Мониторинг и анализ компьютерных сетей

1. Классификация средств мониторинга и анализа

Постоянный контроль за работой локальной сети, составляющей основу любой корпоративной сети, необходим для поддержания ее в работоспособном состоянии.

Контроль – это необходимый первый этап, который должен выполняться при управлении сетью. Ввиду важности этой функции ее часто отделяют от других функций систем управления и реализуют специальными средствами.

Такое разделение функций контроля и собственно управления полезно для небольших и средних сетей, для которых установка интегрированной системы управления экономически нецелесообразна. Использование автономных средств контроля помогает администратору сети выявить проблемные участки и устройства сети, а их отключение или реконфигурацию он может выполнять в этом случае вручную.

Процесс контроля работы сети обычно делят на два этапа – мониторинг и анализ.

На этапе мониторинга выполняется более простая процедура – процедура сбора первичных данных о работе сети: статистики о количестве циркулирующих в сети кадров и пакетов различных протоколов, состоянии портов концентраторов, коммутаторов и маршрутизаторов и т.п.

Далее выполняется этап анализа, под которым понимается более сложный и интеллектуальный процесс осмысления собранной на этапе мониторинга информации, сопоставления ее с данными, полученными ранее, и выработки предположений о возможных причинах замедленной или ненадежной работы сети.

Задачи мониторинга решаются программными и аппаратными измерителями, тестерами, сетевыми анализаторами, встроенными средствами мониторинга коммуникационных устройств, а также агентами систем управления.

Задача анализа требует более активного участия человека и использования таких сложных средств, как экспертные системы, аккумулирующие практический опыт многих сетевых специалистов.

Все многообразие средств, применяемых для анализа и диагностики вычислительных сетей, можно разделить на несколько крупных классов.

Агенты систем управления, поддерживающие функции одной из стандартных MIB и поставляющие информацию по протоколу SNMP или CMIP. Для получения данных от агентов обычно требуется наличие системы управления, собирающей данные от агентов в автоматическом режиме.

Встроенные системы диагностики и управления (Embedded systems)

Эти системы выполняются в виде программно-аппаратных модулей, устанавливаемых в коммуникационное оборудование, а также в виде программных модулей, встроенных в операционные системы. Они выполняют функции диагностики и управления только одним устройством, и в этом их основное отличие от централизованных систем управления. Примером средств этого класса может служить модуль управления многосегментным повторителем Ethernet, реализующий функции автосегментации портов при обнаружении неисправностей, приписывания портов внутренним сегментам повторителя и некоторые другие. Как правило, встроенные модули управления “по совместительству” выполняют роль SNMP-агентов, поставляющих данные о состоянии устройства для систем управления.

Анализаторы протоколов (Protocol analyzers)

Представляют собой программные или аппаратно-программные системы, которые ограничиваются в отличие от систем управления лишь функциями мониторинга и анализа трафика в сетях. Хороший анализатор протоколов может захватывать и декодировать пакеты большого количества протоколов, применяемых в сетях, – обычно несколько десятков. Анализаторы протоколов позволяют установить некоторые логические условия для захвата отдельных пакетов и выполняют полное декодирование захваченных пакетов, т.е. показывают в удобной для специалиста форме вложенность пакетов протоколов разных уровней друг в друга с расшифровкой содержания отдельных полей каждого пакета.

Экспертные системы

Этот вид систем аккумулирует знания технических специалистов о выявлении причин аномальной работы сетей и возможных способах приведения сети в работоспособное состояние. Экспертные системы часто реализуются в виде отдельных подсистем различных средств мониторинга и анализа сетей: систем управления сетями, анализаторов протоколов, сетевых анализаторов. Простейшим вариантом экспертной системы является контекстно-зависимая система помощи. Более сложные экспертные системы представляют собой т.н. базы знаний, обладающие элементами искусственного интеллекта. Примерами таких систем являются экспертные системы, встроенные в систему управления Spectrum компании Cabletron и анализатора протоколов Sniffer компании Network General. Работа экспертных систем состоит в анализе большого числа событий для выдачи пользователю краткого диагноза о причине неисправности сети.

Оборудование для диагностики и сертификации кабельных систем

Условно это оборудование можно поделить на четыре основные группы: сетевые мониторы, приборы для сертификации кабельных систем, кабельные сканеры и тестеры.

• Сетевые мониторы(называемые также сетевыми анализаторами) предназначены для тестирования кабелей различных категорий. Сетевые мониторы собирают также данные о статистических показателях трафика – средней интенсивности общего трафика сети, средней интенсивности потока пакетов с определенным типом ошибки и т.п. Эти устройства являются наиболее интеллектуальными устройствами из всех четырех групп устройств данного класса, т.к. работают не только на физическом, но и на канальном, а иногда и на сетевом уровнях.
• Устройства для сертификации кабельных систем выполняют сертификацию в соответствии с требованиями одного из международных стандартов на кабельные системы.
• Кабельные сканеры используются для диагностики медных кабельных систем.
• Тестеры предназначены для проверки кабелей на отсутствие физического разрыва.
• Многофункциональные портативные устройства анализа и диагностики. В связи с развитием технологии больших интегральных схем появилась возможность производства портативных приборов, которые совмещали бы функции нескольких устройств: кабельных сканеров, сетевых мониторов и анализаторов протоколов.

Анализаторы протоколов

Анализатор протоколов представляет собой либо специализированное устройство, либо персональный компьютер, обычно переносной, класса Notebook, оснащенный специальной сетевой картой и соответствующим программным обеспечением. Применяемые сетевая карта и программное обеспечение должны соответствовать технологии сети (Ethernet, Token Ring, FDDI, Fast Ethernet). Анализатор подключается к сети точно так же, как и обычный узел. Отличие состоит в том, что анализатор может принимать все пакеты данных, передаваемые по сети, в то время как обычная станция – только адресованные ей. Для этого сетевой адаптер анализатора протоколов переводится в режим “беспорядочного” захвата – promiscuous mode.

Программное обеспечение анализатора состоит из ядра, поддерживающего работу сетевого адаптера и программного обеспечения, декодирующего протокол канального уровня, с которым работает сетевой адаптер, а также наиболее распространенные протоколы верхних уровней, например IP, TCP, ftp, telnet, HTTP, IPX, NCP, NetBEUI, DECnet и т.п. В состав некоторых анализаторов может входить также экспертная система, которая позволяет выдавать пользователю рекомендации о том, какие эксперименты следует проводить в данной ситуации, что могут означать те или иные результаты измерений, как устранить некоторые виды неисправности сети.

Анализаторы протоколов имеют некоторые общие свойства.

• Возможность (кроме захвата пакетов) измерения среднестатистических показателей трафика в сегменте локальной сети, в котором установлен сетевой адаптер анализатора. Обычно измеряется коэффициент использования сегмента, матрицы перекрестного трафика узлов, количество хороших и плохих кадров, прошедших через сегмент.
• Возможность работы с несколькими агентами, поставляющими захваченные пакеты из разных сегментов локальной сети. Эти агенты чаще всего взаимодействуют с анализатором протоколов по собственному протоколу прикладного уровня, отличному от SNMP или CMIP.
• Наличие развитого графического интерфейса, позволяющего представить результаты декодирования пакетов с разной степенью детализации.
• Фильтрация захватываемых и отображаемых пакетов. Условия фильтрации задаются в зависимости от значения адресов назначения и источника, типа протокола или значения определенных полей пакета. Пакет либо игнорируется, либо записывается в буфер захвата. Использование фильтров значительно ускоряет и упрощает анализ, т.к. исключает захват или просмотр ненужных в данный момент пакетов.
• Использование триггеров. Триггеры в данном случае – это задаваемые администратором некоторые условия начала и прекращения процесса захвата данных из сети. Такими условиями могут быть: время суток, продолжительность процесса захвата, появление определенных значений в кадрах данных. Триггеры могут использоваться совместно с фильтрами, позволяя более детально и тонко проводить анализ, а также продуктивнее расходовать ограниченный объем буфера захвата.
• Многоканальность. Некоторые анализаторы протоколов позволяют проводить одновременную запись пакетов от нескольких сетевых адаптеров, что удобно для сопоставления процессов, происходящих в разных сегментах сети.

Возможности анализа проблем сети на физическом уровне у анализаторов протоколов минимальные, поскольку всю информацию они получают от стандартных сетевых адаптеров. Поэтому они передают и обобщают информацию физического уровня, которую сообщает им сетевой адаптер, а она во многом зависит от типа сетевого адаптера. Некоторые сетевые адаптеры сообщают более детальные данные об ошибках кадров и интенсивности коллизий в сегменте, а некоторые вообще не передают такую информацию верхним уровням протоколов, на которых работает анализатор протоколов.

 Сетевые анализаторы

Сетевые анализаторы представляют собой эталонные измерительные приборы для диагностики и сертификации кабелей и кабельных систем. Они могут с высокой точностью измерить все электрические параметры кабельных систем, а также работают на более высоких уровнях стека протоколов. Сетевые анализаторы генерируют синусоидальные сигналы в широком диапазоне частот, что позволяет измерять на приемной паре амплитудно-частотную характеристику и перекрестные наводки, затухание и суммарное затухание. Сетевой анализатор представляет собой лабораторный прибор больших размеров, достаточно сложный в обращении.

 Кабельные сканеры и тестеры

Основное назначение кабельных сканеров – измерение электрических и механических параметров кабелей: длины кабеля, параметра NEXT, затухания, импеданса, схемы разводки пар проводников, уровня электрических шумов в кабеле. Точность измерений, произведенный этими устройствами, ниже, чем у сетевых анализаторов, но вполне достаточна для оценки соответствия кабеля стандарту.

Для определения местоположения неисправности кабельной системы (обрыва, короткого замыкания, неправильно установленного разъема и т.д.) используется метод “отраженного импульса” (Time Domain Reflectometry, TDR). Суть этого метода состоит в том, что сканер излучает в кабель короткий электрический импульс и измеряет время задержки до прихода отраженного сигнала. По полярности отраженного импульса определяется характер повреждения кабеля (короткое замыкание или обрыв). В правильно установленном и подключенном кабеле отраженный импульс почти отсутствует.

Точность измерения расстояния зависит от того, насколько точно известна скорость распространения электромагнитных волн в кабеле.

Кабельные сканеры – это портативные приборы, которые обслуживающий персонал может постоянно носить с собой.

Кабельные тестеры – наиболее простые и дешевые приборы для диагностики кабеля. Они позволяют определить непрерывность кабеля, однако, в отличие от кабельных сканеров, не дают ответа на вопрос о том, в каком месте произошел сбой.

Многофункциональные портативные приборы мониторинга

В последнее время начали выпускаться многофункциональные портативные приборы, которые объединяют в себе возможности кабельных сканеров, анализаторов протоколов и даже некоторые функции систем управления, сохраняя в то же время такое важное свойство, как портативность. Многофункциональные приборы мониторинга имеют специализированный физический интерфейс, позволяющий выявлять проблемы и тестировать кабели на физическом уровне, который дополняется микропроцессором с программным обеспечением для выполнения высокоуровневых функций.

Функции проверки аппаратуры и кабелей

многофункциональные приборы сочетают наиболее часто используемые на практике функции кабельных сканеров с рядом новых возможностей тестирования.
● Сканирование кабеля
Функция позволяет измерять длину кабеля, расстояние до самого серьезного дефекта и распределение импеданса по длине кабеля. При проверке неэкранированной витой пары могут быть выявлены следующие ошибки: расщепленная пара, обрывы, короткое замыкан е и другие виды нарушения соединения. Для сетей Ethernet на коаксиальном кабеле эти проверки могут быть осуществлены на работающей сети.

• Функция определения распределения кабельных жил
  Осуществляет проверку правильности подсоединения жил, наличие промежуточных разрывов и перемычек на витых парах. На дисплей выводится перечень связанных между собой контактных групп.
• Функция определения карты кабелей

Используется для составления карты основных кабелей и кабелей, ответвляющихся от центрального помещения.

• Автоматическая проверка кабеля

В зависимости от конфигурации возможно определить длину, импеданс, схему подключения жил, затухание и параметр NEXT на частоте до 100 МГц. Автоматическая проверка выполняется для коаксиальных кабелей, экранированной витой пары с импедансом 150 Ом, неэкранированной витой пары с сопротивлением 100 ОМ.
● Целостность цепи при проверке постоянным током

Эта функция используется при проверке коаксиальных кабелей для верификации правильности используемых терминаторов и их установки.
● Определение номинальной скорости распространения

Функция вычисляет номинальную скорость распространения (Nominal Velocity of Propagation, NVP) по кабелю известной длины и дополнительно сохраняет полученные результаты в файле для определяемого пользователем типа кабеля (User Defined Cable Type) или стандартного кабеля.
● Комплексная автоматическая проверка пары “сетевой адаптер-концентратор”
Этот комплексный тест позволяет последовательно подключить прибор между конечным узлом сети и концентратором. Тест дает возможность автоматически определить местонахождение источника неисправности – кабель, концентратор, сетевой адаптер или программное обеспечение станции.
● Автоматическая проверка сетевых адаптеров

Проверяет правильность функционирования вновь установленных или “подозрительных” сетевых адаптеров. Для сетей Ethernet по итогам проверки сообщаются: MAC-адрес, уровень напряжения сигналов (а также присутствие и полярность импульсов Link Test для 10Base-T). Если сигнал не обнаружен на сетевом адаптере, то тест автоматически сканирует соединительный разъем и кабель для их диагностики.

  Функции сбора статистики

Эти функции позволяют в реальном масштабе времени проследить за изменением наиболее важных параметров, характеризующих “здоровье” сегментов сети. Статистика обычно собирается с разной степенью детализации по разным группам.
● Сетевая статистика
В этой группе собраны наиболее важные статистические показатели – коэффициент использования сегмента (utilization), уровень коллизий, уровень ошибок и уровень широковещательного трафика. Превышение этими показателями определенных порогов в первую очередь говорят о проблемах в том сегменте сети, к которому подключен многофункциональный прибор.
● Статистика ошибочных кадров

Эта функция позволяет отслеживать все типы ошибочных кадров для определенной технологии. Например, для технологии Ethernet характерны следующие типы ошибочных кадров.

• Укороченные кадры (Short Frames).Это кадры, имеющие длину, меньше допустимой, т.е. меньше 64 байт. Иногда этот тип кадров дифференцируют на два класса – просто короткие кадры (short), у которых имеется корректная контрольная сумма, и “коротышки” (runts), не имеющие корректной контрольной суммы. Наиболее вероятными причинами появления укороченных кадров являются неисправные сетевые адаптеры и их драйверы.
  Удлиненные кадры (Jabbers). Это кадры, имеющие длину, превышающую допустимое значение в 1518 байт с хорошей или плохой контрольной суммой. Удлиненные кадры являются следствием затянувшейся передачи, которая появляется из-за неисправностей сетевых адаптеров.
• Кадры нормальных размеров, но с плохой контрольной суммой (Bad FCS) и кадры с ошибками выравнивания по границе байта. Кадры с неверной контрольной суммой являются следствием множества причин – плохих адаптеров, помех на кабелях, плохих контактов, некорректно работающих портов повторителей, мостов, коммутаторов и маршрутизаторов. Ошибка выравнивания всегда сопровождается ошибкой по контрольной сумме, поэтому некоторые средства анализа трафика не делают между ними различий. Ошибка выравнивания может быть следствием прекращения передачи кадра при распознавании коллизии передающим адаптером.
  Кадры-призраки (ghosts) являются результатом электромагнитных наводок на кабеле. Они воспринимаются сетевыми адаптерами как кадры, не имеющие нормального признака начала кадра – 10101011. Кадры-призраки имеют длину более 72 байт, в противном случае они классифицируются как удаленные коллизии. Количество обнаруженных кадров-призраков в большой степени зависит от точки подключения сетевого анализатора. Причинами их возникновения являются петли заземления и другие проблемы с кабельной системой.

Знание процентного распределения общего количества ошибочных кадров по их типам может многое подсказать администратору о возможных причинах неполадок в сети. Даже небольшой процент ошибочных кадров может привести к значительному снижению полезной пропускной способности сети, если протоколы, восстанавливающие искаженные кадры, работают с большими тайм-аутами ожидания квитанций. Считается, что в нормально работающей сети процент ошибочных кадров не должен превышать 0,01% , т.е. не более 1 ошибочного кадра из 10000.

● Статистика по коллизиям
Эта группа характеристик дает информацию о количестве и видах коллизий, отмеченных на сегменте сети, позволяет определить наличие и местонахождение проблемы. Анализаторы протоколов обычно не могут дать дифференцированной картины распределения общего числа коллизий по их отдельным типам, в то же время знание преобладающего типа коллизий может помочь понять причину плохой работы сети. Ниже приведены основные типы коллизий сети Ethernet.

• Локальная коллизия (Local Collision). Является результатом одновременной передачи двух или более узлов, принадлежащих к тому сегменту, в котором производятся измерения. Если многофункциональный прибор не генерирует кадры, то в сети на витой паре или волоконно-оптическом кабеле локальные коллизии не фиксируются. Слишком высокий уровень локальных коллизий является следствием проблем с кабельной системой.
  
• Удаленная коллизия (Remote Collision). Эти коллизии происходят на другой стороне повторителя (по отношению к тому сегменту, в котором установлен измерительный прибор). В сетях, построенных на многопортовых повторителях (10Base-T, 10Base-FL/FB, 100Base-TX/FX/T4, Gigabit Ethernet), все измеряемые коллизии являются удаленными (кроме тех случаев, когда анализатор сам генерирует кадры и может быть виновником коллизии). Не все анализаторы протоколов и средства мониторинга одинаковым образом фиксируют удаленные коллизии. Это происходит из-за того, что некоторые измерительные средства и системы не фиксируют коллизии, происходящие при передаче преамбулы.
  
• Поздняя коллизия (Late Collision). Это коллизия, которая происходит после передачи первых 64 байт кадра (по протоколу Ethernetколлизия должна обнаруживаться при передаче первых 64 бай кадра). Результатом поздней коллизии будет кадр, который имеет длину более 64 байт и содержит неверное значение контрольной суммы. Чаще всего это указывает на то, что сетевой адаптер, являющийся источником конфликта, оказывается не в состоянии правильно прослушивать линию и поэтому не может вовремя остановить передачу. Другой причиной поздней коллизии является слишком большая длина кабельной системы или слишком большое количество промежуточных повторителей, приводящее к превышению максимального значения времени двойного оборота сигнала.Средняя интенсивность коллизий в нормально работающей сети должна быть меньше 5%. Большие всплески (более 20%) могут быть индикатором кабельных проблем.
• Распределение используемых сетевых протоколов
  Эта статистическая группа относится к протоколам сетевого уровня. На дисплее отображается список основных протоколов в убывающем порядке относительно процентного соотношения кадров, содержащих пакеты данного протокола к общему числу кадров в сети.● Основные отправители (Top Sendes)
  Функция позволяет отслеживать наиболее активные передающие узлы локальной сети. Прибор можно настроить на фильтрацию по единственному адресу и выявить список основных отправителей кадров для данной станции. Данные отражаются на дисплее в виде диаграммы вместе с перечнем основных отправителей кадров.

  ● Основные получатели (Top Receivers)
  Функция позволяет следить за наиболее активными узлами-получателями сети. Информация отображается в виде, аналогичном приведенному выше.

  ● Основные генераторы широковещательного трафика (Top Broadcasters)
  Функция выявляет станции сети, которые больше остальных генерируют кадры с широковещательными и групповыми адресами.

  ● Генерирование трафика (Traffic Generation)
  Прибор может генерировать трафик для проверки работы сети при повышенной нагрузке. Трафик может генерироваться параллельно с активизированными функциями Сетевая статистика, Статистика ошибочных кадрови Статистика по коллизиям.

  Пользователь может задать параметры генерируемого трафика, такие как интенсивность и размер кадров. Для тестирования мостов и маршрутизаторов прибор может автоматически создавать заголовки IP- и IPX-пакетов, и все что требуется от оператора – это внести адреса источника и назначения.

  В ходе испытаний пользователь может увеличить на ходу размер и частоту следования кадров с помощью клавиш управления курсором. Это особенно ценно при поиске источника проблем производительности сети и условий возникновения отказов.

Функции анализа протоколов

Обычно портативные многофункциональные приборы поддерживают декодирование и анализ только основных протоколов локальных сетей, таких как протоколы стековTCP/IP, Novell NetWare, NetBIOS и Banyan VINES.

В некоторых многофункциональных приборах отсутствует возможность декодирования захваченных пакетов, как в анализаторах протоколов, а вместо этого собирается статистика о наиболее важных пакетах, свидетельствующих о наличии проблем в сетях. Например, при анализе протоколов стека TCP/IP собирается статистика по пакетам протокола ICMP, с помощью которого маршрутизаторы сообщают конечным узлам о возникновении разного рода ошибок. Для ручной проверки достижимости узлов сети в приборы включается поддержка утилиты IP Ping, а также аналогичных по назначению утилит NetWare Ping и NetBIOS Ping.

Мониторинг локальных сетей на основе коммутаторов

Наблюдение за трафиком

Так как перегрузки процессоров портов и других обрабатывающих элементов коммутатора могут приводить к потерям кадров, то функция наблюдения за распределением трафика в сети, построенной на основе коммутаторов, очень важна.

Однако если сам коммутатор не снабжен встроенным агентом SNMP для каждого своего порта, то задача слежения за трафиком, традиционно решаемая в сетях с разделяемыми средами с помощью установки в сеть внешнего анализатора протоколов, очень усложняется.

Обычно в традиционных сетях анализатор протоколов или многофункциональный прибор подключался к свободному порту концентратора, что позволяло ему наблюдать за всем трафиком, передаваемым между любыми узлами сети.

Если же анализатор протокола подключить к свободному порту коммутатора, то он не зафиксирует почти ничего, т.к. кадры ему передавать никто не будет, а чужие кадры в его порт также направляться не будут. Единственный вид трафика, который будет фиксировать анализатор, – это трафик широковещательных пакетов, которые будут передаваться всем узлам сети, а также трафик кадров с неизвестными коммутатору адресами назначения. В случае когда сеть разделена на виртуальные сети, анализатор протоколов будет фиксировать только широковещательный трафик своей виртуальной сети, чтобы анализаторами протоколов можно было по-прежнему пользоваться и в коммутируемых сетях, производители коммутаторов снабжают свои устройства функцией зеркального отображения трафика любого порта на специальный порт. К специальному порту подключается анализатор протоколов, а затем на коммутатор подается команда через его модульSNMP-управления для отображения трафика какого-либо порта на специальный порт.

Наличие функции зеркализации портов частично снимает проблему, но оставляет некоторые вопросы. Например, как просматривать одновременно трафик двух портов или трафик порта, работающего в полнодуплексном режиме.

Более надежным способом слежения за трафиком, проходящим через порты коммутатора, является замена анализатора протокола на агенты RMON MIB для каждого порта коммутатора.

Агент RMON выполняет все функции хорошего анализатора протокола для протоколов Ethernet и Token Ring, собирая детальную информацию об интенсивности трафика, различных типах плохих кадров, о потерянных кадрах, причем самостоятельно строя временные ряды для каждого фиксируемого параметра. Кроме того, агент RMON может самостоятельно строить матрицы перекрестного трафика между узлами сети, которые очень нужны для анализа эффективности применения коммутатора.

Так как агент RMON, реализующий все 9 групп объектов Ethernet, стоит весьма дорого, то производители для снижения стоимости коммутатора часто реализуют только первые несколько групп объектов RMON MIB. Другим приемом снижения стоимости коммутатора является использование одного агента RMON для нескольких портов. Такой агент по очереди подключается к нужному порту, позволяя снять с него требуемые статистические данные.

Управление виртуальными сетями

Виртуальные локальные сети VLAN порождают проблемы для традиционных систем управления на платформе SNMP как при их создании, так и при наблюдении за их работой.

Как правило, для создания виртуальных сетей требуется специальное программное обеспечение компании-производителя, которое работает на платформе системы управления, например, HP Open View. Сами платформы систем управления этот процесс поддержать не могут в основном из-за долгого отсутствия стандарта на виртуальные сети. Можно надеяться, что появление стандарта 802.1Q изменит ситуацию в этой области.

Наблюдение за работой виртуальных сетей также создает проблемы для традиционных систем управления. При создании карты сети, включающей виртуальные сети, необходимо отображать как физическую структуру сети, так и ее логическую структуру, соответствующую связям отдельных узлов виртуальной сети. При этом по желанию администратора система управления должна уметь отображать соответствие логических и физических связей в сети, т.е. на одном физическом канале должны отображаться все или отдельные пути виртуальных сетей.

К сожалению, многие системы управления либо вообще не отображают виртуальные сети, либо делают это очень неудобным для пользователя способом, что вынуждает обращаться к менеджерам компаний-производителей для решения этой задачи.