По скоростной магистрали с ветерком

Для того чтобы высокоскоростная сеть работала эффективно, она должна быть правильно спланирована и реализована.

Никогда еще выбор для реализации локальной сети в соответствии с вашими требованиями не был так широк. Доступные скорости передачи по сети варьируются в диапазоне от 10 Мбит/с до 1 Гбит/с, и даже более. Однако увеличение числа возможных вариантов привело и к умножению потенциальных проблем, с которыми вы можете столкнуться при реализации новых конфигураций. Возникновение проблем особенно вероятно, если вы не удосужитесь проанализировать имеющуюся и предполагаемую инфраструктуру, включая характеристики и требования к топологии планируемой сети.

В качестве системы координат в обсуждении проблем, с которыми вы можете столкнуться при неправильной конфигурации или реализации локальной сети, мы будем использовать модель OSI, но имейте в виду, что последние технические достижения размыли различия между уровнями OSI.

ФИЗИЧЕСКИЙ УРОВЕНЬ (УРОВЕНЬ 1)

На физическом уровне (уровне 1) основные заботы связаны с подключением устройств к среде передачи и соблюдением спецификаций, касающихся таких компонентов, как проводка и кабели. Другой заслуживающий внимания фактор на этом уровне — скорость передачи данных по шине сервера в сравнении со скоростью конкретной локальной сети, а также производительность центрального процессора.

Давайте вначале рассмотрим кабельную инфраструктуру. Многие очень часто забывают об ограничениях на протяженность кабеля. Кабельные стандарты определяют категорию проводки, необходимую для поддержки различных скоростей и расстояний.

Совместный стандарт EIA/TIA-568 определяет целый ряд параметров кабельных линий, от магистральной проводки (используемой для связи телекоммуникационных шкафов с аппаратной внутри здания) до горизонтальной проводки (служащей для подключения отдельных пользователей к стойке с сетевым оборудованием). В частности, стандарт дает рабочие характеристики магистрали и горизонтальных кабелей, а также типы соединителей, используемых с различными типами кабелей.

Вообще говоря, стандарт EIA/TIA-568 допускает применение четырех типов кабелей, но наиболее популярным является UTP. Категории 3, 4 и 5 для неэкранированной витой пары поддерживают рабочие частоты до 16, 20 и 100 МГц соответственно. Согласно стандарту EIA/TIA-568, эти категории определяют поддерживаемый диапазон рабочих частот, а не скорость передачи данных по сети. Таким образом, скорость передачи сигналов конкретной локальной сети требуется сопоставить с аналогичной характеристикой для данной категории. (В силу ряда причин, которые мы обсудим позже, реальные характеристики кабеля могут отличаться, в особенности в высокоскоростных сетях. EIA/TIA-568 определяет диапазон частот, которые кабель должен поддерживать для того, чтобы он отвечал требованиям стандарта. Важно помнить, что так называемые кабели Усовершенствованной Категории 5 и Категории 6 не стандартизованы.)

Каждый из типов кабелей UTP, определенных EIA/TIA-568, имеет свои ограничения, выражаемые в терминах погонного и переходного затухания. Предельно допустимые значения погонного и переходного затухания для кабелей с третьей по пятую категории приведены в таблице. Ввиду того, что Категория 3 поддерживает частоты только до 16 МГц, а Категория 4 — до 20 МГц, предельные значения на более высоких частотах для этих кабелей не указаны.

Приведенные в таблице величины относятся только к определяемым стандартом расстояниям передачи. Для горизонтальной проводки максимальная протяженность кабеля между оборудованием в монтажном шкафу и информационной розеткой составляет 90 м. Соединительный кабель между информационной розеткой и адаптером локальной сети не может быть длиннее 10 м. Вместе эти величины дают ограничение по длине в 100 м.

Предельные значения для погонного и переходного затухания определяются для каждой пары в кабеле; этот раздел EIA/TIA ничего не говорит о количестве пар, необходимых для поддержки конкретного типа сети. Например, требуемое число пар для поддержки 100VG-AnyLAN, отличается от числа пар для Fast Ethernet. Кроме того, для Fast Ethernet определено несколько типов кабелей. Вы должны разбираться во всех этих различиях, если хотите, чтобы ваша инфраструктура поддерживала конкретную реализацию.

Превышение допустимого расстояния на полметра может и не привести к остановке сети, но такая практика неизбежно обернется избыточным затуханием, а это отрицательно скажется на передаче данных вследствие увеличения доли ошибочных кадров. С ростом скорости передачи соблюдение ограничений на расстояние приобретает еще большее значение.

Другие спецификации физического уровня также требуют внимательного к себе отношения. Например, сеть Ethernet не может быть логически замкнутой петлей, а Fast Ethernet допускает использование двух типов повторителей с различными рабочими расстояниями.

Последнее замечание о физическом уровне, которое я хотел бы сделать, состоит в том, что допустимое расстояние между двумя рабочими станциями будет зависеть от типа сети. Например, в сети с топологией "шина" расстояние между рабочими станциями может достигать несколько километров, а в сети на базе концентратора с витыми парами оно будет составлять не более нескольких сотен метров.

ШИНЫ И ПРОЦЕССОРЫ

Возможность функционирования рабочих станций и серверов со скоростью сети определяется двумя факторами: шинами и процессорами.

В современных системах наиболее распространенным типом шины является PCI. Первые версии PCI были 32-разрядными, работали с тактовой частотой 33 МГц и имели максимальную скорость передачи данных 132 Мбайт/с. Следующие версии стали уже 64-разрядными, но работали с той же тактовой частотой 33 МГц, правда, пиковая скорость передачи данных составляла уже в два раза большую величину в 264 Мбайт/с. Последние версии поддерживают тактовую частоту 66 МГц и скорость передачи до 528 Мбайт/с.

Умножив скорость передачи данных по шине на восемь, вы можете посчитать, что, во всяком случае теоретически, она вполне достаточна для поддержки Gigabit Ethernet. Однако во многих случаях сетевой адаптер с трудом справляется и с поддержкой скорости передачи в 100 Мбит/с. Проблема в том, что многие адаптеры передают данные по шине PCI максимальными порциями в 64 байт за одну операцию в режиме владения шиной. В такой ситуации заполнение 1500-байтного информационного поля в кадре потребует 24 операций в режиме владения шиной.

Понимая недостатки такого решения, производители сетевых адаптеров стали реализовывать архитектуру с параллельным выполнением задач. Например, благодаря такому решению адаптеры Fast Ethernet компании 3Com могут передать весь кадр Ethernet по шине за одну операцию в режиме владения шиной. Это позволяет достигнуть средней пропускной способности на уровне 94% от номинальной скорости Fast Ethernet. Однако при этом адаптер использует около 7% мощности процессора сервера. Таким образом, при установке сетевого адаптера вы должны учитывать, какую нагрузку он возлагает на процессор.

Преимущества последних достижений технологии PCI особенно наглядны в случае высокоскоростных сетей. Если все пойдет, как ожидалось, то 64-разрядная шина PCI-X будет работать на частоте 133 МГц. Это должно стать крупным шагом к устранению узких мест на уровне инфраструктуры.

Что касается производительности Gigabit Ethernet, тестирование нескольких сетевых адаптеров на платформе Windows NT 4.0 показало, что реальная скорость передачи данных много меньше 500 Мбит/с, т. е. половины номинальной скорости Gigabit Ethernet. Однако впоследствии Microsoft частично решила эту проблему, добавив несколько новых возможностей в свой стек протоколов TCP/IP. Благодаря этому расширению производители адаптеров могут реализовывать некоторые операции, в частности вычисление контрольных сумм, аппаратным образом.

Некоторые функции для повышения производительности, например возможность передавать драйверу кадры размером 64 Кбайт, включены во вторую бета-версию NT 5.0. Другие же подобные функции, в частности параллелизация для оптимизации передачи данных в многопроцессорной среде, были добавлены в Service Pack 3 для NT 4.0. Это последнее замечание должно послужить напоминанием о необходимости установки последних сервисных пакетов на ОС, с которой вы работаете в сети.

ПРОБЛЕМА ЦПУ

В высокоскоростных сетях вычислительные возможности серверов и рабочих станций нельзя игнорировать. Если вашей организацией эксплуатируются серверы на базе 486-х процессоров или Pentium первого поколения, то пользователи вряд ли работают со скоростью сколько-нибудь близкой к номинальной пропускной способности сети, если серверы заняты сразу под несколько задач.

Performance Monitor для Win-dows NT позволяет вам установить коэффициент использования процессора. Такая информация может помочь при принятии решения о необходимости модернизации или замены конкретного компьютера. Например, в случае многопроцессорных систем Performance Monitor может сообщить вам, когда настало время вставить еще один процессор в системную плату компьютера. Однако некоторые операционные системы могут потребовать при этом повторной установки уже инсталлированного сервисного пакета. Таким образом, вы должны достоверно узнать, какие действия требуется предпринять в отношении вашей ОС, прежде чем делать систему многопроцессорной.

Независимо от того, какая операционная система используется, вы должны предварительно рассмотреть вопрос масштабирования как операционной системы, так и аппаратной платформы. Какой смысл покупать дорогую коробку с 16 процессорами, если ОС способна поддерживать только четыре или восемь либо если лицензионная плата за поддержку стольких процессоров окажется непомерно высока?

ВОПРОС КАДРОВ (УРОВЕНЬ 2)

Длина кадров зависит от протоколов второго уровня. На канальном уровне основное внимание уделяется операциям с кадрами, в том числе функционированию мостов, представляющих собой устройства второго уровня.

С точки зрения производительности сети проблемы с кадрами могут быть связаны прежде всего с расширением несущей в Gigabit Ethernet и с длиной кадров.

Расширение несущей в Gigabit Ethernet, в соответствии с которым минимальная длина кадра увеличена до 512 байт, снижает реальную общую пропускную способность (см. Рисунок). Использование расширения несущей означает, что информационное поле кадра с одним символом в качестве ответа на запрос увеличивается за счет добавления 45 заполняющих символов для соблюдения ограничения на минимальную длину кадра в 64 байт, как того требует спецификация Ethernet. В соответствии же со стандартом Gigabit Ethernet, в аналогичной ситуации в конец кадра добавляется целых 448 символа для соблюдения ограничения в 512 байт. Минимальная длина кадра была увеличена в целях обеспечения приемлемых расстояний между концентратором и рабочей станцией.

Расширение несущей. Расширение несущей Gigabit Ethernet приводит к уменьшению реальной скорости передачи вследствие увеличения минимального информационного поля.

Длительный сигнал в начале передачи дает сетевым узлам достаточно времени для распознавания факта широковещательной передачи, чтобы они не начинали свою. Такой подход позволяет сократить число коллизий.

Другой важный фактор — длина кадра. При 10 Мбит/с "мертвый" интервал между кадрами составляет 9,6 мкс. Таким образом, время передачи одного кадра максимальной длины вместе с преамбулой и начальным ограничителем кадра составляет 9,6 мкс+1526 байт*8 бит/байт*0,1 мкс = 1230 мкс. Следовательно, за одну секунду может быть передано 812 кадров максимальной длины. Вычисления по той же формуле показывают, что количество переданных за одну секунду кадров минимальной длины по сегменту при пропускной способности 10 Мбит/с не может превышать 14 880.

С учетом масштабируемости технологии Ethernet, умножив это число на десять, вы можете получить максимальную скорость в кадрах в секунду для Fast Ethernet. Однако в случае Gigabit Ethernet умножение на 100 не дает реальной величины из-за введения расширения несущей, в соответствии с которым минимальная длина кадра равна 512 байт.

Для получения точной цифры вы можете воспользоваться предыдущей формулой, чтобы определить, сколько кадров минимальной длины сеть Gigabit Ethernet способна передать за одну секунду. В случае Gigabit Ethernet мертвое время между кадрами составляет 0,096 мкс, тогда как передача одного бита занимает 1 нс. Таким образом, необходимое для передачи одного кадра длиной 512 байт время (плюс 8 байт для преамбулы и начального ограничителя кадра) составляет 4,256 мкс. За одну секунду может быть передано 234 962 кадра минимальной длины. Замена 520 на 1526 позволяет вычислить наибольшее возможное число переданных за секунду по сети Gigabit Ethernet кадров максимальной длины. Оно составляет 81 200 кадров.

Эта информация может служить в качестве ориентира для определения возможности поддержки такими устройствами, как мосты и сетевые платы, максимальной скорости передачи кадров в сети конкретного типа. Например, двухпортовый мост 10BaseT должен быть способен фильтровать 14 880 64-байтных кадров в секунду, иначе он будет терять кадры. Аналогично, двухпортовый мост 100BaseT должен обрабатывать 148 800 64-байтных кадров в секунду.

Нестандартный подход к преодолению ограничений Gigabit Ethernet состоит в использовании больших кадров (jumbo frame). Предложенная компанией Alteon Networks технология больших кадров предполагает увеличение предельной длины информационного поля с 1,5 до 9 Кбайт. Поддержка передачи больших кадров ограничивается полнодуплексными соединениями между коммутаторами и серверами; цель их введения состоит в устранении коллизий и вызываемых ими побочных эффектов на других станциях Ethernet. Как сообщается, при тестировании модифицированного стека протоколов TCP/IP для Windows NT с сетевым адаптером Alteon с поддержкой больших кадров скорость передачи достигла 920 Мбит/с. Без использования больших кадров пропускная способность не превышала 582 Мбит/с.

Хотя в общем случае реализация нестандартных подходов для решения проблем производительности нежелательна, использование больших кадров может оказаться необходимым для достижения скоростей передачи данных, близких к номинальной скорости Gigabit Ethernet. Увеличение длины кадра до 9 Кбайт сокращает не только накладные расходы на протокольные операции, но и число обрабатываемых кадров. (Alteon обратилась к рабочей группе IETF 802 с просьбой рассмотреть технологию больших кадров.)

КОММУТАЦИЯ И МАРШРУТИЗАЦИЯ

Многие коммутаторы поддерживают теперь функции второго, третьего и, как утверждается, четвертого уровней. В начале этого раздела мы рассмотрим функции второго и третьего уровней, а уже потом противоречивый вопрос коммутации четвертого уровня.

При выборе коммутатора его характеристики необходимо сопоставить с предполагаемыми требованиями. Одного простого деления числа портов на два и умножения результата на номинальную скорость порта недостаточно для того, чтобы быть уверенным, что шина коммутатора способна справиться с возлагаемой на нее нагрузкой. Например, для 16-портового коммутатора Fast Ethernet вы можете принять совокупную скорость передачи данных равной 800 Мбит/с. Однако, если только вы не подключаете к коммутатору одновременно восемь серверов, вряд ли когда-либо совокупная скорость передачи данных будет достигать 800 Мбит/с, так как трафик в локальной сети представляет собой, как правило, чередование сообщений между сервером и клиентами.

Однако чаще выяснение функциональных возможностей коммутатора имеет больший смысл, чем определение его номинальной пропускной способности. Как поступает коммутатор, когда трафик от двух или более портов конкурирует за линию к общему адресату? Использует ли он буферы на каждом порту? Применяет ли механизмы управления потоками? Если да, то поддерживает ли он стандарт 802.3 на управление потоками для сокращения числа потерянных пакетов и повторных передач? Собираетесь ли вы передавать один трафик с более высоким приоритетом, чем у другого? Если да, то поддерживает ли коммутатор модифицированный стандарт 802.1D на обслуживание классов трафика и динамическую фильтрацию многоадресного трафика?

И в случае маршрутизаторов основное внимание следует уделять функциональным возможностям. Например, важное значение имеет наличие у маршрутизатора развитых функций фильтрации, позволяющих сократить число передаваемых по низкоскоростным каналам глобальной сети широковещательных пакетов.

Другой важной функцией является механизм трансляции сетевых адресов (Network Address Translation, NAT) для замены внутренних не зарегистрированных IP-адресов (например, выделенных для таких целей в RFC 1918 "Выделение адресов для частных внутренних сетей") на зарегистрированные. Если вы управляете сетью с помощью SNMP извне, то помните, что менеджеры SNMP отслеживают агентов по их сетевым адресам, а NAT изменяет эти адреса. В результате некоторых агентов окажется невозможно обнаружить.

Теперь мы можем заняться рассмотрением так называемой коммутации четвертого уровня, остающейся до сих пор спорной темой несмотря на то, что многие производители выпускают коммутаторы четвертого уровня. Споры вокруг термина "коммутация четвертого уровня" подчеркивают тот факт, что различия между уровнями модели OSI в значительной мере стерлись. Если устройство принимает решение о направлении пакетов на основании номеров портов TCP или UDP, то может ли оно быть квалифицировано как устройство четвертого уровня?

Возможно, важнее не то, как эти устройства называются, а какие функции они выполняют. Например, ввиду того, что четвертый уровень отвечает за обеспечение качества услуг (Quality of Service, QoS), в том числе за минимизацию потерь данных, предотвращение дублирования и соблюдение упорядоченности пакетов, система может быть классифицирована как функционирующая на четвертом уровне, если она поддерживает QoS.

Все это говорится к тому, что, когда дело доходит до таких высокоскоростных устройств, важно в точности определить, что они способны делать и как их функции вписываются в ваши требования. Какой бы уровень ни заявлял производитель коммутатора или маршрутизатора — это менее важно, чем реальные функции устройства.

ПРИКЛАДНЫЕ УРОВНИ (С 5 ПО 7)

Высокоскоростные сетевые технологии касаются обычно уровней модели OSI с первого по четвертый. Но и более высокие уровни — те, что обычно ассоциируются с приложениями, — имеют многочисленные следствия для сети.

Пятый (сеансовый) уровень отвечает за установление, управление и завершение сеансов между компонентами шестого (презентационного) уровня. Эти сеансы состоят из запросов и ответов о предоставлении услуг, которыми приложения на различных типах сетевых устройств обмениваются между собой.

Одно из важнейших следствий использования высокоскоростных сетей для пятого уровня состоит в том, что устройства становятся куда разнообразнее, а приложения — требовательнее и сложнее. Возросшая частота запросов и ответов о предоставлении сервиса возлагает намного большую нагрузку на компоненты пятого уровня.

На шестом уровне проблемы, в общем, те же. Данный уровень выполняет функции кодирования и преобразования данных для прикладного уровня. Эти функции включают в том числе сжатие и шифрование данных. Потенциальная опасность здесь в том, что алгоритмы сжатия и шифрования усложняются, а сжатие и шифрование используются гораздо чаще. Если эта тенденция не изменится, то задача шестого уровня окажется весьма непростой.

Происходящие на седьмом (прикладном) уровне события могут сказаться на работе сети самым непосредственным образом. В частности, в высокоскоростных сетях все, что ускоряет выполнение приложений, приветствуется. Например, скорость передачи данных сервером или рабочей станцией может возрасти в результате работы утилиты дефрагментации диска, а это, в свою очередь, ускоряет выполнение приложений.

Основным вопросом здесь является нагрузка, которую приложение возлагает на сеть. Требования к пропускной способности и терпимость к задержкам следует тщательно проанализировать, прежде чем развертывать приложение. С этой точки зрения особенно требовательны такие приложения, как мультимедиа и видео реального времени, а также просмотр Web.

Другим типом приложений, поддержка которых требует все большего и большего увеличения скоростей передачи, являются базы данных. Чем критичнее база данных для данного бизнес-процесса, тем недопустимее любые задержки. К счастью, такие технологии, как расширенный язык разметки (Extensible Markup Language, XML), позволяют ускорить доступ к базам данных и за счет этого решить проблему.

Другая потенциальная проблема возникает, когда в сети используются приложения с различными требованиями к пропускной способности. В этом случае наилучшая стратегия состоит в реализации необходимых механизмов обеспечения качества обслуживания, при наличии которых сеть может дифференцировать потоки по уровню приоритета.

ДОСТИЖЕНИЕ ОПТИМАЛЬНОЙ ПРОИЗВОДИТЕЛЬНОСТИ

При всей эластичности модели OSI выделение основных моментов, на которые вам следует прежде всего обратить внимание, может оказаться полезным при проектировании и реализации высокоскоростной сети. Главное — обеспечить надлежащую функциональность на каждом уровне.

Ресурсы Internet

Дополнительную информацию о стандарте EIA/TIA-568 смотри на http://www.tiaonline.org/standards/search_results.cfm/.

Дополнительную информацию о XML можно найти на http://www.w3.org/XML/.

Сервер Web компании Alteon Networks на http://www.alteon.com содержит информацию о больших кадрах.

Дополнительная информация о стандарте PCI-X имеется на сервере PCI Special Interest Group по адресу: http://www.pcisig.com.