУКТУРА ПРОГРАММНОГО КОМПЛЕКСА ПОВЫШЕНИЯ ПРОИЗВОДИТЕЛЬНОСТИ КОМПЬЮТЕРНЫХ СЕТЕЙ
3.1 Архитектура программного комплекса повышения производительности компьютерных сетей на основе стохастических моделей
3.2 Выбор и обоснование программных средств для реализации программного комплекса повышения производительностикомпьютерных сетей на основе стохастических моделей
3.3 Основные показатели повышения производительности компьютерных сетей и алгоритмы их реализации
3.4 Описание программного комплекса
3.5 Инструкции по применению программного комплекса
3.6 Рекомендации по использованию программного комплекса повышения производительности компьютерных сетей
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ
ПРИЛОЖЕНИЕ
АННОТАЦИЯ МАГИСТЕРСКОЙ ДИССЕРТАЦИИ
В данной магистерской работе рассматривается тема «Разработка алгоритма и программного обеспечения для установления системных связей на основе интервального анализа». При решении многих прикладных задач приходится сталкиваться с неопределенностью в исходных данных. Учет таких неопределенностей в практических задачах и ее внедрение виде автоматизации какого-либо процесса является актуальной проблемой сегодняшних дней.
Объект исследования - системы и процессы установления системных связей. Предмет исследования - условия неполноты и недостоверности исходных данных в показателях процессов и систем установления системных связей.
Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения, списка литературы. В ходе выполнения диссертации разработаны интервальные аналоги решения задач линейного программирования симплекс методом, алгоритмы реализации машинной интервальной арифметики для компьютера, разработаны алгоритм и программное обеспечение для установления системных связей на основе интервального анализа.
Мазкур диссертация ишида “интервал тахлил асосида ало?а тизимларини ўрнатиш учун алгоритм ва дастурий таъминот ишлаб чи?иш” мавзусига ба?ишланган. Кўп амалий масалаларни ечиш жараенида биз бошлан?ич маълумотларни ноани?лилиги билан келганига дуч келамиз. Шундай ноани?лиликларни амалий масаларда амалда ишлатиш ва тадби? ?илиш хозирги кунга келиб долзарб хисобланади.
Тад?и?от объекти - ало?а тизимларни ўрнатиш тизим ва жараенлари. Тад?и?от предмети эса ало?а тизимларни ўрнатиш жараенларининг бошлан?ич маълумотларнинг ноани?лилиги.
Мазкур диссертация кириш, уч бобдан, хулоса ва адабиётлар рўйхатидан иборат. Диссертацияни бажариш давомида чизи?ли дастурлаш симплекс усули масалаларни ечиш интервал ўхшаш усул яратилган, компьютерлар учун машина интервал арифметикасини бажариш алгоритмлари, интервал та?лил асосида ало?а тизимларини ўрнатиш компьютер тизимларини ?имоялаш учун алгоритм ва дастурий таъминот ишлаб чи?илган.
This master's thesis deals with the topic "Development of algorithms and software system for establishing relations based on interval analysis." When dealing with many applications have to deal with the uncertainty in the source data. Accounting for these uncertainties in practical problems and its implementation as the automation of a process is an urgent problem today.
The object of study - systems and processes of establishing systemic linkages. The subject of the study - the conditions of incompleteness and unreliability of the source data in terms of processes and systems to establish systemic connections.
The thesis consists of an introduction, three chapters, conclusion, bibliography. During the interval of the thesis developed counterparts for solving linear programming simplex method, the algorithms of the machine interval arithmetic for the computer algorithm and software system for establishing relations based on interval analysis.
ВВЕДЕНИЕ
Развитие современных информационных и коммуникационных технологий (ИКТ) имеет целенаправленную тенденцию к интенсификации и диверсификации, охватывая все новые отрасли экономики, в том числе и области управления государством.
Развитие информационно-коммуникационных технологий (ИКТ), являющееся важнейшим фактором поднятия благосостояния и экономического роста, становится одним из основных приоритетов государственной политики Узбекистана.
Инициатива Президента послужила сигналом к крупным стратегическим изменениям. Правительство сейчас четко осознает важность ИКТ для достижения своих целей развития. Поэтому, в последние годы руководство республики принимает энергичные меры по развитию и широкому внедрению ИКТ в различные сферы общественного и государственного строительства.
В связи с мировым финансовым кризисом совсем недавно принят и сегодня реализуется Указ Президента Республики Узбекистан Ислама Каримова по оказанию дополнительной помощи банковским и финансовым структурам, поддержке деловой активности предприятий и компаний реального сектора экономики, повышению рентабельности производства и экспортных возможностей, выделению им в этих целях дополнительных налоговых льгот и преференций и реализации наряду с этим других крупномасштабных мер и проектов.
Актуальность темы. Диссертационная работа посвящена актуальной проблеме разработки методологических вопросов оптимизации вычислительных сетей, а именно разработки математических методов и алгоритмов повышения производительности основных составляющих компьютерных сетей.
В настоящее время в связи с интеграцией корпоративных сетей передачи данных все более остро встает проблема управления распределенными гетерогенными сетями, состоящими из множества локальных сетей, функционирующих на основе различных стандартов и протоколов.
Объект исследования. Объектом исследования диссертационной работы является компьютерные сети, маршрутизаторыи серверы.
Методом исследования являются методы и способы повышение производительности компьтерных сетей на основе стохастических методов.
Цели и задачи работы. Основная на сегодняшний день цель -- создание системы интегрированного сетевого управления - требует решения целого ряда задач.
В их число входят:
· традиционные задачи сетевого управления (управление конфигурацией, управление производительностью, управление сбоями, управление безопасностью, учет использования ресурсов);
· управление распределенными приложениями в гетерогенных сетях;
· мониторинг текущего состояния системно-технического обеспечения организации (ведение визуализированной базы данных, содержащей полную информацию, как о технических, так и об учетных параметрах всего технического и программного обеспечения, имеющегося в той или иной организации);
· поддержка принятия решений по модернизации технического и программного обеспечения с учетом текущего состояния технического прогресса, информации о производителях и поставщиках технических и программных средств и о сравнительных характеристиках этих продуктов;
· управление модернизацией (контроль и управление установкой нового технического и программного обеспечения, включая оптимизацию этого процесса);
· моделирование работы существующих сетей (включая анализ нагрузок на отдельные их участки и поддержку принятия решений по перепланированию).
Краткий анализ литературы по теме диссертации. Основные вопросы в области компьютерных систем и сетей освещаются в работах ученых М. Федотова, Н.А. Олифера, В.Кумара, Н.Лагари, А.Мунгале, Т.Паркера. В результате предлагается множество методов и алгоритмов повышения производительности компьютерных сетей, предложены множество решений проблем связанные с производительностью коммуникационных сетей.
Научная новизна работы. Научная новизна работы заключается в применении стохастических методов для повышения эффективности компьютерных сетей.
Разработонное программное обеспечение выделяет основные показатели повышения производительности компьютерных сетей, такие как:
· Интенсивность поступления заявок на обработку;
· Интенсивность работы серверов (циклических, параллельных и т.д.);
· Размер буферного пространства серверного оборудования;
· Среднее время ожидания заявки в буфере;
· Среднее время обработки заявки…
и алгоритмы реализации;
Практическая значимость. Разработана структура программного комплекса повышения производительности компьютерных сетей на основе стохастических моделей, подробно описана его архитектура, а также приведены доказательства, на основании которых был сделан выбор программных средств для реализации данного программного комплекса.
Следует заметить, что ни один из имеющихся на сегодняшний день на рынке программного обеспечения продуктов не решает целиком ни одной из перечисленных задач. Поэтому наиболее целесообразным решением в данном случае является либо разработка такой интегрированной системы самостоятельно, либо заказ на ее разработку фирме -- системному интегратору.
В настоящее время под собственно сетевым управлением обычно подразумевают совокупность пяти взаимосвязанных задач, в число которых входят:
1. Управление конфигурацией (Configuration Management)
2. Управление безопасностью (Security Management)
3. Управление сбоями (Fault & Problem Management)
4. Учет использования ресурсов (Accounting Management)
5. Управление производительностью (Performance Management)
Подробнее рассматривая данный пункт, необходимо отметить, что он подразумевает под собой оценку состояния ресурсов и эффективности их использования и включает в себя такие важные этапы, как:
· сбор и анализ статистических данных о функционировании сети;
· анализ трафика;
· планирование и оценку эффективности использования ресурсов сети;
· выявление узких мест сети;
· анализ сетевых протоколов;
· планирование развития сети.
Параллельно с этим необходимо учитывать особенности построения самой сети, наличия в структуре различных топологий и их взаимного соединения.
Всякий раз, когда должна быть построена новая система, или реконструирована уже имеющаяся, анализ таких сетей может использоваться для предсказывания влияния архитектурных или других изменений на характер выполнения работ и протекания процессов в коммуникационных сетях.
В зависимости от модели, можно непосредственно вычислять важные параметры производительности выполнения работ коммуникационных сетей, используя так называемые неявные формулы. Эти аналитические модели конечно очень удобны, но большинство реальных систем не могут быть смоделированы таким способом.
Для несколько более широкого класса моделей используются способы получения систем уравнений, решение которых может быть получено в цифровой форме на основе рекурсивных вычислений. Хотя эти числовые модели не дают явные формулы, все еще можно получить точные результаты, конечно в пределах допустимой ошибки компьютера, который используется для числовых вычислений.
Для самого широкого класса систем для получения образцовых решений числовые и аналитические методы не существуют. В этих случаях обращаются к имитационному моделированию. В имитационных моделях, можно однозначно представить возможное поведение системы. При этом используется моделирование важных параметров системы во временном разрезе, чтобы вычислить средние параметры поведения моделирования коммуникационных сетей.
Структура работы. Диссертация состоит из введения 3 глав, заключения, списка использованной литературы и приложения.
ГЛАВА 1. АНАЛИЗ ПРОГРАММНЫХ СРЕДСТВ ПОВЫШЕНИЯ ПРОИЗВОДИТЕЛЬНОСТИ КОМПЬЮТЕРНЫХ СЕТЕЙ
1.1 Анализ методов и программных средств повышения производительности коммуникационных сетей
Каждый раз, когда выполняется построение новых систем или проводится реконструкция уже имеющихся, предварительный анализ таких сетей может использоваться для предсказывания влияния архитектурных или других изменений на характер выполнения работ и протекания процессов в коммуникационных сетях.
Основой анализа систем является количественная оценка параметров коммуникационных сетей. Не менее важным также, является наблюдение предпосылок выполнения работ и пригодность (готовность) фактической системы для этой работы.
Одним из средств оценки параметров коммуникационных сетей являются анализаторы. Анализаторы незаменимы для исследования реальных сетей, но они не позволяют получать количественные оценки характеристик для еще не существующих сетей, находящихся в стадии проектирования. В этих случаях проектировщики могут использовать средства моделирования, с помощью которых разрабатываются модели, воссоздающие информационные процессы, протекающие в сетях.
Методы аналитического, имитационного и натурного моделирования. Моделирование представляет собой мощный метод научного познания, при использовании которого исследуемый объект заменяется более простым объектом, называемым моделью. Основными разновидностями процесса моделирования можно считать два его вида - математическое и физическое моделирование. При физическом (натурном) моделировании исследуемая система заменяется соответствующей ей другой материальной системой, которая воспроизводит свойства изучаемой системы с сохранением их физической природы. Примером этого вида моделирования может служить пилотная сеть, с помощью которой изучается принципиальная возможность построения сети на основе тех или иных компьютеров, коммуникационных устройств, операционных систем и приложений.
Возможности физического моделирования довольно ограничены. Оно позволяет решать отдельные задачи при задании небольшого количества сочетаний исследуемых параметров системы. Действительно, при натурном моделировании вычислительной сети практически невозможно проверить ее работу для вариантов с использованием различных типов коммуникационных устройств - маршрутизаторов, коммутаторов и т.п. Проверка на практике около десятка разных типов маршрутизаторов связана не только с большими усилиями и временными затратами, но и с немалыми материальными затратами.
Но даже и в тех случаях, когда при оптимизации сети изменяются не типы устройств и операционных систем, а только их параметры, проведение экспериментов в реальном масштабе времени для огромного количества всевозможных сочетаний этих параметров практически невозможно за обозримое время. Даже простое изменение максимального размера пакета в каком-либо протоколе требует переконфигурирования операционной системы в сотнях компьютеров сети, что требует от администратора сети проведения очень большой работы.
Поэтому, при оптимизации сетей во многих случаях предпочтительным оказывается использование математического моделирования. Математическая модель представляет собой совокупность соотношений (формул, уравнений, неравенств, логических условий), определяющих процесс изменения состояния системы в зависимости от ее параметров, входных сигналов, начальных условий и времени.
Особым классом математических моделей являются имитационные модели. Такие модели представляют собой компьютерную программу, которая шаг за шагом воспроизводит события, происходящие в реальной системе. Применительно к вычислительным сетям их имитационные модели воспроизводят процессы генерации сообщений приложениями, разбиение сообщений на пакеты и кадры определенных протоколов, задержки, связанные с обработкой сообщений, пакетов и кадров внутри операционной системы, процесс получения доступа компьютером к разделяемой сетевой среде, процесс обработки поступающих пакетов маршрутизатором и т.д. При имитационном моделировании сети не требуется приобретать дорогостоящее оборудование - его работы имитируется программами, достаточно точно воспроизводящими все основные особенности и параметры такого оборудования.
Преимуществом имитационных моделей является возможность подмены процесса смены событий в исследуемой системе в реальном масштабе времени на ускоренный процесс смены событий в темпе работы программы. В результате за несколько минут можно воспроизвести работу сети в течение нескольких дней, что дает возможность оценить работу сети в широком диапазоне варьируемых параметров.
Результатом работы имитационной модели являются собранные в ходе наблюдения за протекающими событиями статистические данные о наиболее важных характеристиках сети: временах реакции, коэффициентах использования каналов и узлов, вероятности потерь пакетов и т.п.
Существуют специальные языки имитационного моделирования, которые облегчают процесс создания программной модели по сравнению с использованием универсальных языков программирования. Примерами языков имитационного моделирования могут служить такие языки, как SIMULA, GPSS, SIMDIS.
Существуют также системы имитационного моделирования, которые ориентируются на узкий класс изучаемых систем и позволяют строить модели без программирования.
Модели теории массового обслуживания. Используемые в настоящее время в локальных сетях протоколы канального уровня используют методы доступа к среде, основанные на ее совместном использовании несколькими узлами за счет разделения во времени. В этом случае, как и во всех случаях разделения ресурсов со случайным потоком запросов, могут возникать очереди. Для описания этого процесса обычно используются модели теории массового обслуживания.
Механизм разделения среды протокола Ethernet упрощенно описывается простейшей моделью типа M|M|1 - одноканальной моделью с пуассоновским потоком заявок и показательным законом распределения времени обслуживания. Она хорошо описывает процесс обработки случайно поступающих заявок на обслуживание системами с одним обслуживающим прибором со случайным временем обслуживания и буфером для хранения поступающих заявок на время, пока обслуживающий прибор занят выполнением другой заявки. Передающая среда Ethernet представлена в этой модели обслуживающим прибором, а пакеты соответствуют заявкам.
Введем обозначения: l - интенсивность поступления заявок, в данном случае это среднее число пакетов, претендующих на передачу в среде в единицу времени, b - среднее время обслуживания заявки (без учета времени ожидания обслуживания), то есть среднее время передачи пакета в среде с учетом паузы между пакетами в 9.6 мкс, r - коэффициент загрузки обслуживающего прибора, в данном случае это коэффициент использования среды, r = lb.
В теории массового обслуживания для данной модели получены следующие результаты: среднее время ожидания заявки в очереди (время ожидания пакетом доступа к среде) W равно:
Рис. 1. Модель теории массового обслуживания M/M/1
Специализированные системы имитационного моделирования вычислительных сетей. Существуют специальные, ориентированные на моделирование вычислительных сетей программные системы, в которых процесс создания модели упрощен. Такие программные системы сами генерируют модель сети на основе исходных данных о ее топологии и используемых протоколах, об интенсивностях потоков запросов между компьютерами сети, протяженности линий связи, о типах используемого оборудования и приложений. Программные системы моделирования могут быть узко специализированными и достаточно универсальными, позволяющие имитировать сети самых различных типов. Качество результатов моделирования в значительной степени зависит от точности исходных данных о сети, переданных в систему имитационного моделирования.
Программные системы моделирования сетей - инструмент, который может пригодиться любому администратору корпоративной сети, особенно при проектировании новой сети или внесении кардинальных изменений в уже существующую. Продукты данной категории позволяют проверить последствия внедрения тех или иных решений еще до оплаты приобретаемого оборудования. Конечно, большинство из этих программных пакетов стоят достаточно дорого, но и возможная экономия может быть тоже весьма ощутимой.
Программы имитационного моделирования сети используют в своей работе информацию о пространственном расположении сети, числе узлов, конфигурации связей, скоростях передачи данных, используемых протоколах и типе оборудования, а также о выполняемых в сети приложениях.
Обычно имитационная модель строится не с нуля. Существуют готовые имитационные модели основных элементов сетей: наиболее распространенных типов маршрутизаторов, каналов связи, методов доступа, протоколов и т.п. Эти модели отдельных элементов сети создаются на основании различных данных: результатов тестовых испытаний реальных устройств, анализа принципов их работы, аналитических соотношений. В результате создается библиотека типовых элементов сети, которые можно настраивать с помощью заранее предусмотренных в моделях параметров.
Системы имитационного моделирования обычно включают также набор средств для подготовки исходных данных об исследуемой сети - предварительной обработки данных о топологии сети и измеренном трафике. Эти средства могут быть полезны, если моделируемая сеть представляет собой вариант существующей сети и имеется возможность провести в ней измерения трафика и других параметров, нужных для моделирования. Кроме того, система снабжается средствами для статистической обработки полученных результатов моделирования.
В следующей таблице приведены характеристики нескольких популярных систем имитационного моделирования различного класса - от простых программ, предназначенных для установки на персональном компьютере, до мощных систем, включающих библиотеки большинства имеющихся на рынке коммуникационных устройств и позволяющих в значительной степени автоматизировать исследование изучаемой сети.
|
Компания и продукт |
Стоимоств (долл) |
Тип сети |
Требуемые ресурсы |
Примечания |
|
|
American HYTech, Prophesy |
1800 |
ЛС |
16МбОП, 6 Мбдиск, DOS, Windows, OS/2 |
Оценивание производительности при работе с текстовыми и графическими данными по отдельным сегментам и сети в целом |
|
|
CACI Product, COMNET III |
44500-49500 |
ЛС, ГС |
64 МбОП, 100 Мбдиск, Windows, Windows NT, OS/2, Unix |
Моделируетсети X.25, ATM, Frame Relay, связи LAN-WAN, SNA, DECnet, протоколы OSPF, RIP. Доступ CSMA/CD и токенный доступ, FDDI и др. Встроенная библиотека марщрутизаторов 3COM, Cisco, DEC, HP, Wellfleat, ... |
|
|
Make System, NetMaker XA |
7995-16995 |
ЛС, ГС |
256 МбОП, 2000 Мбдиск, AIX, Sun OS, Sun Solaris |
Проверка данных о топологии сети; импорт информации о трафике, получаемой в реальном времени |
|
|
NetMagic System, StressMagik |
3995 |
ЛС |
4 МбОП, 8 МБдиск, Windows |
Поддержка стандартных тестов измерения производительности; имитация пиковой нагрузки на файл-сервер |
|
|
Network Analysis Center, MIND |
10400-80000 |
ГС |
16 MбОП, 65 Мбдиск, DOS, Windows |
Средство проектирования, оптимизации сети, содержит данные о стоимости типичных конфигураций с возможностью точного оценивания производительности |
|
|
Network Design and Analysis Group, AutoNet/ Designer |
28000 |
ГС |
16 MбОП, 40 Мбдиск, Windows, OS/2 |
Определение оптимального расположения концентратора в ГС, возможность оценки экономии средств за счет снижения тарифной платы, смены поставщика услуг и обновления оборудования; сравнение вариантов связи через ближайшую и оптимальную точку доступа, а также через мост и местную телефонную сеть |
|
|
Network Design and Analysis Group, AutoNet/ MeshNET |
35000 |
ГС |
16 MбОП, 40 Мбдиск, Windows, OS/2 |
Моделирование полосы пропускания и оптимизация расходов на организацию ГС путем имитации поврежденных линий, поддержка тарифной сетки компаний AT & T, Sprint, WiTel, Bell |
|
|
Network Design and Analysis Group, AutoNet/ Performance-1 |
6000 |
ГС |
16 MбОП, 1 Мбдиск, Windows, OS/2 |
Моделирование производительности иерархических сетей путем анализа чувствительности к длительности задержки, времени ответа, а также узких мест в структуре сети |
|
|
Network Design and Analysis Group, AutoNet/ Performance-3 |
8000 |
ГС |
16 MбОП, 3 Мбдиск, Windows, OS/2 |
Моделирование производительности многопротокольных объединений локальных и глобальных сетей; оценивание задержек в очередях, прогнозирование времени ответа, а также узких мест в структуре сети; учет реальных данных о трафике, поступающих от сетевых анализаторов |
|
|
System& Networks, BONES |
25000-45000 |
ЛС, ГС |
64 MбОП, 80 Мбдиск, Sun OS, Sun Solaris, HP-UX |
Анализ воздействия приложений клиент-сервер и новых технологий на работу сети |
1.2 Основные проблемы задачи разработки методов и программных средств повышения производительности коммуникационных сетей
Чтобы сеть работала самым эффективным образом, приходится решать для себя следующие задачи:
1. Сформулировать критерии эффективности работы сети. Чаще всего такими критериями служат производительность и надежность, для которых в свою очередь требуется выбрать конкретные показатели оценки, например, время реакции и коэффициент готовности, соответственно.
2. Определить множество варьируемых параметров сети, прямо или косвенно влияющих на критерии эффективности. Эти параметры действительно должны быть варьируемыми, то есть нужно убедиться в том, что их можно изменять в некоторых пределах по вашему желанию. Так, если размер пакета какого-либо протокола в конкретной операционной системе устанавливается автоматически и не может быть изменен путем настройки, то этот параметр в данном случае не является варьируемым, хотя в другой операционной системе он может относиться к изменяемым по желанию администратора, а значит и варьируемым. Другим примером может служить пропускная способность внутренней шины маршрутизатора - она может рассматриваться как параметр оптимизации только в том случае, если вы допускаете возможность замены маршрутизаторов в сети.
Все варьируемые параметры могут быть сгруппированы различным образом. Например, параметры отдельных конкретных протоколов (максимальный размер кадра протокола Ethernet или размер окна неподтвержденных пакетов протокола TCP) или параметры устройств (размер адресной таблицы или скорость фильтрации моста, пропускная способность внутренней шины маршрутизатора). Параметрами настройки могут быть и устройства, и протоколы в целом. Так, например, улучшить работу сети с медленными и зашумленными глобальными каналами связи можно, перейдя со стека протоколов IPX/SPX на протоколы TCP/IP. Также можно добиться значительных улучшений с помощью замены сетевых адаптеров неизвестного производителя на адаптеры BrandName.
3. Определить порог чувствительности для значений критерия эффективности. Так, производительность сети можно оценивать логическими значениями "Работает" / "Не работает", и тогда оптимизация сводится к диагностике неисправностей и приведению сети в любое работоспособное состояние. Другим крайним случаем является тонкая настройка сети, при которой параметры работающей сети (например, размер кадра или величина окна неподтвержденных пакетов) могут варьироваться с целью повышения производительности (например, среднего значения времени реакции) хотя бы на несколько процентов. Как правило, под оптимизацией сети понимают некоторый промежуточный вариант, при котором требуется выбрать такие значения параметров сети, чтобы показатели ее эффективности существенно улучшились.
Таким образом, можно предложить три различных трактовки задачи оптимизации:
1. Приведение сети в любое работоспособное состояние. Обычно эта задача решается первой, и включает:
· поиск неисправных элементов сети - кабелей, разъемов, адаптеров, компьютеров;
· проверку совместимости оборудования и программного обеспечения;
· выбор корректных значений ключевых параметров программ и устройств, обеспечивающих прохождение сообщений между всеми узлами сети - адресов сетей и узлов, используемых протоколов, типов кадров Ethernet и т.п.
2. Грубая настройка - выбор параметров, резко влияющих на характеристики (надежность, производительность) сети. Если сеть работоспособна, но обмен данными происходит очень медленно (время ожидания составляет десятки секунд или минуты) или же сеанс связи часто разрывается без видимых причин, то работоспособной такую сеть можно назвать только условно, и она, безусловно, нуждается в грубой настройке. На этом этапе необходимо найти ключевые причины существенных задержек прохождения пакетов в сети. Обычно причина серьезного замедления или неустойчивой работы сети кроется в одном неверно работающем элементе или некорректно установленном параметре, но из-за большого количества возможных виновников поиск может потребовать длительного наблюдения за работой сети и громоздкого перебора вариантов. Грубая настройка во многом похожа на приведение сети в работоспособное состояние. Здесь также обычно задается некоторое пороговое значение показателя эффективности и требуется найти такой вариант сети, у которого это значение было бы не хуже порогового. Например, нужно настроить сеть так, чтобы время реакции сервера на запрос пользователя не превышало 5 секунд.
3. Тонкая настройка параметров сети (собственно оптимизация). Если сеть работает удовлетворительно, то дальнейшее повышение ее производительности или надежности вряд ли можно достичь изменением только какого-либо одного параметра, как это было в случае полностью неработоспособной сети или же в случае ее грубой настройки. В случае нормально работающей сети дальнейшее повышение ее качества обычно требует нахождения некоторого удачного сочетания значений большого количества параметров, поэтому этот процесс и получил название "тонкой настройки".
Даже при тонкой настройке сети оптимальное сочетание ее параметров (в строгом математическом понимании термина "оптимальность") получить невозможно, да и не нужно. Нет смысла затрачивать колоссальные усилия по нахождению строгого оптимума, отличающегося от близких к нему режимов работы на величины такого же порядка, что и точность измерений трафика в сети. Достаточно найти любое из близких к оптимальному решений, чтобы считать задачу оптимизации сети решенной. Такие близкие к оптимальному решения обычно называют рациональными вариантами, и именно их поиск интересует на практике администратора сети или сетевого интегратора.
Поиск неисправностей в сети - это сочетание анализа (измерения, диагностика и локализация ошибок) и синтеза (принятие решения о том, какие изменения надо внести в работу сети, чтобы исправить ее работу).
· Анализ - определение значения критерия эффективности (или, что одно и то же, критерия оптимизации) системы для данного сочетания параметров сети. Иногда из этого этапа выделяют подэтап мониторинга, на котором выполняется более простая процедура - процедура сбора первичных данных о работе сети: статистики о количестве циркулирующих в сети кадров и пакетов различных протоколов, состоянии портов концентраторов, коммутаторов и маршрутизаторов и т.п. Далее выполняется этап собственно анализа, под которым в этом случае понимается более сложный и интеллектуальный процесс осмысления собранной на этапе мониторинга информации, сопоставления ее с данными, полученными ранее, и выработки предположений о возможных причинах замедленной или ненадежной работы сети. Задача мониторинга решается программными и аппаратными измерителями, тестерами, сетевыми анализаторами и встроенными средствами мониторинга систем управления сетями и системами. Задача анализа требует более активного участия человека, а также использования таких сложных средств как экспертные системы, аккумулирующие практический опыт многих сетевых специалистов.
· Синтез - выбор значений варьируемых параметров, при которых показатель эффективности имеет наилучшее значение. Если задано пороговое значение показателя эффективности, то результатом синтеза должен быть один из вариантов сети, превосходящий заданный порог. Приведение сети в работоспособное состояние - это также синтез, при котором находится любой вариант сети, для которого значение показателя эффективности отличается от состояния "не работает". Синтез рационального варианта сети - процедура чаще всего неформальная, так как она связана с выбором слишком большого и очень разнородного множества параметров сети - типов применяемого коммуникационного оборудования, моделей этого оборудования, числа серверов, типов компьютеров, используемых в качестве серверов, типов операционных систем, параметров этих операционных систем, стеков коммуникационных протоколов, их параметров и т.д. и т.п. Очень часто мотивы, влияющие на выбор "в целом", то есть выбор типа или модели обрудования, стека протоколов или операционной системы, не носят технического характера, а принимаются из других соображений - коммерческих, "политических" и т.п. Поэтому формализовать постановку задачи оптимизации в таких случаях просто невозможно. В данной книге основное внимание уделяется этапам мониторинга и анализа сети, как более формальным и автоматизируемым процедурам. В тех случаях, когда это возможно, в книге даются рекомендации по выполнению некоторых последовательностей действий по нахождению рационального варианта сети или приводятся соображения, облегчающие его поиск.
1.3 Критерии эффективности работы сети
Все множество наиболее часто используемых критериев эффективности работы сети может быть разделено на две группы. Одна группа характеризует производительность работы сети, вторая - надежность.
Производительность сети измеряется с помощью показателей двух типов - временных, оценивающих задержку, вносимую сетью при выполнении обмена данными, и показателей пропускной способности, отражающих количество информации, переданной сетью в единицу времени. Эти два типа показателей являются взаимно обратными, и, зная один из них, можно вычислить другой. [17]
1.4 Время реакции
Обычно в качестве временной характеристики производительности сети используется такой показатель как время реакции. Термин "время реакции" может использоваться в очень широком смысле, поэтому в каждом конкретном случае необходимо уточнить, что понимается под этим термином.
В общем случае, время реакции определяется как интервал времени между возникновением запроса пользователя к какому-либо сетевому сервису и получением ответа на этот запрос. Очевидно, что смысл и значение этого показателя зависят от типа сервиса, к которому обращается пользователь, от того, какой пользователь и к какому серверу обращается, а также от текущего состояния других элементов сети - загруженности сегментов, через которые проходит запрос, загруженности сервера и т.п.
Рис. 2. Время реакции - интервал между запросом и ответом.
1.5 Основные варианты определения показателя "время реакции"
Рис. 3. Показатели производительности сети
В первом случае под временем реакции понимается время, которое проходит с момента обращения пользователя к сервису FTP для передачи файла с сервера 1 на клиентский компьютер 1 до момента завершения этой передачи. Очевидно, что это время имеет несколько составляющих. Наиболее существенный вклад вносят такие составляющие времени реакции как: время обработки запросов на передачу файла на сервере, время обработки получаемых в пакетах IP частей файла на клиентском компьютере, время передачи пакетов между сервером и клиентским компьютером по протоколу Ethernet в пределах одного коаксиального сегмента. Можно было бы выделить еще более мелкие этапы выполнения запроса, например, время обработки запроса каждым из протоколов стека TCP/IP на сервере и клиенте.
Для конечного пользователя, таким образом, определенное время реакции является понятным и наиболее естественным показателем производительности сети (размер файла, который вносит некоторую неопределенность в этот показатель, можно зафиксировать, оценивая время реакции при передаче, например, одного мегабайта данных). Однако, сетевого специалиста интересует в первую очередь производительность собственно сети, поэтому для более точной ее оценки целесообразно вычленить из времени реакции составляющие, соответствующие этапам несетевой обработки данных - поиску нужной информации на диске, записи ее на диск и т.п. Полученное в результате таких сокращений время можно считать другим определением времени реакции сети на прикладном уровне.
Вариантами этого критерия могут служить времена реакции, измеренные при различных, но фиксированных состояниях сети:
A) Полностью ненагруженная сеть. Время реакции измеряется в условиях, когда к серверу 1 обращается только клиент 1, то есть на сегменте сети, объединяющем сервер 1 с клиентом 1, нет никакой другой активности - на нем присутствуют только кадры сессии FTP, производительность которой измеряется. В других сегментах сети трафик может циркулировать, главное - чтобы его кадры не попадали в сегмент, в котором проводятся измерения. Так как ненагруженный сегмент в реальной сети - явление экзотическое, то данный вариант показателя производительности имеет ограниченную применимость - его хорошие значения говорят только о том, что программное обеспечение и аппаратура данных двух узлов и сегмента обладают необходимой производительностью для работы в облегченных условиях. Для работы в реальных условиях, когда будет иметь место борьба за разделяемые ресурсы сегмента с другими узлами сети, производительность тестируемых элементов сети может оказаться недостаточной.
B) Нагруженная сеть. Это более интересный случай проверки производительности сервиса FTP для конкретных сервера и клиента. Однако при измерении критерия производительности в условиях, когда в сети работают и другие узлы и сервисы, возникают свои сложности - в сети может существовать слишком большое количество вариантов нагрузки, поэтому главное при определении критериев такого сорта - проведение измерений при некоторых типовых условиях работы сети. Так как трафик в сети носит пульсирующий характер и характеристики трафика существенно изменяются в зависимости от времени дня и дня недели, то определение типовой нагрузки - процедура сложная, требующая длительных измерений на сети. Если же сеть только проектируется, то определение типовой нагрузки еще больше усложняется.
Во втором случае критерием производительности сети является время задержки между передачей кадра Ethernet в сеть сетевым адаптером клиентского компьютера 1 и поступлением его на сетевой адаптер сервера 3. Этот критерий также относится к критериям типа "время реакции", но соответствует сервису нижнего - канального уровня. Так как протокол Ethernet - протокол дейтаграммного типа, то есть без установления соединений, для которого понятие "ответ" не определено, то под временем реакции в данном случае понимается время прохождения кадра от узла-источника до узла-получателя. Задержка передачи кадра включает в данном случае время распространения кадра по исходному сегменту, время передачи кадра коммутатором из сегмента А в сегмент В, время передачи кадра маршрутизатром из сегмента В в сегмент С и время передачи кадра из сегмента С в сегмент D повторителем. Критерии, относящиеся к нижнему уровню сети, хорошо характеризуют качества транспортного сервиса сети и являются более информативными для сетевых интеграторов, так как не содержат избыточную для них информацию о работе протоколов верхних уровней.
При оценке производительности сети не по отношению к отдельным парам узлов, а ко всем узлам в целом используются критерии двух типов: средне-взвешенные и пороговые.
Средне-взвешенный критерий представляет собой сумму времен реакции всех или некоторых узлов при взаимодействии со всеми или некоторыми серверами сети по определенному сервису, то есть сумму вида
где Tij - время реакции i-го клиента при обращении к j-му серверу, n - число клиентов, m - число серверов. Если усреднение производится и по сервисам, то в приведенном выражении добавится еще одно суммирование - по количеству учитываемых сервисов. Оптимизация сети по данному критерию заключается в нахождении значений параметров, при которых критерий имеет минимальное значение или по крайней мере не превышает некоторое заданное число.
Пороговый критерий отражает наихудшее время реакции по всем возможным сочетаниям клиентов, серверов и сервисов:
где i и j имеют тот же смысл, что и в предыдущем случае, а k обозначает тип сервиса. Оптимизация также может выполняться с целью минимизации критерия, или же с целью достижения им некоторой заданной величины, признаваемой разумной с практической точки зрения.
Чаще применяются пороговые критерии оптимизации, так как они гарантируют всем пользователям некоторый удовлетворительный уровень реакции сети на их запросы. Средневзвешенные критерии могут дискриминировать некоторых пользователей, для которых время реакции слишком велико притом, что при усреднении получен вполне приемлемый результат.
Можно применять и более дифференцированные по категориям пользователей и ситуациям критерии. Например, можно поставить перед собой цель гарантировать любому пользователю доступ к серверу, находящемуся в его сегменте, за время, не превышающее 5 секунд, к серверам, находящимся в его сети, но в сегментах, отделенных от его сегмента коммутаторами, за время, не превышающее 10 секунд, а к серверам других сетей - за время до 1 минуты.
В этой главе произведен анализ методов и программных средств повышающих производительность коммуникационных сетей. А также методы аналитического, имитационного и натурного моделирования. Выбраны инструменты мониторинга и анализа производительности сети.
Рассмотрены основные проблемы, задачи разработки методов и программных средств повышающие производительность коммуникационных сетей. Выявлены критерии эффективности работы сети и время реакции сети.
ГЛАВА 2. МЕТОДЫ МОДЕЛИРОВАНИЯ ПРОИЗВОДИТЕЛЬНОСТИ КОМПЬЮТЕРНЫХ СЕТЕЙ
2.1 Стохастические методы моделирования производительности компьютерных сетей
Краткий обзор стохастических процессов. Стохастический процесс - это множество случайных переменных {}, определенное на некотором пространстве вероятностей, и индексированное параметром t (обычно принимаемый, как время), который может принимать значения в некотором наборе T.
Величины X(t) определяют состояние системы. Набор всех возможных состояний называется пространством состояний и часто обозначается как I. Если пространство состояний дискретно, то это означает, что мы имеем дело с дискретным стохастическим процессом, который называется «цепью». Для удобства, часто предполагается, что пространство состояний представляет собой I = {0,1,2, · · ·}. Пространство состояний может также быть непрерывным. Тогда это будет классифицироваться как непрерывный стохастический процесс. Та же самая классификация может также использоваться относительно индекса T. Набор T может быть непрерывным, ведя к стохастическому процессу непрерывным временем. В случае, если набор T дискретен, стохастический процесс часто обозначается как {}. Так как имеются две возможности для каждого из двух вовлеченных наборов, возможны следующие четыре различных типа стохастических процессов:
I и T дискретные. Рассмотрим число пачек , которые присутствуют в некоторой станции обслуживания, причем, в настоящее время станцию покидает k-тая пачка. Ясно, в станции обслуживания, могут присутствовать только целое число пачек, таким образом, I = {0,1,2, · · ·}. Аналогично, только после того, как первая пачка покидает, ясно может быть определено во времени. Таким образом, мы имеем T = {1 ,2…}.
I дискретный и T непрерывный. Рассмотрим число пачек N(t), которое присутствует в некоторой станции обслуживания во времени t. В станции обслуживания может находиться только целое число пачек, таким образом, I = {0,1,2, · · ·}. Можно, однако, наблюдать станцию обслуживания непрерывно. Это подразумевает что IT=R+.
I непрерывный и T дискретный. Через обозначается время, которое определяет k-тая пачка должна ждать обслуживания. Ясно, что снова дискретный набор индекса, принимая во внимание, что может принимать любое значение [0, ], подразумевая, что I является непрерывным.
I и T непрерывный. Через обозначается общая сумма всех пачек, которым должно быть оказано в станции обслуживания в течение времени t. Ясно, - непрерывный параметр. Кроме того, может принимать любое значение из [0, ], при условии, что I является непрерывным.
Кроме вышеприведенных различий между стохастическими процессами, их возможно классифицировать и другим способом. Предполагается разделение стохастических процессов на процессы с непрерывным временем и непрерывным пространством состояний. Однако, предложенная классификация также применима для трех других упомянутых случаев.
В некоторой установленной точке времени , величина X() просто случайная переменная, описывающая состояние стохастического процесса. Общая функция плотности (CDF) случайных переменных X() называется распределением первого порядка стохастического процесса {} и обозначается, как . Можно обобщить это к случаю совместно распределенных случайных величин n-го порядка. Из стохастического процесса {} получится:
где и .
Если все распределения n-ого порядка (n > 1) стохастического процесса {} инвариантны для изменений времени для всех возможных значений переменных и , то стохастический процесс называют, строго стационарным, то есть, , где + r - значение из вектора (…,).
Стохастический процесс {} называется независимым процессом всякий раз, когда его совместное распределение n-ого порядка удовлетворяет следующее условие:
Пример независимого стохастического процесса - процесс возобновления. Процесс возобновления {}, является дискретно-временным стохастическим процессом, где · независимые тождественно распределенные, неотрицательные случайные переменные.
Процесс возобновления - стохастический процесс, в котором между ее последовательными состояниями существует полная независимость. Во многих ситуациях, однако, некоторая форма зависимости существует между последовательными состояниями стохастического процесса. Возможная минимальная зависимость означает, что следующее состояние, которое будет принято стохастическим процессом, только зависит от текущего состояния стохастического процесса, а не предыдущих состояний. Это называется зависимостью заказа первого порядка или зависимостью Маркова.
Стохастический процесс {} называется процессом Маркова, если для любого , распределение X (t), получает значения только зависят от X (s), то есть:
Уравнение (2.1.3) называется свойством Маркова. Подобные определения можно давать для случаев (процессов) имеющих дискретное состояние и для дискретного времени. Очень часто Марковские процессы, являются инвариантными к изменениям времени, то есть для любого s, t, (s < t), и x, получается:
В этих случаях можно говорить о гомогенно-временных процессах Маркова. Важно обратить внимание на то, что следующее состояние только зависит от текущего состояния, а не от того, как долго система находилась в том состоянии.
В качестве примера можно рассмотреть количество коммуникаций в компьютерной сети. Рассмотрим коммуникационную систему с большим количеством потенциальных пользователей. Начнем с того, что количество пользователей настолько велико, что разумно предположить, что интервалы времени между последовательными запросами распределены по экспоненте. Согласно предположению, это используется для определения количества связей по экспоненте распределенного интервала времени компьютерной сети, которое управляется процессом Маркова. Кроме того, это управляется специальным случаем процесса называемым “рождения-смерти”.
Цепи Маркова с дискретным временем. Цепи Маркова с дискретным временем (DTMCs-Discrete-time Markov chains) или DTMC автоматически имеют свойства всех процессов Маркова, то есть их будущее поведение зависит только от их текущего состояния, а не от предыдущих состояний. Без потери общности можно предположить, что индекс устанавливает T = {0,1,2, · · ·} и что пространство состояний определяется пространством I. Свойство Маркова (3) для этого случая имеет следующую форму:
Подобные документы
Оценка вариантов подключения Интернета для малой домашней PC сети и производительности приложения. Средства анализа и оптимизации локальных сетей. Влияние топологии связей и производительности коммуникационных устройств на пропускную способность сети.
дипломная работа [6,9 M], добавлен 12.09.2012Эффективность построения и использования корпоративных информационных систем. Описание программных систем имитационного моделирования сетей. Обозначения и интерфейс программы "Net-Emul". Использование маршрутизатора (роутера) как сетевого устройства.
контрольная работа [1,9 M], добавлен 22.12.2011Конфигурация аппаратных средств и характеристика программных средств для создания беспроводных компьютерных сетей, особенности их использования и анализ возможных проблем. Технология организация безопасной работы в беспроводных компьютерных сетях.
курсовая работа [2,5 M], добавлен 27.12.2011Создание автоматизированной системы мониторинга состояния аппаратных средств компьютерных сетей на основе протокола SNMP в среде программирования С++Builder. Описание реляционной базы данных и ее визуальное представление. Разработка диаграммы классов.
отчет по практике [2,2 M], добавлен 05.01.2016Основные признаки классификации компьютерных сетей как нового вида связи и информационного сервиса. Особенности локальных и глобальных сетей. Объекты информационных сетевых технологий. Преимущества использования компьютерных сетей в организации.
курсовая работа [1,9 M], добавлен 23.04.2013Анализ методов построения высокопроизводительных и высоконадежных систем связи на основе уравновешенных неполных блок-схем и структур корректирующих кодов. Полная система сетей связи как совокупность отдельных сетей связи при использовании топологии шины.
лабораторная работа [225,9 K], добавлен 23.12.2012Классификация компьютерных сетей в технологическом аспекте. Устройство и принцип работы локальных и глобальных сетей. Сети с коммутацией каналов, сети операторов связи. Топологии компьютерных сетей: шина, звезда. Их основные преимущества и недостатки.
реферат [134,0 K], добавлен 21.10.2013Быстродействие как одна из количественных характеристик компьютерных сетей. Способы повышения производительности компьютеров: освобождение пространства на жестком диске, его дефрагментация и индексирование, сжатие файлов, расширение памяти и другие.
курсовая работа [319,9 K], добавлен 26.04.2016Описание и расчет параметров систем с очередями для различных вариантов (один или несколько серверов - одна очередь, несколько серверов - несколько очередей). Проведение оценки производительности компьютерной сети на основе данных о ее загрузке.
курсовая работа [9,2 M], добавлен 19.11.2013Функции компьютерных сетей (хранение и обработка данных, доступ пользователей к данным и их передача). Основные показатели качества локальных сетей. Классификация компьютерных сетей, их главные компоненты. Топология сети, характеристика оборудования.
презентация [287,4 K], добавлен 01.04.2015
