Курсовая работа: Основы конфигурирования сетевых файловых систем (на примере NFS)

Сетевая среда, определяемая профилем приложения

Как отмечалось ранее, наиболее важным фактором, определяющим выбор конфигурации сети, является доминирующий тип операций NFS, используемых приложениями. Для приложений с интенсивной нагрузкой по данным требуется относительно небольшое количество сетей, но эти сети должны иметь большую полосу пропускания, как например, в сетях FDDI или CDDI. Эти требования могут удовлетворяться также с помощью сетей 100baseT (Ethernet 100 Мбит/с) или ATM (Asynchronous Transfer Mode 155 Мбит/с). Большинство интенсивных по атрибутам приложений работают и при наличии менее дорогой инфраструктуры, хотя может потребоваться большое количество сетей.

Принять решение по выбору типа сети сравнительно просто. Если для работы индивидуального клиента требуется агрегатированная скорость передачи данных, превышающая 1 Мбайт/с, или если для одновременной работы нескольких клиентов необходима полоса пропускания сети, превышающая 1 Мбайт/с, то такие приложения требуют применения высокоскоростных сетей. Реально эта цифра (1 Мбайт/с) искусственно завышена, поскольку она характеризует скорость передачи данных, которую вы гарантируете не превышать. Обычно более разумно рассматривать скорость сети Ethernet равной примерно 440 Кбайт/с, а не 1 Мбайт/с. (Обычно пользователи воспринимают Ethernet как "неотвечающую" уже примерно при 35% загрузке сети. Приведенная здесь цифра 440 Кбайт/с соответствует 35%-ной загрузке линии с пропускной способностью 1.25 Мбайт/с).

Если приложение в установившемся режиме работы не требует широкой полосы пропускания, то возможно будет достаточна менее скоростная сетевая среда типа Ethernet или TokenRing. Эта среда обеспечивает достаточную скорость передачи данных при выполнении операций lookup и getattr, которые доминируют в приложениях с интенсивным использованием атрибутов, а также относительно легкий трафик данных, связанный с таким использованием.

Использование высокоскоростных сетей для предотвращения перегрузки

Высокоскоростные сети наиболее полезны для обслуживания больших групп клиентов с интенсивной нагрузкой по данным скорее из-за более низкой стоимости инфраструктуры, а не по причине обеспечения максимальной пропускной способности при взаимодействии одной системы с другой. Причиной этого является текущее состояние протокола NFS, который в настоящее время работает с блоками данных длиной 8 Кбайт и обеспечивает предварительную выборку только 8 Кбайт (т.е. в одной операции с сервером можно определить максимально 16 Кбайт данных).

Общий эффект такой организации проявляется в том, что максимальная скорость передачи данных между клиентом и сервером, которые взаимодействуют через кольцо FDDI, составляет примерно 2.7 Мбайт/с. (Эта скорость достигается только при добавлении в файл /etc/system на клиенте оператора set nfs: nfs_async_threads = 16. Клиенты SunOS 4.1.x должны запускать 12 демонов biod, а не 8, как это делается по умолчанию). Эта скорость всего в три раза превосходит максимальную скорость, которую обеспечивает Ethernet несмотря на то, что скорость среды FDDI в десять раз больше. (NFS представляет собой протокол прикладного уровня (уровня 7 в модели OSI). Протоколы более низких уровней, такие как TCP и UDP могут работать с гораздо более высокими скоростями, используя те же самые аппаратные средства. Большая часть времени тратится на ожидание ответов и другую обработку прикладного уровня. Другие протоколы прикладного уровня, которые не рассчитаны на немедленное получение ответа и/или подтверждения, также могут эффективно использовать значительно более высокую скорость среды). Пиковая скорость при использовании 16 Мбит/с Token Ring составляет примерно 1.4 Мбайт/с. Сравнительно недавно была анонсирована новая версия протокола NFS+, которая устраняет этот недостаток, разрешая работу с блоками значительно больших размеров. NFS+ допускает пересылку блоков данных почти произвольных размеров. Клиент и сервер договариваются о максимальном размере блока при каждом монтировании файловой системы. При этом размер блока может увеличиваться до 4 Гбайт.

Главное преимущество 100-Мбитных сетей при работе с обычными версиями NFS заключается в том, что эти сети могут поддерживать много одновременных передач данных без деградации. Когда сервер пересылает по Ethernet данные клиенту со скоростью 1 Мбайт/с, то такая передача потребляет 100% доступной полосы пропускания сети. Попытки передачи по этой сети большего объема данных приводят к более низкой пропускной способности для всех пользователей. Те же самые клиент и сервер могут осуществлять пересылки данных со скоростью 2.7 Мбайт/с по кольцу FDDI, но в более высокоскоростной сети эта транзакция потребляет только 21% доступной полосы пропускания. Сеть может поддерживать пять или шесть пересылок одновременно без серьезной деградации.

Эту ситуацию лучше всего можно сравнить со скоростной магистралью. Когда движение небольшое (легкий трафик) скоростная магистраль с двумя полосами и ограничением скорости в 90 км в час почти так же хороша, как и восьмиполосная супермагистраль с ограничением скорости 120 км в час. Но когда движение очень интенсивное (тяжелый трафик) супермагистраль гораздо менее чувствительна к перегрузке.

Сеть FDDI также немного (примерно на 5%) более эффективна по сравнению с Ethernet и Token Ring в среде с интенсивной пересылкой данных, поскольку в ее пакете можно разместить больший объем полезных данных (4500 байт по сравнению с 1500 байт у Ethernet и 2048 байт у Token Ring). При пересылках данных объемом 8 Кбайт требуется обработать всего два пакета по сравнению с пятью-шестью для Token Ring или Ethernet. Но все эти рассуждения имеют смысл только для среды с интенсивной передачей данных, поскольку объем атрибутов при обработке соответствующих запросов настолько мал (по 80-128 байт), что для их передачи требуется только один пакет независимо от типа используемой сети. Если существующая на предприятии проводка сети заранее исключает возможность применения оптоволоконной среды FDDI, то существуют стандарты "FDDI по медным проводам" (CDDI), которые обеспечивают возможность предотвращения перегрузки сети при сохранении существующей разводки на основе витой пары.

Хотя ATM до сих пор не превратилась в повсеместно применяемую технологию, возможно в будущем она станет основным средством для среды с интенсивной пересылкой данных, поскольку она обеспечивает более высокую скорость передачи данных (в настоящее время определены скорости передачи данных 155 Мбит/с, 622 Мбит/с и 2.4 Гбит/с), а также использует топологию точка-точка, в которой каждое соединение клиент-хаб может работать со своей определенной скоростью среды.

NFS и глобальные сети

В реальной жизни часто возникают ситуации, когда клиенты и серверы NFS могут располагаться в разных сетях, объединенных маршрутизаторами. Топология сети может существенно отразиться на ощущаемой пользователем производительности сервера NFS и обеспечиваемого им сервиса. Эффективность обеспечения NFS-сервиса через комплексные сети должна тщательно анализироваться. Но по крайней мере известно, что можно успешно сконфигурировать сети и приложения в глобальных (wide-area) топологиях NFS.

Возможно наиболее важным вопросом в этой ситуации является задержка выполнения операций: время, которое проходит между выдачей запроса и получением ответа. Задержка выполнения операций в локальных сетях не столь критична, поскольку связанные с такими сетями сравнительно короткие расстояния не могут вызвать значительных задержек в среде передачи данных. В глобальных сетях задержки выполнения операций могут происходить просто при транспортировке пакетов из одного пункта в другой. Задержка передачи пакетов складывается из нескольких составляющих:

• Задержка маршрутизатора: маршрутизаторы затрачивают некоторое конечное (и часто существенное) время на выполнение собственно маршрутизации пакетов из одной сети в другую. Заметим, что при построении большинства глобальных сетей (даже при прокладке линий между двумя соседними зданиями) используются по крайней мере два маршрутизатора. На рисунке 4.6 представлена топология типичного университетского кампуса, в котором обычно между клиентом и сервером устанавливаются три или даже четыре маршрутизатора.
• Задержка передачи по сети: физическая среда, используемая для передачи пакетов через глобальные сети, часто может вносить свою собственную существенную задержку, превосходящую по величине задержку маршрутизаторов. Например, организация спутниковых мостов часто связана с появлением очень больших задержек.
• Ошибочные передачи: глобальные сети возможно на порядок величины более восприимчивы к ошибкам передачи, чем большинство локальных сетей. Эти ошибки вызывают значительный объем повторных пересылок данных, что приводит как к увеличению задержки выполнения операций, так и к снижению эффективной пропускной способности сети. Для сетей, сильно подверженных ошибкам передачи, размер блока данных NFS часто устанавливается равным 1 Кбайт, вместо нормальных 8 Кбайт. Это позволяет сократить объем данных, которые должны повторно передаваться в случае появления ошибки.

Если обеспечивается приемлемый уровень безошибочных передач данных, файловый сервис по глобальным сетям вполне возможен. Наиболее часто в конфигурации таких сетей используются высокоскоростные синхронные последовательные линии связи точка-точка, которые подсоединяются к одной или нескольким локальным сетям на каждом конце. В США такие последовательные линии связи обычно имеют скорость передачи данных 1.544 Мбит/с (линия T1) или 56 Кбит/с. Европейские коммуникационные компании предлагают немного большие скорости: 2.048 Мбит/с (линия E1) или 64 Кбит/с соответственно. Доступны даже более высокоскоростные линии передачи данных. Эти арендуемые линии, известные под названием T3, обеспечивают скорость передачи до 45 Мбит/с (5.3 Мбайт/с). На сегодня большинство линий T3 частично используются для передачи данных.

Рис. 4.6. Типичная топология сети при организации связи между зданиями

На первый взгляд кажется, что эти линии значительно более медленные по сравнению с локальными сетями, к которым они подсоединяются. Однако в действительности быстрые последовательные линии (Т1) обеспечивают пропускную способность гораздо более близкую к реальной пропускной способности локальных сетей. Это происходит потому, что последовательные линии могут использоваться почти со 100% загрузкой без чрезмерных накладных расходов, в то время как сети Ethernet обычно насыщаются уже примерно при 440 Кбайт/с (3.5 Мбит/с), что всего примерно вдвое превышает пропускную способность линии Т1. По этой причине файловый сервис по высокоскоростным последовательным линиям связи возможен и позволяет передавать данные с приемлемыми скоростями. В частности, такая организация оказывается полезной при передаче данных между удаленными офисами. В приложениях с интенсивной обработкой атрибутов работа NFS по глобальным сетям может быть успешной, если задержка выполнения операций не является критичной. В глобальной сети короткие пакеты передаются через каждый сегмент достаточно быстро (при высокой пропускной способности), хотя задержки маршрутизации и самой среды часто вызывают значительную задержку выполнения операций.

Выводы:

• Для реализации глобальных сервисов NFS подходят последовательные линии Т1, Е1 или Т3.
• Для большинства применений NFS линии со скоростями передачи 56 и 64 Кбит/с обычно оказываются недостаточно быстрыми.
• При организации NFS через глобальные сети существуют проблемы с задержками сети и маршрутизации. Пропускная способность сети обычно не вызывает проблем.
• Для существенного сокращения трафика по глобальной сети, можно использовать на клиентских системах кэширующую файловую систему (CFS), если только в этом трафике не доминируют операции записи NFS.

Выбор типа сети и количества клиентов

Учитывая вышеизложенные соображения, для определения надлежащего типа и числа сетей могут быть использованы следующие эмпирические правила:

• Если в приложении доминируют операции с данными, следует выбрать сеть FDDI или какую-нибудь другую высокоскоростную сеть. Если по материально-техническим причинам прокладка оптоволоконных кабелей не представляется возможной, следует рассмотреть возможность реализации FDDI на витых парах. При создании новой системы следует иметь в виду, что для сетей ATM используются те же самые кабели, что и для FDDI.
• В конфигурации сети необходимо предусмотреть одно кольцо FDDI для каждых 5-7 клиентов, одновременно полностью активных в смысле NFS и интенсивно работающих с данными. Следует помнить, что очень немногие интенсивные по данным приложения непрерывно генерируют запросы к серверу NFS. В типичных интенсивных по данным приложениях автоматизации проектирования электронных устройств и системах исследования земных ресурсов это часто позволяет иметь до 25-40 клиентов на кольцо.
• В системах с интенсивным использованием данных, где существующая система кабелей вынуждает использовать Ethernet, следует предусмотреть отдельную сеть Ethernet для каждых двух активных клиентов и максимально 4-6 клиентов на одну сеть.
• Если приложение связано с интенсивной обработкой атрибутов, то вполне достаточно построения сетей Ethernet или Token Ring.
• В среде с интенсивным использованием атрибутов следует иметь одну сеть Ethernet на 8-10 полностью активных клиентов. Неблагоразумно превышать уровень 20-25 клиентов на Ethernet независимо от требований из-за резкой деградации, возникающей в случае активности многих клиентов. В качестве контрольной точки с точки зрения здравого смысла можно считать, что Ethernet способен поддерживать 250-300 NFS-операций в секунду на тесте SPECsfs_97 (LADDIS) даже с высоким уровнем коллизий. Неразумно превышать уровень 200 операций NFS в секунду в установившемся режиме.
• Следует конфигурировать одну сеть TokenRing для каждых 10-15 полностью активных клиентов в среде с интенсивным использованием атрибутов. Если необходимо, к сети Token Ring можно подключать 50-80 клиентов благодаря превосходным характеристикам этого типа сети по устойчивости к деградации при тяжелой нагрузке (по сравнению с Ethernet).
• Для систем, которые обеспечивают сервис нескольким классам пользователей имеют смысл смешанные конфигурации сетей. Например, и FDDI, и Token Ring подходят для сервера, который поддерживает как приложения, связанные с отображением документов (интенсивные по данным), так и группу ПК, выполняющих приложение финансового анализа (возможно интенсивное по атрибутам).

Потребление процессорных ресурсов

Поскольку многие компьютеры представляют собой универсальные системы, которые допускают достаточно большое расширение количества подключенным к ним периферийных устройств, почти всегда существует возможность сконфигурировать систему так, что основным ограничивающим фактором станет процессор. В среде NFS мощность процессора расходуется непосредственно для обработки протоколов IP, UDP, RPC и NFS, а также для управления устройствами (дисками и сетевыми адаптерами) и манипуляциями с файловой системой (грубо можно считать, что потребление процессорного времени нарастает пропорционально в соответствии с указанным здесь порядком).

Например, компания Sun рекомендует следующие эмпирические правила для конфигурирования NFS-серверов:

• Если у заказчика преобладает интенсивная по атрибутам среда и имеется менее 4-6 сетей Ethernet или Token Ring, то для работы в качестве NFS-сервера вполне достаточно однопроцессорной системы. Для систем меньшего размера с одной-двумя сетями достаточно процессорной мощности машины начального уровня SPARCserver 4. Для очень большой интенсивной по атрибутам среды со многими сетями рекомендуются двухпроцессорные системы подобные SPARCstation 20 Мodel 502 или двухпроцессорные конфигурации SPARCserver 1000 или SPARCcenter 2000.
• Если среда интенсивная по данным, то рекомендуется конфигурировать по два процессора SuperSPARC с SuperCashe на каждую высокоскоростную сеть (подобную FDDI). Если существующие ограничения по организации кабельной проводки диктуют использование в такой среде Ethernet, то рекомендуется конфигурировать один процессор SuperSPARC на каждые 4 сети Ethernet или Token Ring.

Конфигурации дисковой подсистемы и балансировка нагрузки

Подобно конфигурации сети, конфигурация дисков определяется типом клиентов. Производительность дисковых накопителей меняется в широких пределах в зависимости от реализации требуемых от них методов доступа. Произвольный доступ по своей природе почти всегда некэшируем и требует, чтобы осуществлялось позиционирование дисковой каретки фактически для каждой операции ввода/вывода (механическое перемещение, которое существенно снижает производительность). При организации последовательного доступа, особенно последовательных обращений по чтению, требуется намного меньшее количество механических перемещений каретки диска на каждую операцию (обычно одно на цилиндр, примерно 1 Мбайт), что дает гораздо более высокую пропускную способность.

Организация последовательного доступа в NFS с интенсивным использованием данных

Опыт показывает, что большинство обращений к файлам в среде с интенсивным использованием данных являются последовательными, даже на серверах, которые поставляют данные многим клиентам. При этом, как правило, операционная система выполняет большую работу по организации доступа к своим устройствам. Поэтому если необходимо обеспечить сервис для приложений с интенсивным использованием данных следует выбирать конфигурацию для работы в последовательной среде.

Например, в свое время диск емкостью 2.9 Гбайт был самым быстрым диском Sun для последовательных приложений. Он мог обеспечивать обмен данными через файловую систему со скоростью 4.25 Мбайт/с. Это был также самый емкий диск Sun и поэтому оказывался наиболее удобным для хранения больших объемов данных. Высокая скорость обмена данными по отношению к скорости шины SCSI (пиковая пропускная способность шины составляет 20 Мбайт/с) определяет оптимальную конфигурацию дисковой подсистемы: 4-5 активных дисков емкостью 2.9 Гбайт на один главный адаптер (DWI/S). Если требуется дополнительная емкость для хранения данных, то подключение большего числа дисков на каждый главный адаптер вполне допустимо, но это не даст увеличения производительности дисковой подсистемы.

Диски 2.9 Гбайт в системах Sun размещаются на устанавливаемых в стойку шасси (до 6 дисковых накопителей на шасси). Каждое шасси может быть подключено к двум независимым главными адаптерами SCSI. Такая возможность очень рекомендуется для конфигурирования серверов, обслуживающих клиентов, выполняющих интенсивные запросы к данным. Чтобы обеспечить максимальную емкость дисковой памяти до 12 дисков могут быть сконфигурированы на одном адаптере DWI/S. Однако максимальная производительность достигается только с 4-5 накопителями.

В среде с последовательным доступом достаточно просто подсчитать, сколько дисков потребуется для обслуживания пиковой нагрузки. Каждый полностью активный клиент может потребовать от дисковой подсистемы пропускной способности до 2.7 Мбайт/с. (Здесь предполагается использование высокоскоростных сетей со скоростью передачи в среде 100 Мбит/с и выше). Хорошее первое приближение дает обеспечение одного 2.9 Гбайт диска для каждых трех полностью активных клиентов. Предлагается именно такое соотношение, хотя каждый диск может передавать данные со скоростью более 4 Мбайт/с, а клиенты запрашивают только 2.7 Мбайт/с, поскольку работа двух активных клиентов на одном диске будет вызывать постоянное перемещение каретки вперед и назад между группами цилиндров (или даже файловыми системами) и приводить к существенно более низкой пропускной способности. Чтобы сбалансировать работу дисков, а также ускорить некоторые типы пересылок данных можно использовать специальное программное обеспечение типа Online:DiskSuit 2.0 (разд. 4.3.4.3). Если в качестве сетевой среды применяется Ethernet или 16 Мбит Token Ring, то достаточно одного диска на каждого полностью активного пользователя. Если используется NFS+, это отношение сильно меняется, поскольку NFS+ обеспечивает индивидуальную пропускную способность в режиме клиент/сервер примерно на скорости сетевой среды.

Организация произвольного доступа в NFS с интенсивными запросами атрибутов

В отличие от среды с интенсивным использованием данных, действительно все обращения к файлам в среде с интенсивным использованием атрибутов приводят к произвольному доступу к дискам. Когда файлы небольшие, в доступе к данным доминирует выборка строк каталогов, строк индексных дескрипторов и нескольких первых косвенных блоков (требуется позиционирование, чтобы получить действительно все куски мета-информации), а также каждого блока данных пользователя. В результате каретка диска тратит значительно больше времени "рыская" между различными кусками мета-информации файловой системы, чем на собственно выборку данных пользователя.

Как следствие, критерии выбора конфигурации для интенсивной по атрибутам NFS существенно отличаются от критериев для среды с интенсивным использованием данных. Поскольку в общем времени, которое требуется для выполнения операции произвольного ввода/вывода доминирует время позиционирования каретки диска, общая пропускная способность диска в этом режиме оказывается намного меньше, чем в режиме последовательного доступа. Например, типовой дисковый накопитель 1993 года выпуска способен работать со скоростью 3.5-4 Мбайт/с в последовательном режиме доступа, но обеспечивает выполнение только 60-72 операций произвольного доступа в секунду, что соответствует примерно скорости 500 Кбайт/с. При этих условиях шина SCSI оказывается гораздо меньше занятой, что позволяет сконфигурировать на ней намного больше дисков, прежде чем встанет вопрос о перегрузке шины.

Кроме того, одной из задач выбора конфигурации системы является обеспечение наибольшего разумного числа дисковых накопителей, поскольку именно оно определяет число дисковых кареток, которые представляют собой ограничивающий фактор в дисковой подсистеме. К счастью, сама природа интенсивных по атрибутам приложений предполагает, что требования к объему дисковой памяти сравнительно небольшие (по отношению к интенсивным по данным приложениями). В этих условиях часто бывает полезно включать в конфигурацию системы вместо одного большого диска два или даже четыре диска меньшей емкости. Хотя такая конфигурация обойдется несколько дороже в пересчете на мегабайт памяти, ее производительность существенно повысится. Например, два диска емкостью 1.05 Гбайт стоят примерно на 15% дороже, чем один диск емкостью 2.1 Гбайт, но они обеспечивают более чем в два раза большую пропускную способность произвольного ввода/вывода. Примерно тоже самое отношение остается справедливым между дисками емкостью 535 Мбайт и диском 1.05 Гбайт (см. таблицу 4.2).

Таким образом, для интенсивной по атрибутам среды лучше конфигурировать большее число небольших дисков, подсоединенных к умеренному числу главных адаптеров SCSI. Диск емкостью 1.05 Гбайт имеет прекрасное фирменное программное обеспечение, которое сводит к минимуму загрузку шины SCSI. Диск емкостью 535 Мбайт имеет сходные характеристики. Рекомендуемая конфигурация - это 4-5 полностью активных 535 Мбайт или 1 Гбайт дисков на одну шину SCSI, хотя 6 или 7 дисков также могут работать не вызывая серьезных конфликтов на шине.

Таблица 4.2. Характеристики некоторых дисковых накопителей

В очень больших системах с интенсивным использованием атрибутов, которые требуют использования дисков емкостью 2.9 Гбайт (по причинам конструкции сервера или объема данных), оптимальная производительность достигается при 8 полностью активных дисках на шине fast/wide SCSI, хотя могут быть установлены и 9 или 10 дисковых накопителей только с небольшой деградацией времени ответа ввода/вывода. Как и в интенсивных по данным системах, конфигурирование большего числа накопителей на шине SCSI обеспечивает дополнительную емкость памяти, но не дает дополнительных результатов производительности.

Страницы: 1, 2, 3, 4