Теория очередей и расчет параметров сети

В условиях стремительного роста интенсивности информационного обмена в современных сетях часто возникает необходимость в применении научно обос­нованных методов предсказания последствий изменений в сети, смены топо­логии сети и т. д. Последствия могут оцениваться с точки зрения влияния на производительность, время ответа сети, доступность тех или иных сервисов и пр. Желательно также уметь проводить априорную оценку параметров сети до ее развертывания. Представим себе следующую ситуацию. В организации уста­новлено определенное количество рабочих станций, подключенных к сети Token Ring со скоростью 16 Мбит/с. Руководитель недавно сформированного отделе­ния организации собирается подключить новые рабочие станции своих сотруд­ников к этой действующей сети. Перед всей организацией сразу встает вопрос — сможет ли существующая локальная сеть справиться с возросшей нагрузкой или для этого отделения необходимо будет создавать вторую локальную сеть и объ­единять обе сети мостом?

Существуют и другие случаи, в которых достаточно сложно быстро получить ответ на вопрос о том, насколько возрастет нагрузка на сеть при тех или иных изменениях, и справится ли с ней сеть. С точки зрения проектирования сети это означает, что не существует четкого однозначного метода, позволяющего на ос­нове существующих требований к сети вычислить параметры и конфигурацию будущей системы. Рассмотрим другой пример. Одно из отделений организации намеревается оборудовать все свои рабочие места персональными компьютера­ми и настроить их для работы в локальной сети с сервером. Конечно, можно, основываясь на опыте какой-либо родственной организации, которая уже проделала подобную работу, оценить примерную загрузку, генерируемую каждым персональным компьютером, и на этом основании оценить требуемую произво­дительность всей локальной сети и сервера в частности. Естественно, основным критерием при оценке совокупности параметров сети в данном случае является ее производительность в целом. При использовании интерактивных приложений реального времени в качестве основной оценочной характеристики обычно ис­пользуется время ответа сети (иногда оно называется временем реакции сети). В других случаях ориентируются на пропускную способность сети.

Очевидно, что в таких случаях при проектировании сети необходимо иметь аналитические инструменты, позволяющие предсказывать производительность по модели сети. Одним из таких инструментов, предназначенных для разработ­ки сетевых и коммуникационных структур, может быть аналитическая модель, основанная на теории очередей. Оказывается, большое количество проблемных вопросов находят свое решение при использовании математического метода ана­лиза очередей.

Хотя теория очередей математически достаточно сложна, применение этой теории для анализа производительности сети во многих случаях дает желаемые результаты. Знание основ статистики и понимание базовых принципов приме­нения теории очередей — это все, что может потребоваться для получения оцен­ки производительности сети с необходимой степенью точности. Аналитик может провести анализ очередей в заданной сетевой структуре, используя уже готовые таблицы очередей или простые компьютерные программы, которые занимают несколько строк кода.

Перед рассмотрением теории очередей, представляемой далее в виде, удоб­ном для практического использования, можно привести пример конкретного ис­пользования этой теории. Рассмотрим Web-сервер, который тратит на обработку одного запроса какое-то заранее известное, фиксированное время — допустим одну миллисекунду (очевидно, что это будет также средним временем, затра­чиваемым на обработку). Теперь, если средняя скорость поступления запросов равна одному запросу в одну миллисекунду (1000 запросов в секунду), то впол­не можно считать, что сервер справится с этой нагрузкой. Действительно, это произойдет в том случае, когда запросы поступают с одинаковой скоростью (равной, очевидно, одному запросу в каждую миллисекунду). После поступле­ния запроса сервер немедленно обрабатывает его. После того как сервер обрабо­тал текущий запрос, поступает новый запрос, сервер начинает его обработку и снова укладывается во время.

Рассмотрим более реальную ситуацию и предположим, что средняя скорость поступления запросов по-прежнему равна одному запросу в миллисекунду, но существует некоторая флуктуация поступления запросов. Тогда в течение любо­го миллисекундного периода времени может не приходить запросов вообще, а может поступить сразу несколько запросов. Но средняя скорость поступления запросов все равно равна одному запросу в миллисекунду и является достаточно четким критерием того, насколько загружен сервер. С флуктуациями, нерегулярностями в поступлении запросов можно справиться, введя буферную память. Действительно, в течение времени занятости, когда необходимо обработать мно­жество запросов, сервер может сохранять невыполненные запросы в своей буферной памяти. Или, иными словами, сервер помещает эти запросы в очередь. Когда сервер завершит обработку текущего запроса, то, если не поступит следу­ющего запроса, он возьмет запрос из очереди и тем самым уменьшит ее. С этой точки зрения, основным вопросом при разработке сетевой структуры является вопрос о том, насколько большим должен быть буфер сервера.

Довольно часто возникает необходимость в проведении оценки производи­тельности на основе имеющихся данных о загрузке действующей сети или по предполагаемой загрузке вновь проектируемой сети. Для проведения таких оце­нок существуют различные подходы:

q Проведение анализа производительности сети после ее внедрения, осно­вываясь на значениях показателей, которые актуальны в данном конкрет­ном случае;

q Выполнение простой оценки работоспособности будущей среды, основан­ной на существующем опыте разработки и построении подобных сетей;

q Разработка и применение аналитической модели, основанной на теории очередей;

q Разработка и применение простейшей программы, моделирующей поведе­ние сети.

Первый вариант предполагает пассивную позицию разработчика сети. Раз­работчик просто ожидает результатов своей деятельности. Естественно, такой метод чреват непредсказуемыми последствиями. Полученным результатом, как правило, оказываются недовольны и пользователи, и руководители организации. Их можно понять — они понесли неоправданные затраты, но, в итоге, так и не получили сети с желаемыми параметрами.

Второй вариант может дать, как правило, лучшие результаты. При анализе будущей сети на основании имеющегося опыта можно увидеть, что при налич­ных возможностях (в том числе, финансовых) и ограничениях бессмысленно ожидать, что сеть будет удовлетворять тем или иным требованиям. То есть, этот метод позволяет достаточно уверенно предсказать, что не сможет делать проек­тируемая сеть. С точки зрения выполнения предъявляемых требований, метод, основывающийся на опыте, может дать только достаточно расплывчатые пред­ложения, носящие качественный характер. Абсолютно бессмысленно пытаться выполнять на основе этого метода некую более или менее точную количест­венную оценку необходимых параметров. Другая проблема, связанная с этим подходом, заключается в том, что поведение большинства систем при изменении загрузки будет не таким, как интуитивно ожидалось. Если существует среда, в которой есть разделяемые каналы связи, то производительность такой сис­темы, как правило, экспоненциально уменьшается при увеличении нагрузки. В результате наблюдается расхождение ожидаемых значений и наблюдаемых (рис. П4.1).

Загрузка сети в данном случае определяется долей задействованной пропуск­ной способности. Следовательно, если рассматривать мост, который способен обрабатывать 1000 кадров в секунду, то загрузка 0.5 означает скорость передачи 500 кадров в секунду. Время ответа есть сумма средних времен, затрачиваемых на передачу входящих в сеть кадров.

На рис. П4.1 верхняя кривая показывает изменение реального времени отве­та сети на разделяемых каналах связи при увеличении нагрузки. Нижняя кривая описывает ожидаемые разработчиком значения. Две кривые совпадают только в пределах той нагрузки, с которой реально имел дело наш гипотетический разра­ботчик. Как видим, опыт является достаточно надежным проводником только при половинной загрузке сети. При дальнейшем росте нагрузки производитель­ность сети будет резко снижаться.

Для проведения оценки поведения системы практически на всем диапазоне загрузки может быть использован аналитический метод. При его практическом применении приходится решать набор уравнений, после чего удается получить параметры, необходимые для оценки системы (время ответа, пропускную способность и т. д.). Использование теории очередей дает достаточно точную оценку, которая, в большинстве случаев, хорошо соответствует действительнос­ти. Недостатком теории очередей является то, что при выводе формул, на кото­рых она основывается и которые используются для расчета интересующих нас параметров, необходимо принять определенные допущения. Тем не менее, ока­зывается, что эти допущения вполне оправданны, а получающиеся результаты близки к тем, которые получаются при программном моделировании сети с такими же параметрами. Преимуществом теории очередей по сравнению с моде­лированием является то, что анализ очередей может быть выполнен за сравни­тельно короткий срок (для большинства реальных ситуаций), в то время как моделирование может занять дни или даже недели — создать программную мо­дель, описывающую требуемую ситуацию, достаточно непросто.

Дата добавления: 2015-07-13