19.2. Влияние на производительность алгоритма доступа к разделяемой среде и коэффициента использования

Время доступа к среде определяется как логикой самого протокола, так и степенью загруженности сети. В локальных сетях пока доминируют разделяемые среды передачи данных, требующие выполнения определенной процедуры для получения права передачи кадра. В протоколах Ethernet и FastEthernet используется алгоритм случайного доступа с обнаружением коллизий CSMA/CD, а в протоколах TokenRing и FDDI - алгоритм, основанный на детерминированной передаче токена доступа. Новый стандарт 100VG-AnyLAN использует алгоритм доступа Demand Priority, при котором решение о предоставлении доступа принимается центральным элементом - концентратором.

Время доступа к среде складывается из номинального времени доступа и времени ожидания доступа. Номинальное время доступа определяется как время доступа к незагруженной среде, когда узел не конкурирует с другими узлами. Номинальное время доступа к незанятой среде протоколов TokenRing и FDDI в 5 - 10 раз превышает соответствующее время протокола Ethernet, так как в незанятой сети Ethernet станция практически мгновенно получает доступ, а в сети TokenRing она должна дождаться прихода маркера доступа.

Другая составляющая времени доступа к среде - время ожидания - зависит от задержек, возникающих из-за разделения передающей среды между несколькими одновременно работающими станциями. Время ожидания зависит как от алгоритма доступа, так и от степени загруженности среды, причем зависимость времени ожидания от степени загрузки (коэффициента использования) сети для большинства протоколов носит экспоненциальный характер.

Наиболее чувствителен к загруженности среды метод доступа протокола Ethernet, для которого резкий рост времени ожидания начинается уже при величинах коэффициента использования в 30% - 50%. Поэтому для нормальной работы сети сегменты Ethernet не рекомендуется нагружать свыше 30% (рис. 2.2). Даже если среднее значение коэффициента использования находится в норме, но имеются пиковые значения, превышающие 60%, то это является свидетельством того, что сеть работает ненормально и требует проведения дополнительных исследований.

Рисунок 19.2. Характеристики пропускной способности сети Ethernet

Сети Token Ring и FDDI можно эксплуатировать и при больших значениях коэффициента использования - до 60%, а иногда и до 80%. Компания Hewlett-Packard, продвигающая на рынок технологию 100VG-AnyLAN, считает, что эти сети могут нормально работать и при загрузке в 95%.

На рисунке 19.2 помещены графики зависимости среднего времени ожидания доступа к среде для протоколов Ethernet и TokenRing от коэффициента использования сети. Графики показывают, что при близком общем характере зависимости резкое возрастание времени ожидания наступает в сетях Ethernet гораздо раньше, чем в сетях TokenRing.

Рисунок 19.3. Сравнение задержек доступа к среде в сетях Ethernet и TokenRing

19.3. Влияние размера кадра и пакета на производительность сети

Размер пакета может существенным образом повлиять на эффективную пропускную способность протокола, а значит и на производительность сети. Выясним на примере, как изменится эффективная пропускная способность протокола Ethernet, если вместо кадров минимальной длины при обмене данными будут использоваться кадры максимальной длины с полем данных в 1500 байт, как это определено в стандарте.

Общая длина кадра вместе с преамбулой, заголовком и контрольной суммой составит в этом случае 8+14+1500+4 = 1526 байт или 12208 бит. Время передачи такого кадра составит 1220,8 мкс, а период повторения кадров – 1220,8 +9,6 = 1230,4 мкс.

Эффективная пропускная способность при этом равна

(1500 х 8)/1230,4 = 9,75 Мб/c.

Полученный результат говорит о том, что при увеличении размера пакета эффективная пропускная способность протокола Ethernet существенно, почти в 2 раза, увеличилась - с 5,48 Мбит/с до 9,75 Мбит/с (рис. 19.1). Аналогичный рост характерен для всех протоколов и это говорит о том, что размер пакета - один из тех параметров, которые в наибольшей степени влияют на производительность сети.

Размер пакета конкретного протокола обычно ограничен максимальным значением поля данных (Maximum Transfer Unit, MTU), определенным в стандарте на протокол.

Протоколы локальных сетей имеют следующие значения MTU:

Ethernet, Fast Ethernet - 1500 байт;

Token Ring 16 - 16 Kбайт (обычно по умолчанию устанавливается значение 4Kбайт, но его можно увеличить);

FDDI - 4Kбайта;

100VG-AnyLAN - 1500 байт при использовании кадров Ethernet и 16K при использовании кадров TokenRing;

ATM - 48 байт.

Протоколы верхних уровней, начиная с сетевого, инкапсулируют свои пакеты в кадры протоколов канального уровня, поэтому ограничения, существующие на канальном уровне, являются общими ограничениями максимального размера пакета для протоколов всех уровней.

Необходимо отметить, что повышение размера кадра увеличивает пропускную способность сети только в том случае, когда данные в сети редко искажаются или теряются, то есть при устойчивой, надежной работе сети. В противном случае увеличение размера пакета может привести не к увеличению, а к снижению пропускной способности, так как сеть будет повторно передавать большие порции информации. Для каждого уровня искажений данных можно подобрать рациональный размер пакета, для которого пропускная способность сети будет максимальной.

Максимальный размер пакета только создает предпосылки для повышения пропускной способности, так как в конечном счете от приложений зависит, будет ли использована данная максимальная величина поля данных или нет. Если, например, приложение ведет работы с базой данных и пересылает на сервер SQL-запросы, получая в ответ по одной короткой записи, то максимальный размер поля данных в 4 или 16 Кбайт никак не поможет повысить пропускную способность сети. При обращении же приложения к файловому серверу для пересылки мультимедийного файла размером в несколько мегабайт наличие возможности пересылать файл частями по 16 Кбайт безусловно повысит пропускную способность сети по сравнению с вариантом пересылки файла частями по 1500 байт.

Настройка размера пересылаемых порций данных обычно происходит на транспортном уровне стека протоколов и, возможно, на прикладном, если разработчик приложения предусмотрел такую возможность.

Работа с пакетами больших размеров повышает производительность сети не только за счет уменьшения накладных расходов на служебную информацию заголовка. При использовании больших пакетов повышается производительность коммуникационного оборудования, работающего с кадрами и пакетами, то есть мостов, коммутаторов и маршрутизаторов. Это происходит из за того, что при передаче одного и того же объема информации число используемых больших пакетов существенно меньше, чем число маленьких, а так как коммуникационное оборудование тратит определенное время на обработку каждого пакета, то и временные потери продвижения пакетов мостами, коммутаторами и маршрутизаторами при использовании больших пакетов будут меньше.