ПРОБЛЕМЫ ОЦЕНКИ ПРОИЗВОДИТЕЛЬНОСТИ

ВЫЧИСЛИТЕЛЬНЫХ СЕТЕЙ

 

 

Абросимов Л.И.

 

 

(г. Москва, Московский энергетический институт (Технический университет) Россия)

 

 

Проблемы производительности вычислительных систем исследуются с 70-х годов прошлого столетия и, хотя получены основательные методические и теоретические результаты [1], далеко не все проблемы оценки производительности вычислительных систем можно считать успешно разрешенными.

         Развитие вычислительных сетей (ВС) привело к увеличению проблем оценки производительности ВС. Отмечая сложности возникших проблем A.Tanenbaum пишет: «К сожалению, понимание производительности вычислительных сетей представляет собой скорее искусство, нежели науку. Теоретическая база, допускающая хотя бы какое-либо практическое применение очень мала» [2].

         Особенности ВС, по сравнению с вычислительными системами, состоят в том, что в ВС пользователей обслуживает огромное количество сетевых узлов: серверов, коммутирующих узлов, каналообразующих средств, располагающихся на значительном удалении друг от друга. При этом серверы, коммутирующие узлы, каналы – реализуют различные функции. Следовательно, проблема оценки производительности ВС состоит в том, что большое количество разнообразных узлов объединяются в структуры ВС самыми разными способами.

         Другая проблема оценки производительности ВС определяется трафиком нагрузки. Ведь пока ВС не функционирует – трафика нет. В функционирующей  ВС трафик, его характеристики определяются как деятельностью корпорации, так и субъективными особенностями пользователей.

         Третья проблема состоит в отсутствии нормативно-справочной базы по сетевым характеристикам узлов ВС и сетевым параметрам типовых трафиков ВС.

         Эффективное управление вычислительными сетями, их модернизация не возможны без оценок качества функционирования, одной из которых является производительность ВС. Чтобы разрешить проблемы оценки производительности ВС, необходимо:

o       Определить понятие производительности ВС и выбрать количественную меру производительности ВС.

o       Обосновать, какие характеристики могут являться исходными данными для вычисления значений производительности ВС.

o       Выбрать инструментальные средства и разработать методики для практически реализуемых измерений исходных характеристик узлов и трафика ВС.

o       Разработать методику, алгоритмы и программные средства определения численных значений производительности ВС.

Понятия производительности ВС

Предлагается для определения понятия производительности ВС использовать систему взаимосвязанных определений различной степени детальности, каждая из которых определяется показателями двух типов:

- производительность элементов каждого из узлов ВС, которая оценивается:

·        множеством интервалов времени, которые затрачивает каждый элемент каждого обслуживающего узла при обработке транзакции соответствующего типа,

·        множеством интенсивностей обработки каждым элементом каждого обслуживающего узла транзакции соответствующего типа.

- производительность узлов ВС, которая оценивается:

·        множеством интервалов времени, которые затрачивает каждый обслуживающий узел при обработке транзакции соответствующего типа,

·        множеством интенсивностей обработки каждым обслуживающим узлом транзакции соответствующего типа.

- комплексная производительность ВС, которая оценивается:

·        множеством интервалов времени, которые затрачивает при обработке транзакции каждого рассматриваемого типа соответствующий набор обслуживающих узлов,

·        множеством интенсивностей обработки транзакций каждого рассматриваемого типа соответствующим набором обслуживающих узлов.

- рабочая производительность ВС, которая оценивается:

·        множеством интервалов времени, которые затрачивает при обработке транзакции каждого рассматриваемого типа соответствующий набор обслуживающих узлов при известном соотношении типов транзакций, составляющих рабочий трафик,

·        множеством интенсивностей обработки транзакций каждого рассматриваемого типа соответствующим набором обслуживающих узлов при известном соотношении типов транзакций, составляющих рабочий трафик.

- пиковая производительность ВС, которая оценивается:

·        множеством интервалов времени, которые затрачивает при обработке транзакций каждого рассматриваемого типа транзакции соответствующий набор обслуживающих узлов при известном соотношении типов транзакций, составляющих пиковый трафик нагрузки,

·        множеством интенсивностей обработки транзакций каждого рассматриваемого типа соответствующим набором обслуживающих узлов при известном соотношении типов транзакций составляющих пиковый трафик нагрузки.

- предельная производительность ВС, которая оценивается:

·        множеством интервалов времени, которые затрачивает при обработке транзакций каждого рассматриваемого типа соответствующий набор обслуживающих узлов при известном соотношении типов транзакций, составляющих пиковый трафик нагрузки, и предельной нагрузке в одном из обслуживающих узлов ВС.

·        множеством интенсивностей обработки транзакций каждого рассматриваемого типа соответствующим набором обслуживающих узлов при известном соотношении типов транзакций, составляющих пиковый трафик нагрузки, и предельной нагрузке в одном из обслуживающих узлов ВС.

Приведенная система производительностей ВС может быть описана математическими соотношениями, выведенными для ассоциации одноканальных СМО, каждая из которых соответствует узлу ВС (серверу, коммуникационному узлу, каналу, абонентской станции)

Для обработки в обслуживающем узле каждой транзакции рассматриваемого типа может потребоваться в течение определенного временного интервала использование соответствующих технических и программных средств, например, создать процесс или запустить подпрограмму. Такие единицы обработки, временно сосредотачивающие ресурсы узла для обработки транзакции рассматриваемого типа, назовем элементами обслуживающего узла.

Исходные данные для вычисления значений производительности ВС.

На практике обычно используют рабочую производительность ВС, для оценки которой используют специализированные вычислительные средства. Однако при этом не учитывают, что каждая ВС обладает индивидуальными особенностями, к которым относятся: количество и состав узлов ВС, ее структуру, маршруты транзакций, используемое программное обеспечение, количество, функции и квалификацию пользователей. Поэтому замеры рабочей производительности ВС оказываются несопоставимыми.

В качестве унифицированных, типовых исходных данных для определения всех параметров производительности ВС предлагается использовать производительность элементов каждого из узлов ВС. Для их практического определения следует:

- составить классификацию узлов ВС, которая учитывает особенности аппаратурной и программной реализаций (особенно для маршрутизаторов и для серверов),

- используя специализированные средства, измерить производительности элементов для каждого выделенного типа узлов ВС, которые обслуживают транзакции определенного контура,

- составить модель узла в виде одноканальной СМО с вложенными элементами.

         Определение нормативных параметров трафика ВС осуществляется на основе обработки экспериментальных данных, полученных на функционирующих сегментах ВС, для этого проводится:

- измерение характеристик трафика для функционирующей ВС и при этом фиксируется тип выполняемой функции и количество работающих пользователей;

- статистическая обработка результатов измерения трафика для определения значений рабочего трафика и пикового трафика для разных типов функций;

- обработка измеренных значений трафика для классификации типовых контуров, составляющих трафик, и формирование на этой основе нормативно-справочных данных

         Выбор инструментальные средства и разработка методик для практически реализуемых измерений исходных характеристик производится в первую очередь с учетом требований совместимости. В качестве источников, с которых можно начинать выбор средств измерения можно указать [3 - 7].

Методика и алгоритмы для определения численных значений производительности ВС

         Основой для вычисления оценок производительности ВС является метод контуров [8 - 10], содержащий следующие этапы:

- описание структуры вычислительной сети,

- описание функциональной схемы вычислительной сети,

- представление графовой модели вычислительной сети,

- составление линейных уравнений баланса,

- составление нелинейных уравнений баланса,

- решение линейных уравнений баланса,

- решение нелинейных уравнений баланса,

- определение функциональных характеристик ВС.

         В докладе приводятся примеры и результаты выполнения перечисленных этапов, приводятся расчетные соотношения, а также результаты расчета параметров производительности для распределенной вычислительной сети. Примеры иллюстрируют практическую реализуемость метода контуров и его возможности для оценки производительности ВС.

Таким образом, в докладе сформулированы проблемы оценки производительности ВС и предложены подходы, которые позволяют успешно разрешить эти проблемы и базируются на длительных исследованиях, выполненных в научной группе, руководимой автором.

ЛИТЕРАТУРА

1. Феррари Д. Оценка производительности вычислительных систем. – М.:Мир, 1981. 576 с.

2. Танненбаум Э. Компьютерные сети. СПб.: Питер 2002, 848 с.

3. Glenn Herrin. Linux IP Networking. A guide to the implementation and
modification of the Linux protocol stack, http://www.kernelnewbies.org/documents/ipnetworking/linuxipnetworking.html

4. Ivan Bowman. Conceptual architecture of the Linux kernel,

http://www.grad.math.uwaterloo.ca/~itbowman/CS746G/a1/

5. Ivan Bowman, Saheem Siddiqi, Meyer C. Tanuan. Concrete architecture of the Linux kernel, http://plg.uwaterloo.ca/~itbowman/CS746G/a2

6. http://www.opersys.com/LTT.html

7.  http://www.intel.com/software/products/vtune

8. Абросимов Л.И. Анализ и проектирование вычислительных сетей: Учебное пособие - М.:, Изд-во МЭИ. 2000. - 52 с

9 Lehr- und Uebungsbuch Telematik /Hrsg. Gerhard Kruger ; Dietrich Reschke. Autoren Leonid I. Abrosimov, Jorg Deutschmann, Werner Horn, Holger Reif, Dietrich Reschke, Jochen Schiller, Jochen Seitz. Muenchen; Wien:Fachbucherverl. Leipzig im Carl-Hanser-Verl., 2000.S 85-98(412 s)

10. Абросимов Л.И. Основные положения теории производительности вычислительных сетей. Вестник МЭИ,2001, № 4, Издательство МЭИ, М.:70-75 с.