Влияние топологии связей и производительности
Возможность изменения топологии связей между узлами сети предоставляет сетевому интегратору широкие возможности для повышения пропускной способности как сети в целом так и ее отдельных участков. Даже при фиксированных пропускных способностях каналов связей наличие двух альтернативных каналов между какими-либо узлами сразу же в два раза повышает пропускную способность сети при взаимодействии этих узлов.
Локальные сети, использующие только повторители/концентраторы, должны строиться по вполне определенной топологии - общей шины, кольца или звезды, которая определяется используемой базовой сетевой технологией (Ethernet, TokenRing и т.п.).
Однако при использовании мостов, коммутаторов или маршрутизаторов появляется возможность использовать более сложные топологии, отличающиеся от стандартных. Выбор подходящей топологии сети может решить многие проблемы узких (в отношении пропускной способности) мест сети. Это связано не только с наличием дополнительных каналов связи, но и с тем обстоятельством, что сеть образует в таком случае не одну общую среду, разделяемую между всеми узлами сети, а несколько таких сред, пропускная способность которых разделяется уже только между узлами данного сегмента сети.
Безусловно, большое влияние на пропускную способность сети имеет и производительность таких коммуникационных устройств как мосты, коммутаторы и маршрутизаторы. Эта производительность должна быть достаточной для передачи межсегментного или межсетевого трафика между частями сети, которые образуются в результате установки в сеть устройств данного типа. Потери кадров или пакетов мостами, коммутаторами или маршрутизаторами могут приводить к значительному снижению пропускной способности сети, особенно если восстановление утерянных пакетов осуществляется пртоколами с большими значениями тайм-аута ожидания квитанций, как это было показано в разделе2.1.6.
2.3.1. Разделяемая среда передачи как причина снижения производительности сети
Повторители и концентраторы локальных сетей реализуют базовые технологии, разработанные для разделяемых сред передачи данных.
Классическим представителем такой технологии является технология Ethernet на коаксиальном кабеле. В такой сети все компьютеры сети разделяют во времени единственный канал связи, образованный сегментом коаксиального кабеля.
При передаче каким-нибудь компьютером кадра данных все остальные компьютеры принимают его по общему коаксиальному кабелю, находясь с передатчиком в постоянном побитном синхронизме. На время передачи этого кадра никакие другие обмены информации в сети не разрешаются. Способ доступа к общему кабелю управляется несложным распределенным механизмом арбитража - каждый компьютер имеет право начать передачу кадра, если на кабеле отсутствуют информационные сигналы, а при одновременной передаче кадров несколькими компьютерами схемы приемников узлов умеют распознавать и обрабатывать эту ситуацию, называемую коллизией. Обработка коллизии также несложна - все передающие узлы прекращают выставлять биты своих кадров на кабель и повторяют попытку передачи кадра через случайный промежуток времени.
При подключении к общему каналу сети Ethernet каждый узел пользуется его пропускной способностью 10 Мб/с в течение только некоторой доли общего времени работы сети. Соответственно, на узел приходится эта же доля пропускной способности канала. Даже если упрощенно считать, что все узлы получают равные доли времени работы канала и непроизводительные потери времени отстутствуют, то при наличии в сети N узлов на один узел приходится только 10/N Мб/с пропускной способности. Очевидно, что при больших значениях N пропускная способность, выделяемая каждому узлу, оказывается настолько малой величиной, что нормальная работа приложений и пользователей становится невозможной - задержки доступа к сетевым ресурсам превышают тайм-ауты приложений, а пользователи просто отказываются так долго ждать отклика сети.
Случайный характер алгоритма доступа к среде передачи данных, принятый в технологии Ethernet, еще усугубляет ситуацию. Если запросы на доступ к среде генерируются узлами в случайные моменты времени, то при большой их интенсивности вероятность возникновения коллизий также возрастает и приводит к неэффективному использованию канала: время обнаружения коллизии и время ее обработки составляют непроизводительные затраты.
Доля времени, в течение которого канал предоставляется в распоряжение конкретному узлу, становится еще меньше.
До недавнего времени в локальных сетях редко использовались мультимедийные приложения, перекачивающие большие файлы данных, нередко состоящие из нескольких десятков мегабайт. Приложения же, работающие с алфивитно-цифровой информацией, не создавали значительного трафика. Поэтому долгое время для сегментов Ethernet было действительным эмпирическое правило - в разделяемом сегменте не должно быть больше 30 узлов. Теперь ситуация изменилась и нередко 3-4 компьютера полностью загружают сегмент Ethernet с его максимальной пропускной способностью в 10 Мб/с или же 14880 кадров в секунду.
Ограничения, связанные с возникающими коллизиями и большим временем ожидания доступа при значительной загрузке разделяемого сегмента, чаще всего оказываются более серьезными, чем ограничение на максимальное количество узлов, определенное в стандарте из соображений устойчивой передачи электрических сигналов в кабелях.
Техногия Ethernet была выбрана в качестве примера при демонстрации ограничений, присущих технологиям локальных сетей, так как в этой технологии ограничения проявляются наиболее ярко, а их причины достаточно очевидны. Однако подобные ограничения присущи и всем остальным технологям локальных сетей, так как они опираются на использование среды передачи данных как одного разделяемого ресурса. Кольца TokenRing и FDDI также могут использоваться узлами сети только в режиме разделяемого ресурса. Отличие от канала Ethernet здесь состоит только в том, что маркерный метод доступа определяет детерминированную очередность предоставления доступа к кольцу, но по-прежнему при предоставлении доступа одного узла к кольцу все остальные узлы не могут передавать свои кадры и должны ждать, пока владеющий правом доступа узел не завершит свою передачу.
Общее ограничение локальных сетей, построенных только с использованием повторителей и концентраторов, состоит в том, что общая производительность такой сети всегда фиксирована и равна максимальной производительности используемого протокола.И эту производительность можно повысить только перейдя к другой технологии, что связано с дорогостоящей заменой всего оборудования.
Рассмотренные ограничения являются платой за преимущества, которые дает использование разделяемых каналов в локальных сетях. Эти преимущества существенны, недаром технологии такого типа существуют уже около 20 лет.
К преимуществам нужно отнести в первую очередь:
- простоту топологии сети;
- гарантию доставки кадра адресату при соблюдении ограничений стандарта и корректно работающей аппаратуре;
- простоту протоколов, обеспечившую низкую стоимость сетевых адаптеров, повторителей и концентраторов.
Однако начавшийся процесс вытеснения повторителей и концентраторов коммутаторами говорит о том, что приоритеты изменились, и за повышение общей пропускной способности сети пользователи готовы пойти на издержки, связанные с приобретением коммутаторов вместо концентраторов.
