4.7. Параметры рабочих станций и вычислительных сетей

Параметры рабочих станций

Программное обеспечение любой PC содержит утилиту, при запуске которой на экран монитора выводятся параметры основных узлов ЭВМ: такто­вая частота процессора, объем оперативной памяти, параметры винчестера и др. Однако это важные, но недостаточные сведения для полной оценки возможнос­тей ЭВМ при решении конкретных прикладных задач. К числу других не менее важных для пользователей параметров ЭВМ относятся также: быстродействие, производительность, точность вычислений, надежность и др. [14,19,40, 50].

Быстродействие обычно оценивается числом команд определенного типа, выполняемых ЭВМ за единицу времени (секунду).

Однако в настоящее время нет единого способа такой оценки. Дело в том, что современные ЭВМ могут выполнять несколько сот разных, в том числе различ­ных по времени, команд. Поэтому существуют три основных подхода определе­ния быстродействия:

• измерения в MIPS (Million Instructions Per Second - миллион операций в секунду). Для оценки выбирается часто используемая короткая команда (например, команда сложения);

• измерения в MFPOPS (Million Floating Point Operations Per Second - мил­лион операций с плавающей запятой в секунду) либо в GFLOPS (Giga Floating Point Operations Per Second - миллиард операций с плавающей запятой в секун-

229

ду) применяются к большим ЭВМ высокой производительности, используемым для решения сложных задач;

- по тестовым наборам команд. Это наиболее используемый сегодня под­ход к оценке быстродействия. В тестовый набор включается последовательность разных команд. Тестовые наборы могут составляться под определенные задачи. Существуют и универсальные тесты.

Быстродействие ЭВМ зависит не только от типа преимущественно исполь­зуемых команд, но и от множества других факторов: тактовой частоты процес­сора, объема памяти, характеристик конвейерной системы выполнения команд, операционной системы и др. Поэтому тестирование для определения быстро­действия ЭВМ обычно включает несколько разных тестов, ориентированных на интегральную оценку скорости работы. Интегральный показатель, как правило, вычисляется как сумма нормированных значений, полученных в результате тес­тирования с помощью каждого теста.

Заметим, что современные ЭВМ могут исполнять одновременно несколь­ко команд, для чего применяются специальные конвейерные схемы. Поэтому при оценке быстродействия по MIPS или MFPOPS фиксируется общее число выполняемых команд в единицу времени с учетом конвейерного исполнения команд.

Производительность оценивается по объему работ, выполняемых ЭВМ в единицу времени, например по числу некоторых стандартных тестовых про­грамм. Тестовые программы подбираются таким образом, чтобы учесть вли­яние загрузки отдельных узлов ЭВМ (процессора, сопроцессора, подсистемы памяти и др.) на производительность ЭВМ. Так, один из вариантов, приме­нявшихся для тестирования ЭВМ российских производителей, включал пять тестовых задач [6]:

декодирование jpeg-файла;

архивация и разархивация файла;

поиск по тексту;

конвертация аудио-файла;

расчет трехмерной графики.

Для тестирования подсистемы памяти применялись тесты на чтение, запись и модификацию блоков системной памяти, скорость передачи данных при слу­чайной выборке из системной памяти, а также тесты для оценки работы подсис­темы при выводе описаний графических объектов.

Иногда производительность оценивают в условных единицах по отношению к некоторой эталонной ЭВМ. Этому эталону присваивается, например, 10 еди­ниц. Если тестируемая ЭВМ производительнее эталонной в 2,5 раза, то ее про­изводительность будет оценена в 25 единиц.

Объем (емкость) памяти измеряется в байтах. ЭВМ имеет несколь­ко видов памяти: оперативную, дисковую (на жестком диске), кэш-память и др. Данные об объеме памяти указываются в паспортных данных на ЭВМ. Емкость памяти может меняться путем замены соответствующих аппаратур­ных узлов ЭВМ.

230

Точность и ошибки вычислений зависят от разрядности ЭВМ, т.е. от чис­ла разрядов в ячейках памяти, с которыми она работает. Согласно стандарту ISO 2382/2-76 «точность - возможность различать почти равные значения». Ячейка памяти имеет определенное количество разрядов, поэтому может хранить числа с конечным числом значащих разрядов. В процессе обработки может появиться число, которое полностью не поместится в ячейку. Поэтому появляются ошибки, обусловленные округлением сохраняемого значения, что приводит к некоторой погрешности вычислений (ошибкам вычислений). Обычно точность расчетов важна при выполнении сложных математических задач.

Почти все ЭВМ имеют специальные команды, позволяющие работать со сло­вами удвоенной длины, что позволяет повысить точность вычислений. Иногда для уменьшения погрешности достаточно изменить порядок выполнения опера­ций. Например, если надо вычислить N = (а-Ь) / с, где a, b и с - целые и большие числа, то может возникнуть ошибка, если результат их перемножения не размеща­ется в ячейке памяти (возникнет переполнение). Однако, выполняя вычисления в порядке (а/с)-Ь, можно избавиться от этой ошибки.

Надежность - свойство объекта сохранять во времени в установленных пределах значения всех параметров, характеризующих способность выполнять требуемые функции в заданных режимах и условиях применения, технического обслуживания, хранения и транспортирования.

Надежность является комплексным свойством, которое в зависимости от назначения объекта и условий его применения может включать безотказность, долговечность, ремонтопригодность, сохраняемость или определенные сочета­ния этих свойств.

Безотказность - свойство объекта непрерывно сохранять работоспособное состояние в течение некоторого времени или наработки ЭВМ.

Долговечность - свойство объекта сохранять работоспособность до наступ­ления предельного состояния при установленной системе технического обслу­живания и ремонта.

Ремонтопригодность - приспособленность к поддержанию и восстанов­лению работоспособного состояния ЭВМ путем технического обслуживания и ремонта.

Сохраняемость - свойство объекта сохранять в заданных пределах значения параметров, обеспечивающих требуемые функции, в течение и после хранения и (или) транспортирования ЭВМ.

Свойства надежности характеризуются некоторыми количественными пока­зателями. Так, одним из показателей безотказности является средняя наработка до отказа, которая численно равна математическому ожиданию времени работы объекта до отказа. Современные ПЭВМ могут иметь время наработки до отказа несколько лет.

При оценке надежности применяют также комплексные показатели, кото­рые количественно характеризуют не менее двух свойств, составляющих надеж­ность. Так, сочетание свойств безотказности и ремонтопригодности с учетом

231

системы технического обслуживания и ремонта называют готовностью объекта (availability) и характеризуют коэффициентом готовности

К=Т/(Т + Т),

где Т - средняя наработка на отказ; Т_п - среднее время восстановления.

Статистическую оценку средней наработки на отказ вычисляют по формуле:

T-t/rCt),

где t - время наработки (суммарное время работы объекта);

r(t) - число отказов, фактически.ироисшедших за время наработки t.

Через коэффициент готовности можно определить время простоя сервера в течение времени эксплуатации.

Коэффициент готовности современных серверов имеет после нуля несколь­ко девяток. Так, при К=0,99 значение Т_в около 3,5суток в год, при К =0,9999-около 1,5 часов. Серверы с К=0,9999 и более называют отказоустойчивыми. У современных серверов К. может достигать значений 0,99999 - время простоя в течение года около 52 минут.

Параметры

вычислительных сетей

К основным параметрам, характеризующим ЛВС, относят:

• максимальное число PC;

• максимальную скорость передачи данных по сети;

• функции, объем памяти и быстродействие сервера;

• общую протяженность сети, максимальное расстояние между ЭВМ, топо­логию сети;

• метод доступа в сеть и к данным;

• используемые операционные системы;

• вид физической среды передачи данных;

• состав и параметры сетевого оборудования;

• возможности связи с другими сетями;

• возможности передачи речи и видеоизображений;

• трафик отдельных рабочих станций, обеспечиваемый сетью;

• значения параметров производительности сети и ее устройств;

• параметры, характеризующие надежность сети.

Хотя все эти требования весьма важны, часто понятие «качество обслужива­ния» (Quality of Service, QoS) вычислительной сети для пользователя сводится к двум характеристикам - производительность и надежность сети.

Обычно пользователь хочет, чтобы сеть гарантировала ему соблюдение неко­торой числовой величины показателя качества обслуживания. Например, сеть должна гарантировать одному пользователю пересылку любого из его пакетов данных другому пользователю с задержкой не более чем на 100 мс либо обес-

232

печивать среднюю пропускную способность канала между этими пользователя­ми не ниже 10 Мбит/с, при этом канал должен разрешать пульсации трафика в 20 Мбит на интервалах времени не более 2 секунд.

К числу показателей, характеризующих производительность сети, относят:

• время реакции;

• пропускную способность;

• задержку передачи и вариации задержки передачи.

Время реакции определяется как интервал времени между возникновением запроса пользователя к какой-либо сетевой службе и получением ответа на этот запрос.

С точки зрения пользователя этот показатель является интегральной харак­теристикой производительности, и именно он имеется в виду, когда говорят, что «сеть работает медленно» или «подвисает». Очевидно, значение этого показате­ля зависит от типа службы, к которой обращается пользователь, от того, какой пользователь и к какому серверу обращается, а также от текущего состояния элементов сети - загруженности сегментов, коммутаторов и маршрутизаторов, через которые проходит запрос, загруженности сервера и т.п.

Поэтому имеет смысл использовать также и средневзвешенную оценку вре­мени реакции сети, используя в качестве аргументов показатель по пользовате­лям, серверам и времени дня (от которого существенно зависит загрузка сети).

Полное время реакции сети в общем случае складывается из нескольких составляющих: времени подготовки запросов PC, времени передачи запросов между клиентом и сервером через сегменты сети и промежуточное коммуника­ционное оборудование, времени обработки запросов на сервере, времени пере­дачи ответов от сервера клиенту и времени обработки получаемых от сервера ответов на клиентском компьютере.

Понятно, что пользователя составляющие времени реакции не интересуют -ему необходим конечный результат. Однако это очень важно для специалиста по обслуживанию сети. Знание сетевых составляющих времени реакции позво­ляет оценить производительность отдельных элементов сети, выявить проблем­ные места и в случае необходимости выполнить модернизацию сети для повы­шения ее производительности.

Пропускная способность характеризует объем данных, передаваемый сетью или ее частью в единицу времени, и не является пользовательской характерис­тикой, поскольку свидетельствует о скорости выполнения внутренних операций сети - передачи пакетов данных между узлами сети через различные коммуника­ционные устройства. Однако она характеризует качество выполнения одной из основных функций сети - транспортировки сообщений и поэтому часто исполь­зуется при анализе производительности сети.

Пропускная способность измеряется либо в битах в секунду, либо в паке­тах в секунду (обычно в вычислительных сетях данные передаются пакетами по нескольку десятков-сотен байт).

Следует различать физически возможную и фактическую пропускные спо­собности. Первая определяется физическими свойствами передающей среды.

233

Приближенно ее можно оценить по характеристикам передающей среды и рас­стоянию между передатчиком и приемником данных. Вторая, конечно, также зависит от этих параметров, но на нее существенно влияют и иные факторы: число активных пользователей сети, используемый метод доступа, параметры сетевого оборудования, возможности сетевой ОС и др.

Фактическая пропускная способность может быть мгновенной, максималь­ной и средней.

Средняя пропускная способность вычисляется путем деления общего объ­ема переданных данных на время их передачи, причем выбирается достаточно длительный промежуток времени - час, день или неделя.

Мгновенная пропускная способность отличается от средней тем, что для усред­нения выбирается очень маленький промежуток времени, например 10 мс или 1 с.

Максимальная пропускная способность - это наибольшая мгновенная про­пускная способность, зафиксированная в течение периода наблюдения.

Чаще всего при проектировании, настройке и оптимизации сети использу­ются такие показатели, как средняя и максимальная пропускные способности.

Средняя пропускная способность отдельного элемента или всей сети позво­ляет оценить работу сети на большом промежутке времени, в течение которого в силу закона больших чисел максимумы и минимумы интенсивности трафика компенсируют друг друга. Максимальная пропускная способность позволяет оценить возможности сети справляться с пиковыми нагрузками, характерными для особых периодов работы сети, например в утренние часы, когда сотрудники предприятия почти одновременно регистрируются в сети и обращаются к разде­ляемым файлам и базам данных.

Пропускную способность можно измерять между двумя любыми узлами или точками сети, например, между PC и сервером, между входными и выходными портами коммутатора. Для анализа и настройки сети очень полезно знать дан­ные о пропускной способности отдельных элементов сети.

Еще одной важной характеристикой является задержка передачи, которая равна интервалу времени между моментом поступления пакета данных на вход какого-либо сетевого устройства и моментом его появления на выходе этого устройства.

Важно отметить, что из-за последовательного характера передачи пакетов различными элементами сети общая пропускная способность любого составного пути в сети будет равна минимальной из пропускных способностей составляю­щих элементов маршрута. Поэтому при оценке параметров сети в целом важно знать параметры работы отдельных сетевых устройств.

Колебания интенсивности обмена данными PC оцениваются коэффициен­том пульсаций трафика:

К -V /V ,

п ср' max '

где V_cp и V_max - средняя и максимальная интенсивность обмена.

В ЛВС возможны довольно значительные колебания трафика, при которых К_п может достигать значения 1/100-^1/50.

234

Пропускная способность элемента (устройства) сети в некотором интерва­ле времени определяется соотношением

б = п / п ,

О' 11

где п_ои П_м - число обслуженных и число поступивших на устройство запросов.

Коэффициент задержки обслуживания абонентов определяется отношени­ем среднего времени реакции на запрос абонента при максимальном количестве активных абонентов к времени реакции при минимальном количестве активных абонентов.

Полезная пропускная способность

Реальная пропускная способность существенно зависит от коэффициента нагрузки сети (коэффициент использования) р. Его значение определяется отношением объема данных (трафика) PC, который должна передать сеть, к ее максимальной пропускной способности. На первый взгляд кажется, что пропускная способность С должна быть пропорцио- ₍ нальна нагрузке до значения р=1 и достигать при этом максимального значения С_шкс (рис. 4.35), однако это не так. Полезная (средняя фактическая) пропускная способность не достигает максимально возможной и да­же начинает снижаться при приближении параметра р к единице.

Одной из причин такого поведения сети является, в частности, то, что сеть принимает и обрабатывает данные в некоторой последовательности, из-за чего возникает задержка доступа к сети для части PC. При этом ЭВМ, занявшая сеть, обычно выдает данные со скоростью существенно ниже, чем С_макс.

Графики зависимости времени задержки доступа от нагрузки сети приведе­ны на рис. 4.36. Кривые рисунка иллюстрируют примерные формы зависимости времени задержки доступа Т от нагрузки сети р для различных методов досту­па к ней: Ethernet, Token Ring, FDDI.

Token Ring

Полезная пропуск­ная способность зависит не только от используе­мого метода доступа, зна­чения задержек досту­па и числа ЭВМ сети, но и от функционирую­щих на них приложений и характеристик сетевых

235

устройств. Все эти факторы надо учитывать при проектировании и в процессе эксплуатации вычислительной сети.

При оценке вычислительных сетей рассматриваются и другие характеристи­ки, в том числе:

безопасность - способность системы защитить данные от несанкциониро­ванного доступа;

отказоустойчивость - способность системы работать при отказах отдельных ее элементов;

расширяемость - возможность сравнительно простого добавления отде­льных элементов сети (пользователей, PC, приложений, сервисов), наращива­ния длины сегментов сети и замены существующей аппаратуры более мощной;

масштабируемость - возможность наращивания количества узлов и увели­чения протяженности связей в очень широких пределах без ухудшения произ­водительности сети;

управляемость - возможность централизованно контролировать состояние основных элементов сети, выявлять и разрешать проблемы, возникающие при работе сети, выполнять анализ производительности и планировать ее развитие.

Рассматривая технические характеристики вычислительных сетей, нужно помнить, что их внедрение в технологический процесс направлено на улучшение производственных показателей деятельности организации. К ним в основном относят показатели экономической эффективности использования внедряемых систем: годовой экономический эффект, срок окупаемости капитальных вложений и др. Поэтому при проектировании вычислительных сетей необходимо исходить из того, что их технические характеристики должны обеспечивать достижение максимальной эффективности настоящей и будущей деятельности организации.