Основные данные о работе

     Содержание

     Введение

     Компьютерные  сети уверенно заняли свое место в нашей жизни. 1996 год был назван годом Интернета. Сегодня в 2010 году, любая, даже небольшая организация, имеющая несколько компьютеров, не мыслит своего нормального функционирования без компьютерных сетей.

     В настоящее время абсолютно не вызывает удивления повсеместное использование компьютерных технологий: в офисах крупных и мелких компаний, в высших и средних учебных заведениях, дома, даже на улице. Почти всегда там, где есть электрическая розетка, можно увидеть компьютер, а мобильные компьютеры с каждым скачком энергосберегающих технологий все успешнее обходят это ограничение. Прогресс шагает вперед, но ресурсов своего компьютера всегда недостаточно. Хотелось объединить несколько компьютеров для совместного обмена информацией и решения задач, обеспечить гораздо более быструю и устойчивую связь чем позволял тогда уровень развития Интернета.

     То, что в итоге получилось, стало  называться сетью в самом широком  смысле этого слова, которое теперь ни у кого не вызывает удивления  или непонимания. «Локальные» сети получили повсеместное распространение и по сей день набирая популярность и находя достаточное количество абонентов. Другие разновидности локальных сетей обеспечивают лучшее функционирование предприятий и называются Корпоративными сетями.

     Включение персональных компьютеров в сеть позволяет решать объемные задачи совместными  усилиями, что иначе потребовало  бы иных каналов связи и лишних затрат ресурсов, важнейшим из которых  является время. То есть сеть значительно  повышает эффективность труда. Сеть компьютеров в какой-то мере эквивалентна объединению в энергетические системы отдаленных друг от друга электростанций и потребителей, позволяющих сглаживать нагрузку и перераспределять мощности.

     На  современном этапе развития и  использования корпоративных сетей особенно актуальное значение приобрели такие вопросы, как оценка производительности и качества корпоративных сетей, их компонентов, а так же оптимизация уже существующих корпоративных сетей. Сейчас, когда корпоративные сети стали доминирующим компонентом в информационной стратегии большинства  крупных организаций, недостаток внимания к оценке мощности корпоративных сети и ее планированию привело к плачевным результатам. Сегодня для поддержки современных приложений в архитектуре клиент - сервер многие сети необходимо заново проектировать, а во многих случаях и заменять, для чего требуются квалифицированные специалисты, способные поднять эффективность работы сети, обезопасить ее от вмешательства извне и обеспечить быстрое устранение неполадок.

     Производительность  и пропускная способность корпоративной  сети определяется многими факторами: выбором серверов и рабочих станций,  их удалением друг от друга, качеством  и подбором каналов связи, сетевого оборудования, выбором сетевого протокола передачи данных, серверных операционных систем и операционных систем рабочих станций, аппаратной части серверов и ее конфигураций, правильным распределением файлов базы данных по информационным хранилищам в сети, организацией процесса защиты и так далее. Связь с каждым днем становится все более компьютеризированной. Уже через пару-тройку лет старые методы связи могут уйти в прошлое, уступив свое место компактным, долгоработающим рабочим станциям, состоящим кроме непосредственно вычислительных мощностей лишь из миниатюрного проектора и точной веб камеры, достаточно лишь взглянуть на существующие концепты и прототипы, находящиеся в разработке у амбициозных высокотехнологичных компаний.  Неизменным останется лишь связь таких «компьютеров» на основе сетевых коммуникаций. Вот почему так важно для будущих программистов иметь знания в области сетевых технологий.

     Основная  часть

     1 Основные характеристики корпоративных компьютерных сетей

     1.1 Задачи корпоративных  компьютерных сетей 

     К корпоративным компьютерным сетям (Intranet), а так же к другим типам компьютерных сетей, предъявляется ряд требований. Главное из них - выполнение сетью ее основной функции, то есть обеспечение пользователям возможности доступа к разделяемым ресурсам всех компьютеров, объединенных в сеть, в пределах уровня доступа их аккаунта. Решению этой основной задачи подчинены остальные требования, такие как требования к производительности, надежности, отказоустойчивости, безопасности, управляемости, совместимости, расширяемости, масштабируемости, прозрачности и поддержке различных видов трафика.

     Для выполнения поставленных задач сеть нуждается в трудоемкой настройке  и постоянном мониторинге состояния. Во многом существование подобных информационно-вычислительных каналов возможно лишь благодаря базам данных, во многом благодаря развитию аппаратных средств передачи информации на расстояния, повышению вычислительной мощности составных частей системы, обучению квалицифированных специалистов и так далее. Корпоративные сети, как и любые другие – сложносоставная технология, состоящая из множества субтехнологий, каждая из которых может оборвать работу коненчой технологии в случае неисправности. Потому присутствие специалиста особенно важно.

     К сожалению труд хорошего системного администратора как правило недооценивают, так как при исправной работе сети его труд становится незаметен. Так что одним из важнейших компонентов успешного существования корпоративной сети является хотяб ы минимальная компьютерная образованность конечных пользователей сети, клиентской стороны.  
 

     1.2 Производительность  корпоративных компьютерных  сетей 

     Производительность  - основное свойств корпоративных сетей. Оно обеспечивается возможностью распределения работ между несколькими сетевыми элементами. Производительность сети можно измерить с помощью двух типов показателей: временных, сложущих для оценки задержки, вносимой сетью при обмене данными, а так же пропускной способности, отражающей количество информации, передаваемой сетью в единицу времени. Эти два типа показателей являются взаимосвязанными, и, зная один из них, можно расчитать второй.

     Для оценки производительности сети используются ее основные характеристики:

     • время реакции;

     • пропускная способность;

     • задержка передачи и вариация задержки передачи данных.[3]

     Как правило в качестве временной характеристики производительности сети используют такой показатель как время реакции. Термин «время реакции» многогранен и может исопльзоваться в очень широком смысле, потому в каждом конкретном случае требуется уточнить, что понимается под этим термином.

     Обычно  время реакции определяется как интервал времени между возникновением запроса пользователя к одному из сетевых сервисов и получением ответа на этот запрос как показано на рисунке 1(Приложение А). Очевидно, что смысл и значение данного показателя во многом зависят от типа сервиса, к которому обратился пользователь, от того, какой именно пользователь и к какому серверу обращается, а также от состояния других элементов сети на данный момент, точнее загруженности сегментов, через которые проходит запрос, загруженности сервера и так далее.

     Время реакции складывается из нескольких компонентов:

     • время подготовки запроса на клиентском компьютере;

     • время передачи запроса между клиентом и сервером, через сегменты сети и промежуточное коммуникационное оборудование;

     • время обработки запроса на сервере;

     • время передачи ответа от сервера клиенту;

     • время обработки полученного от сервера ответа на клиентском компьютере.[7]

     Далее приведены некоторые примеры определения времени реакции, рисунок 2(Приложение Б).

     В первом примере в качестве времени реакции приводится время, которое прошло с момента обращения пользователя к FTP серверу для передачи файла с сервера 1 на клиентский компьютер 1, до момента завершения передачи. Это время включает в себя несколько составляющих. Максимальный вклад вносят такие составляющие времени реакции как: время обработки запросов на передачу файла, время обработки получаемых в пакетах частей файла на клиентском компьютере, а так же время передачи пакетов между сервером и клиентским компьютером по самому популярному протоколу Ethernet в пределах одного сегмента. Можно выделить и более мелкие этапы выполнения запроса. К примеру время обработки запроса каждым из протоколов стека TCP/IP на сервере и клиенте.

     Соответственно, для конечного пользователя, определенное время реакции является понятным и естественным критерием производительности сети. Но сетевого специалиста в первую очередь волнует производительность самой сети, а потому для более точной ее оценки имеет смысл вычленить из времени реакции составляющие, которые соответствуют этапам внесетевой обработки данных: поиску нужной информации на диске, записи ее на диск и так далее. Полученное в результате подобных сокращений время можно считать иным определением времени реакции сети на прикладном уровне.

     Вариантами  данного критерия служат времена реакции, измерянные при различающихся, но зафиксированных состояниях сети:

     1. Полностью ненагруженная сеть. Время реакции измеряется в условиях. Например, когда к серверу 1 обращается только клиент 1, то есть сегмент сети, объединяющей сервер 1 с клиентом 1, лишен иной активности. В данном случае на нем присутствуют только кадры сессии FTP, производительность которой измеряется. В других сегментах сети может циркулировать активный трафик множества клиентов, главное чтобы его пакеты не попадали в сегмент, в котором проводятся измерения. Как правило ненагруженный сегмент является редчайшим и маловероятным случаем, то данный вариант показателя производительности имеет довольно ограниченную применимость. Его хорошие значения говорят только о том, что программное обеспечение и аппаратура двух узлов и сегмента обладают необходимой производительностью, обеспечивающей работу в облегченных условиях. Для работы в реальных условиях, в моменты когда будет иметь место борьба за разделяемые ресурсы сегмента с другими узлами, производительность тестируемых элементов сети может оказаться недостаточной.

     2. Нагруженная сеть. Это более реализуемый и распространенный случай проверки производительности сервиса FTP для конкретных сервера и клиента. Но при измерении критерия производительности в условиях, при которых в сети работает большое количество разных узлов и сервисов, возникают свои сложности. В сети существует слишком большое количество вариантов нагрузки, поэтому главным при определении критериев такого сорта является проведение измерений при некоторых типовых условиях работы сети. Как правило трафик в сети носит пульсирующий характер, и характеристики трафика существенно изменяются в зависимости от времени дня и дня недели. Поэтому определение типовой нагрузки это сложная процедура, требующая длительных измерений на сети. Если же сеть находится в состоянии проектировки, то определение типовой нагрузки заметно усложняется.[13]

     Во  втором примере критерием производительности сети является время задержки между передачей кадра Ethernet в сеть сетевым адаптером клиента 1 и поступлением его на сетевой адаптер сервера 3. Этот критерий тоже относится к критериям «время реакции», но соответствует сервису нижнего «канального» уровня. Так как протокол Ethernet это протокол дейтаграммного типа, то есть протокол без установления соединений, для которого понятие «ответ» не существует, то под временем реакции в этом случае понимается время прохождения кадра от узла-источника до узла-получателя. Задержка передачи кадра в данном случае велючает в себя 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, а так же время передачи кадра из сегмента С в сегмент D повторителем. Относящиеся к нижнему уровню сети критерии хорошо характеризуют качества транспортного сервиса сети, являясь более информативными для сетевых интеграторов, потому 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: средно-взвешенные и пороговые.

     Средно-взвешенный критерий является суммой времен реакции всех или некоторых узлов при взаимодействии со всеми или некоторыми серверами сети по определенному сервису, то есть сумму вида:

     См. Форума 1(Приложение В)

     где T ij это время реакции i-го клиента при обращении к j-му серверу, n это число клиентов, m это число серверов. Если усреднение производится также по сервисам, то в приведенном выражении добавится еще одно суммирование, 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 пороговое число.

     Пороговый критерий отражает наихудшее время  реакции по всем возможным сочетаниям клиентов, серверов и сервисов:

     См. Формула 2(Приложение В)

     где i и j имеют тот же смысл, что и в предыдущей формуле, 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, ведь они гарантируют всем пользователям средне-удовлетворительный уровень реакции сети на их запросы. Средне-взвешенные критерии могут дискриминировать некоторых пользователей, для которых время реакции слишком велико, тогда как при усреднении получен вполне приемлемый результат.

     Можно применять и более дифференцированные по категориям пользователей и ситуациям  критерии. К примеру, можно поставить перед собой цель гарантировать любому пользователю доступ к серверу, который находится в его сегменте, за время, не превышающее пять секунд, а так же к серверам, находящимся в его сети, но в сегментах, отделенных от его сегмента коммутаторами, за время, не превышающее десять секунд, а к серверам других сетей - за время до 1 минуты.[8]

     Теперь  о пропускной способности. Пропускная способность отражает объем данных, который может быть передан сетью или ее частью в единицу времени. Различают три уровня пропускной способности: среднюю, мгновенную и максимальную.

     Средняя пропускная способность вычисляется  путем деления общего объема переданных данных на время их передачи, причем выбирается достаточно длительный промежуток времени: час, день или неделя.

     Мгновенная  пропускная способность отличается от средней пропускной способности тем, что для усреднения выбирается очень маленький промежуток времени, например, 10 мс или 1 с.[5]

     Максимальная пропускная способность это наибольшая мгновенная пропускная способность, зафиксированная в течение периода наблюдения.

     Основная  задача, для любой сети - быстрая передача информации между компьютерами. Потому критерии, связанные с пропускной способностью сети или части сети, отлично отражают качество выполнения сетью ее основной функции.

     Существует  большое количество вариантов определения критериев данного вида, точно также, как и в случае критериев «время реакции». Эти варианты могут отличаться друг от друга, к примеру, выбранной единицей измерения количества передаваемой информации, или характером учитываемых данных(только пользовательские или же пользовательские вместе со служебными), количеством точек измерения передаваемого трафика, способом усреднения результатов на сеть в целом. Рассмотрим различные способы вычисления критерия пропускной способности более подробно.

     Критерии, отличающиеся единицей измерения передаваемой информации. В качестве единицы измерения  передаваемой информации как правило используются пакеты(или кадры, это термины синонимы) либо биты. Пропускная способность , соответственно, измеряется в пакетах в секунду или же в битах в секунду.

     Так как вычислительные сети работают по принципу коммутации пакетов(кадров), то измерение количества переданной информации в пакетах имеет смысл, тем более что пропускная способность коммуникационного оборудования, работающего на канальном уровне и выше, также чаще всего измеряется в пакетах в секунду. Однако, из-за переменного размера пакета(это характерно для всех протоколов за исключением АТМ, имеющего фиксированный размер пакета в 53 байта), измерение пропускной способности в пакетах в секунду связано с некоторой неопределенностью. Пакеты какого протокола и какого размера имеются в виду? Чаще всего подразумевают пакеты протокола Ethernet, как самого распространенного, имеющие минимальный для протокола размер в 64 байта (без преамбулы). Пакеты минимальной длины выбраны в качестве эталонных из-за того, что они создают для коммуникационного оборудования наиболее тяжелый режим работы. Вычислительные операции, производимые с каждым пришедшим пакетом, в очень слабой степени зависят от его размера, поэтому на единицу переносимой информации обработка пакета минимальной длины требует выполнения гораздо больше операций, чем для пакета максимальной длины.

     Измерение пропускной способности в битах в секунду(для локальных сетей более характерны скорости, измеряемые в миллионах бит в секунду - Мб/c) дает более точную оценку скорости передаваемой информации, чем при использовании пакетов.

     Критерии, отличающиеся учетом служебной информации. В любом протоколе имеется  заголовок, переносящий служебную информацию, и поле данных, в котором переносится информация, считающаяся для данного протокола пользовательской. Например, в кадре протокола Ethernet минимального размера 46 байт (из 64) представляют собой поле данных, а оставшиеся 18 являются служебной информацией. При измерении пропускной способности в пакетах в секунду отделить пользовательскую информацию от служебной невозможно, а при побитовом измерении - можно.

     Если  пропускная способность измеряется без деления информации на пользовательскую и служебную, то в этом случае нельзя ставить задачу выбора протокола или стека протоколов для данной сети. Это объясняется тем, что даже если при замене одного протокола на другой мы получим более высокую пропускную способность сети, то это не означает, что для конечных пользователей сеть будет работать быстрее. Если доля служебной информации, приходящаяся на единицу пользовательских данных, у этих протоколов различная(а в общем случае это так), то можно в качестве оптимального выбрать более медленный вариант сети.[12]

     Если  же тип протокола не меняется при  настройке сети, то можно использовать и критерии, не выделяющие пользовательские данные из общего потока.

     При тестировании пропускной способности  сети на прикладном уровне легче всего  измерять как раз пропускную способность по пользовательским данным. Для этого достаточно измерить время передачи файла определенного размера между сервером и клиентом и разделить размер файла на полученное время. Для измерения общей пропускной способности необходимы специальные инструменты измерения - анализаторы протоколов или SNMP или RMON агенты, встроенные в операционные системы, сетевые адаптеры или коммуникационное оборудование.

     Критерии, отличающиеся количеством и расположением  точек измерения. Пропускную способность можно измерять между любыми двумя узлами или точками сети, например, между клиентским компьютером 1 и сервером 3 из примера, приведенного на рисунке 1.2. При этом получаемые значения пропускной способности будут изменяться при одних и тех же условиях работы сети в зависимости от того, между какими двумя точками производятся измерения. Так как в сети одновременно работает большое число пользовательских компьютеров и серверов, то полную характеристику пропускной способности сети дает набор пропускных способностей, измеренных для различных сочетаний взаимодействующих компьютеров, то есть так называемая матрица трафика узлов сети. Существуют специальные средства измерения, которые фиксируют матрицу трафика для каждого узла сети.

     Так как в сетях данные на пути до узла назначения обычно проходят через несколько транзитных промежуточных этапов обработки, то в качестве критерия эффективности может рассматриваться пропускная способность отдельного промежуточного элемента сети: отдельного канала, сегмента или коммуникационного устройства.

     Знание  общей пропускной способности между  двумя узлами не может дать полной информации о возможных путях  ее повышения, так как из общей  цифры нельзя понять, какой из промежуточных  этапов обработки пакетов в наибольшей степени тормозит работу сети. Поэтому данные о пропускной способности отдельных элементов сети могут быть полезны для принятия решения о способах ее оптимизации.

     В рассматриваемом примере пакеты на пути от клиентского компьютера 1 до сервера 3 проходят через следующие  промежуточные элементы сети:

     Сегмент АR Коммутатор R Сегмент ВR Маршрутизатор R Сегмент СR Повторитель R Сегмент D.

     Каждый  из этих элементов обладает определенной пропускной способностью, поэтому общая  пропускная способность сети между  компьютером 1 и сервером 3 будет равна минимальной из пропускных способностей составляющих маршрута, а задержка передачи одного пакета(один из вариантов определения времени реакции) будет равна сумме задержек, вносимых каждым элементом. Для повышения пропускной способности составного пути необходимо в первую очередь обратить внимание на самые медленные элементы, то есть в данном случае таким элементом скорее всего будет маршрутизатор.

     Имеет смысл определить общую пропускную способность сети как среднее  количество информации, переданной между всеми узлами сети в единицу времени. Общая пропускная способность сети может измеряться как в пакетах в секунду, так и в битах в секунду. При делении сети на сегменты или подсети общая пропускная способность сети равна сумме пропускных способностей подсетей плюс пропускная способность межсегментных или межсетевых связей.

     Задержка  передачи определяется как задержка между моментом поступления пакета на вход какого-либо сетевого устройства или части сети и моментом появления  его на выходе этого устройства.

     Обычно  качество сети характеризуют величинами максимальной задержки передами и вариацией  задержки. Как правило, задержки не превышают сотен миллисекунд, реже нескольких секунд. Такого порядка задержки пакетов, порождаемых файловой службой, службой электронной почты или службой печати, мало влияют на качество этих служб с точки зрения пользователя сети.

     Такие же задержки пакетов, переносящих голосовые  данные или видеоизображение, могут приводить к значительному снижению качества предоставляемой пользователю информации, возникновению эффекта «эха», невозможности разобрать некоторые слова, дрожание изображения и т. п. 
 
 

     1.3 Надежность, отказоустойчивость  и безопасность корпоративных компьютерных сетей 

     Важнейшей характеристикой вычислительной сети является надежность, то есть способность правильно функционировать в течение продолжительного периода времени. Это свойство имеет три составляющих: собственно надежность, готовность и удобство обслуживания.

     Повышение надежности заключается в предотвращении неисправностей, отказов и сбоев  за счет применения электронных схем и компонентов с высокой степенью интеграции, снижения уровня помех, облегченных  режимов работы схем, обеспечения тепловых режимов их работы, а также за счет совершенствования методов сборки аппаратуры. Надежность измеряется интенсивностью отказов и средним временем наработки на отказ. Надежность сетей как распределенных систем во многом определяется надежностью кабельных систем и коммутационной аппаратуры: разъемов, кроссовых панелей, коммутационных шкафов и т.п., обеспечивающих собственно электрическую или оптическую связность отдельных узлов между собой.

     Повышение готовности предполагает подавление в  определенных пределах влияния отказов и сбоев на работу системы с помощью средств контроля и коррекции ошибок, а также средств автоматического восстановления циркуляции информации в сети после обнаружения неисправности. Повышение готовности представляет собой борьбу за снижение времени простоя системы.[1]

     Критерием оценки готовности является коэффициент  готовности, который равен доле времени  пребывания системы в работоспособном  состоянии и может интерпретироваться как вероятность нахождения системы  в работоспособном состоянии. Коэффициент готовности вычисляется как отношение среднего времени наработки на отказ к сумме этой же величины и среднего времени восстановления. Системы с высокой готовностью называют также отказоустойчивыми.

     Основным  способом повышения готовности является избыточность, на основе которой реализуются различные варианты отказоустойчивых архитектур. Вычислительные сети включают большое количество элементов различных типов, и для обеспечения отказоустойчивости необходима избыточность по каждому из ключевых элементов сети. Если рассматривать сеть только как транспортную систему, то избыточность должна существовать для всех магистральных маршрутов сети, то есть маршрутов, являющихся общими для большого количества клиентов сети. Такими маршрутами обычно являются маршруты к корпоративным серверам - серверам баз данных, Web-серверам, почтовым серверам и т.п. Поэтому для организации отказоустойчивой работы все элементы сети, через которые проходят такие маршруты, должны быть зарезервированы: должны иметься резервные кабельные связи, которыми можно воспользоваться при отказе одного из основных кабелей, все коммуникационные устройства на магистральных путях должны либо сами быть реализованы по отказоустойчивой схеме с резервированием всех основных своих компонентов, либо для каждого коммуникационного устройства должно иметься резервное аналогичное устройство.

     Переход с основной связи на резервную  или с основного устройства на резервное может происходить  как в автоматическом режиме, так  и вручную, при участии администратора. Очевидно, что автоматический переход повышает коэффициент готовности системы, так как время простоя сети в этом случае будет существенно меньше, чем при вмешательстве человека. Для выполнения автоматических процедур реконфигурации необходимо иметь в сети интеллектуальные коммуникационные устройства, а также централизованную систему управления, помогающую устройствам распознавать отказы в сети и адекватно на них реагировать.