Методы обеспечения требуемого уровня надежности сетей
Сети связи с коммутацией каналов
Обеспечение высокой надежности не является самоцелью, а представляет собой средство достижения максимальной эффективности сети. Уровень надежности, при котором достигается максимум показателя эффективности СС, является оптимальным для нее. Этот уровень определяется многими факторами, к числу которых относятся: назначение СС, ее структура, размер убытков, вызванных потерей заявки на обслуживание, используемые алгоритмы управления, уровень надежности элементов СС, их стоимость, условия эксплуатации и т. д. Оптимальный уровень надежности СС определяется на этапе системного проектирования системы более высокого порядка, в которую СС входит в качестве подсистемы.
Задача обеспечения требуемой надежности может решаться как при синтезе СС, так и в ходе управления уже существующей СС. В первом случае она сводится к определению варианта назначения типов элементов из заданного множества, обеспечивающего требуемый уровень надежности при минимальной стоимости. Решение ее применительно ко всей СС сразу для реальных сетей оказывается невозможным из-за большой размерности задачи. Поэтому ее вначале решают для подсети, связывающей пару абонентов с высшим приоритетом. Затем с учетом сделанных назначений типов элементов решают эту же задачу для следующей по приоритетности тяготеющей пары и т. д., пока требования по надежности связи не будут удовлетворены для всех заданных тяготеющих пар.
Задача назначения типов элементов подсети относится к задачам целочисленного программирования с линейной целевой функцией и нелинейными ограничениями. При ее решении может оказаться, что при заданном наборе типов каналов и станций требуемый уровень надежности не может быть достигнут. Тогда используется резервирование элементов. Резервированный элемент рассматривается как некоторый эквивалентный элемент, который вводится в исходный набор элементов, после чего задача распределения решается описанным способом.
Обеспечение требуемого уровня надежности на этапе управления существующей СС вначале решается с целью использования для этого внутренних ресурсов сети, без введения структурной избыточности, и сводится к формированию множества маршрутов для каждой тяготеющей пары, обеспечивающего требуемый уровень надежности.
Формирование множества маршрутов осуществляется итеративно, причем на каждом шаге для сформированного к началу этого шага множества рассчитывается вероятность успешной реализации сеанса. Если эта вероятность не меньше требуемой, процесс завершается.
Формирование начального множества маршрутов может осуществляться двумя способами. Первый заключается в том, что пользователь включает в него маршруты, отобранные им на основании некоторого критерия, например, исходя из прежнего опыта их использования. Второй способ применяется, когда пользователь не имеет возможности самостоятельно сформировать это множество. В этом случае отбирается некоторое количество (обычно не более десяти) наиболее надежных маршрутов, из которых пользователь выбирает по своему усмотрению некоторое подмножество. Если показатель надежности сформированной таким образом подсети меньше требуемого, из оставшегося множества выбираются наиболее надежные маршруты (возможно, один), оценивается обеспечиваемая при этом вероятность связности и т. д.
Формирование множества маршрутов не всегда обеспечивает требуемую вероятность связности даже при включении в него всех возможных маршрутов между передающей и приемной станциями. В этом случае достигнуть требуемой вероятности связности можно только путем введения структурной избыточности (резервирования) элементов подсети, связывающей ТП.
Известен метод определения рационального варианта резервирования, обеспечивающего максимальное приращение вероятности связности при минимальной стоимости. Под рациональным понимается вариант резервирования, отличие которого от оптимального, найденного полным перебором, варианта практически несущественно.
Задача повышения надежности СС может возникать как в глобальной, так и в локальной постановках. Одной из целей решения этой задачи в глобальной постановке может быть повышение надежности СС в целом. Формально это сводится к тому, что в качестве целевой функции выбирают стоимость мероприятий по совершенствованию СС, а в качестве ограничения - сумму взвешенных коэффициентами важности тяготеющих пар вероятностей их связности. Такой подход приемлем, если заранее известно требуемое значение обобщенного показателя надежности всей СС, которое должно быть достигнуто введением структурной избыточности, и совершенствование СС осуществляется за один этап.
При невозможности обеспечения выполнения второго условия, совершенствование сети осуществляется в несколько этапов, на каждом из которых желательно обеспечивать минимально возможную стоимость приращения обобщенного показателя надежности СС. Поэтому в качестве критерия отбора варианта резервирования используют отношение суммы взвешенных коэффициентами значимости ТП приращений вероятностей связности их, обусловленных принятием варианта резервирования, к стоимости варианта.
На первый взгляд, принятие второго критерия вместо первого ничего не меняет. Однако на самом деле меняется содержание задач улучшения СС. Если принять первый, то задача заключается в определении варианта резервирования, который обеспечивает получение требуемых значений обобщенного показателя надежности сети за минимальную стоимость. При выборе второго критерия задача сводится к определению варианта резервирования, обеспечивающего максимальное приращение обобщенного показателя надежности на единицу затрат, то есть в этой постановке любое улучшение СС за цену, превышающую стоимость одного резервного элемента, приемлемо, в то время как в первой постановке приемлемым может считаться только тот вариант, при котором достигается требуемое значение обобщенного показателя надежности сети.
В локальной постановке задача резервирования возникает в ходе оперативного управления СС. Характерные особенности этих ситуаций состоят в следующем:
- требуется обеспечить заданные значения вероятности связности для некоторого подмножества ТП (возможно, даже одной ТП);
- имеются средства, достаточные для решения этой задачи за один этап.
В этом случае целесообразно использовать второй критерий отбора варианта резервирования, а в качестве ограничения, то есть условия, которому должен удовлетворять каждый приемлемый вариант, должно выступать удовлетворение требований по вероятности связности для всех ТП из заданного подмножества.
В связи с этим задача определения варианта резервирования сводится к определению варианта подключения множества резервных элементов, имеющего максимальное значение отношения суммы взвешенных коэффициентами значимости ТП из заданного множества приращений вероятности их связности, к стоимости варианта резервирования, обеспечивающего выполнение требований по величине вероятности связности для всех ТП из этого множества. Эта задача относится к классу задач многошаговой оптимизации. Для ее точного решения, дающего оптимальный вариант резервирования, можно использовать метод динамического программирования. Однако применение его для СС реальной сложности приводит к недопустимо большим требуемым вычислительным ресурсам. Учитывая, что наиболее часто эта задача решается в ходе оперативного управления СС, применение методов точного решения задач резервирования представляется бесперспективным. Поэтому используются приближенные методы, обеспечивающие получение близких к оптимальным (так называемых рациональных) вариантов резервирования реальных СС при приемлемых затратах вычислительных ресурсов. Одним из таких методов является квазиградиентный метод, основанный на пошаговой оптимизации вместо глобальной. В основу метода, обеспечивающего сокращение объема перебора, положена идея поэтапного сокращения размеров участка СС, для которого отыскивается рациональный вариант резервирования. Вначале эта область сужается до подмножества ТП, затем - до ТП, на следующем этапе - до маршрута в этой ТП. На последнем этапе осуществляется перебор возможных вариантов резервирования каналов выбранного маршрута и их комбинаций. Для сужения возможного множества вариантов, среди которых отыскивается рациональный, используются производные функции вероятности связности по маршрутам. Величины этих производных характеризуют "скорость" повышения значения вероятности связности ТП при резервировании каналов, входящих в эти маршруты. Метод позволяет определять рациональный вариант резервирования, предусматривающий резервирование как каналов, так и станций.
Обеспечение требуемой надежности сетей связи с коммутацией пакетов
Требуемый уровень надежности ССКП, как и ССКК, может быть достигнут как формированием соответствующего множества маршрутов, так и резервированием элементов маршрутов.
Анализ метода формирования множества маршрутов для ТП ССКК позволяет сделать вывод о том, что в основу положена итеративная процедура, состоящая из следующих операций:
а) формирования нового подмножества маршрутов для заданной подсети (ТП);
б) определения надежностных характеристик связи в заданном направлении, достигаемых при наличии в подсети текущего подмножества маршрутов;
в) оценки соответствия полученных значений надежностных характеристик нормативным и принятие на этой основе решения о продолжении процесса расширения подмножества маршрутов.
Применительно к формированию множества маршрутов для подсетей ССКП содержание процедур а) и в) остается тем же, что и для ССКК. Содержание процедуры б) определяется особенностями функционирования ССКП, проявляющимися в специфике метода расчета показателей надежности. В соответствии с этим выполнение процедуры б) применительно к ССКП отличается тем, что после формирования очередного текущего подмножества маршрутов определяется множество ТП, взаимодействующих с данной ТП, с учетом этого корректируется модель ССКП и рассчитываются показатели надежности подсети для текущего подмножества маршрутов.
При разработке метода определения рациональных вариантов резервирования элементов сетей с коммутацией пакетов оказалось необходимым дополнительно задавать в качестве исходных данных характеристики потоков заявок, обслуживаемых во взаимодействующих подсетях.
Для решения этой задачи используется квазиградиентный метод, модифицированный в соответствии со спецификой функционирования ССКП.
Надежность и безопасность
Одна из первоначальных целей создания распределенных систем, к которым относятся и вычислительные сети, состояла в достижении большей надежности по сравнению с отдельными вычислительными машинами.
Важно различать несколько аспектов надежности.
Для сравнительно простых технических устройств используются такие показатели надежности, как:
- среднее время наработки на отказ;
- вероятность отказа;
- интенсивность отказов.
Однако эти показатели пригодны для оценки надежности простых элементов и устройств, которые могут находиться только в двух состояниях - работоспособном или неработоспособном. Сложные системы, состоящие из многих элементов, кроме состояний работоспособности и неработоспособности, могут иметь и другие промежуточные состояния, которые эти характеристики не учитывают.
Для оценки надежности сложных систем применяется другой набор характеристик:
- готовность или коэффициент готовности;
- сохранность данных;
- согласованность (непротиворечивость) данных;
- вероятность доставки данных;
- безопасность;
- отказоустойчивость.
Готовность или коэффициент готовности (availability) означает период времени, в течение которого система может использоваться. Готовность может быть повышена путем введения избыточности в структуру системы: ключевые элементы системы должны существовать в нескольких экземплярах, чтобы при отказе одного из них функционирование системы обеспечивали другие.
Чтобы компьютерную систему можно было считать высоконадежной, она должна как минимум обладать высокой готовностью, но этого недостаточно. Необходимо обеспечить сохранность данных и защиту их от искажений. Кроме того, должна поддерживаться согласованность (непротиворечивость) данных, например если для повышения надежности на нескольких файловых серверах хранится несколько копий данных, то нужно постоянно обеспечивать их идентичность.
Так как сеть работает на основе механизма передачи пакетов между конечными узлами, одной из характеристик надежности является вероятность доставки пакета узлу назначения без искажений. Наряду с этой характеристикой могут использоваться и другие показатели: вероятность потери пакета (по любой из причин - из-за переполнения буфера маршрутизатора, несовпадения контрольной суммы, отсутствия работоспособного пути к узлу назначения и т. д.), вероятность искажения отдельного бита передаваемых данных, соотношение количества потерянных и доставленных пакетов.
Другим аспектом общей надежности является безопасность (security), то есть способность системы защитить данные от несанкционированного доступа. В распределенной системе это сделать гораздо сложнее, чем в централизованной. В сетях сообщения передаются по линиям связи, часто проходящим через общедоступные помещения, в которых могут быть установлены средства прослушивания линий. Другим уязвимым местом могут стать оставленные без присмотра персональные компьютеры. Кроме того, всегда имеется потенциальная угроза взлома защиты сети от неавторизованных пользователей, если сеть имеет выходы в глобальные общедоступные сети.
Еще одной характеристикой надежности является отказоустойчивость (fault tolerance). В сетях под отказоустойчивостью понимается способность системы скрыть от пользователя отказ отдельных ее элементов. Например, если копии таблицы базы данных хранятся одновременно на нескольких файловых серверах, пользователи могут просто не заметить отказа одного из них. В отказоустойчивой системе выход из строя одного из ее элементов приводит к некоторому снижению качества ее работы (деградации), а не к полному останову. Так, при отказе одного из файловых серверов в предыдущем примере увеличивается только время доступа к базе данных из-за уменьшения степени распараллеливания запросов, но в целом система будет продолжать выполнять свои функции.
Сравнение
протокол TCP работает, как и протокол UDP, на транспортном уровне. Протокол TCP предоставляет транспортные услуги, отличающиеся от услуг UDP. Вместо ненадежной доставки датаграмм без установления соединений, он обеспечивает гарантированную доставку с установлением соединений между прикладными процессами в виде байтовых потоков.
Протокол TCP используется в тех случаях, когда требуется надежная доставка сообщений. Он освобождает прикладные процессы от необходимости использовать таймауты и повторные передачи для обеспечения надежности. Наиболее типичными прикладными процессами, использующими TCP, являются FTP и TELNET. Реализация TCP требует большой производительности процессора и большой пропускной способности сети. Внутренняя структура модуля TCP гораздо сложнее структуры модуля UDP.
