Требования к современным компьютерным сетям
Примеры сетевых архитектур
Методика оценки сетевых архитектур
Корреляционный анализ
Совместная обработка изображений
Моделирование окружающей среды
Построение сетей

В связи с развитием компьютерных технологий разработка сетей усложнилась. Архитектура используемых сетей должна измениться так, чтобы соответствовать требованиям распределенных приложений. При этом новые архитектуры часто предполагают использование новых технологий. К сожалению, нередко разработчики сетей бывают плохо о них осведомлены, что затрудняет выбор наиболее подходящей технологии и оценку эффективности сети. В этой статье рассматриваются передовые сетевые разработки и проводится сравнительный анализ сетевых технологий.

Требования к современным компьютерным сетям

"Сеть - это компьютер" гласит девиз фирмы Sun, в котором нашли свое отражение веяния нашего времени. Представление о сети как о "трубопроводе", по которому передается информация от компьютера к компьютеру, безнадежно устарело. При более пристальном взгляде на современные информационные технологии оказывается, что сеть - это, прежде всего, основа для работы программного обеспечения. Разработчики программ уже не могут не учитывать связи между компьютерами, которые обеспечивает сеть. Это заставляет владельцев вычислительных систем пересмотреть стратегию создания сети и работы с ней. Современные вычислительные сети не только обеспечивают связь между компьютерами, но и являются основой для распределенных вычислений.

Какой же должна быть современная компьютерная сеть? Специалисты, занимающиеся разработкой вычислительных систем, и сетевые администраторы стремятся обеспечить выполнение трех основных требований, предъявляемых к сети, а именно:

  • хорошей масштабируемости,
  • высокой производительности,
  • управляемости.

Хорошая масштабируемость необходима для того, чтобы можно было менять число пользователей, работающих в сети, или количество программ, которые в ней используются. Высокая производительность сети требуется для ускорения работы программ. И наконец, сеть должна быть управляемой, чтобы ее можно было легко перенастроить для удовлетворения постоянно меняющихся потребностей современных предприятий.

Эти требования отражают новый этап в развитии сетевых технологий - этап создания высокопроизводительных сетей. Большинство организаций с успехом прошло через более ранние этапы установления связи между компьютерами и создания базового взаимодействия между основными системами. Теперь им необходимо решить проблему развертывания в производственной среде сетевого программного обеспечения непрерывного действия. При использовании сети необходимо, чтобы программы (и сетевая инфраструктура) могли обеспечивать большое количество операций "клиент-сервер". Если же архитектура сети не предназначена для распределенных вычислений, то система будет работать неэффективно. Поэтому многие организации, используя передовые информационные технологии, стремятся добиться максимальной производительности своей сети.

Так ли уж важна производительность? Задержки в компьютерной сети измеряются сотыми или даже тысячными долями секунды. Но задержка на одну сотую долю секунды может сильно замедлить работу пользователей, если она будет повторяться тысячу раз во время каждой сетевой операции. Огромное количество таких ничтожных, на первый взгляд, задержек происходит и в современных клиент-серверных системах, что может существенно снизить эффективность работы сети. Небольшая разница в скорости, обеспечиваемой различными сетевыми технологиями (мостами, маршрутизаторами, коммутаторами и т.д.), приводит к серьезным различиям в важных характеристиках работы сети, в которой использованы эти технологии, - в скорости реакции программного обеспечения и возможном количестве пользователей.

Специалисты по проектированию сетей могут, конечно, несколько увеличить число пользователей, тщательно настроив сеть на одну конкретную программу. Однако это обычно вредит другим вычислительным процессам. Например, если настроить сеть для передачи больших файлов, то большее число пользователей получит возможность одновременно заниматься обработкой изображений. Но такая настройка снизит производительность программ классического клиент-серверного типа (например, при работе с базами данных). Поэтому при выборе архитектуры вычислительной системы нужно учитывать, как и в каком режиме будет использоваться сеть.

Примеры сетевых архитектур

Своеобразие новых программ и технологий усложняет разработку вычислительных систем. Централизованные ресурсы, новые классы программ, новые принципы их применения, изменение информационных потоков, увеличение числа одновременно работающих пользователей и более мощные вычислительные платформы - все эти факторы нужно учитывать при разработке компьютерной сети. Создано большое количество технологических и архитектурных решений, и выбрать из них наиболее подходящее - достаточно сложная задача.

Различные сетевые технологии обеспечивают разное время реакции и общей пропускной способности сети (рисунок 1). Технологии коммутации кадров и ячеек позволили увеличить пропускную способность сети, дали возможность передавать большие объемы данных за короткое время. Такие технологии, как ATM и Ethernet, обеспечивают пропускную способность сети в диапазоне от 10 до 100 Мбит/с и выше. В ЛВС и глобальной сети диапазон пропускной способности составляет шесть порядков (от 1 тыс. бит/с до 1 млрд бит/с), а сетевых задержек - четыре порядка (от 1 с до 1 мс). Для сравнения - различие в скорости передачи данных между X.25 и ATM-коммутацией в ЛВС сопоставимо с разницей в размерах дома на одну семью и Североамериканского континента. К сожалению, трудно определить, каким может быть максимальное число пользователей и каково будет время реакции сети на их запросы при использовании каждой из этих технологий.

Picture 1

Рисунок 1.
Ландшафт производительности.

Как же выбрать подходящую сетевую архитектуру? Общих рекомендаций нет. Требования к сети, обусловленые используемым программным обеспечением, так же многочисленны и разнообразны, как сами программы. Мы рассмотрим некоторые сетевые архитектуры, используемые при проектировании:

  • маршрутизируемая фрагментированная магистраль;
  • FDDI-магистраль;
  • сеть с коммутацией кадров 10/100;
  • ATM и коммутация кадров.

Первые две конфигурации считаются стандартными и уже давно используются в компьютерных сетях, две последние разработаны недавно. Современные технологии, основанные на коммутации, позволяют не только повысить производительность сети, но и улучшить ее управляемость. Это становится возможным за счет так называемой виртуализации сетевых ресурсов, которая позволяет создавать логические группы пользователей и компьютеров. Такие логические группы более наглядны, их проще поддерживать и изменять, чем физические подсети, определяемые маршрутизатором. Кроме того, коммутация кадров повышает удобство использования уже имеющейся сети. В тех случаях, когда коммутация кадров 10/100 сопоставима с FDDI-магистралью, она допускает непосредственное подключение к любому устройству, имеющему интерфейс Ethernet или Token Ring. Создание же FDDI-магистрали требует дополнительных вложений в маршрутизаторы и FDDI-интерфейсы. Поэтому реализация архитектуры на основе коммутации, вероятно, обойдется дешевле.

Итак, обсудим каждую конфигурацию более подробно.

Маршрутизируемая фрагментированная магистраль (рисунок 2) состоит из маршрутизатора среднего класса, поддерживающего различные протоколы и связывающего рабочие группы Ethernet с сегментом центрального сервера или серверов. Такая архитектура позволяет поддерживать связь между магистралью и рабочей группой. Достоинствами маршрутизируемой магистрали являются отличное управление протоколами, разделение рабочих групп и простота обслуживания. Для настройки всех подсетей достаточно управлять всего одним устройством - маршрутизатором.

Picture 2(1x1)

Рисунок 2.
Маршрутизируемая магистраль.

Недостатком такой сети является ее ограниченная масштабируемость. Кроме того, для поддержания в маршрутизируемой магистрали достаточно большой скорости передачи данных необходим очень производительный маршрутизатор. Эта архитектура не предусматривает никакой

иерархической структуры магистрали, поскольку сервер напрямую подключается к ней через 10 Мбит/с Ethernet. Такое подключение может создавать заторы, например когда большое число пользователей хочет получить доступ к совместно используемой базе данных.

FDDI-магистраль (рисунок 3) - это единый канал, связывающий FDDI-серверы с рабочими группами Ethernet через один или несколько маршрутизаторов среднего класса. Такая сеть может объединять компьютеры, расположенные в отдельном здании или небольшом университетском городке.

Picture 3(1x1)

Рисунок 3.
FDDI-магистраль.

Простота управления протоколами и возможность установки защитного экрана на границе между рабочей группой и магистралью - основные достоинства такой архитектуры. Высокоскоростная магистраль обрабатывает общий поток информации и высокоскоростные операции сервер-сервер. Хорошая масштабируемость обеспечивается тем, что к FDDI-магистрали можно подключить много рабочих групп и маршрутизаторов, прежде чем будут полностью исчерпаны ресурсы этой архитектуры.

Однако изменение конфигурации сети приводит к появлению большого количества портов на маршрутизаторах, каждый со своим адресом подсети. Управление всеми устройствами и адресами - тяжелая работа, с которой может справиться только опытный администратор. Ретрансляция между маршрутизатором Ethernet и FDDI-сетью может снизить производительность программного обеспечения. Проблема усугубляется, если FDDI-магистраль необходимо сегментировать для передачи больших объемов информации.

Сеть с коммутацией кадров 10/100 (рисунок 4) строится на основе коммутаторов, каждый из которых имеет двенадцать 10 Мбит/с интерфейсов с концентраторами рабочих групп (или рабочими станциями) и два 100 Мбит/с интерфейса для связи с серверами. Такая архитектура может использоваться для обеспечения высокой производительности сети в рабочих группах или для создания магистрали.

Picture 4(1х1)

Рисунок 4.
Сеть с коммутацией кадров 10/100.

Эта архитектура очень проста, что облегчает управление сетью. При этом "чистые" Ethernet-сети обычно работают по принципу plug-and-play. "Virtual LAN" позволяет создавать логические рабочие группы и устанавливать защитный экран. Высокая производительность сети обеспечивает хорошее время реакции клиент-серверного программного обеспечения при передаче информации между серверами и централизованными ресурсами.

К сожалению, продукты для такой архитектуры, поддерживающие сети Token Ring, появились только к концу 1995 г., поэтому их "развитие" несколько запоздало. Кроме того, способы объединения пользователей и устройств в логические группы с помощью коммутаторов не стандартизированы, и реализация этой возможности у различных производителей может различаться. Поэтому при создании сети очень важно правильно выбрать производителя продуктов для коммутации кадров.

ATM-коммутатор связывает ATM-серверы, адаптеры Adj Path и 150 Мбит/с ATM-каналы с коммутатором ячеек магистрали (рисунок 5). Адаптеры Adj Path обеспечивают 10 Мбит/с Ethernet-связи серверов с рабочими группами или отдельными компьютерами. Такая архитектура может использоваться для обеспечения высокой производительности в рабочих группах или создания магистралей в одном или нескольких зданиях.

Picture 6(1х1)

Рисунок 5.
ATM и коммутацией кадров.

Созданная в соответствии с такой архитектурой высокоскоростная магистраль позволяет обрабатывать большое количество информации и эффективно осуществлять операции сервер-сервер. Отличная масштабируемость этой архитектуры позволяет создавать смешанную систему коммутаторов кадров или ячеек. Скорость отдельного интерфейса можно увеличить с помощью Fast Ethernet или более скоростных ATM-связей. "Virtual LAN" позволяет создавать рабочие группы управления, а серверы могут быть централизованы, хотя логически будут оставаться близко к пользователям, что упрощает администрирование сети.

ATM - сравнительно молодая технология, поэтому стандарты для нее еще не до конца сформированы. Следовательно, ATM-решения потребуют контактов с поставщиками оборудования.

Методика оценки сетевых архитектур

Сравнение сетей, построенных на основе описанных выше сетевых архитектур, производилось по скорости выполнения трех различных операций:

  • классического обмена информацией между клиентом и сервером;
  • совместной обработки изображений;
  • математического моделирования.

Результаты сравнения обощаются на рисунках (они будут приведены в следующих разделах), где показаны зависимости времени реакции сети от количества обслуживаемых пользователей при выполнении каждой из указанных операций и предложены различные архитектуры сетей для их поддержания. Для построения зависимостей использовались данные, полученные в результате моделирования сетевых операций с помощью процесса планирования Traffic Mappingo фирмы NCRI. Эти данные не универсальны и предназначены только для сравнения средней относительной производительности разных сетевых архитектур. Скорости передачи информации в реальных сетях могут отличаться от указанных. Это зависит от конкретной реализации продукта, дизайна и настройки программного обеспечения, а также способов их применения.

При моделировании сетевых операций были приняты следующие важные допущения и ограничения.

  • Реакция сети - это время, необходимое для выполнения исследуемой операции или группы операций. Время ответа сервера не учитывалось, исследовалась только производительность сети.
  • Чтобы получить возможность полноценного сравнения архитектур, для всех рабочих групп использовались только адаптеры Ethernet.
  • Предполагалось, что каждая операция выполняется в сети независимо от других. Например, в соответствии с результатами выполнения классической клиент-серверной операции в одном Ethernet-сегменте может работать более 40 пользователей, но это справедливо лишь в том случае, когда сеть выполняет только эту операцию.
  • Использовался только протокол TCP/IP.
  • Параметры производительности сетевых устройств, такие как задержки, время ожидания, общий диапазон и другие, соответствовали характеристикам реально существующих маршрутизаторов и коммутаторов.
  • Число пользователей, которые могут одновременно работать в сети с каждой конкретной архитектурой, определялось по следующей схеме.

    1. Подсчитывалось количество пользователей в рабочей группе, которые могут одновременно запустить исследуемую операцию.

    2. Определялся объем информации, который может сгенерировать одна рабочая группа.

    3. Подсчитывалось количество рабочих групп, которые могут одновременно использовать ресурсы магистрали.

    4. Число рабочих групп в магистрали умножалось на число пользователей в одной рабочей группе.

    С помощью этой схемы можно достаточно точно оценить число пользователей, которых может обслужить каждая сетевая архитектура. Максимальное число пользователей означает, что производительность какой-либо части сети достигла своего предела. Следует отметить, что число пользователей указано для обычной, а не "расщепленной" сетевой архитектуры.

    Итак, проведем сравнительный анализ характеристик описанных выше архитектур.

    Корреляционный анализ

    Для примера рассмотрим выполнение программы корреляционного анализа в реальной сети, работающей на целлюлозно-бумажной фабрике. Данная программа позволяет вместо ежедневного сбора данных о качестве продукции и их анализа (вручную) использовать операции типа "клиент-сервер". При этом предполагается, что будут сокращены потери и улучшено качество продукции более чем на 10%.

    Контроль качества при производстве целлюлозы и бумаги могут выполнять одновременно 20 пользователей. Оператор или инженер получает необходимую информацию с серверов, расположенных в разных местах большой фабрики. В процессе работы осуществляется анализ качества продукции и эффективности ее изготовления, а затем подготавливаются статистические отчеты, которые сохраняются на локальном файл-сервере. Корреляционный анализ может потребовать выполнения следующих операций:

    • передачи форм, триггеров и правил, используемых базой данных;
    • установки удаленной связи;
    • осуществления запроса на сервер и получения ответа с него;
    • записи результатов статистического анализа.

    Загрузка сети - умеренная. Большинство операций типа "клиент-сервер" выполняется между рабочей группой и магистралью, то есть между клиентами ЛВС и подключенным к магистрали сервером. Поскольку качество продукции контролируется в реальном времени, то информационный поток также зависит от времени. Поэтому для уменьшения количества ретрансляций необходима "плоская" сетевая архитектура. Максимальная нагрузка на сеть приходится на время пересменок, когда линия переключается на обслуживание новых продуктов, особых ситуаций на фабрике и проектов долговременного планирования.

    На рисунке 6 показано, какое время реакции сети необходимо для завершения большой программой корреляционного анализа операции типа "клиент-сервер". И хотя время реакции является важным параметром (поскольку программа работает в производственной среде), в данном случае он не является критичным, т.к. сеть должна одновременно поддерживать только 20 пользователей. Нужно учесть, что для вычисления истинного времени реакции системы следует ко времени передачи данных по сети добавить время обработки запроса на сервере. Например, если сервер обрабатывает запрос за 30 с, то на одну операцию в FDDI-среде тратится примерно 50 с (19 с сетевого времени плюс 30 с работы сервера), а в ATM-сети - только 40 с.

    Picture 6(1x1)

    Рисунок 6.
    Характеристики цепей, обслуживающих программу корреляционного анализа.

    За точку отсчета взята производительность в рабочей группе Ethernet. Один сегмент Ethernet обеспечивает лучшее время реакции из всех возможных вариантов, поскольку между клиентом и сервером нет посредников, кроме собственно CSMA/CD-связи по Ethernet. К одной Ethernet-линии можно подключить более 40 клиентов, поэтому логично ожидать, что сеть сможет обслуживать 20 пользователей одновременно. К сожалению, длина кабеля Ethernet ограничена, поэтому вряд ли удастся подключить все компьютеры целлюлозно-бумажной фабрики к одному сегменту Ethernet. Следовательно, в данном случае такое решение не подходит.

    Время реакции в обеих коммутируемых архитектурах почти на 50% меньше, чем в традиционных FDDI-сетях с маршрутизацией или совместным доступом. Это достигается с помощью специализированных механизмов коммутации. Практически все разработчики согласны, что коммутаторы кадров будут обеспечивать меньшее время задержки, чем большинство мостов и маршрутизаторов, предлагаемых сегодня на рынке и используемых в корпоративных сетях. Более быстрые сети обеспечивают меньшее время реакции при выполнении клиент-серверных приложений.

    Маршрутизируемая фрагментированная магистраль поддерживает более 50 пользователей - немногим больше, чем обычный сегмент Ethernet. Ограничивающим фактором является Ethernet-канал между маршрутизатором и сервером, который работает с той же скоростью, что и остальная сеть, - 10 Мбит/с. Естественно, что когда пользователи нескольких рабочих групп пытаются одновременно получить доступ к серверу, в этом канале образуется затор. К сожалению, даже самый быстрый маршрутизатор не способен предотвратить этот затор, поскольку передача информации в стандартной Ethernet-связи не может осуществляться быстрее, чем со скоростью10 Мбит/с. Разработчики сети могут устранить затор, добавив более скоростное подключение к серверу, например FDDI или 100 Мбит/с Ethernet. Это может ускорить выполнение корреляционного анализа, даже если его будет осуществлять гораздо большее число пользователей.

    Использование коммутатора кадров 10/100 для выполнения программы корреляционного анализа позволяет избежать заторов на сервере, если установить на него коммутируемый 100 Мбит/с интерфейс. Поскольку в данной архитектуре к серверу может получить одновременный доступ большее количество пользователей из нескольких рабочих групп, то такая сеть обеспечивает поддержку 150 пользователей вместо 50. Кроме того, пользователи смогут оценить преимущества скоростной передачи, характерной для технологии коммутации.

    Даже если 12 рабочих групп Ethernet одновременно получат доступ к магистральному серверу, выделенный серверный 100 Мбит/с Ethernet-интерфейс не будет переполнен. Каждый из двенадцати 10 Мбит/с Ethernet-портов насыщается запросами и ответами клиентов, отправляемыми на сервер. Единственный фактор, ограничивающий число обслуживаемых пользователей, - количество коммутируемых 10 Мбит/с портов, к которым подключаются рабочие группы. Как только портов для подключения рабочих групп не остается, архитектура исчерпывает свои возможности. Чтобы обеспечить большее число Ethernet-портов, нужно подключить несколько коммутаторов, и тогда количество одновременно работающих пользователей можно будет увеличить.

    FDDI-решение обеспечивает высокоскоростную связь с серверами. В исследуемом случае это кольцо FDDI с совместным доступом, работающее со скоростью 100 Мбит/с. К FDDI-кольцу, в отличие от коммутатора кадров 10/100, можно подключать значительно больше рабочих групп, так как эта технология не имеет ограничений по количеству портов. Сетевые администраторы могут с помощью маршрутизатора, расположенного между Ethernet и FDDI, подключать рабочие группы к 100 Мбит/с кольцу, пока магистраль не будет полностью насыщена. Это решение позволяет обслуживать более 1300 пользователей.

    К сожалению, время реакции FDDI выше, чем в коммутируемой архитектуре, и оно будет увеличиваться, если сегментировать магистраль после ее насыщения. Это объясняется тем, что в сегментированной FDDI-магистрали информация во время каждого запроса серверу должна проходить через два маршрутизатора.

    ATM-решение обеспечивает отличное время реакции и обслуживает предельно большое количество пользователей. В сущности, ATM-решение поддерживает такое число пользователей, которое более чем в 400 раз превышает необходимое. Поэтому такая архитектура не является оптимальной.

    Вероятно, лучшим выбором для работы данного программного обеспечения является либо коммутация кадров 10/100, либо FDDI. Эти решения поддерживают высокоскоростные линии и могут передавать данные по оптоволоконному кабелю для подключения пользователей на значительном расстоянии. Заметим, что FDDI является более "традиционной" технологией для производственной сети, а решение с коммутацией кадров 10/100 обеспечивает лучшую производительность и, скорее всего, является более экономически выгодным, поскольку не требует дополнительных затрат на FDDI-интерфейсы.

    Совместная обработка изображений

    Цель рассматриваемого в данном разделе проекта - автоматизация обработки, хранения и получения графических изображений. Автоматическая обработка изображений экономит более 20% рабочего времени. Возможная область применения такой системы - инженерно-строительная фирма, в которой необходимо упростить электронное хранение, обработку и получение разрабатываемых документов. Одновременно в сети могут работать до 300 пользователей.

    При обработке изображений централизованная база данных служит депозитарием всех документов. Инженеры используют в сети электронную почту и программы совместной работы, а также запрашивают базы данных, чтобы определить, над каким проектом они должны работать. Система должна поддерживать следующие операции:

    • загрузку файлов САПР из депозитария изображений;
    • просмотр деталей изображения;
    • обновление записей и файлов;
    • проверку документов разработки;
    • отправку файлов на центральный сервер для преобразования;
    • запись обновленных файлов САПР на центральный сервер;
    • просмотр "почтового ящика" пользователя для получения новых заданий.

    Нагрузка на сеть в такой системе может быть различной - от умеренной до высокой (из-за частой передачи файлов САПР). Система, как это часто бывает с программным обеспечением для групповой работы, используется круглосуточно и ежедневно.

    На рисунке 7 показано, какое сетевое время необходимо для записи оптического изображения в базу данных центрального сервера с помощью программы групповой обработки изображений. В этой системе время реакции сервера будет сильно зависеть от выбора эффективной сетевой технологии. Медленная передача данных может привести компанию к существенным финансовым издержкам. Например, для 300 инженеров разница в скорости передачи, составляющая всего две минуты, приводит к общей потере 80 рабочих часов в день. Если рабочее время инженера оценивается в 100 дол. /ч, то за год только из-за медленной работы сети компания может потерять 2 млн дол.

    Picture 7(1х1)

    Рисунок 7.
    Характеристики цепей, используемых для программ групповой обработки изображений.

    Ethernet-сегмент, естественно, имеет отличное время реакции, но, как и в примере с корреляционным анализом, он не может объединить 300 инженерных рабочих станций, серверы и соответствующее периферийное оборудование.

    Маршрутизируемая фрагментированная магистраль может поддерживать несколько сегментов и, соответственно, значительно больше пользователей, чем просто Ethernet-сеть, но она не обладает пропускной способностью, необходимой для обработки больших объемов чувствительной к задержкам информации между рабочими группами и "магистральным" сегментом Ethernet. Маршрутизатор просто не справится с огромным потоком информации, прежде чем интерфейсы будут насыщены. Маршрутизаторы среднего класса, разработанные за последние несколько лет, не предназначены для обеспечения производственного процесса с интенсивным использованием сети. Ни наличие единого сегмента, ни маршрутизируемая магистраль не способны поддерживать требуемое количество пользователей и не могут служить решением для данной системы.

    Сеть с коммутацией кадров 10/100 обеспечивает скорость передачи данных, аналогичную скорости в архитектуре Ethernet-сегмента. При этом к серверам может получить одновременный доступ необходимое количество пользователей, т.е. 300. К сожалению, такое число подключений - предел этой технологии, и поэтому в ней сложно работать с другими программами. Как и в случае с программой корреляционного анализа, число портов ограничивает количество обслуживаемых пользователей. Однако, в отличие от технологии маршрутизации, коммутация кадров 10/100 была разработана для обеспечения передачи сообщений на максимальной для всех каналов скорости, причем использование самого механизма коммутации не приводит к возникновению затора.

    Концепция кластеризации базы данных предполагает, что централизованные данные распределяются по нескольким более мелким серверам, расположенным в местах наибольшей концентрации пользователей. Благодаря приближению сервера к рабочим группам на уровне предприятия уменьшаются время реакции и количество передаваемой по сети информации. Используя такую архитектуру, необходимо разрабатывать сети и программы одновременно.

    Проектировщик сети, если он хочет добиться отличного времени реакции, характерного для технологии коммутации кадров 10/100, может прийти к решению разделить пользователей на сетевые кластеры, каждый со своим собственным "централизованным" сервером (рисунок 8). И хотя кластеризация является популярной технологией в архитектурах с коммутацией кадров, процесс ее проектирования достаточно сложен. Чтобы создать кластеры, необходимо распределить базу данных по трем или четырем серверам, а затем подключить пользователей и серверы к высокоскоростному коммутатору. Для проектирования кластеров необходимо правильно сбалансировать потоки информации между серверами и рабочими группами, а также разработать схемы репликации баз данных. Это требует тесного сотрудничества между разработчиками программного обеспечения и сетей.

    Picture 8(1х1)

    Рисунок 8.
    Использование кластерной архитектуры.

    FDDI и ATM обслуживают необходимое количество пользователей. Сеть FDDI поддерживает примерно 700 пользователей, но ее время реакции сравнительно велико. FDDI-сеть требует для завершения любой операции по передаче файлов на 20 с больше, чем коммутатор кадров 10/100 или ATM-коммутатор. Однако для указанной компании 20 смогут привести к ежегодным потерям в 327 тыс. дол. Для сравнения, при использовании технологии ATM можно окупить затраты на ее внедрение за год.

    Моделирование окружающей среды

    Цель проекта - перевод программного обеспечения для моделирования окружающей среды с суперкомпьютера на стандартную клиент-серверную систему. Предполагаемая экономия - более 1 млн дол. в год (он затрачивается на эксплуатацию суперкомпьютера). Эта задача поставлена перед специалистами по сетям из консультационной фирмы, занимающейся вопросами защиты окружающей среды. В клиент-серверной системе предполагается запускать программы для моделирования атмосферы, обслуживающие одновременно 180 пользователей. Программы предназначены для анализа загрязнений окружающей среды от дымовых труб, заводских сбросов воды, выхлопов автомобилей и так далее. Программы должны выполнять следующие операции:

    • создание модели среды, установку имитационных параметров;
    • конфигурацию файлов ввода данных о топографии и атмосфере;
    • запуск программы моделирования;
    • загрузку дополнительных файлов;
    • обмен рабочими файлами;
    • запись выходных файлов моделирования;
    • запись имитационных результатов на файл-сервер рабочей группы;
    • просмотр результатов.

    Сеть используется очень напряженно. Необходимо загружать на серверы файлы для математического моделирования объемом до 60 Мбайт. Напряженный поток информации между серверами служит для обмена рабочими файлами (примерно 1000 раз за время обработки одной модели). Компания предполагает, что эта компьютерная система будет выполнять вычисления 99% времени, используя сеть для передачи данных 1% времени. Система должна обеспечить высокую производительность работы. Вычисления выполняются круглосуточно, не менее 360 дней в году.

    На рисунке 9 показана относительная производительность пяти сетевых архитектур и их способность поддерживать приложение моделирования окружающей среды. Координаты по оси Y показывают время, необходимое для выполнения 1000 обменов рабочими файлами между двумя центральными серверами. Этот обмен файлами происходит при любом математическом моделировании. Чтобы перенести эту программу с суперкомпьютера в клиент-серверную среду, необходима очень высокая производительность сети и вычислений.

    Picture 9

    Рисунок 9.
    Возможности сетевых архитектур при выполнении программ моделирования окружающей среды.

    В Ethernet-сегменте, даже отделенном от рабочих групп защитным экраном, передается слишком большой объем информации. Сегмент может поддерживать всего трех пользователей. Примерно то же можно сказать и о сети Ethernet и маршрутизируемой фрагментированной магистрали. В обеих архитектурах используются Ethernet-магистрали, и в результате они поддерживают одинаковое количество пользователей. Обе архитектуры также имеют одинаковое время реакции. При выполнении описанных выше операций сервер-сервер не используется маршрутизатор даже в архитектуре маршрутизирумой магистрали, поскольку оба сервера находятся в одном и том же сегменте Ethernet.

    FDDI-сеть в данном случае может поддерживать примерно 110 пользователей, что значительно меньше необходимого числа. Если использовать кластеризацию, которая подробно обсуждалась в предыдущем разделе, то можно добиться требуемых результатов. FDDI-кластеры, однако, будут менее эффективны, чем кластеры с коммутацией кадров 10/100, поскольку каждый кластер потребовал бы для связи кольца FDDI с рабочими группами одного или нескольких маршрутизаторов.

    Время реакции FDDI-сети в операциях сервер-сервер великолепно. Транзакция имеет место в одном FDDI-кольце, поэтому никакой ретрансляции на маршрутизаторе нет. В результате FDDI-кольцо обеспечивает лучшее время реакции, чем решение с коммутацией кадров 10/100 или АТМ. Хотя FDDI отлично подходит для такой чисто магистральной работы, при осуществлении операций клиент-магистраль эта технология работает в четыре раза медленнее, чем коммутация кадров 10/100 или ATM.

    Решение с коммутацией кадров поддерживает более 150 пользователей, и это больше, чем при использовании FDDI. Этому есть объяснение: пока FDDI использует только одно кольцо совместного доступа, коммутатор кадров 10/100 предлагает каждому из магистральных серверов свой коммутируемый 100 Мбит/с интерфейс. Это позволяет коммутатору достаточно быстро перемещать данные с сервера на сервер. Однако лишь немногие разработчики сетей предложили бы использовать коммутатор кадров 10/100 вместо FDDI, хотя коммутация - лучшее решение. Как уже было сказано, коммутация кадров не поддерживает требуемых 180 пользователей. Поэтому остается всего два варианта: либо создавать кластеры из коммутаторов 10/100, либо переходить на ATM.

    Только ATM-архитектура обеспечивает поддержку необходимого числа пользователей. Позволяя создавать коммутируемую сеть, она демонстрирует отличное время реакции и для операций клиент-магистраль, и для операций, полностью происходящих в магистрали.

    Построение сетей

    Исследование различных архитектур и возможностей их применения выявило ряд важных проблем. Дизайнеры сетей, которые используют только интуицию и прошлый опыт, могут оказаться в трудном положении. "Искусство" сетевой разработки должно преобразиться в науку. Если принимать решения без тщательного учета свойств программного обеспечения, которое будет использоваться в сети, то это может привести к плохому исполнению проекта.

    Тот факт, что Ethernet с коммутацией кадров 10/100 поддерживает больше пользователей при моделировании окружающей среды, чем магистральная FDDI-сеть, может вызвать удивление у многих разработчиков сетей. При разработке сети для такого программного обеспечения "интуиция" наверняка привела бы к разработке FDDI-сети - то есть к более дорогостоящему решению. При этом сеть могла бы обслуживаь меньшее число пользователей. При использовании программ групповой обработки изображений сети с коммутацией кадров или ATM могли бы сэкономить компании 300 тыс. дол. в год, обеспечивая лучшее время реакции и большую продуктивность работы команды инженеров.

    В современных условиях для правильной разработки сети и ее обслуживания администраторы должны научиться решать следующие проблемы.

  • Изменение организационной структуры. При выполнении проекта не следует разделять разработчиков программного обеспечения и сетевой архитектуры. Многие организации, внедряющие информационные технологии, имеют различные группы для выполнения сетевых операций и разработки вычислительных систем. Обычно единственным человеком, входящим в обе группы, является директор по информационным системам. В результате такого разделения связь между этими группами осуществляется плохо, а в итоге принимаются неэффективные решения. При разработке сетей и всей системы в целом нужно создавать единую команду из специалистов разного профиля.
  • Оценка экономической выгоды. В стоимость сети должны входить стоимости серверов, рабочих станций, конфигурирования сети, обучения обслуживающего персонала и пользователей. При переходе от мэйнфреймов к миникомпьютерам также нужно учитывать стоимость усиления сети, которая должна обеспечить увеличение потока информации и уменьшение времени реакции, необходимого для распределенных вычислений.
  • Использование новых программ. Необходимо знакомиться с новым программным обеспечением еще на ранней стадии разработки, чтобы можно было своевременно изменить сеть. В одной из компаний, входящих в группу Fortune 100, недавно было обнаружено, что менеджеры этой компании планируют использовать около 60 новых клиент-серверных программ за 18 месяцев, а сетевые администраторы знают только о 12 программах. Правильное планирование избавляет от неприятных сюрпризов.
  • Исследование различных решений. Необходимо оценивать различные архитектуры программ и их возможное влияние на сеть (а также время реакции), прежде чем начинать программирование. Надо оценивать топологии систем, а также проверять, как влияет на работу этих систем приближение серверов к большим скоплениям пользователей и выполнение фоновых модификаций на главной базе данных.
  • Проверка сетей. Важно использовать тесты на ранних стадиях разработки. Для этого можно создать прототип сети, который позволит оценить правильность принятых решений. С помощью такого прототипа можно предусмотреть возможные заторы и определить производительность разных архитектур. Пусть пользователи помогут проектировщикам оценить работу системы. Однако не стоит демонстрировать работу программы на линии T-1, если она будет работать в коммутируемой 56 Кбит/с сети.
  • Выбор протоколов. Чтобы правильно выбрать конфигурацию сети, нужно оценить возможности различных наборов протоколов. Важно определить, как сетевые операции, оптимизирующие работу одной программы или пакета программ, могут повлиять на производительность других.
  • Выбор физического расположения. Выбирая место установки серверов, надо, прежде всего, определить местоположение пользователей. Возможно ли их перемещение? Будут ли их компьютеры подключены к одной подсети? Будут ли эти пользователи иметь доступ к глобальной сети?
  • Вычисление критического времени. Необходимо определить время использования каждой программы и периоды максимальной нагрузки. Важно понять, как черезвычайная ситуация может повлияет на сеть, и определить, нужен ли резерв для непрерывной работы предприятия.
  • Испытание сети. Чтобы понять, какую нагрузку может выдержать сеть, надо ее смоделировать в уже работающей сети, проанализировать причины возникновения замедлений и заторов и определить, как увеличение количества пользователей может повлиять на работу сети.
  • Анализ вариантов. Важно проанализировать различные варианты использования программного обеспечения в сети. Централизация данных часто означает дополнительную нагрузку в центре сети, а распределенные вычисления могут потребовать усиления ЛВС рабочих групп.
  • * * *

    Прежде чем появились технологии коммутации кадров и ячеек, было отмечено несколько этапов увеличения сетевой производительности. Сегменты Ethernet и Token Ring подключались к маршрутизаторам. Сети Token Ring, для которых требовалась большая производительность, имели пропускную способность кольца до 16 Мбит/с. Затем предприятия развернули FDDI-магистрали для передачи информации между рабочими группами.

    Сегодня в некоторых вычислительных системах коммутаторы Ethernet с 10 Мбит/с портами дополняют или заменяют маршрутизаторы, а коммутаторы кадров 10/100 конкурируют с FDDI. Как показывают приведенные в статье примеры, коммутация кадров в среднем обеспечивает гораздо лучшее время реакции и поддерживает большее количество пользователей по сравнению с маршрутизируемыми сетями и FDDI-магистралью. Коммутаторы можно установить в кластерной конфигурации, что обеспечивает высокоскоростное взаимодействие с серверами или магистралью на уровне предприятия. С помощью коммутации можно создавать более масштабируемые и управляемые сети.

    Архитектура сетей сейчас изменяется, поэтому маршрутизаторы больше не стоят на пути между клиентом и сервером. Большинство из них не было предназначено для поддержки операций клиент-сервер с низким временем задержки и высокой производительностью. Теперь маршрутизаторы возвращаются к своей первоначальной роли - обеспечению связи между разнородными сетями (например, Ethernet и Token Ring) и межсетевой защиты.

    Хотя FDDI по-прежнему остается главной составляющей в больших магистральных сетях, коммутация ячеек в ATM начала вытеснять FDDI как более эффективная магистральная технология. Возможно, к концу десятилетия технология АТМ получит широкое распространение.

    Наконец, технология коммутации кадров и ячеек позволяет изменить соотношение цены и производительности. Ее использование уменьшает расходы на эксплуатацию сети. Часто затраты на создание сетей оцениваются по стоимости на один порт. Раньше, когда обеспечение связи и взаимодействия было главной целью сети, такой способ оценки затрат был оправдан, но теперь он устарел. Сегодня основная задача разработки сетей заключается не в обеспечении связи, а в перемещении больших объемов данных, необходимом для распределенных вычислений. Поэтому новый принцип определения стоимости сети должен отражать ее способность пересылать данные. Стоимость порта не играет роли, так как не позволяет оценить производительность, которую обеспечивает ЛВС. При использовании более современного способа оценки учитываются затраты на переданный мегабит и скорость передачи данных по сети. В технологии коммутации каждый компьютер получает канал с известной скоростью передачи данных. Если оценивать коммутацию в соответствии с новыми принципами, то она является более экономичной, чем традиционные ЛВС совместного доступа. Коммутация обеспечивает высокую производительность, отличное время реакции и позволяет разработчикам сетей делать их более управляемыми - три качества, которые имеют принципиальное значение для современных и будущих сетей.


    Мирослав Макстеник - менеджер по сетевым проектам компании Jet Infosystems. С ним можно связаться по телефонам (095) 972-11-82, 972-13-32.

    Поделитесь материалом с коллегами и друзьями