SPRAWNOŚĆ PRZESYŁANIA DANYCH W PIERŚCIENIOWYCH LOKALNYCH SIECIACH KOMPUTEROWYCH DATA TRANSFER EFFICIENCY IN LOCAL AREA RING NETWORKS

Transkrypt

1 JERZY BIAŁAS *1 SPRAWNOŚĆ PRZESYŁANIA DANYCH W PIERŚCIENIOWYCH LOKALNYCH SIECIACH KOMPUTEROWYCH DATA TRANSFER EFFICIENCY IN LOCAL AREA RING NETWORKS Streszczenie Abstract Pierścieniowe lokalne sieci komputerowe ziałają w sposób bezkolizyjny i bez rywalizacji. Natomiast inaczej wygląa to w najpopularniejszej obecnie technologii sieciowej Ethernet, w której kolizje mogą występować, nawet w ość użym nasileniu. Te wie cechy zapewniają znacznie wyższą sprawność sieci, a więc ilość anych, jaka może być skutecznie przesłana w tej samej jenostce czasu. Jest to szczególnie wioczne w czasie użego obciążenia sieci. Niniejszy artykuł zajmuje się porównaniem sprawności ziałania wóch sieci pierścieniowych: Token Ring i FDDI (Fiber Distribute Data Interface), biorąc po uwagę ich mechanizmy ostępu stacji sieciowych o nośnika. W nawiązaniu o tego zaganienia przestawione są też ogólne informacje na temat sprawności sieci Ethernet. Słowa kluczowe: lokalna sieć komputerowa, wyajność przesyłania anych, Ethernet, Token Ring, FDDI Local area ring networks operate without causing collision, an without station competition. It is quite opposite to currently the most popular technology, Ethernet network, where collisions may occur in a large amount. These two features of the ring networks provie significantly better performance an greater amount of ata that can be effectively transmitte in the same time unit. This is especially true uring high network loa. This paper eals with the comparison of the efficiency of the two ring networks: Token Ring an FDDI (Fiber Distribute Data Interface), taking into account the access mechanisms to network stations. In relation to this issue general information about the efficiency of the Ethernet is also escribe. Keywors: local area network, ata transfer efficiency, Ethernet, Token Ring, FDDI * Dr inż. Jerzy Białas, Instytut Informatyki, Wyział Fizyki, Matematyki i Informatyki, Politechnika Krakowska.

2 52 1. Sprawność Ethernetu Duży spaek wyajności Ethernetu wykazano w opracowaniu Boba Metcalfa i Davia Boggsa opisującego rozwój i ziałanie Parc Ethernetu już w 1976 r. [4]. Dowieli oni, że sieć wypełnia się przy 36,8% obciążenia. Zostało to przestawione przy założeniach maksymalnej transmisji ramek o minimalnej ługości. W 1988 roku Davi Boggs wraz z woma współpracownikami (Mogul i Kent) opublikowali wyniki baań praktycznych rzeczywistego systemu Ethernet [1]. Nawet kiey 24 stacje stale rywalizowały o pasmo i wysyłały ramki o minimalnym rozmiarze (warunki poobne o założeń pierwszego moelu), wykorzystanie kanału oscylowało w granicach 9 Mb/s. Jak wynika aktualnie z obserwacji aministratorów, w traycyjnej magistralowej sieci pracującej w protokole Ethernet, wyajność sieci może spaść nawet o 80%. Problemy z siecią zaczynają się, gy [3]: śrenie wykorzystanie sieci w ciągu owolnych 15 minut pracy przekracza 50%, śrenie wykorzystanie sieci w ciągu owolnej 1 goziny pracy przekracza 30%, śrenie wykorzystanie sieci w ciągu owolnych 8 gozin pracy przekracza 20%. Jeśli weźmiemy po uwagę meium transmisyjne, w którym ane przesyłane są z szybkością 100 Mb/s, to w ciągu ośmiu gozin pracy sieci może być przesłane bez większych problemów 70,3 GB, a nie 351,6 GB, jak by to wynikało wprost z przemnożenia szybkości taktowania i czasu przesyłania anych. Ethernet znany jest jako sieć raząca sobie z użą liczbą przesyłanych anych w jenostce czasu, ale gy takie obciążenie jest krótkotrwałe, czyli gy są to tzw. wybuchy transmisji ramek [3]. Gy uże obciążenie trwa łużej niż kilka minut, ochozi najczęściej o zakleszczenia sieci. Wynika ono z pojawiających się i następnie narastających lawinowo kolizji. Stacje, którym nie uało się wysłać swoich ramek, bęą próbowały ponownie je przesłać po ostępie czasu generowanym losowo z pewnego przeziału wartości. Te oatkowe retransmisje bęą stanowić oatkowy wzrost obciążenia sieci w kolejnych chwilach. W ten sposób coraz truniej bęzie przesłać ane bez wystąpienia kolizji. Kolizje w Ethernecie pojawiają się wtey, gy wie stacje inicjują transmisję w tym samym lub zbliżonym czasie. Ze wzglęu na skończoną szybkość propagacji sygnału w sieci rozpoznanie kolizji przez stację może nastąpić nawet opiero po upływie wzglęnie ługiego czasu o rozpoczęcia naawania. Np. w technologii Ethernet 802.3, pracującej z szybkością 10 Mb/s, ten czas może wynieść nieco pona 50 mikrosekun [3] i taka może być też różnica czasowa w rozpoczęciu transmisji przez wie stacje. Czas ten nie wynika z samej propagacji sygnału elektrycznego w przewoniku, ale głównie z opóźnień w urzązeniach występujących na roze transmisji, które wnoszą znacznie większy czas opóźnienia sygnału niż sama propagacja sygnału elektrycznego [2]. Maksymalna szerokość sieci 925 m w technologii Ethernetu 10Base2 jest pokonywana przez falę elektromagnetyczną bez uwzglęniania urzązeń pośreniczących w czasie 3,1 μs. Przy użym obciążeniu sieci ochozącym o maksymalnej możliwej przepustowości sieć Ethernet zakleszcza się ość szybko. Jak to natomiast wygląa w technologiach Token Ring i FDDI? Ten problem spaku wyajności pojawiający się przy użym obciążeniu nie występuje w sieciach pierścieniowych, w których mamy o czynienia z Tokenem (żetonem), którego obecność w poszczególnych stacjach organizuje ostęp o nośnika. Nie ma tutaj zatem rywalizacji w ostępie o meium transmisyjnego i nie ma też możliwości wystąpienia kolizji, gyż ane mogą być wysyłane w anej chwili tylko przez jeną stację; tę, która posiaa Token.

3 2. Token Ring 53 W sieciach pierścieniowych, Token Ring lub FDDI, stacja może wysyłać swoje ane zorganizowane w postaci ramek anych, opiero gy otrzyma wcześniej o poprzeniej stacji trzybajtową ramkę Token [7]. W pierścieniu transmisja obywa się zawsze w jenym kierunku. Dla zabezpieczenia prze pojawieniem się w pierścieniu kilku ramek jenocześnie, oprogramowanie sieciowe nie umożliwia wygenerowania nowej ramki anych. Nagłówek ramki anych może powstać tylko z Tokena przez jego moyfikację (negacja pojeynczego bitu w rugim bajcie Tokena). Wysłana ramka anych obiega cały pierścień ookoła i na koniec ociera o naawcy. W trakcie obiegu poszczególne stacje oczytują w locie ares obiorcy i stacja, która ientyfikuje się jako obiorca, oczytuje ane i ustawia znacznik potwierzenia obioru anych w przesuwającej się ramce. Wszystko to obywa się bez zatrzymania transmisji. Wykorzystywane są tylko rejestry przesuwne jako bufory w poszczególnych stacjach. Naawca sprawza znacznik obioru anych i wie w ten sposób, że ane otarły o aresata. Jenocześnie naawca likwiuje swoją ramkę. Przyjmijmy, że rejestr przesuwny ma wielkość trzech bajtów. Protokół transmisji określa minimalną ilość bajtów, które muszą być buforowane przez pierścień. Muszą to być 3 bajty, ponieważ z tylu skłaa się Token. Po obiegnięciu ramki anych ookoła pierścienia stacja posiaająca Token może wysłać kolejne ramki, o ile nie minął opuszczalny czas przetrzymywania Tokena (stanarowo 10 ms). W przeciwnym przypaku przekazuje Token o następnej stacji. Celem autora nie jest porównywanie bezwzglęnych wartości liczby przesłanych bajtów, lecz określenie sprawności sieci efiniowanej jako maksymalna możliwa ilość przesłanych anych wynikająca z protokołu transmisji o ilości anych, jakie zostałyby przesłane przez meium transmisyjne (np. mięzy woma urzązeniami), biorąc tylko po uwagę szybkość bitową transmisji i uznając, że nie ma strat na przesyłanie anych namiarowych służących o organizacji transmisji przez protokół. Wartość tę wyraża się w procentach. Zatem ogólnie sprawność η bęzie w postaci: R η 100% ( 1) L m gzie: η sprawność lokalnej sieci komputerowej wyrażona w [%], R liczba bajtów użytecznych przesłanych w sieci - rozmiar ramki anych, L m maksymalna możliwa liczba bajtów w pełnym cyklu wynikająca z szybkości taktowania sieci. Meium transmisyjne taktowane jest ze stałą częstotliwością, określając w ten sposób szybkość bitową linii. Niech określenie pusty bajt bęzie opowienikiem czasu transmisji jenego bajta anych, gy w meium brak jest aktualnie transmisji anych użytecznych. W pracującym pierścieniu Token Ring (rys.1) obserwator bęzie obserwował ramkę anych użytecznych, następnie brak transmisji anych przez czas opowiaający obiegowi anych ookoła pierścienia (bęą to puste bajty w ilości opowiaającej pojemności buforów wszystkich stacji w pierścieniu oraz ramkę Token razem L m bajtów.

4 54 Zatem: Lm R + Lp + T ( 2) gzie: L p liczba bajtów pustych gy brak przesyłania anych a meium transmisyjne jest taktowane T rozmiar Tokena (stanarowo 3 bajty) czyli sprawność Token Ringu wyniesie: gzie: n liczba stacji w pierścieniu, R B rozmiar bufora (rejestru przesuwnego) każej stacji - przyjętego w tym opracowaniu jako 3 bajty. Ostatecznie: η TR η TR R R L T % ( ) + p L p n R ( 4) B R R nr T % ( ) + B Rys. 1. Pogląowy schemat ziałania pierścienia Token Ring i FDDI z zaznaczonym obserwatorem O, T Token, A,B,C,D stacje robocze Fig. 1. Block iagram of Token Ring an FDDI action with the selecte observer O, T Token, A, B, C, D workstations

5 Dla określenia sprawności należy zliczać bajty. Niech w punkcie O bezpośrenio za stacją A (rys. 1) bęzie umieszczony obserwator zliczający przesyłane bajty. Niech na początku stacja A posiaa Token. Ma zatem prawo wysłać swoją ramkę. Ramka może mieć rozmiar począwszy o 2 bajtów (np. ramka przerwania złożona jest z wóch bajtów: bajt ogranicznika początku i bajt ogranicznika końca), a skończywszy na maksymalnym rozmiarze ramki anych B. Przyjęto założenia, że każa stacja sieciowa posiaa bufor w postaci rejestru przesuwnego o wielkości trzech bajtów i każa stacja zawsze bęzie chciała wysyłać ane, w ten sposób zostanie zbaana sprawność przy maksymalnym obciążeniu sieci. Obserwator bęzie obserwował wysyłane ane ze stacji A, a następnie puste bajty aż o czasu zakończenia obiegu pierścienia przez ramkę anych oraz Token, który stacja A po skończonej transmisji przekaże alej. Sprawność bęzie zależała o wielkości przesyłanej ramki oraz o pojemności pierścienia, która wpływa na czas pustych bajtów. Np. la ramki o wielkości 100 B i sieci złożonej z 30 stacji, obserwator w cyklu przesłania anych zaobserwuje 100 B anych użytecznych i 30*3 bajtów pustych oraz 3 bajtowy Token. Zatem sprawność wyniesie Licząc w ten sposób sprawność la wielkości ramek w zakresie B la różnych rozmiarów pierścienia, otrzymamy szereg wartości, które można przestawić w postaci roziny krzywych na wykresie (rys 2), gzie wartościami na osi poziomej jest rozmiar przesyłanej ramki, a parametrem określającym aną krzywą rozmiar pierścienia η TR % 51, 8 % ( 6 ) Rys. 2. Rozina krzywych przestawiających sprawność technologii Token Ring w funkcji rozmiaru ramki przy wybranych parametrach rozmiarów pierścienia Fig. 2. The set of characteristics presenting the fficienct of the technology Token Ring as a function of the frame size an the ring size

6 56 Z wykresów (rys. 2) wynika, że sprawność pierścienia Token Ring silnie zależy o rozmiarów ramek anych i wielkości pierścienia. Tylko uże ramki i wzglęnie małe pierścienie pozwalają na osiąganie wyższych sprawności rzęu %. 3. FDDI W przypaku technologii pierścieniowej FDDI, o ile chozi o ostęp o nośnika, jest jena zasanicza różnica w porównaniu o technologii Token Ring. Naawca w FDDI nie czeka z przekazaniem Tokena o następnej stacji aż jego ramka anych obiegnie cały pierścień, tylko bezpośrenio za nią umieszcza Token. Jest to tzw. mechanizm szybkiego uwalniania Tokena [5]. Dzięki temu kolejna stacja ma możliwość umieszczenia swojej ramki bezpośrenio za ramką anych naawcy A (rys. 1). Kolejna stacja, gy otrzyma Token, może go zamienić w nagłówek ramki anych, następnie umieścić ane zgonie z częstotliwością taktowania pierścienia i za swoją ramką umieścić Token. W ten sposób nie następuje opróżnienie pierścienia i jego jałowa praca, tak jak to jest w Token Ringu. Obserwator wizi zatem ciąg ramek anych pochozących o różnych naawców, a na samym końcu ramkę Token. Później za ramką Tokena jest krótka chwila, gy obserwator wizi puste bajty. Jest to czas opowiaający sytuacji, gy ramka anych po obiegnięciu całej pętli zostaje usuwana z pierścienia przez jej naawcę. Stanowi to mały procent czasu pracy pierścienia i w związku z tym mały spaek wyajności transmisji. Zatem sprawność la technologii FDDI można określić η FDDI nr nr nr T 100% R 100% T ( 7) n + B + R + RB + Z (7) wynika, że rozmiar pierścienia (liczba stacji) w przypaku FDDI ma pomijalnie mały wpływ na sprawność. Jeśli chozi o transmisję Tokena, to w przypaku Token Ringu jego rozmiar sumuje się wprost w mianowniku, w przypaku FDDI ma tym mniejszy wpływ im więcej jest stacji w pierścieniu. Dla analogicznego przykłau jak (6), la ramek anych o wielkości 100 B i sieci złożonej z 30 stacji, obserwator w cyklu przesłania anych zaobserwuje 30*100 B anych użytecznych i 30*3 bajtów pustych. Zatem sprawność la FDDI wyniesie 100 η FDDI 100% 97% () Wobec spaku sprawności w TR o blisko 50 % (6), tutaj mamy spaek tylko o 3%. Dla ramek anych wielkości rzęu 1 kb bęzie to opowienio η TR 91,5 % η FDDI 99,7 % Zatem sprawność w Token Ringu wzrasta o nieco pona 90%, a w FDDI osiąga praktycznie 100%.

7 57 Rys. 3. Rozina krzywych przestawiających sprawność technologii FDDI w funkcji rozmiaru ramki przy wybranych parametrach rozmiarów pierścienia Fig. 3. The set of characteristics presenting the efficiency of the technology FDDI as a function of the frame size an the ring size Rys. 4. Porównanie wybranych krzywych sprawności w TR i FDDI la tych samych parametrów Fig. 4. Direct comparison of efficienct TR an FDDI for the same parameters

8 58 Rozina krzywych (rys.3) pokazuje, że zwiększanie liczby urzązeń w pierścieniu nie wpływa na zmianę sprawności. Jeynie la barzo małej liczby sprawność jest nieco mniejsza, jenak jest to ilość nie mająca znaczenia w praktyce. Natomiast zwiększanie liczby urzązeń poprawia sprawność. Jest to zjawisko owrotne niż w technologii Token Ring. Poza tym la praktycznych wielkości ramek (powyżej 60B) sprawność staje się bliska 100%. Rysunek 4 bezpośrenio pokazuje, że sprawność technologii FDDI jest zecyowanie większa niż la Token Ringu. Największa różnica jest la pierścieni o większej śrenicy. Co więcej, wzrost rozmiaru pierścienia poprawia sprawność FDDI, a zecyowanie pogarsza la Token Ringu w szerokim zakresie rozmiarów ramek. Porównując technologię FDDI z Token Ring, oprócz powyżej przestawionej analizy sprawności, warto jeszcze wymienić najważniejsze różnice mięzy nimi [6]. Są to głównie zalety FDDI: Szybkie uwalnianie Tokena; Wyższa sprawność bliska 100% niezależnie o wielkości pierścienia; Możliwość autonaprawy bez przerywania pracy poprzez logiczne zawijanie pierścienia; Możliwość pracy w powójnym pierścieniu; Możliwość większej liczby stacji roboczych (o 500); Znacznie większy zasięg sieci (nawet o 200 km); Transmisja światłowoem, chociaż jest wersja FDDI w oparciu o skrętkę miezianą, wtey jest to CDDI; Większa szybkość strumienia bitowego mniej istotna, ponieważ i w technologii Token Ring są możliwe szybkie wersje; Różnice w wielkości ramki anych w TR o 18 kb w FDDI o 4,5 kb. 4. Wnioski W pierścieniowych sieciach lokalnych pracujących w technologii Token Ring sprawność wg efinicji (1) znacznie spaa la ramek o małych, a nawet śrenich rozmiarach, szczególnie znaczny spaek jest wioczny la pierścienia zawierającego użo stacji roboczych. Technologia FDDI jest oporna na spaek wyajności la małych ramek, nawet przy użych pierścieniach zawierających znaczną liczbę stacji, a wręcz większa liczba stacji poprawia sprawność. Sprawność pozostaje wysoka pona 90% już o rozmiaru ramki 30B. Decyuje o tym mechanizm szybkiego uwalniania Tokena, którego to mechanizmu nie ma w technologii Token Ring. W tej analizie przyjęto całą ramkę anych jako ane użyteczne. Nie brano zatem po uwagę różnic w buowie ramki w technologii Token Ring i FDDI, aby wyraźnie wskazać znaczenie mechanizmu szybkiego uwalniania Tokena. Różnica w buowie ramek miałaby tylko takie znaczenie o ile różne są rozmiary ramek przy przenoszeniu takiej samej liczby anych użytkownika. Ramka anych zawiera oprócz samych anych oatkowe bajty organizujące przesyłanie ramki w sieci lokalnej i rozległej. Są to m.in. bajty kontrolne, ares obiorcy, ares naawcy, suma kontrolna itp., wynikające z całego procesu przygotowania ramki anych począwszy o najwyższej warstwy warstwy aplikacji, a skończywszy na warstwie łącza anych moelu Osi. Warstwa fizyczna już nie okłaa żanych logicznych bajtów zamienia tylko postać logiczną ramki na strumień bitowy.

9 W tym opracowaniu skupiono się przee wszystkim na wskazaniu zasaniczej różnicy w ostępie o meium transmisyjnego szybkiego uwalniania Tokena aby pokazać wpływ jeynie tego mechanizmu na różnice w sprawności, przyjmując pozostałe parametry takie jak: szybkość taktowania pierścienia, rozmiar ramek anych jako takie same w obu technologiach. 59 Literatura [1] Boggs D.R., Mogul J.C., Kent C.A., Measure capacity of an Ethernet: myths an reality, Sigcomm 1988; [2] Brenton C., Projektowanie sieci wieloprotokołowych, Warszawa 1998; [3] Krysiak K., Sieci komputerowe. Kompenium, Helion 2005; [4] Metcalfe R.M., Boggs D.R., Ethernet: Distribute Packet Switching for Local Computer Networks, Xerox Palo Alto Research Center 1978; [5] Mills A., Unerstaning FDDI, Prentice Hall,1995; [6] Sportack M., Sieci komputerowe. Księga eksperta, Helion 2004; [7] Tanenbaum A.S., Sieci komputerowe, Helion 2004.