ИССЛЕДОВАНИЕ ЭФФЕКТИВНОЙ ПРОПУСКНОЙ СПОСОБНОСТИ КАНАЛОВ СВЯЗИ

Аннотация

В статье приведены результаты исследования эффективной пропускной способности каналов связи, полученные путем имитационного моделирования и проведения реальных экспериментов на оборудовании.

Полный текст

Введение. Эффективная пропускная способность (ЭПС) канала связи - это средняя скорость передачи пользовательских данных, то есть данных, содержащихся в поле данных каждого пакета. В общем случае эффективная пропускная способность протокола будет ниже номинальной из-за наличия в пакете служебной информации, а также из-за пауз между передачей отдельных пакетов. Знание эффективной пропускной способности каналов связи 10 Мб/с, 100Мб/с,1000 Мб/с является важной задачей при исследовании и расчете показателей производительности компьютерных сетей. Отличие ЭПС от номинальной Рассмотрим подробнее разницу между номинальной и эффективной пропускными способностями на примере протоколов Ethernet, Fast Ethernet и Gigabit Ethernet. Номинальная про пускная способность протокола Ethernet составляет 10 Мб/с, Fast Ethernet - 100 Мб/с и Gigabit Ethernet - 1000 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/с время передачи одного кадра минимальной длины составляет 57,6 мкс. Реальная (эффективная) пропускная способность по пользовательским данным в сети может быть только меньше приведенного выше значения (10 Мб/с для кадров данного размера). Отношение реальной пропускной способности сегмента, канала или устройства к его номинальной пропускной способности называется коэффициентом использования (utilization) сегмента, канала или устройства соответственно. Эффективная пропускная способность существенно отличается от номинальной пропускной способности протокола, что говорит о необходимости ориентации именно на эффективную пропускную способность при выборе типа протокола для того или иного сегмента сети. Моделирование ЭПС Были проведены расчеты в пакете Opnet Mo deler (см. рис. 1), направленные на теоретическое Таблица 1. Результаты расчета для пропускных способностей и загрузки каналов связи № Канал связи Размер файла Количество пакетов информации Время передачи ЭПС 1 10 Мб/с 100 Мб 137428 80 с 97% 2 10 Мб/с 1Гб 1407263 810 с 96% 3 10 Мб/с 10 Гб 14072632 9000 с 85% 4 100 Мб/с 100 Мб 137428 8 с 76% 5 100 Мб/с 1Гб 1407263 82 с 93% 6 100 Мб/с 10 Гб 14072632 910 с 96% 7 1000 Мб/с 100 Мб 137428 0,9 с 79% 8 1000 Мб/с 1Гб 1407263 8 с 93% 9 1000 Мб/с 10 Гб 14072632 82 с 83% «Инфокоммуникационные технологии» Том 11, № 1, 2013 38 Тарасов В.Н., Шатов Л.Г. исследование эффективной пропускной способности каналов связи в компьютерных сетях (см. таблицу 1, где приведены расчеты для каналов связи различных пропускных способностей и загрузки каналов). По результатам проведенных исследований в пакете Opnet Modeler были получены следующие данные. Приведем примеры некоторых из них. Был взят канал связи 10 Мб/с и количество пакетов информации, передаваемое по этому каналу, равное 137428 величиной 763 байта каждый (половина от максимальной длины кадра 1526 байтов). Эффективная пропускная способность данного канала составила 77%. Далее был взят канал связи 100 Мб/с и количество пакетов информации, передаваемое по этому каналу, равное 1407263 величиной 763 байта каждый. Эффективная пропускная способность данного канала составила 76%. Наконец, был взят канал связи 1000 Мб/с и количество пакетов информации, передаваемое по этому каналу, равное 14072632 величиной 763 байта каждый. Эффективная пропускная способность данного канала составила 83%. Пример моделирования представлен на рис. 1. Под номинальной пропускной способностью обычно понимается битовая скорость передачи данных, поддерживаемая на интервале передачи одного пакета. Рис. 1. Пример моделирования в системе Opnet Modeler Экспериментальное исследование ЭПС Были проведены эксперименты, направленные на практическое исследование эффективной пропускной способности каналов связи в компьютерных сетях. В табл.2 приведены ре зультаты исследования эффективной пропускной способности через сетевое соединение двух компьютеров при помощи витой пары типа «cross», схема соединения которых представлена на рис. 2. Рис. 2. Соединение двух компьютеров при помощи витой пары типа «cross» Рис. 3. Соединение двух компьютеров при помощи коммутатора «Инфокоммуникационные технологии» Том 11, № 1, 2013 Тарасов В.Н., Шатов Л.Г. 39 Таблица 2. Результаты исследования эффективной пропускной способности через сетевое соединение двух компьютеров при помощи витой пары типа «cross» № Канал связи Размер файла Количество пакетов информации Время передачи Эффективная пропускная способность 1 10 Мб/с 100Мб 137428 80 с 97,5% 2 10 Мб/с 1Гб 1407263 810 с 98% 3 10 Мб/с 10Гб 14072632 9000 с 88% 4 100 Мб/с 100Мб 137428 8 с 76% 5 100 Мб/с 1Гб 1407263 82 с 96,8% 6 100 Мб/с 10Гб 14072632 910 с 96,8% 7 1 Гб/с 100Мб 137428 0,9 с 79,6% 8 1 Гб/с 1Гб 1407263 8 с 95% 9 1 Гб/с 10Гб 14072632 82 с 86% Таблица 3. Результаты исследования эффективной пропускной способности через сетевое соединение двух компьютеров при помощи коммутатора № Канал связи Размер файла Количество пакетов информации Время передачи Эффективная пропускная способность 1 10 Мб/с 100Мб 137428 80 с 97,5% 2 10 Мб/с 1Гб 1407263 810 с 98% 3 10 Мб/с 10Гб 14072632 9000 с 88% 4 100 Мб/с 100Мб 137428 8с 76% 5 100 Мб/с 1Гб 1407263 82 с 96,8% 6 100 Мб/с 10Гб 14072632 910 с 76,8% 7 1 Гб/с 100Мб 137428 0,9 с 79,6% 8 1 Гб/с 1Гб 1407263 8с 95% 9 1 Гб/с 10Гб 14072632 82 с 86% В таблице 3 приведены результаты исследования эффективной пропускной способности через сетевое соединение двух компьютеров при помощи коммутатора, схема соединения которых представлена на рис. 3. По результатам проведенных исследований через сетевое соединение двух компьютеров при помощи коммутатора были получены следующие данные. Был использован канал связи 10 Мб/с, по которому были переданы файлы: размером 100 Мб, эффективная пропускная способность которого составила 75,5%, размером 1 Гб, эффективная пропускная способность которого составила 98%, размером 10 Гб, эффективная пропускная способность которого составила 88%. Далее был использован канал связи 100 Мб/с, по которому были переданы те же файлы. В результате эффективная пропускная способность файла размером 100 Мб составила 76%,размером 1 Гб - 96,8% и размером 10 Гб - 76,8%. Затем был использован канал связи 1000 Мб/с, по которому были переданы те же файлы. В результате эффективная пропускная способность файла размером 100 Мб составила 79,6%, размером 1 Гб - 95% и размером 10 Гб - 86%. В завершение были проведены те же исследования с теми же файлами, но через сетевое соединение двух компьютеров при помощи коммутато «Инфокоммуникационные технологии» Том 11, № 1, 2013 40 Тарасов В.Н., Шатов Л.Г. ра. Эксперимент дал результаты, которые можно увидеть в таблице 3. Отсюда можно сделать вывод, что пропускная способность каналов связи не зависит от того, каким образом они подключены. Задача выбора коммуникационных протоколов Эта задача может решаться относительно независимо для канального уровня с одной стороны (Ethernet, TokenRing, FDDI, Fast Ethernet, Gigabit Ethernet, ATM) и пары «сетевой - транспортный протокол» с другой стороны (IPX/SPX, TCP/IP, NetBIOS). На выбранный критерий оптимизации сети влияет большое количество параметров различных типов. В наибольшей степени на производительность сети влияют: - используемые коммуникационные протоколы и их параметры; - доля и характер широковещательного трафика, создаваемого различными протоколами; - топология сети и используемое коммуникационное оборудование; - интенсивность возникновения и характер ошибочных ситуаций; - конфигурация программного и аппаратного обеспечения конечных узлов. Каждый протокол имеет свои особенности, предпочтительные области применения и настраиваемые параметры, что и дает возможность за счет выбора и настройки протокола влиять на производительность и надежность сети. Настройка протокола может включать в себя изменение таких параметров, как - максимально допустимый размер кадра, - величины тайм-аутов (в том числе время жизни пакета), - для протоколов, работающих с установлением соединений, - размер окна неподтвержденных пакетов, а также некоторых других. Время доступа к среде определяется как логикой самого протокола, так и степенью загруженности сети. В локальных сетях пока доминируют разделяемые среды передачи данных, требующие выполнения определенной процедуры для получения права передачи кадра. В протоколах Ethernet и Fast Ethernet используется алгоритм случайного доступа с обнаружением коллизий CSMA/CD, а в протоколах TokenRing и FDDI - алгоритм, основанный на детерминированной передаче токена доступа. Новый стандарт 100VG-AnyLAN использует алгоритм доступа DemandPriority, при котором решение о предоставлении доступа принимается центральным элементом - концентратором. Время доступа к среде складывается из номинального времени доступа и времени ожидания доступа. Номинальное время доступа определяется как время доступа к незагруженной среде, когда узел не конкурирует с другими узлами. Номинальное время доступа к незанятой среде протоколов TokenRing и FDDI в 5-10 раз превышает соответствующее время протокола Ethernet, так как в незанятой сети Ethernet станция практически мгновенно получает доступ, а в сети TokenRing она должна дождаться прихода маркера доступа. Другая составляющая времени доступа к среде - время ожидания - зависит от задержек, возникающих из-за разделения передающей среды между несколькими одновременно работающими станциями. Время ожидания зависит как от алгоритма доступа, так и от степени загруженности среды, причем зависимость времени ожидания от степени загрузки (коэффициента использования) сети для большинства протоколов носит экспоненциальный характер. Наиболее чувствителен к загруженности среды метод доступа протокола Ethernet, для которого резкий рост времени ожидания начинается уже при величинах коэффициента использования в 30-50%. Поэтому для нормальной работы сети 10 М&'< 3,75 Мб/с 5,48 Мб/с бмке^^® ^5.6ык™9. бмк^^. быке 9.бмкс Номинальная пропускная способность Максимально возможная эффективная пропускная способность на длинных пакетах Максимально возможная эффективная пропускная способность на коротких пакетах Р еком ендуемый уровень загрузки сети Рис. 4. Характеристики пропускной способности сети Ethernet «Инфокоммуникационные технологии» Том 11, № 1, 2013 41 сегменты Ethernet не рекомендуется нагружать свыше 30% (см. рис. 4). Даже если среднее значение коэффициента использования находится в норме, но имеются пиковые значения, превышающие 60%, то это является свидетельством того, что сеть работает ненормально и требует проведения дополнительных исследований. Заключение 1. По результатам проведенных исследований эффективной пропускной способности каналов связи теоретически (в пакете Opnet Modeler) и экспериментально (соединением двух компьютеров при помощи коммутатора, а также витой пары типа «cross») можно сделать вывод о том, что результаты исследования имеют расхождения. Эти расхождения совсем незначительные (относительная погрешность менее 4%) и могут быть использованы для сравнения результатов аналогичных исследований пропускной способности каналов связи. 2. Выбранные протоколы канального уровня (Ethernet, Fast Ethernet, Gigabit Ethernet) были выбраны для исследований в связи с тем, что принципы их работы реализованы в пакете OPNET Modeler, а также они являются наиболее доступными для практического использования.