Анализ построения локальной вычислительной сети по критерию надёжности на базе «Тонких» и «Толстых» клиентов

Анализ построения локальной выч ислительной сети по критерию надёжности на базе «тонких» и «толстых» клиентов

А. А. Гавриленко, С.Н. Полесский Кафедра «Информационные технологии и автоматизированные системы» Московский институт электроники и математики Национального исследовательского

университета ««Высшая школа экономики»

109028, г. Москва, Большой Трехсвятительский пер., д.3

e-mail: al.gavrilenko @ gmail.com, spolessky@hse.ru

Аннотация: Предпосылкой проведения анализа построения локальной

вычислительной сети (ЛВС) на базе «тонких» и «толстых» клиентов является возрастающая тенденция перехода на «тонкие» клиенты взамен обычных рабочих станций в последние годы. И, если такие плюсы терминальной станции, как низкая цена, простота администрирования, энергоэффективность известны, то сравнение с «толстыми» аналогами по критерию надёжности до сих пор не проводилось.

Ключевые слова: «тонкий» клиент, «толстый» клиент, локальная вычислительная сеть, надё ность, электронные средства, коэффициент готовности.

Для проведения сравнительно анализа необходимо спроектировать два варианта типовых схем ЛВС, состоящие из «тонких» и «толстых» клиентов, соответственно, построенных по топологии «звезда». Для удобства расчетов достаточно смоделировать небольшую корпоративную сеть отдела, состоящую из 20-25 типичных устройств. Выработанные критерии отказов по схеме ЛВС позволят создать структурную схему расчета наде ности и приступить к расчетам. В ходе расчетов необходимо определить коэффициенты готовности, наработки на отказ и времени восстановления для обеих ЛВС.

Первым этапом исследования является построение двух ЛВС, состоящих из «толстых» и «тонких» клиентов, соответственно. Допустим, что исследуемый отдел состоит из 20-и рабочих мест и занимается конструкторскими работами, используя соответствующее программное обеспечение (ПО). Таким образом, для построения ЛВС из «толстых клиентах» понадобятся 20 рабочих станций, сервер, принтер. Все устройства объединяются в сеть через коммутатор (см. рис. 1). Для построения ЛВС из «тонких клиентов» понадобятся 20 терминальных станций, сервер, принтер, а так е терминальный сервер, на котором обеспечивается доступ пользователей через «тонкий» клиент к необходимым для работы ресурсам. Все устройства объединены в сеть через коммутатор (см. рис. 2).

Следующим этапом исследования является построение структурной схемы расчета надежности для разных уровней разукрупнения ЛВС по ОСТ 4Г 0.012.242-84 [2]. Для этого необходимо определить, неисправность каких элементов является критичной для работы системы в целом. Допустим, загрузка отдела позволяет оставить 2 рабочих места в резерве. Остальные 18 рабочих мест используются непрерывно в течение всего рабочего дня. Соответственно, отказ более, чем 2-ух рабочих станций/терминальных станций ска ется на отказе системы в целом. Так е, недопустим отказ сервера или одного из серверов, для ЛВС из тонких клиентов, недопустим отказ коммутатора.

Рис. 2. Схема соединения устройств для ЛВС на базе «тонких» клиентов

Отказ принтера не является критичным, так как задачи отдела напрямую не связаны с непрерывным его использованием. Таким образом, на верхнем уровне, образуется последовательная схема из трех блоков: коммутатор, сервер, рабочая группа, коммутирующая сеть. Однако, отказ коммутирующей сети проводов так не будет включен в расчеты в виду пренебрежимо малой величины интенсивности отказов, а так же вхождения практически одинакового набора соединений в состав обеих ЛВС. На следующем уровне разукрупнения рассматривается рабочая группа, как последовательное соединение п рабочих станций/терминальных станций и параллельно к каждому из них подсоединенных m резервных рабочих

станций/терминальных станций. На следующем уровне рассматривается рабочая станция/терминальная станция, как последовательное соединение элементов, приводящих к отказу работоспособности системы. Структурные схемы надёжности приведены на рис. 3 (для ЛВС на базе «толстых клиентов») и на рис. 4 (для ЛВС на базе «тонких» клиентов). Отказ таких элементов, как: внешнее запоминающее устройство, монитор, клавиатура, мышь, видеокарта, системная плата, процессор, система охла дения, блок питания, оперативное запоминающее устройство является критичным для системы и ведет к её отказу.

Рис. 3. Структурная схема надёжности ЛВС на базе «толстых клиентов»

(Реэйрнные Л№М«Ч1Ы

Рис. 4. Структурная схема надёжности ЛВС на базе ««тонких клиентов»

Расчёт надежности ЛВС производится в два этапа. Сначала рассчитывается (определяется) надёжность элементов в отдельности, затем проводится расчёт надёжности ЛВС в целом. После чего, определяются комплекты запасных частей, инструментов, принадлежностей (ЗИП) для каждой из ЛВС. Схема

последовательности действий при расчёте надёжности выполнена в нотациях ГОЕБО [13] и представлена на рис. 5.

Рис. 5. Схема последовательности расчётов

Расчетные значения наработки на отказ для каждого устройства (элемента ЛВС) возьмем из паспортный данных устройств. Допустим, в состав рабочей станции входят: монитор Samsung 957MB с показателем наработки на отказ 750000 часов [3], мыть и клавиатура HP - по 100000 часов [4], системная плата Intel DP55WP, блок питания и система охлаждения Intel, процессор Intel Core i7 - 100000 часов, 100000 часов, 55000 часов и 550000 часов, соответственно [5], оперативная память Kingston DDR3 KVR1066D3N7/4G 4GB x2 - 500000 часов [6], видеокарта GeForce GT 240 -55000 часов [7], жесткий диск любого производителя - оценочно 500000 часов [8]. Данные о наработке на отказ для серверов взяты с официального сайта компании Intel и составляют от 45000 до 55000 часов [9]. Что касается коммутатора, то показатели наработки на отказ для модели SRW2024 - 24-Port 10/100/1000 Gigabit Switch составляют 98690 часов [10]. Для подсчета времени восстановления достаточно взять оценочные (экспертные) данные. Так, например, на восстановление рабочей станции могут потребоваться целые сутки, с учетом диагностики, замены частей, перенастройки системы, либо полной переустановки системы. Для восстановления терминальной станции требуется существенно меньте времени из-за меньтего количество компонент и малого времени установки системы (допустим, 3 часа). На восстановление коммутатора требуется в среднем 1 час, на восстановление сервера 4 часа. Спецификация ЛВС на базе «толстых» клиентов представлена в таблице 1. В качестве «тонкого» клиента приведем модель UTC55i Ultra Thin Client фирмы Kingsem. Время наработки на отказ для данной модели составляет не менее 400000 часов [11], что является внутительным показателем относительно данныгх для элементов рабочей станции. Кроме того, ЛВС на базе «тонких» клиентов включает в

себя терминальный сервер. Его конфигурация совпадает с конфигурацией обычного сервера. Таким образом, время наработки на отказ и время восстановления будет одинаковым.

Далее, проводим расчет в соответствии с ОСТ 4Г 0.012.242-84 по следующей формуле:

Г = 1

п —

О п і

тЛ-

=1 1 Ог

где: Т0 - наработка на отказ системы, ч.; То - наработка на отказ г-го отдельного элемента.

Коэффициент готовности рассчитывается по следующей формуле:

Т

КГ=----£—

т +т

1 о ^1 в ш

Наработка на отказ совокупности рабочих станций/тонких клиентов, представляющих собой схему с нагруженным резервированием, рассчитывается по следующей формуле:

где: т - количество резервных элементов, ^-общее количество элементов, 9 -интенсивность отказов, Твэ - время восстановления одного элемента (воспользуемся оценочными значениями); при этом время восстановления такой системы рассчитывается по формуле:

Т

и

вэ

вэ - , л

т +1

Расчёт наработки на отказ сервера и всей системы в целом проводится по формуле

т =_____-__

1 О п л

Т.у-

1=1 1 О/ .

Расчёт производится отдельно для ЛВС из «толстых» и «тонких» клиентов. Рассчитаем значение наработки на отказ для одной рабочей станции с учётом паспортных данных составных элементов (ссылки приведены выше):

Тп ws = —-— = 9643 часов.

. п 1

^ Т-

г =1 Т Пг

Далее проводим расчёт наработки на отказ для системы рабочих станций (18 основных, 2 резервных):

т

, £ С (ятвэ у

1 ;-п

Тпwssys = — —------------= 2.32х 104 часов.

п I ст (ятвэ )т

Время восстановления для такой системы рассчитывается следующим образом:

Тв = Твэ = 8 часов. в т +1

Далее рассчитывается коэффициент готовности для данной системы из рабочих станций:

К г -

т.

- 0.999655

Тп wssys + ТВ

Проводим расчёт времени наработки на отказ для одного сервера:

1

Т„ 8вГУ —

£ ті —1 Т ОІ

— 43662 часов.

Дальнейшим шагом является проведение расчета времени на работки на отказ для схемы, представленной на рисунке 3. Данные для всех блоков получены выше.

1

Т„ 1 —

£ Ті —1 1 ОІ

— 13130 часов.

По аналогии проводятся расчёты для ЛВС на базе терминальных станций, с учетом паспортных данных терминальной станции, согласно которым время наработки на отказ для одной станции составляет 400000 часов [11]. Расчёты для серверов приведены ранее.

Т. —

т

. £ С (лтвэ) '

1 _І—0_________

я статВэ)т

— 8.78 х 105 часов:

В5

Т

Кг шгу? —

Т„ 2 —

Вэ — 1 час;

— 0.999998;

т +1

ТО wssys

ТО wssys + Т 1

Г —

-і т

—1 Т О,

— 17520 часов.

Спецификация ЛВС на базе «тонких» и «толстых» клиентов с указанием рассчитанного времени наработки на отказ, а так е оценочного времени восстановления представлена в таблице 1.

Таблица 1. Спецификация ЛВС

Наименование На базе «толстых» клиентов

Сервер 1, 43662/ 3 1, 43662/ 3

Терминальный сервер - 1, 43662 / 3

Коммутатор 1, 98690 / 1 1, 98690 / 1

Рабочая станция/ Терминальная станция 20, 9643 / 24 20, 400000/3

Коэффициент готовности для ЛВС на базе «толстых» клиентов:

п

к п =П К П = 099955

г=1

Коэффициент готовности для ЛВС на базе «тонких» клиентов:

п

КП =П К г, =0 99981

г =1

Показатель времени восстановления для ЛВС на базе «толстых» клиентов:

1 - к

тт = тл--------------^ = 6.03 часов.

В1

к

г1

Показатель времени восстановления для ЛВС на базе «тонких» клиентов:

1-к

Тв 2 = т. 2-

г2

к

= 3.26 часов.

г2

Расчётные значения для показателей наработки на отказ, времени восстановления и коэффициента готовности для двух ЛВС из 20-и машин, с учетом 2-ух резервных представлены в сравнительной таблице 2.

Таблица 2. Сравнение показателей надёжности

№ п/п Тип ЛВС/Показатель надёжности V о Н ч га Т К+

1 На базе «толстых» клиентов 1.3Ш104 6.03 0.99955

2 На базе «тонких» клиентов 1.752x104 3.26 0.99981

Из полученных результатов видно, что коэффициент готовности (Кг) для ЛВС на базе «толстых» клиентов меньше, чем у аналогичной ЛВС на базе «тонких» клиентов. Время наработки на отказ для ЛВС на базе «тонких» клиентов больше, чем для ЛВС на базе «толстых» клиентов, а показатель времени восстановления ни е. Приведенное сравнение показывает, что система, построенная на базе 20-и «тонких» клиентов, 2 из которых находятся в резерве, ока ется надё нее, чем система, построенная на базе «толстых». Однако, проведённого сравнения может быть не достаточна для заключения. Для более детального анализа, рассмотрим те же самые ЛВС, состоящие из разного количества станций (от 1 до 20). Будем считать, что резервных элементов нет и отказ любой из станций ведёт к отказу системы в целом. На рисунке 6 приведен график, показывающая отношение коэффициента готовности (Кг) к количеству станций в системе. На гистограмме отражены данные как для ЛВС на базе «тонких» клиентов, так и для ЛВС на базе «тонких клиентов».

0.99

0.98

0.97

0.99

К61

0.98

10

15

20

0.97

Рис. 6. Отношение коэффициента готовности к числу станций в сети

К^1 - коэффициент готовности для ЛВС на базе «толстых клиентов», К^2 -коэффициент готовности для ЛВС на базе «тонких клиентов», X - количество станций. Из рисунка 6 видно, что с увеличением числа станций, готовность ЛВС на базе «толстых» клиентов существенно падает, чего нельзя сказать о ЛВС на базе «тонких» клиентов. Даже при наличии 20-и нерезервированных станций вероятность того, что система на базе «тонких» клиентов будет работоспособна в данный момент времени составляет 99,9996%. График на рисунке 6 показывает, что по сравнению с ЛВС на базе «тонких» клиентов, надёжным является использование ЛВС, состоящей из одной или, максимум, двух «толстых» клиентов. С увеличением числа «толстых» клиентов в группе, Кг демонстрирует планомерное падение и на отметке 20 станций демонстрирует значение 0,9835, что больше, чем на сотую хуже, чем для ЛВС на базе «тонких» клиентов.

Так, как в качестве примера ранее приводилась ЛВС из 18-и основных станций и 2-ух резервных, целесообразно будет проанализировать систему по критерию надёжности с учётом увеличения или уменьшения числа резервных станций. На рисунке 7 приведена гистограмма зависимости коэффициента готовности от числа резервных станций среди 20, входящих в состав ЛВС. Данные приведён для ЛВС на базе «тонких» и «толстых» клиентов.

Рис. 7. Отношение коэффициента готовности к числу резервных станций в сети

Гистограмма на рисунке 7 показывает, что при резервировании более 2-ух из 20-и (т.е. более 10%) рабочих станций, сеть на базе «толстых» клиентов демонстрирует такую же высокую «надёжность», как и сеть на базе «тонких» клиентов. Однако, наличие постоянных неиспользуемых станций в качестве резервных далеко не всегда оправдано с экономической точки зрения, причём единичная рабочая станция сама по себе проигрывает в цене аналогичной терминальной. А в отсутствии резервных машин, коэффициент готовности ЛВС на базе «толстых» клиентов составляет всего

0,9755, исходя из чего существует 2,45% вероятность отказа в любой момент времени.

Следующим этапом анализа является расчет запасных комплектов для двух ЛВС. Запасные комплекты необходимы в реалиях современного бизнеса с целью повышения надёжности сети путем своевременной замены вышедшего из строя оборудования. Однако, обратной стороной запасных комплектов являются складские издер ки, которые могут привести к моральному устареванию, а так е потере

качества электронных средств. Следовательно, необходимо найти баланс ме ду затратами на хранение и надё ным функционированием системы. В данном случае применимы следующие стратегии пополнения запасов для одиночных комплектов:

1. Периодическое пополнение;

2. Непрерывное пополнение;

3. Пополнение по уровню неснижаемого запаса.

В таблицах 3 и 4 представлена спецификация элементов для ЛВС на базе «тонких» и «толстых» клиентов с указанием необходимых для расчёта параметров.

________Таблица 3. Одиночный комплект для ЛВС на базе «толстого» клиента

Наименование і ті Ь і а і Ті1 П

Монитор 1 22 1.33х10-6 1 8760 2

Мышь 2 22 10-5 1 8760 2

Клавиатура 3 22 10-5 1 8760 2

Коммутатор 4 1 1.013х10-5 1 8760 1

Сервер 5 1 1.754х10-5 3 8760 1

Системный блок 6 20 1.037х10-4 3 336 2

Таблица 4. Одиночный комплект для ЛВС на базе «тонкого» клиента

Наименование і ті Ь і а і Ті1 П

Монитор 1 23 1.33х10-6 1 8760 2

Мышь 2 23 10-5 1 8760 2

Клавиатура 3 23 10-5 1 8760 2

Коммутатор 4 1 1.013х10-5 1 8760 1

Сервер 5 1 1.754х10-5 3 8760 1

Т ерминальны й сервер 6 1 1.754х10-5 3 8760 1

Т ерминал 7 20 2.5х10-6 3 168 2

где 1 - Номер составной части;

т - Количество основных элементов 1 -ого типа в объекте;

\

1 - Интенсивность отказов основного элемента 1 -ого типа в объекте;

а 1 - Тип стратегии пополнения элемента 1 -ого типа в объекте; т

111 - Числовой параметр стратегии пополнения ( среднее время ремонта) элемента 1 -ого типа в объекте;

п - Количество запасных элементов 1 -ого типа в объекте;

а 1 = 1 - Периодическое пополнение отказавших элементов.

а 1 = 3 - Ремонт(восстановление) отказавших элементов. Одновременно может ремонтироваться любое количество элементов данного типа [12].

Для расчета показателей достаточности такого ЗИП последовательно рассчитаем показатели достаточности комплекта ЗИП-О (запасные части, инструменты, принадле ности - одиночный). Сначала проводится расчёт для ЛВС на базе «толстых» клиентов.

Для элементов с периодическим пополнением (При а =1 периодическое пополнение).

1 п]

р = - е-“ Е (/ - п -1) ^

п /=п+2 7!

где

п = тЛТ,

п

Для первой составной части:

1

п = 0.257 ;

п

р = -е_п Е (/ - п -1) — = 5.468 х 10-4:

п /=п+2 /!

п = 0.963 ;

/=п+2

Для второй составной части:

1 п ^

р2 = -е-п Е (/ -п -1) — = 0.014;

п

Для третьей составной части:

1

/=п+2 7!

п = 0.963 ;

Р3 = -е-п Е (/ - п -1) ^7 = 0.014;

п /=п+2 /!

/!

Для четвертой составной части:

1

п = 0.08876 ;

п

/=п+2

Для восстанавливаемого элемента (При а =3 Ремонт(восстановление) кол-

вом одновременно ремонтирующихся элементов)

пп+1

р =

(п+1>Е

п+1 ак

к=0

к!

; (Т = Тр),

где

Для пятой составной части:

р =

Для шестой составной части:

р, =

п

= тЛТ„

п = 0.697 ; пп+1

(п+1)Е

п+1 пк

к=0

к!

= 0.00068;

п = 0.697 ; пп+1

п+1 пк

( п+1)Е— к!

к=0

= 0.00068;

Показатели достаточности рассчитываются по формулам:

к = П (1 - к = 1

ц‘ +17’ K. = 1 - р., +1

I =1 . . ,1. +1 •

;

1 I +1

А=ЛТ Е /р

Л10 /=1 .

Коэффициент готовности комплекта ЗИП-О для ЛВС на базе «толстых» клиентов:

^гзип-О =0.99774;

Среднее время задер ки в исполнении заявки на запасную часть:

А =40.13;

Аналогично проводится расчет для сети на базе «тонких клиентов». Все расчеты совпадут с расчетами для ЛВС на базе «толстых» клиентов, за исключением расчета для терминальных станций, а так же вхождения в систему большего числа устройств ввода/вывода.

Расчет для терминальных станций:

а = 0,028908.

;

1 п7

р7 = -е-п Е (/ - п -1) — = 0,00000098 927585169;

п /=п+2 /!

Расчет для клавиатуры и мыши:

п = 1.0074 ;

1 п ^

р23 = -е'п Е (/ -п --=°-016;

п /=п+2 /!

Расчет для монитора: п = 0.268 ;

1 п7

р1 = -е-й Е (/ - п -1) — = 6.175 х 10-4;

п /=п+2 /!

Показатели достаточности рассчитываются по формулам:

N

к=П(--р,+-); к = 1 -р

і * і,І +1 •

Іі +1

Лі0 і=1

Коэффициент готовности комплекта ЗИП-0 для ЛВС на базе «тонких» клиентов:

^ГЗИП-О =0.99842

Среднее время задер ки в исполнении заявки на запасную часть:

А =78.62

Сравнение характеристик запасных комплектов представлены в таблице 5.

Таблица 5. Сравнение характеристик комплектов ЗИП-

Тип сети \ параметр Кг

На базе «толстых» клиентов 0.99842 78.62

На базе «тонких» клиентов 0.99774 40.13

N

Из представленных в таблице 5 данных видно, что готовность ЗИП-0 для сети на базе «тонких» клиентов выше, а задержки между исполнением заявок на запасную часть меньше, что говорит о меньших затратах на обслуживание ремонта ЛВС, а так же меньшими потребностями в хранении запасных частей на складе.

Подводя итоги анализа, можно утверждать, что более надёжным типом ЛВС является ЛВС, состоящая из «тонких» клиентов. С практической точки зрения это показывает, что отход от привычных корпоративных сетей к технологии «тонкого» клиента является целесообразным с позиции надёжности функционирования системы. Внедрение ЛВС, состоящих из терминальных станций в совокупности с «облачным» П0 существенно сказывается на повышении автоматизации, качества и наде ности функционирования предприятий.

Список литературы

1. Козлов Б.В., Ушаков И.А. Справочник по расчету надежности аппаратуры радиоэлектроники и автоматики. - М.: «Советское радио», 1975.

2. ОСТ 4Г 0.012.242-84. Методика расчета показателей надёжности, 1985.

3. Монитор Samsung 957MB. [Электронный ресурс]. Режим доступа:

http://www.biom3d.eom/2003/12/samsung-957mb-19-inch-crt-monitor/#.URgGqx1FU1I.

4. Спецификация USB мыши и USB клавиатуры производства HP.

[Электронный ресурс]. Ре им доступа:

http://h20000.www2.hp.com/bizsupport/TechSupport/Document.isp?lang=en&cc=us&taskI d= 120&prodSeriesId=444343&prodTypeId=329290&obieetID=e03241057.

5. Спецификация System board DP55WP, Intel Core i7. [Электронный ресурс].

Ре им доступа:

http://www.intel.ru/content/www/ru/ru/search.html?keyword=mtbf&lstLanguages=ru RU& topicarea=Support.

6. Спецификация оперативная память Kingston DDR3 KVR1066D3N7/4G 4GB.

[Электронный ресурс]. Ре им доступа:

http://www.kingston.com/dataSheets/KVR1066D3N7 4G.pdf.

7. Обзор видеокарт GeForce. [Электронный ресурс]. Режим доступа: http://www.legitreviews.com/article/1161/3/.

8. MTBF (наработка на отказ) и гарантия в мире компьютеров. Что важно?

[Электронный ресурс]. Ре им доступа:

http://www.hwp.ru/articles/MTBF 28narabotka na otkaz 29 i garantiya v mire kompy uterov chto vazhno 64037/?PAGEN 1=2

9. MTBF Intel Servers. [Электронный ресурс]. Режим доступа: http://download.intel.com/support/motherboards/server/sb/s3420gpmtbfcalculationrev10.pd f

10. MTBF figures for switches. [Электронный ресурс]. Ре им доступа: http://homecommunity.cisco.com/t5/Switches/Request-MTBF-figures-for-switches/td-p/216907

11. Kingsem UTC55i Ultra Thin Client. [Электронный ресурс]. Ре им доступа: http: //xn- - 80akakbicdfphdy 1 ackb4nd. xn- -

p1ai/documentation pdf/Datasheet UTCi rus.pdf.

12. Надежность технических систем: Справочник / Ю.К. Беляев, В.А. Богатырев,

В.В. Болотин и др.; Под ред. И.А. Ушакова. - М.: Радио и связь, 1985. - 608 с.

13. Р 50.1.028-2001. Методология функционального моделирования, 2001