Тема: Измерение числа коллизий в сети.  Измерение числа ошибок на канальном уровне сети. Методика упреждающей диагностики сети. 

1. Измерение числа коллизий в сети

Если две станции домена сети одновременно ведут передачу данных, то в домене возникает коллизия. Коллизии бывают трех типов:местные, удаленные, поздние.

Местная коллизия (local collision) – это коллизия, фиксируемая в домене, где подключено измерительное устройство, в пределах передачи преамбулы или первых 64 байт кадра, когда источник передачи находится в домене. Алгоритмы обнаружения местной коллизии для сети на основе витой пары (10BaseT) и коаксиального кабеля (10Base2) отличны друг от друга.

В сети 10Base2 передающая кадр станция определяет, что произошла локальная коллизия по изменению уровня напряжения в канале связи (по его удвоению). Обнаружив коллизию, передающая станция посылает в канал связи серию сигналов о заторе (jam), чтобы все остальные станции домена узнали, что произошла коллизия. Результатом этой серии сигналов оказывается появление в сети коротких, неправильно оформленных кадров длиной менее 64 байт с неверной контрольной последовательностью CRC.

Такие кадры называются фрагментами (collision fragment или runt).

В сети 10BaseT станция определяет, что произошла локальная коллизия, если во время передачи кадра она обнаруживает активность на приемной паре (Rx).

Удаленная коллизия (remote collision) – это коллизия, которая возникает в другом физическом сегменте сети (т. е. за повторителем). Станция узнает, что произошла удаленная коллизия, если она получает неправильно оформленный короткий кадр с неверной контрольной последовательностью CRC, и при этом уровень напряжения в канале связи остается в установленных пределах (для сетей 10Base2). Для сетей 10BaseT/100BaseT показателем является отсутствие одновременной активности на приемной и передающей парах (Tx и Rx).

Поздняя коллизия (late collision) – это местная коллизия, которая фиксируется уже после того, как станция передала в канал связи первые 64 байт кадра. В сетях 10BaseT поздние коллизии часто фиксируются измерительными устройствами как ошибки CRC.

Если выявление локальных и удаленных коллизий, как правило, еще не свидетельствует о наличии в сети дефектов, то обнаружение поздних коллизий – это явное подтверждение наличия дефекта в домене. Чаще всего это связано с чрезмерной длиной линий связи или некачественным сетевым оборудованием.

Помимо высокого уровня утилизации канала связи коллизии в сети Ethernet могут быть вызваны дефектами кабельной системы и активного оборудования, а также наличием шумов.

Даже если канал связи не является узким местом системы, коллизии несущественно, но замедляют работу прикладного ПО. Причем основное замедление вызывается не столько самим фактом необходимости повторной передачи кадра, сколько тем, что каждый компьютер сети после возникновения коллизии должен выполнять алгоритм отката (backoff algorithm): до следующей попытки выхода в канал связи ему придется ждать случайный промежуток времени, пропорциональный числу предыдущих неудачных попыток.

В этой связи важно выяснить, какова причина коллизий -высокая утилизация сети или “скрытые” дефекты сети. Для выявления причин используются следующие правила.

Правило 1.

Не все измерительные приборы правильно определяют общее число коллизий в сети.

Практически все чисто программные анализаторы протоколов фиксируют наличие коллизии только в том случае, если они обнаруживают в сети фрагмент, т. е. результат коллизии. При этом наиболее распространенный тип коллизий – происходящие в момент передачи преамбулы кадра (т. е. до начального ограничителя кадра (SFD)) – программные измерительные средства не обнаруживают, так уж устроен набор микросхем сетевых плат Ethernet. Наиболее точно коллизии обнаруживают аппаратные измерительные приборы, например LANMeterкомпании Fluke.

Правило2.

Высокая утилизация канала связи не всегда сопровождается высоким уровнем коллизий.

Уровень коллизий будет низким, если в сети одновременно работает не более двух станций или если небольшое число станций одновременно ведут обмен длинными кадрами (что особенно характерно для пакетного режима). В этом случае до начала передачи кадра станции “видят” несущую в канале связи, и коллизии редки.

Правило 3.

Признаком наличия дефекта в сети служит такая ситуация, когда невысокая утилизация канала (менее 30%) сопровождается высоким уровнем коллизий (более 5%).

Если кабельная система предварительно была протестирована сканером, то наиболее вероятной причиной повышенного уровня коллизий является шум в линии связи, вызванный внешним источником, или дефектная сетевая плата, неправильно реализующая алгоритм доступа к среде передачи(CSMA/CD).

Компания Network Instruments в анализаторе протоколов Observer оригинально решила задачу выявления коллизий, вызванных дефектами сети. Встроенный в программу тест провоцирует возникновение коллизий: он посылает в канал связи серию пакетов с интенсивностью 100 пакетов в секунду и анализирует число возникших коллизий. При этом совмещенный график отображает зависимость числа коллизий в сети от утилизации канала связи.

Долю коллизий в общем числе кадров имеет смысл анализировать в момент активности подозрительных (медленно работающих) станций и только в случае, когда утилизация канала связи превышает 30%. Если из трех кадров один столкнулся с коллизией, то это еще не означает, что в сети есть дефект.

Правило 4.

При диагностике сети 10BaseT все коллизии должны фиксироваться как удаленные, если анализатор протоколов не создает трафика.

Если вы пассивно (без генерации трафика) наблюдаете за сетью 10BaseT и физический сегмент в месте подключения анализатора (измерительного прибора) исправен, то все коллизии должны фиксироваться как удаленные.

Если тем не менее вы видите именно локальные коллизии,то это может означать одно из трех: физический сегмент сети, куда подключен измерительный прибор, неисправен; порт концентратора или коммутатора, куда подключен измерительный прибор, имеет дефект, или измерительный прибор не умеет различать локальные и удаленные коллизии.

Правило 5.

Коллизии в сети могут быть следствием перегруженности входных буферов коммутатора.

Следует помнить, что коммутаторы при перегруженности входных буферов эмулируют коллизии, дабы “притормозить” рабочие станции сети. Этот механизм называется “управление потоком” (flowcontrol).

Правило 6.

Причиной большого числа коллизий (и ошибок) в сети может быть неправильная организация заземления компьютеров, включенных в локальную сеть.

Если компьютеры, включенные в сеть не имеют общей точки заземления (зануления), то между корпусами компьютеров может возникать разность потенциалов. В персональных компьютерах “защитная” земля объединена с “информационной” землей. Поскольку компьютеры объединены каналом связи локальной сети, разность потенциалов между ними приводит к возникновению тока по каналу связи. Этот ток вызывает искажение информации и является причиной коллизий и ошибок в сети. Такой эффект получил название ground loopили inter ground noise.

Аналогичный эффект возникает в случае, когда сегмент коаксиального кабеля заземлен более чем в одной точке. Это часто случается, если Т-соединитель сетевой платы соприкасается с корпусом компьютера.

При обнаружении большого числа коллизий и ошибок в сетях 10Base2 первое, что надо сделать, – проверить разность потенциалов между оплеткой коаксиального кабеля и корпусами компьютеров. Если ее величина для любого компьютера в сети составляет более одного вольта по переменному току, то в сети не все в порядке с топологией линий заземления компьютеров.

2 Измерение числа ошибок на канальном уровне сети.

В сетях Ethernet наиболее распространенными являются следующие типы ошибок.

Короткий кадр – кадр длиной менее 64 байт (после 8-байтной преамбулы) с правильной контрольной последовательностью. Наиболее вероятная причина появления коротких кадров – неисправная сетевая плата или неправильно сконфигурированный или испорченный сетевой драйвер.

Длинный кадр (long frame) – кадр длиннее 1518 байт.Длинный кадр может иметь правильную или неправильную контрольную последовательность.В последнем случае такие кадры обычно называют jabber. Фиксация длинных кадров с правильной контрольной последовательностью указывает чаще всего на некорректность работы сетевого драйвера; фиксация ошибок типа jabber – на неисправность активного оборудования или наличие внешних помех.

Ошибки контрольной последовательности (CRC error) -правильно оформленный кадр допустимой длины (от 64 до 1518 байт), но с неверной контрольной последовательностью (ошибка в поле CRC).

Ошибка выравнивания (alignment error) – кадр, содержащий число бит, не кратное числу байт.

Блики (ghosts) – последовательность сигналов, отличных по формату от кадров Ethernet, не содержащая разделителя (SFD) и длиной более 72 байт. Впервые данный термин был введен компанией Fluke с целью дифференциации различий между удаленными коллизиями и шумами в канале связи.

Блики являются наиболее коварной ошибкой, так как они не распознаются программными анализаторами протоколов по той же причине, что и коллизии на этапе передачи преамбулы. Выявить блики можно специальными приборами или с помощью метода стрессового тестирования сети.

В соответствии с общепринятым стандартом де-факточисло ошибок канального уровня не должно превышать 1% от общего числа переданных по сети кадров.

Правило 1.

Прежде чем анализировать ошибки в сети, выясните,какие типы ошибок могут быть определены сетевой платой и драйвером платы на компьютере, где работает ваш программный анализатор протоколов.

Работа любого анализатора протоколов основана на том,что сетевая плата и драйвер переводятся в режим приема всех кадров сети(promiscuous mode). В этом режиме сетевая плата принимает все проходящие посети кадры, а не только широковещательные и адресованные непосредственно к ней,как в обычном режиме. Анализатор протоколов всю информацию о событиях в сети получает именно от драйвера сетевой платы, работающей в режиме приема всех кадров.

Не все сетевые платы и сетевые драйверы предоставляют анализатору протоколов идентичную и полную информацию об ошибках в сети. Сетевые платы 3Com вообще никакой информации об ошибках не выдают. Если вы установите анализатор протоколов на такую плату, то значения на всех счетчиках ошибок будут нулевыми.

Правило 2.

Обращайте внимание на “привязку” ошибок к конкретным MAC-адресам станций.

При анализе локальной сети, ошибки обычно “привязаны” к определенным МАС-адресам станций . Однако коллизии, произошедшие в адресной части кадра, блики, нераспознанные ситуации типа короткого кадра с нулевой длиной данных не могут быть “привязаны” к конкретным МАС-адресам.

Если в сети наблюдается много ошибок, которые не связаны с конкретными МАС-адресами, то их источником скорее всего является не активное оборудование. Вероятнее всего, такие ошибки – результат коллизий, дефектов кабельной системы сети или сильных внешних шумов. Они могут быть также вызваны низким качеством или перебоями питающего активное оборудование напряжения.

Если большинство ошибок привязаны к конкретнымMAC-адресам станций, то постарайтесь выявить закономерность между местонахождением станций, передающих ошибочные кадры, расположением измерительного прибора и топологией сети.

Правило 3.

В пределах одного домена сети (collision domain) тип и число ошибок, фиксируемых анализатором протоколов, зависят от места подключения измерительного прибора.

Другими словами, в пределах сегмента коаксиального кабеля, концентратора или стека концентраторов картина статистики по каналу может зависеть от места подключения измерительного прибора.

Правило 4.

Для выявления ошибок на канальном уровне сети измерения необходимо проводить на фоне генерации анализатором протоколов собственного трафика.

Генерация трафика позволяет обострить имеющиеся проблемы и создает условия для их проявления. Трафик должен иметь невысокую интенсивность (не более 100 кадров/с) и способствовать образованию коллизий в сети, т. е. содержать короткие (<100 байт) кадры.

Правило 5.

Если наблюдаемая статистика зависит от места подключения измерительного прибора, то источник ошибок, скорее всего, находится на физическом уровне данного домена сети (причина – дефекты кабельной системы или шум внешнего источника). В противном случае источник ошибок расположен на канальном уровне (или выше) или в другом, смежном, домене сети.

Правило 6.

Если доля ошибок CRC в общем числе ошибок велика, то следует определить длину кадров, содержащих данный тип ошибок.

Ошибки CRC могут возникать в результате коллизий,дефектов кабельной системы, внешнего источника шума, неисправных трансиверов.Еще одной возможной причиной появления ошибок CRC могут быть дефектные порты концентратора или коммутатора, которые добавляют в конец кадра несколько”пустых” байтов.

При большой доле ошибок CRC в общем числе ошибок целесообразно выяснить причину их появления. Для этого ошибочные кадры из серии надо сравнить с аналогичными хорошими кадрами из той же серии. Если ошибочные кадры будут существенно короче хороших, то это, скорее всего, результаты коллизий. Если ошибочные кадры будут практически такой же длины, то причиной искажения, вероятнее всего, является внешняя помеха. Если же испорченные кадры длиннее хороших, то причина кроется, вероятнее всего, в дефектном порту концентратора или коммутатора, которые добавляют в конец кадра”пустые” байты.

Сравнить длину ошибочных и правильных кадров проще всего посредством сбора в буфер анализатора серии кадров с ошибкой CRC.

Правило 7.

Таблица 1 систематизирует причины ошибок и коллизий для этапов 2 и 3

Наиболее надежным способом локализации дефектов является поочередное отключение подозрительных станций, концентраторов и кабельных трасс, тщательная проверка топологии линий заземления компьютеров (особенно для сетей 10Base2).

Правило 8.

Отсутствие ошибок на канальном уровне еще не гарантирует того, что информация в вашей сети не искажается.

Следствием ошибок нижнего уровня является повторная передача кадров. Благодаря высокой скорости сети Ethernet (особенно FastEthernet) и высокой производительности современных компьютеров, ошибки нижнего уровня не оказывает существенного влияния на время реакции прикладного ПО.

Значительно большее влияние на работу прикладного ПО в сети оказывают такие ошибки, как бесследное исчезновение или искажение информации в сетевых платах, маршрутизаторах или коммутаторах при полном отсутствии информации об ошибках нижних уровней.

Причина таких дефектов в следующем. Информация искажается (или исчезает) “в недрах” активного оборудования – сетевой платы, маршрутизатора или коммутатора. При этом приемо-передающий блок этого оборудования вычисляет правильную контрольную последовательность (CRC) уже искаженной ранее информации, и корректно оформленный кадр передается по сети.Никаких ошибок в этом случае, естественно, не фиксируется. SNMP-агенты,встроенные в активное оборудование, здесь ничем помочь не могут.

Иногда кроме искажения наблюдается исчезновение информации. Чаще всего оно происходит на дешевых сетевых платах или на коммутаторахEthernet-FDDI. Механизм исчезновения информации в последнем случае понятен. В ряде коммутаторов Ethernet-FDDI обратная связь быстрого порта с медленным (или наоборот) отсутствует, в результате другой порт не получает информации о перегруженности входных/выходных буферов быстрого (медленного) порта. В этом случае при интенсивном трафике информация на одном из портов может пропасть.

Опытный администратор сети может возразить, что кроме защиты информации на канальном уровне в протоколах IPX и TCP/IP возможна защита информации с помощью контрольной суммы.

В полной мере на защиту с помощью контрольной суммы можно полагаться, только если прикладное ПО в качестве транспортного протокола задействует TCP или UDP. Только при их использовании контрольной суммой защищается весь пакет. Если в качестве “транспорта” применяетсяIPX/SPX или непосредственно IP, то контрольной суммой защищается лишь заголовок пакета.

Даже при наличии защиты с помощью контрольной суммы описанное искажение или исчезновение информации вызывает существенное увеличение времени реакции прикладного ПО.

Если же защита не установлена, то поведение прикладного ПО может быть непредсказуемым.

Помимо замены (отключения) подозрительного оборудования выявить такие дефекты можно двумя способами.

Первый способ заключается в захвате, декодировании и анализе кадров от подозрительной станции, маршрутизатора или коммутатора. Признаком описанного дефекта служит повторная передача пакета IP или IPX, которой не предшествует ошибка нижнего уровня сети. Некоторые анализаторы протоколов и экспертные системы упрощают задачу, выполняя анализ трассы или самостоятельно вычисляя контрольную сумму пакетов.

Вторым способом является метод стрессового тестирования сети.

Выводы. Основная задача диагностики канального уровня сети – выявить наличие повышенного числа коллизий и ошибок в сети и найти взаимосвязь между числом ошибок, степенью загруженности канала связи, топологией сети и местом подключения измерительного прибора. Все измерения следует проводить на фоне генерации анализатором протоколов собственного трафика.

Если установлено, что повышенное число ошибок и коллизий не является следствием перегруженности канала связи, то сетевое оборудование, при работе которого наблюдается повышенное число ошибок, следует заменить.

Если не удается выявить взаимосвязи между работой конкретного оборудования и появлением ошибок, то проведите комплексное тестирование кабельной системы, проверьте уровень шума в кабеле, топологию линий заземления компьютеров, качество питающего напряжения.

3.     Методика упреждающей диагностики сети

Методика упреждающей диагностики заключается в следующем. Администратор сети должен непрерывно или в течение длительного времени наблюдать за работой сети. Такие наблюдения желательно проводить с момента ее установки. На основании этих наблюдений администратор должен определить,во-первых, как значения наблюдаемых параметров влияют на работу пользователей сети и, во-вторых, как они изменяются в течение длительного промежутка времени:рабочего дня, недели, месяца, квартала, года и т. д.

Наблюдаемыми параметрами обычно являются:

• параметры работы канала связи сети – утилизация канала связи, число принятых и переданных каждой станцией сети кадров, число ошибок в сети, число широковещательных и многоадресных кадров и т. п.;
• параметры работы сервера – утилизация процессора сервера, число отложенных (ждущих) запросов к диску, общее число кэш-буферов,число “грязных” кэш-буферов и т. п.

Зная зависимость между временем реакции прикладного ПО и значениями наблюдаемых параметров, администратор сети должен определить максимальные значения параметров, допустимые для данной сети. Эти значения вводятся в виде порогов (thresholds) в диагностическое средство. Если в процессе эксплуатации сети значения наблюдаемых параметров превысят пороговые, то диагностическое средство проинформирует об этом событии администратора сети.Такая ситуация свидетельствует о наличии в сети проблемы.

Наблюдая достаточно долго за работой канала связи и сервера, вы можете установить тенденцию изменения значений различных параметров работы сети (утилизации ресурсов, числа ошибок и т. п.). На основании таких наблюдений администратор может сделать выводы о необходимости замены активного оборудования или изменения архитектуры сети.

В случае появления в сети проблемы, администратор в момент ее проявления должен записать в специальный буфер или файл дамп канальной трассы и на основании анализа ее содержимого сделать выводы о возможных причинах проблемы.