ПРОГРАММНОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ АНАЛИЗА И ОПТИМИЗАЦИИ СЕТИ Методическое пособие по дисциплине «Программное обеспечение компьютерных сетей и информационных систем»

Новый тип (сетевого) программного обеспечения В последние годы появился новый тип (сетевого) программного обеспечения, призванный обеспечивать эффективную работу сетей ЭВМ. Дело в том, что современные компьютерные сети тяготеют к глобализации и усложнению топологии, при этом (стихийно) развивающаяся сеть часто становится неэффективной (а иногда и неработоспособной) вследствие неправильного выбора пропускных способностей и распределения потоков в сети; обычно деградация сети внешне (с точки зрения пользователя) проявляется в катастрофической задержке передачи сообщений (вплоть до полной блокировки сети).

Сеть ARPANET – прообраз InterNet. Пожалуй, впервые указанные проблемы проявились в 70-х годах в связи с постройкой и эксплуатацией сети принадлежащего Министерству обороны США Управления перспективных исследований (DARPA), принятое название - сеть ARPANET; в настоящее время данная сеть считается прообразом глобальной сети InterNet.

История создания Сеть создавалась на случай ядерной войны и предполагала, что любой компьютер в сети может перестать функционировать в произвольный момент времени, равно как и линии связи между компьютерами. Именно такая постановка задачи привела к рождению сетевой технологии, которая впоследствии фактически стала технологией всемирной сети

ARPANET уже к 1975 году обеспечивала службу передачи сообщений между почти 100 ЭВМ, географически разнесенным по континентальной части США и подключенных спутниковой связью (через Гавайи) к нескольким точкам в Европе, причем соединенные сетью ARPANET вычислительные машины во многих отношениях являлись несовместимыми друг с другом по аппаратному и программному обеспечению.

Именно тогда был обеспечен сетевой доступ к мощнейшей для того времени ЭВМ ILLIAC IV и были широко применены (с целью разгрузки вычислительных машин от выполнения задач обработки необходимых для функционирования сети сообщений) вышеупомянутые IMP.

Сеть ARPANET была спроектирована как для быстрой доставки коротких диалоговых сообщений, так и для обеспечения высокой скорости передачи длинных файлов, при этом стратегия выбора маршрута в сети принимается в каждом процессоре IMP на основе получаемой от соседних процессоров IMP информации и местной информации, включающей сведения о состоянии каналов данного IMP-процессора

Заметим, что сети общего пользования сложной топологии с коммутацией пакетов появились не только в США сети ARPANET и TELNET), но и в Канаде (DATAPAC), Англии (EPSS), Европе (EIN), Франции (TRANSPAC), Японии, Испании, Швеции и некоторых других странах.

Задачи анализа и проектирования сетей нескольких типов В связи с проектированием и эксплуатацией сети ARPANET формулировались и решались задачи анализа и проектировании сетей нескольких типов. Базовой задачей является анализ задержки - определение средней задержки передачи сообщения по заданному пути в сети (от конкретного источника к конкретному получателю сообщений).

Конечным результатом является зависимость задержки от интенсивности требований на обслуживание; обычно график этой зависимости имеет начальный мало изменяемый участок при изменении нагрузки от нуля до некоторой пороговой величины и экспоненциально возрастает при нагрузке выше пороговой (соответствующей нагрузке насыщения сети), нагрузка насыщения сети соответствует блокировке сети по данному маршруту.

На рис.3.3 приведен типовой график данных расчета времени задержки, ясно видно пороговое значение нагрузки сети.

Задачи расчетов и оптимизации сети: Задача выбора пропускных способностей Задача распределения потоков Задача выбора пропускных способностей и распределения потоков

Задача выбора пропускных способностей т.н. ВПС-задача - оптимальный (обычно по критерию стоимости сети) выбор пропускных способностей из конечного набора их возможных значений (при этом топология и потоки в сети считаются заданными).

Задача распределения потоков (т.н. РП-задача) - фактически обратная вышеприведенной ВПС- задаче (заданными считаются пропускные способности, а определяются потоки из условия минимизации средней задержки).

Задача выбора пропускных способностей и распределения потоков (комбинированная ВПС/РП - задача) - минимизация стоимости сети при заданной топологии и ограничениях на величину максимальной задержки.

При постановке задач используются несколько способов представления сети - географическая и логическая карты сети и структура сети (рис.3.4).

На левой части рис.3.5 показана достаточно общая структурная схема сети ЭВМ; при этом прямоугольниками представлены вычислительные средства выполнения задач обработки и хранения, соединенные друг с другом с помощью подсети связи (состоящей из коммутационных ЭВМ и высокоскоростных каналов передачи данных). Правая часть рис.3.5 иллюстрирует последний (перед этапом численного моделирования) этап представления топологии сети.

Вышеуказанные задачи трудоемки в постановке и разрешении, для получения решения необходимо применять компьютерное моделирование. При решении задач используются элементы теории графов и теории массового обслуживания, распределение потока поступления требований (на обслуживание связи) обычно принимается пуассоновским.

Задача выбора оптимальных параметров сети Наиболее сложной задачей является задача выбора оптимальных параметров сети (в основном маршрутов передачи сообщений между узлами сети - при заданной топологии) при заданной максимальной средней задержке (ВТПС/РП-задача); часто используют ВМУР (Вогнутый Метод Устранения Ребер) и МЗР (Метод Замены Ребер) - алгоритмы решения задачи.

Как сформулировано в работе, хорошая процедура выбора маршрута должна 1. Обеспечивать быструю и надежную доставку сообщений. 2. Адаптироваться к изменениям топологии сети, происходящим в результате повреждений узлов и каналов. 3. Адаптироваться к меняющейся нагрузке между парами источник- получатель. 4. Направлять пакеты в сторону от временно перегруженных узлов в сети. 5. Определять связность сети. 6. Допускать простое и автоматическое снятие и установку процессоров IMP.

Распределенный алгоритм управления. Такую задачу можно решить лишь путем применения распределенного алгоритма управления. Это значит, что не существует центра, который принимал бы обязательные для всей сети решения, все узлы выносят местные решения относительно маршрутов динамическим образом.

Основанное на подобных предпосылках программное обеспечение было протестировано применительно к сети ARPANET; было показано, что процедура выбора маршрутов является в основном стабильной и приводит к очень хорошим результатам, в разумной степени реагирует на повреждения узлов и каналов сети, автоматически узнает о появлении нового узла (как только он присоединяется к сети или возвращается после исправления), эта особенность сети ARPANET является замечательной технической стороной данной сети.

Для заинтересовавшихся проблемой рекомендуется работа [9]; там же приведена обширная библиография. Заметим, что в дальнейшем многие из перечисленных разработок были использованы в сети InterNet.

Таким образом, логично предположить, что в состав сетевого ПО (даже для ЭВМ уровня персонального компьютера) все чаще будут включаться решающее вышеприведенные задачи программные компоненты. Например, для обслуживания баз данных фирмой Inprise Corp. в настоящее время разрабатывается эффективная технология выбора сервера с учетом загрузки процессоров и сетевого трафика функционирующих в сети серверов [7], что позволит более равномерно распределять нагрузку между серверами); в будущем они станут обязательными для системы распределенных вычислений (распределенной ОС).

Представляет интерес также разработанная для сети Inter- Net технология (и соответствующий протокол) MPLS (MultiProtocol Label Switching - многопроцессорная коммутация с заменой меток), реализующая концепции известной ATM-технологии в обобщенном виде (Asynchronous Transfer Mode - поддерживаемая консорциумом известных компаний техно- логия, основанная на использовании упаковки разнородных типов данных в ячейки - cells и создании функционирующих определенное время виртуальных соединений в физическом канале связи с целью обеспечения гарантированной по времени доставки сообщений; в настоящее время ATN- технология считается перспективной для транспортировки чувствительных к временной задержке сообщений - например, цифровой телефонии, телевидения).

Литература 1. Нанс Б. Компьютерные сети. Пер. с англ. -М.: БИНОМ, c. 2. Сетевые средства WindowsNT. Пер с англ. -СПб.: BHV- Санкт-Петербург, c. 3. Чаппел Л.,Хейкс Д. Анализ локальных сетей NetWare (фирменное руководство Novell). -М.: ЛОРИ, c. 4. Нессер Д. Оптимизация и поиск неисправностей в сетях. - Киев.: Диалек- тика, Кастер Х. Основы WindowsNT и NTFS. Пер. с англ. -М.: Русская редакция ТОО Channel Trading Ltd., c.