Якість обслуговування в комп’ютерних мережах

Вимоги до комп'ютерних мереж. Основна вимога до комп'ютерної мережі - це виконання мережею того набору послуг, для якого вона призначена. До таких послуг можуть ставитися:

· Доступ до файлових архівів

· Доступ до сторінок веб-сайтів

· Обмін з використанням електронної пошти

· Інтерактивний обмін за допомогою IP-телефонії

· Потокове відео і т. д.

Всі інші вимоги (а це можуть бути: продуктивність, надійність, сумісність, керованість, захищеність, розширюваність і масштабованість) пов'язані з якістю виконання основного завдання. Хоча важливі всі перераховані вимоги, в поняття «якість обслуговування» (Quality of Service - QoS) для комп'ютерної мережі часто включають тільки 2 найважливіші характеристики - продуктивність і надійність. Розглянемо ці параметри.

Продуктивність. До основних характеристик продуктивності відносяться:

· Час реакції

· Швидкість передачі даних

· Затримка передачі та її варіація

Час реакції. Визначають як інтервал часу між виникненням запиту користувача до якої-небудь мережевої служби і отриманням відповіді на цей запит.

Рис. 48. Час реакції при роботі в мережі

Зазвичай цей час складається з декількох складових:

t1 - час підготовки запиту на комп'ютері користувача

t2 - час передачі між клієнтом і сервером

t3 - час обробки запиту на сервері

t4 - час доставки відповіді з сервера на клієнтський комп'ютер

t5 - час обробки відповіді на цьому комп'ютері

З точки зору роботи мережі тут найважливішими складовими є t2 і t4 - тобто, затримки на передачу по мережі.

Швидкість передачі даних. Це обсяг даних, який передається в одиницю часу. Використовується також поняття пропускної здатності - це швидкість передачі пакетів між вузлами мережі через різні комунікаційні пристрою. Швидкість передачі вимірюється:

· В бітах в секунду

· У пакетах в секунду

Розрізняють три швидкості:

Середня швидкість. Береться досить тривалий проміжок часу (годину, добу) і загальний обсяг переданих даних ділиться на час.

Миттєва швидкість. Для усереднення вибирається дуже маленький проміжок часу - наприклад, 10 мс або 1 с.

Максимальна швидкість. Це максимальна миттєва швидкість, зафіксована за час спостереження. При проектуванні мережі найчастіше користуються параметрами середньої і максимальної швидкості. Іноді оперують і загальною пропускною здатністю, що розглядається як максимальну кількість інформації, переданої між всіма вузлами мережі в одиницю часу.

Затримка передачі. Це час між моментом надходження даних на вхід якогось мережевого пристрою або частини мережі і моментом появи цих даних на виході.

t_{затримки} = t_вих – t_вх

Відмінністю цього параметра від часу реакції є те, що в t затримці ніколи не включається час на обробку в кінцевих вузлах мережі. Зазвичай розглядають:

· Максимальну затримку

· Варіацію затримки

Надійність і безпека. Для звичайних технічних засобів використовують такі показники надійності, як:

· Середній час напрацювання на відмову

· Ймовірність відмови

· Інтенсивність відмов.

Однак ці характеристики придатні для оцінки тільки простих пристроїв, які можуть знаходитися в двох станах - працездатному і відмови. Складні системи з багатьох елементів можуть мати і проміжні стани. Тому для оцінки надійності таких складних систем як мережі застосовують інший набір характеристик.

Готовність (або коефіцієнт готовності) (Availability). Це частка часу, протягом якого система може бути використана. Для збільшення коефіцієнта готовності до складу системи включаються резервні елементи. Збереження даних (та їх захист від спотворень).

Узгодженість даних (їх несуперечливість). Це потрібно, наприклад, коли кілька копій даних зберігаються на різних файлових серверах. Ймовірність доставки пакета вузлу призначення без спотворень. Може також застосовуватися параметр - ймовірність втрати пакету (наприклад, через переповнення буфера маршрутизатора, відсутності працездатного шляху в мережі, ураження пакета помилками). Цей параметр може представлятися у вигляді:

· Імовірності спотворення окремого біта переданих даних

· Відношення числа втрачених пакетів до загального числа переданих пакетів.

Безпека (Security). Це здатність системи захистити дані від несанкціонованого доступу. Сюди відносяться - захист каналів, захист комп'ютерів, захист від злому паролів і т. д.

Відмовостійкість (Fault tolerance). У мережах під цим розуміють здатність системи приховувати від користувача факт відмови окремих елементів. Наприклад, якщо копії даних зберігаються на декількох файлових серверах, користувач може і не помітити факт відмови одного їх них. У цьому випадку говорять про деградацію системи, оскільки при відмові одного сервера збільшується час доступу до бази даних через зменшення ступеня розпаралелювання запитів. Специфічними для мереж є параметри розширюваності та масштабованості.

Розширюваність (Extensibility). Це можливість легко додавати в мережу нові елементи (користувачів, комп'ютери, програми, служби), нарощувати довжину сегментів і замінювати апаратуру більш потужною. Масштабованість (Scalability). Цей параметр означає, що в мережі можливе нарощування кількості вузлів і протяжності зв'язків в дуже широких межах. При цьому продуктивність мережі не погіршується. Часто терміни «розширюваність» і «масштабованість» використовуються як синоніми. Однак, якщо взяти, наприклад, мережа Ethernet, то можна говорити про хорошу розширюваності (кількість комп'ютерів на сегменті можна збільшити до 100), але при цьому різко знижується продуктивність мережі, тобто це вказує на погану масштабованість.

Прозорість (Transparency). Прозорість мережі досягається в тому випадку, коли для користувача мережа представляється не як безліч комп'ютерів, пов'язаних складною системою каналів, а як єдина обчислювальна машина з системою поділу часу. Символом прозорості вважають гасло компанії Sun Microsystems: «Мережа - це комп'ютер». Прозорість може досягатися на двох рівнях - користувача та програміста. На рівні користувача - для роботи в мережі використовуються ті ж команди і звичні процедури, що і для роботи з локальними ресурсами. На рівні програміста - додатку для доступу до виділених ресурсів потрібні ті ж виклики, що і для локальних ресурсів. Мережа повинна приховувати відмінності операційних систем і комп'ютерів. Можна однаково звертатися до ресурсів на комп'ютері з ОС Macintoch, Windows або Unix. Від користувача не потрібно знання місця розташування ресурсу. Ресурси повинні вільно переміщатися з одного комп'ютера на інший без зміни їх імен.

Підтримка різних видів трафіку. Поряд з традиційним трафіком передачі даних все збільшується частка мультимедійного трафіку - переданих у цифровій формі мови і зображення. Особливість мультимедійного трафіку - це жорсткі вимоги до синхронізації переданих даних. При запізненні повідомлень будуть спостерігатися спотворення. Необхідність передачі мультимедійного трафіку вимагає внесення змін, як в протоколи, так і в обладнання. У мережі у випадку повинні співіснувати 2 види трафіку: Традиційний комп'ютерний (пульсуючий). Мультимедійний (синхронний). Це є складним завданням і найближче до її вирішення підійшли мережі ATM.

Керованість. Це можливість централізовано контролювати стан основних елементів мережі, виявляти і усувати несправності, виконувати аналіз продуктивності і планувати розвиток мережі. У цій області ще дуже багато невирішених проблем. В основному існуючі системи не управляють мережею, а лише здійснюють спостереження за її роботою.

Сумісність. Сумісність або інтегрованість означає, що мережа здатна включати в себе різноманітне ПЗ та апаратне забезпечення. Тобто, мережа може бути неоднорідною або гетерогенної. Ще такі мережі називають інтегрованими. У них можуть співіснувати різні ОС, стеки протоколів, апаратні засоби і додатки від різних виробників. Основний шлях забезпечення сумісності - це використання відкритих стандартів і специфікацій.

Якість обслуговування. У загальному випадку якість обслуговування (Quality of Service, QoS) визначає імовірнісні оцінки виконання тих чи інших вимог, що пред'являються до мережі користувачами або додатками. Наприклад: При передачі голосового трафіку пакети повинні доставлятися з затримкою не більше N мс, варіація затримки не повинна бути більше M мс і ці характеристики повинні виконуватися мережею з імовірністю 0,95.Найчастіше характеристиками якості обслуговування є:

· швидкість передачі даних

· затримка передачі пакетів

· рівень втрат і спотворень пакетів.

Механізми QoS можуть тільки управляти розподілом наявної пропускної здатності відповідно до вимог додатків. Найбільш простий спосіб управління - це управління чергами. Підтримка QoS вимагає взаємодії всіх мережевих елементів (концентраторів, маршрутизаторів, концентраторів) на шляху проходження трафіку, тобто «з кінця в кінець» (end-to-end, e2e). Гарантія забезпечення QoS залежить від самого «слабкого» елемента між відправником та одержувачем. Традиційні мережі забезпечують сервіс, який отримав назву «Best effort» - з максимальними зусиллями. Це означає, що мережа не дає ніяких гарантій на обслуговування. Приклади: мережі Ethernet, Token Ring, IP, X25.При обробці черг використовується зазвичай алгоритм FIFO, а при переповненні буфера - пакети відкидаються. В даний час найпоширеніший шлях забезпечення QoS - це постійне нарощування пропускної здатності мережі, тобто прагнення постійно мати надлишкову пропускну здатність. Вбудовані механізми QoS поки застосовуються тільки в таких мережах як ATM і Frame Relay.

Параметри якості обслуговування. Трьом розглянутим критеріям класифікації додатків відповідають три групи параметрів, використовуваних при визначенні та завданні необхідної якості обслуговування.

· Параметри пропускної здатності. Це середня, максимальна (пікова) і мінімальна швидкості передачі даних.

· Параметри затримки. Це середня і максимальна величина затримок, а також середнє і максимальне значення варіації затримок.

· Параметри надійності передачі. Це відсоток втрачених пакетів і відсоток спотворених пакетів. При визначенні цих параметрів дуже важливо, на якому це робиться інтервалі. Постачальники послуг IP-мереж, які відчувають труднощі з забезпеченням QoS, воліють вказувати в угодах SLA середньомісячні характеристики. Постачальники послуг мереж Frame Relay і ATM, у яких дійсно є засоби забезпечення QoS, гарантують параметри на періоді в кілька секунд.