2.1.4.10. Производительность эвм и информационно-вычислительных сетей

Согласно Серии Международных Стандартов ISO 9000 качество – это совокупность свойств системы, позволяющих отвечать потребностям и ожиданиям потребителя.

Основные показатели качества информационно-вычислительных сетей (ИВС):

полнота выполняемых функций – сеть должна обеспечивать выполнение всех предусмотренных для нее функций по доступу ко всем ресурсам, по совместной работе узлов и по реализации всех протоколов и стандартов работы;

производительность – среднее количество запросов пользователей сети, исполняемых за единицу времени;

пропускная способность – важная характеристика производительности сети, определяемая объемом данных, передаваемых через сеть (или ее звено – сегмент) за единицу времени. Часто используется другое название – скорость передачи данных;

надежность – важная техническая характеристика сети, чаще всего определяемая средним временем наработки на отказ;

достоверность результатной информации – важная потребительская характеристика сети;

безопасность – важнейшая характеристика, поскольку современные сети имеют дело с конфиденциальной информацией. Способность сети защитить информацию от несанкционированного доступа и определяет степень ее безопасности;

прозрачность – еще одна потребительская характеристика сети, означающая невидимость особенностей ее внутренней архитектуры для пользователя. Он должен иметь возможность обращаться к ресурсам сети как к локальным ресурсам своего собственного компьютера;

масштабируемость – возможность расширения сети без заметного снижения ее производительности;

универсальность – возможность подключения к сети разнообразного технического оборудования программного обеспечения от разных производителей;

эффективность – возможность выполнения сетью возложенных на нее функций с меньшими затратами оборудования, времени или средств по сравнению с прототипами либо с другими типами сетей.

Далее рассмотрим два важнейших показателя, применяемых про проектировании информационных сетей, – производительность и пропускную способность – подробнее.

Производительность ЭВМ и ее оценка. Производительность ИВС зависит от времени выполнения запроса пользователя t_{вып. ЗП} затрачиваемого на обработку информации и определяемого производительностью ЭВМ и ВС как элементов сети.

Производительность ЭВМ измеряется в МИПС (MIPS) – миллионах операций в секунду над числами с фиксированной запятой (точкой) и в МФлоПС (MFloPS) для операций над числами, представленными в форме с плавающей точкой [1].

Производительность – это показатель эффективности ЭВМ или ВС, для оценки которого используются некоторые характеристики скорости работы системы. Она измеряется иногда числом наиболее повторяющихся либо средних по длительности операций в секунду (опер./с). Значения производительности изменяются от сотен операций в секунду у персональных компьютеров, микроЭВМ и микропроцессоров до 10¹³ операций в секунду и более у суперЭВМ.

Производительность зависит не только от самой ЭВМ, но и от особенностей обрабатываемой информации, таких как разрядность слов, форма представления чисел (с плавающей или фиксированной точкой), частоты повторения различных операций в общем потоке выполняемых программ и др. Поэтому производительность ЭВМ оценивается с помощью тестовых наборов задач, предварительно выявляя процентное содержание команд различного типа. В 70-х гг. XX в. были разработаны усредненные наборы операций – смеси Гибсона для разных типов задач (экономических, технических, математических и т.д.), в которые разные команды входили в определенном процентном отношении. По смесям Гибсона можно определить среднее быстродействие компьютера для этих типов задач.

Фирмы-изготовители для определения быстродействия своих изделий разработали более новые тестовые наборы: в 1992 г. для микропроцессоров фирмы Intel – показатель iCOMP (Intel Comparative Microprocessor Performance), в 1996 г. – показатель iCOMP2.0, ориентированный на 32-битные ОС и мультимедийные технологии. Разработаны специализированные тесты для конкретных областей применения ЭВМ: Winstone 97-Business для офисной группы задач; варианты тестов WinBench 97 для других видов задач.

Значения производительности могут использоваться для ориентировочной оценки реальной производительности при решении конкретных задач. Иногда производительность удобно оценивать числом выполняемых команд в минуту, числом выполняемых заданий в день и т.д.

Оценки производительности для ЭВМ, выполняющих самые разные задания, будут весьма неточными. Поэтому для характеристики ПК вместо производительности обычно указывают тактовую частоту, более объективно определяющую быстродействие машины, так как каждая операция требует для своего выполнения определенного числа тактов.

Пример. Частота тактового генератора микропроцессора равна 100 МГц. Чему равна производительность ПК (при отсутствии конвейерного выполнения команд и увеличения внутренней частоты)?

Решение. У микропроцессоров короткие машинные операции (простые сложение и вычитание, пересылки информации и др.) выполняются обычно за 5 машинных тактов. В нашем случае один такт равен 1/100 МГц = 1/100- 10^б Гц = 10^-8 с; время выполнения одной операции составит 5∙10^-8 с. За одну секунду могут выполняться 1/(5∙10^-8) = 20∙10^б операций, т.е. 20 млн. операций. Следовательно, производительность ПК на базе данного микропроцессора равна 20 млн. опер./с.

Производительность ЭВМ на базе микропроцессора с тактовой частотой 1000 МГц будет равна 200 млн. коротких операций в секунду.

Основным звеном, сдерживающим производительность машины потока данных, является ассоциативная память (АП). АП выполняет несколько команд в зависимости от кода операции. Ключом поиска – дескриптором – является код, состоящий из номера команды, индекса, итераций и активации. При реализации памяти на интегральных схемах БИК-МОП-структуры с разрешающей способностью технологического процесса 0,7 мкм период темпа работы не превышает 10 не. Модуль такого порядка можно реализовать объемом в 32 тыс. ключей. Из ста модулей такой памяти можно получить достаточный объем ассоциативной памяти – более 3∙10⁶ слов. С таким темпом могут справиться два – четыре транспьютера, в каждом из которых могут обрабатываться два пакета одновременно в конвейерном режиме. Четыре коммутатора обеспечат необходимый темп работы.

Производительность и пропускная способность ИВС. Одним из основных свойств сетей ЭВМ является потенциально высокая производительность, обеспечиваемая возможностью распараллеливания вычислительного процесса между несколькими компьютерами ВС сети. Эту возможность не всегда удается реализовать, и загрузка вычислительных мощностей получается далеко не всегда полной.

Производительность ИВС, иначе называемая вычислительной мощностью, определяется тремя характеристиками:

временем реакции сети на запрос пользователя;

пропускной способностью сети;

задержкой передачи.

Время реакции сети определяется как интервал времени между возникновением запроса пользователя (ЗП) к какой-либо сетевой службе и получением ответа на этот запрос. Оно складывается из следующих составляющих:

– времени подготовки запроса на компьютере пользователя t_{под. ЗП};

– времени передачи запроса через сегменты сети и промежуточное телекоммуникационное оборудование от пользователя к узлу сети, ответственному за его исполнение t_{перед. ЗП};

– времени выполнения (обработки) запроса в этом узле t_{вып. ЗП};

– времени передачи пользователю ответа на запрос t_{перед. отв.};

– времени обработки полученного от сервера ответа на компьютере пользователя t_{обраб. отв}.

Время реакции зависит от типа службы, к которой обращается пользователь, от того, какой пользователь и к какому узлу обращается, а также от состояния элементов сети на данный момент, а именно: от загруженности сервера и сегментов, коммутаторов и маршрутизаторов, через которые проходит запрос, и др. Поэтому на практике используется оценка времени реакции сети, усредненная по пользователям, серверам, времени суток, от которого зависит загрузка сети. Эти сетевые составляющие времени реакции дают возможность оценить производительность отдельных элементов сети и выявить «узкие» места с целью модернизации сети для повышения общей производительности.

Значительную часть времени реакции составляет время передачи информации по телекоммуникациям сети, от длительности которого и зависит пропускная способность. Пропускная способность определяет скорость выполнения внутренних операций сети по передаче пакетов данных между узлами сети через коммутационные устройства и характеризует качество выполнения одной из основных функций сети – транспортировки сообщений. По этой причине при анализе производительности сети эта характеристика чаще используется, чем время реакции.

Пропускная способность, называемая в некоторых литературных источниках скоростью передачи данных, измеряется в бодах (как уже отмечалось бод – единица скорости передачи информации, равная числу элементарных электрических сигналов, передаваемых за 1 с) либо в пакетах в секунду и характеризует эффективность передачи данных. Например, скорость передачи данных по кабельным линиям связи ЛВС – от 10 Мбит/с, по телефонным каналам связи глобальных сетей – всего 1200 бит/с.

Используются три понятия пропускной способности – средняя, мгновенная и максимальная. Средняя пропускная способность вычисляется делением объема переданных данных на время их передачи за длительный интервал времени (час, день, неделя). Мгновенная пропускная способность – средняя пропускная способность за очень маленький интервал (10 мс или 1 с). Максимальная пропускная способность – это наибольшая мгновенная пропускная способность, зафиксированная за время наблюдения.

Средняя пропускная способность отдельного элемента или всей сети позволяет оценить работу сети за большой промежуток времени, в течение которого пики и спады интенсивности трафика компенсируют друг друга. С целью повышения пропускной способности сети ЭВМ применяется метод конвейерной обработки информации, при котором команды и/или данные, заранее выбранные из общей памяти («опережающая выборка»), размещаются в промежуточном запоминающем устройстве (ЗУ) – кэш-памяти (от cache – карман). Кэш-память (или просто кэш) – быстродействующее ЗУ в одном кристалле с микропроцессором либо внешнее по отношению к нему, представляет собой высокоскоростной буфер между процессором и низкоскоростной внешней памятью (ВЗУ). Емкость кэш-памяти, например, у процессора типа Ridge System 32 равна 4 Кбайт, или сокращенно 4К, а время доступа к ней t_дост = 120 нс.

В кэше помимо команд и данных размещают и командные циклы с водящими в них командами переходов. Это позволяет избегать большого числа циклов ожидания при работе с памятью через системную шину, что характерно для сетей ЭВМ.

Обращение к памяти считается удачным, если необходимая информация уже находится в кэше. При емкости кэша 4К и длине строки 4 байта вероятность удачного обращения Р_удач. = 80 %, при удвоении строки Р_удач. = 85%, при следующем удвоении длины строки кэша Р_удач повышается лишь до 87 %.

Полная производительность памяти зависит от среднего времени доступа к памяти t_{дост.ср.}, которое определяется временем доступа к кэшу t_дост._кэш, вероятностью удачных обращений Р_удач. и временем обращения к основной памяти, происходящего при неудачном обращении к кэшу:

Пример. Рассчитать среднее время доступа процессора с кэш-памятью при вероятности удачных обращений 80 %, времени доступа к кэш-памяти 120 нс, вероятности обращения к основной памяти 20% и времени доступа к ней 600 нс.

Решение. t_дост._ср = 0,8∙120 + 0,2(600 + 120) = 240 нс.

Применение кэш-памяти высвобождает часть пропускной способности, что будет показано в следующем примере.

Пропускная способность сети обозначается W (иногда С) и измеряется в мегабайтах в секунду (Мбайт/с) либо в бодах:

,

где К – коэффициент использования шины; С_п – объем пересылаемой информации, байт; Т_ц – длительность цикла, с; n – число циклов на одну пересылку.

Пример. При каждом обращении к памяти пересылаются 4 байта, на что затрачивается 3 синхроцикла длительностью 60 нс. У микропроцессора без кэша К = 82%, а у микропроцессора MC68020 фирмы Моторола, содержащего кэш, К= 65 % за счет того, что Р_удач = 100 %. Рассчитать необходимую пропускную способность системной шины в том и другом случае.

Решение. W_{6eз кэш} = 0,82∙4/(60∙10^-9∙3) = 18,22∙10⁶ байт/с = 18,22 Мбайт/с;

W_{с кэш} = 0,65∙4/(60∙10^-9∙3) = 14,44∙10⁶ байт/с = 14,44 Мбайт/с.

Высвобожденная благодаря наличию кэш-памяти часть пропускной способности шины может быть использована процессором или другим устройством системы.

По значению максимальной пропускной способности можно оценить возможность сети справляться с пиковыми нагрузками, например, утром, когда производятся регистрация пользователей сети и обращение к разделяемым файлам и базам данных. Связь между максимально возможной пропускной способностью и полосой пропускания линии вне зависимости от принятого способа физического кодирования установил Клод Шеннон:

,

где С – максимально возможная пропускная способность линии, бит/с; F – ширина полосы пропускания линии, Гц; Р_с – мощность сигнала; Р_ш – мощность шума.

Подробно вопросы, связанные с шириной полосы пропускания линии связи рассмотрены в [1], [14].

Максимально возможную пропускную способность линии связи без учета шума можно определить и по формуле, полученной Найквистом:

,

где М – число различимых состояний информационного параметра. Отсюда следует, что если сигнал может иметь два состояния (0 и 1), то пропускная способность равна удвоенному значению ширины полосы пропускания линии связи.

Пример. Соотношение между мощностями сигнала и шума равно 100, что типично для линий связи. Мощность передатчика увеличили вдвое. На сколько увеличится максимально возможная полоса пропускания?

Решение. Применим формулу Шеннона. Будем считать, что первоначально множитель log₂(l + 100) соответствует 100%. После увеличения Р_с вдвое log₂(l + 200) соответствует 115%. Это означает, что из-за логарифмической зависимости от отношения сигнал/шум пропускная способность увеличится всего на 1 %.

Пропускная способность может измеряться между двумя узлами или точками сети, например между компьютером пользователя и сервером, между входным и выходным портами маршрутизатора. Общая пропускная способность любого составного пути сети будет равна минимальной из пропускных способностей составляющих элементов маршрута, поскольку пакеты передаются различными элементами сети последовательно. Поэтому для повышения пропускной способности составного пути необходимо выявить самые медленные элементы. Обычно это маршрутизатор, так как если средняя интенсивность передаваемого по составному пути трафика будет превосходить среднюю пропускную способность самого медленного элемента пути, очередь пакетов к этому элементу будет нарастать, пока не заполнится буферная память элемента, после чего пакеты будут отбрасываться и теряться. Общая пропускная способность сети характеризует качество сети в целом и определяется как среднее количество информации, переданной между всеми узлами сети в единицу времени.

Задержка передачи – это задержка между моментом поступления пакета на вход какого-нибудь сетевого устройства или части сети и моментом появления его на выходе данного устройства. Эта характеристика производительности отличается от времени реакции сети тем, что включает в себя только время этапов сетевой обработки данных без учета задержек обработки данных компьютерами сети. Практически задержка не превышает сотен миллисекунд, реже – нескольких секунд, и не влияет на качество файловой службы, служб электронной почты и печати с точки зрения пользователя. Однако такие задержки пакетов, переносящих изображение или речь, приводят к снижению качества предоставляемой пользователю информации из-за возникновения дрожания изображения, эффекта эха, неразборчивости слов и т.п.

Задержка передачи и пропускная способность являются независимыми характеристиками, поэтому несмотря на высокую пропускную способность сеть может вносить значительные задержки при передаче каждого пакета.

Пример. Канал связи образован геостационарным спутником на высоте h = 36000 км. Определить задержку передачи t_зад.

Решение. Скорость распространения сигнала равна скорости распространения радиоволн v = 300000 км/с. Расстояние, которое проходит сигнал, равно удвоенной высоте спутника, т.е. 2h. Отсюда t_зад = 2h/v = = 72000 км/300000 км/с = 0,24 с.

Отметим, что пропускная способность рассматриваемого канала может быть весьма высокой, например 2 Мбит/с.

Пример. Оценить и сравнить задержки в передаче данных в сетях с коммутацией пакетов и с коммутацией каналов. Объем тестового сообщения С = 200 Кбайт, расстояние между отправителем и получателем l = 5000 км. Пропускная способность линии связи W = 2 Мбит/с. Скорость распространения сигнала v = 200000 км/с. Путь от отправителя до получателя пролегает через 10 коммутаторов, каждый из которых вносит задержку коммутации t_{зад.ком.} = 20 мс (рис. 94). (Эта задержка у реальных коммутаторов может иметь большой разброс – от долей до тысяч миллисекунд.) Исходное сообщение разбивается на пакеты объемом С_пак = 1 Кбайт (всего 200 пакетов). Доля служебной информации, расположенной в заголовках пакетов, по отношению к общему объему сообщения составляет 10%. Интервал между отправкой пакетов T_пак = 1 мс.

Рис. 94. Структурная схема (а) и временные диаграммы (б) передачи сообщения в сети с коммутацией пакетов

Решение. В сети с коммутацией каналов время задержки передачи данных t_{зад.к.к.} складывается из времени распространения сигнала t_распр и времени передачи сообщения по сети

.

с = 25 мс.

с = 800 мс.

Следовательно, мс.

В такой же сети, но с коммутацией пакетов, при передаче этого же сообщения возникает задержка в исходном узле связи, связанная с передачей заголовков пакетов:

мс.

Потери времени в исходном узле за сет интервалов между пакетами

мс.

Всего в исходном узле из-за пакетирования сообщения возникает задержка

мс.

Помимо того, возникает задержка, вносимая десятью коммутаторами

мс.

Задержка буферизации пакета при прохождении информации через коммутатор:

с = 4 мс.

Таким образом, задержка, вносимая десятью коммутаторами на буферизацию t_буф, составит 40 мс.

Общая задержка на коммутаторах

мс.

В результате, дополнительная задержка в сети, созданная коммутацией пакетов:

мс.

Эта дополнительная задержка соизмерима с временем задержки передачи данных в сети с коммутацией каналов t_{зад.к.к.} = 825 мс и может считаться существенной.