Кадырова А.С., Сайларбек С., Хаби Н.
Восточно-Казахстанский
государственный университет имени С. Аманжолова, Казахстан
При изучении работы компьютерной сети мы обратили
внимание на зависимость ее производительности от типа коммуникационного
протокола.
При настройке сети мы обратили внимание на различие
номинальной и эффективной пропускной способность протокола. Под номинальной пропускной способностью
обычно понимается битовая скорость передачи данных, поддерживаемая на интервале
передачи одного пакета. Эффективная
пропускная способность протокола – это средняя скорость передачи
пользовательских данных, то есть данных, содержащихся в поле данных каждого
пакета. Эффективная пропускная способность протокола ниже номинальной из-за
наличия в пакете служебной информации, а также из-за пауз между передачей
отдельных пакетов.
Рассмотрим подробнее разницу между номинальной и
эффективной пропускными способностями на примере протокола Ethernet.
Номинальная пропускная способность протокола Ethernet
составляет 10 Мб/с, что означает, что биты внутри кадра передаются с интервалом
в 0.1 мкс. Кадр состоит из 8 байт преамбулы, 14 байт служебной информации -
заголовка, 46 байт пользовательских данных и 4 байт контрольной суммы, всего –
72 байта или 576 бит. При номинальной пропускной способности 10 Мб/c время
передачи одного кадра минимальной длины составляет 57.6 мкс.
По стандарту между кадрами должна выдерживаться
технологическая пауза в 9.6 мкс. Поэтому период повторения кадров составляет
57.6 + 9.6 = 67.2 мкс. Отсюда эффективная пропускная способность протокола
Ethernet при использовании кадров минимальной длины составляет 46 * 8/67.2 = 5.48 Мб/c.
Реальная пропускная способность по пользовательским
данным в сети может быть только меньше приведенного выше значения 5.48 Мб/с
(для кадров данного размера).
Эффективная пропускная способность отличается от
номинальной пропускной способности протокола, поэтому при выборе типа протокола для того или иного сегмента сети надо
обращать внимание на эффективную пропускную способность. Оказалось, что для протокола Ethernet эффективная
пропускная способность составляет примерно 71,1% от номинальной, а для
протокола FDDI - около 92,3%.
Пропускная способность протокола часто измеряется и в
количестве кадров, передаваемых в секунду. Для протокола Ethernet эта
характеристика для кадров минимальной длины составляет 14880 К/с, поэтому при измерении пропускной способности в
кадрах в секунду нет смысла разграничивать номинальную и эффективную пропускную
способности.
Почти все протоколы канального уровня локальных сетей
поддерживают одну фиксированную номинальную пропускную способность: Ethernet –
10 Мб/с, TokenRing – 16 Мб/c, FDDI, FastEthernet и 100VG-AnyLAN – 100 Мб/c.
Поэтому, если для улучшения работы сети мы хотим варьировать номинальной
пропускной способностью протокола, то для этого нам потребуется заменять один
протокол на другой, но для этого требуется
значительные материальные затраты.
Параметр, который определяет, как долго может
путешествовать пакет по составной сети, имеется во многих протоколах сетевого
уровня. В протоколе IP этот параметр называется Time-To-Live, TTL (Время
жизни), а в протоколе IPX – Distance (Расстояние). Этот параметр используется
для того, чтобы маршрутизаторы, обрабатывающие заголовки сетевого протокола,
имели информацию о том, как долго перемещался пакет по сети до того, как прибыл
в данный маршрутизатор. Если пакет путешествует по сети слишком долго, то имеется
большая вероятность, что он по каким-то причинам «заблудился». Рекомендаций по
выбору начального значения поля TTL в протоколе IP не существует – это значение
подлежит настройке путем натурного экспериментирования или моделирования.
Величина тайм-аута – это основной параметр настройки
протоколов, работающих в соответствии с алгоритмом простоев источника. Слишком
маленькие значения тайм-аута могут вызвать нежелательное снижение пропускной
способности. Это может произойти в большой составной сети, в которой работают
перегруженные маршрутизаторы, медленно обрабатывающие потоки пакетов. Если
задержки передачи пакетов превзойдут значение тайм-аута, то исходный узел будет
повторно передавать пакеты, которые на самом деле не были потеряны, а просто
слишком медленно шли до узла назначения.
Рассмотрим на примере, насколько может снизиться
пропускная способность сети NetWare при значении тайм-аута в 0.5 секунды и
уровне потерянных и искаженных пакетов всего в 3%.
Пусть в обоих случаях между клиентом и сервером
передается файл размером в 240 000 байт. Файл передается с помощью протокола
IPX со служебным заголовком в 30 байт и протокола Ethernet с размером
служебного заголовка в 26 байт (с учетом преамбулы). Размер служебного
заголовка самого протокола NCP составляет 20 байт.
Пусть файл передается частями по 1000 байт. Всего для
передачи файла потребуется 240 пакетов. Размер кадра Ethernet, переносящего
1000 байт передаваемого файла, составит 1000 + 20 + 30 + 26 = 1076 байт или
8608 бит. Размер квитанции NCP, которая подтверждает получение пакета, равен 10
байтам, что дает размер кадра Ethernet, переносящего квитанцию в 86 байт или
688 бит.
Предположим, что время обработки одного пакета на
клиентской стороне составляет 650 мкс, а на сервере – 50 мкс. В этих условиях
время одного цикла передачи очередной части файла в идеальной сети составит
860.8 + 68.8 + 650 + 50 = 1629.6 мкс.
Общее время передачи файла в 240 000 байт составит при
этом 240х1629.6 = 0.391 секунды, а эффективная пропускная способность сети –
240000/0.391 = 613810 байт/с или 4.92 Мб/c.
При потере (независимо от причины) 3% кадров Ethernet
повторная передача кадра начинается только после истечения тайм-аута в 0.5 сек.
Всего таких случаев за время передачи файла будет 240 * 0.03 = 7. Следовательно,
время передачи файла возрастет на 7 * 0.5 = 3.5 сек, а общее время передачи
файла составит 0.391 + 3.5 = 3.891 сек. Пропускная способность сети при этом
становится равной 240000/3.891 = 61680 байт/c или 0.49 Мб/c.
Таким образом, при наличии
в сети NetWare всего 3% потерянных или искаженных пакетов пропускная
способность этой сети снижается в 10 раз.
Для исследования реальных сетей мы используем
средства моделирования. Эксперименты при огромном количестве сочетаний
параметров сети занимают много времени, поэтому для описания процессов можно
использовать модели теории массового обслуживания. В локальных сетях протоколы
канального уровня используют методы доступа к среде, основанные на ее
совместном использовании несколькими узлами, из-за этого возникают очереди. Механизм
разделения среды протокола Ethernet упрощенно описывается простейшей моделью
типа одноканальной моделью с пуассоновским потоком заявок и показательным
законом распределения времени обслуживания.
Она хорошо описывает процесс обработки случайно поступающих заявок
(пакетов) на обслуживание системами с одним обслуживающим прибором (среда Ethernet)
со случайным временем обслуживания и буфером для хранения поступающих заявок на
время, пока обслуживающий прибор занят выполнением другой заявки.
Литература: