Исследование условий обеспечения гарантированного качества обслуживания в сети Интернет тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.12.13, кандидат технических наук Гончаров, Андрей Андреевич

• Гончаров, Андрей Андреевич
• кандидат технических наук
• 2007

Оглавление диссертации кандидат технических наук Гончаров, Андрей Андреевич

Список основных обозначений

Введение

Глава 1. Современное состояние проблемы обеспечения качества обслуживания в Интернет

1.1 в локальных сетях ШЕЕ 802.

1.2 0о8вАТМ

1.3 Технологии (¿оБ в промежуточных сетевых устройствах

1.4 Описание модели 01Г:СЗегу

1.5 Модель гарантированного обслуживания ЫБегу

1.6 Совместное использование механизмов МБегу поверх

1.7 Алгоритмы активного управления очередями

1.8 Работа алгоритма \VRED и его параметры

1.9 Цель работы и задачи диссертационной работы

1.10 Практическое значение работы

1.11 Положения, выносимые на защиту

Глава 2. Выявление проблемных участков сети 30 2.2 Алгоритм удаленной диагностики локальной сети с помощью анализа потерь пакетов 30 2.2 Исследование зависимости вероятности потери пакета от его длины, как средство диагностики транспортного канала

Глава 3. Обеспечение (ДО с помощью алгоритмов активного управления очередями в среде N8

3.1. Моделирование сетевого канала в среде N8

3.2. Анализ осцилляций длин очередей

Глава 4. Эксперименты в тестовом канале по поиску оптимальных параметров \VRED для обеспечения (ДО

4.1. Результаты измерения параметров (¿оБ для тестового канала

4.2. Исследование влияния параметров алгоритма \VRED на качество обслуживания при передаче данных по перегруженным каналам

4.3. Исследование влияния параметра рс на поведение алгоритма М1ЕЭ.

4.4. Исследование влияния коэффициента перегрузки АУц на поведение алгоритма \VRED.

4.5. Исследование влияния порогов Т] и Тг на параметры качества обслуживания

4.6. Исследование влияния параметра усреднения \уч на поведение алгоритма \VRED

4.7. Метод оптимизации конфигурационных параметров \VRED, основанный на однократной калибровке тестового канала

4.8. Рекомендации по использованию \VRED

4.9. Прикладные программные средства

4.10. Исследование возможностей получения гарантированного качества обслуживания при передаче мультимедиа через перегруженные каналы

4.11. Исследование влияния коэффициента перегрузки канала на качество передаваемого видео потока. 103 Основные выводы и результаты работы 107 Список литературы " 109 Публикаций по теме диссертации 112 Приложение 1 113 Приложение

Список основных обозначений

ATM Asynchronous Transfer Mode - асинхронный режим передачи

AF assured forwarding- гарантированная передача

AQM Active queue management - активное управление очередями

CIR Commited information rate- гарантированная скорость информационного потока

CBWFQ Class Based Weighted Fair Queueing - взвешенный алгоритм равномерного обслуживания очередей на основе классов

DiffServ Дифференцированные услуги

DSCP Поле метки (DiffServ Code Point)

Drtt Дисперсия RTT

EF expedited forwarding-немедленная передача

FEC Forwarding Equivalence Class - класс переадресации Группа IP-пакетов, которые переадресуются каким-то образом (например, по тому же маршруту, с той же маршрутной обработкой)

IntServ Integrated Services - архитектура интегрированных услуг

IETF Internet Engineering Task Force (IETF) Working Group www.ietf.org

ISP Internet Service Provider (поставщик услуг Интернет - сервис провайдер) layer 2 Слой L2. Протокольный уровень, ниже уровня 3 (который, следовательно, предлагает услуги уровню 3). layer 3 Слой L3. Протокольный уровень, на котором IP и ассоциированные с ним протоколы маршрутизации взаимодействуют с канальным уровнем network layer

NHLFE

QoS RED RSVP RTT

SLA SVC SVP TCP сетевой уровень. Синоним уровня

Next Hop Label Forwarding Entry - запись, содержащая адрес следующего шага при коммутации меток per-hop behavior РНВ политика - это наблюдаемая извне политика поведения сетевого узла в отношении пакетов с определённым значением поля кода DSCP. РНВ задается сервис-провайдером и определяется на основе кода в поле DSCP

Quality of Service - качество обслуживания

Random early detection - алгоритм произвольного раннего обнаружения "Resource ReSerVation Protocol", RFC

Round Trip Time - сумма времен доставки сегмента от отправителя до получателя и отклика от получателя до отправителя.

Service Level Agreements) соглашение

Switched Virtual Circuit - переключаемая виртуальная схема

Switched Virtual Path - переключаемый виртуальный путь

Transmission control protocol- протокол управления передачей

Tail Drops Механизм управления очередью "отбрасывание хвоста ", характеризуется тем, что сигнал о перегрузке поступает лишь в момент фактического переполнения очереди. virtual circuit Схема, используемая технологией обмена с установлением соединения на уровне 2, такой как ATM, требующая поддержки статусной информации в переключателях уровня 2. (виртуальная схема)

VPI/VCI Метка, используемая в сетях ATM для идентификации схем вируальных каналов.

VCI Virtual Path Identifier - идентификатор виртуального пути

VP Virtual Path - виртуальный путь

VPI Virtual Path Identifier - идентификатор виртуального пути

WFQ Weighted Fair Queuing - схема обработки очередей «справедливая взвешенная очередь»

WRED Weighted random early detection - взвешенный алгоритм произвольного раннего обнаружения

WRR weighted round robin-взвешенный алгоритм кругового обслуживания

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Исследование условий обеспечения гарантированного качества обслуживания в сети Интернет»

Tail Drops Механизм управления очередью "отбрасывание хвоста характеризуется тем, что сигнал о перегрузке поступает лишь в момент фактического переполнения очереди. virtual circuit Схема, используемая технологией обмена с установлением соединения на уровне 2, такой как ATM, требующая поддержки статусной информации в переключателях уровпя 2. (виртуальная схема) VPWCI VCI VP VPI WFQ WRED WRR Метка, используемая в сетях ATM для идентификации схем вируальных каналов. Virtual Path Identifier идентификатор виртуального пути Virtual Path виртуальный путь Virtual Path Identifier идентификатор виртуального пути Weighted Fair Queuing схема обработки очередей «справедливая взвешенная очередь» Weighted random early detection взвешенный алгоритм произвольного раннего обнаружения weighted round robin-взвешенный алгоритм кругового обслуживания Введение Диссертация посвящена исследованию методов обеспечения качества обслуживания сетевых приложений в общедоступных сетях Интернет. Эффективность использования полосы пропускания канала всегда была актуальной задачей, но её важность возросла в последние годы в связи с появлением всё более жестких требований к качеству обслуживания (QoS). Для обеспечения необходимых требований к различным потокам данных используются два метода QoS: управление перегрузкой (congestion management) и предотвращение перегрузок (congestion avoidance). Первый метод основан на присвоении квот и приоритетов потокам. В случае перегрузки, потоки получают качество, ограниченное их квотой и приоритетом (например, WFQ). Второй метод ограничивает размер очереди, сигнализируя источникам данных о необходимости уменьщить скорость передачи информации (например, RED). Наиболее известные модификации алгоритма RED: WRED, GRED (Gentle RED), DRED (Dynamic RED), SRED (Stabilized RED), ARED (Adaptive RED), RED-PD. Отдельно следует упомянуть учёных, которые первыми начали решать проблемы качества обслуживания и предотвращения и борьбы с перегрузками: Салли Флойд (Sally Floyd), Ван Якобсон (V. Jacobson), Кевин Фолл (Kevin Fall), Ратул Махаджан (Ratul Mahajan), Мартин Мэй (Martin May), Жан Болот (Jean Bolot), Вищал Мисра (Vishal Misra), Вейбо Гонг (WeiBo Gong), Дон Тоуслей (Don Towsley), Томас Зейглер (Thomas Ziegler), Давид Везерол (David Wetherall), Добрушин Р.Л., Кузнецов Н.А.,Вищневский В.М., Ляхов А.И., Богуславский Л.Б., Дрожжннов В.И., Башарин Г.П., Бочаров П.П.. В работе изучается процесс использования алгоритма WRED, так как этот механизм реализован практически во всех современных маршрутизаторах, а остальные его модификации лишь бурно обсуждаются и не имеют практической реализации в сетевых устройствах. Несмотря на внушительный объём публикаций по теме предотвращения перегрузок, остается проблема выбора настроек параметров для алгоритма WRED. Многие исследователи WRED согласны с тем, что влияние алгоритма на качество передачи потоков сильно зависит от правильного задания его параметров, но до сих пор нет вразумительной инструкции, как на практике выбирать значения этих параметров. В данной работе не вьщвигается никаких предположений относительно типа распределения входного трафика, с помощью моделирования в NS-2 и эксперимента выводятся оптимальные параметры работы WRED. К числу параметров качества обслуживания следует отнести доступную полосу пропускания, вероятность потери пакета, разброс времени доставки и само время доставки пакета от отправителя до получателя. Все эти параметры зависят от алгоритмов формирования и обслуживания очередей пакетов в сетевых устройствах (переключателях и маршрутизаторах). В современных сетевых устройствах применяются алгоритмы REDAVRED, PQ (priority queueing), WFQ (weighted fair queueing), LLQ (low latency queueing), CBWFQ (class based weighted fair queueing) и т.д. В данной работе выполнено практическое исследование модели DiffServ [55] (Differentiated Services механизм, который в зависимости от требований к качеству обслуживания записывает в IP заголовки пакетов специальные метки DSCP DiffServ Code Point, значения которых учитываются сетевым оборудованием при передаче пакетов через сеть) в том виде, как она реализована в сетевом оборудовании на сегодняшний день. В результате исследований современных средств обеспечения качества обслуживания (QoS, DiffServ, MPLS-TE Multiprotocol Label Switching Traffic Engineering, RSVP-TE) были сформулированы практические рекомендации для сервис-провайдеров, желающих предоставить определенные параметры качества обслуживания своим клиентам (полосу пропускания, гарантированную задержку и ее дисперсию, минимальную вероятность потери пакетов). В рамках измерений и моделирования виртуального канала (с привлечением программного пакета NS-2) показано, что при некоторых конфигурационных параметрах возможны осцилляции длины очереди (особенно для потоков среднего и низкого приоритета). Этот эффект связан с механизмом вычисления усредненного значения длины очереди в алгоритмах WRED и RIO (RED with Input Output). Такие осцилляции могут привести к росту дисперсии RTT (Round Trip Time сумма времен доставки сегмента от отправителя до получателя и отклика от получателя до отправителя), что крайне нежелательно для работы с мультимедийными данными и при решении задач управления в реальном масштабе времени. Осцилляции усредненной длины очереди понижают также эффективность иснользования канала. Выработаны рекомендации и получены аналитические оценки значений конфигурационных параметров, минимизирующих влияние этого явления. Определена зависимость амплитуды этих осцилляции и постоянной затухания от Ti, Т2, рс, W и q отношения X|i (квота полосы), где Ti и Тг нижний и верхний порог отбрасьшания WRED, Рс -максимальная вероятность отбрасывания, W коэффициент усреднения, Х/ц q коэффициент перегрузки канала, где X интенсивность входящего потока, а р, -полоса пропускания потока в выходпом канале. Коэффициент перегрузки канала задаётся с помощью механизма WFQ. В рамках данного исследования механизм WFQ позволяет задавать квоту полосы канала, доступную для приоритетного потока. Для очередей с высоким приоритетом усредненная длина очереди не должна превышать уровня Тг, иначе возникают осцилляции длины очереди и, как следствие, принудительное отбрасывание пакетов. Анализ осцилляции очередей показал, что следует внимательно относиться к выбору параметров протокола WTIED и WFQ (квоты полосы канала). В противном случае ресурсы канала будут использоваться неэффективно. Неоптимальный выбор Т], Тг, W и рс может существенно увеличить дисперсию RTT и q вероятность потери пакетов. Разработан комплекс программ для измерения параметров качества обслуживания (полосы пропускания, RTT, дисперсии RTT и вероятности потери пакетов, а также корреляций этих характеристик), расчета характеристик осцилляции усредненной длины очереди и графического отображения эволюции параметров QoS.Современное состояние нроблемы обеснечення качества обслуживания в Интернет Впервые проблема обеспечения качества обслуживания возникла 25 лет назад. Основатели Internet предвидели потребность в QoS в будущем и предусмотрели байт типа обслуживания ToS (Туре of Service) в заголовке IP пакета. Вплоть до конца 80-х Internet был на начальном уровне развития. Трафик был маленький, нолоса каналов крайне узкой, не существовало сетевых приложений требовавших QoS. В то время, нодцержкой байта ToS можно было пренебречь. IP приложения не устанавливали значение поля ToS, а маршрутизаторы игнорировали поле ToS при принятии решения о продвижении IP-пакета. В основе работы Internet лежит сквозное обслуживание пакетов данных без установки соединения. Данный подход предполагает негарантированную доставку данных. Для этого в Интернет используется протокол IP. Перегрузки в Интернет чаще всего возникают в местах стьжа каналов с различающимися пропускными способностями. Впервые проблема снижения работоспособности перегруженных TCP/IP сетей была рассмотрена Джоном Наглем. Первоначально функции качества обслуживания были возложены на узлы Internet. Одной из наиболее серьезных проблем была дороговизна каналов передачи данных в сетях (WAN) и их чрезмерная перегрузка пакетами протокола TCP. В режиме удаленного терминала (telnet/ssh) при нажатии любой клавиши формируется и посылается 41-октетный сегмент (здесь не учитываются издержки Ethernet), который содержит всего один байт полезной информации. Решение этих проблем для локальной сети обсуждается в нараграфе «QoS в локальных сетях IEEE 802.3». В среде Интернет в буферах маршрутизаторов могут возникнуть заторы. Эффективность работы может быть улучшена с помощью алгоритма Нагля (kagle, 1984; RFC-896). Пагль предложил при однобайтовом обмене носылать первый байт (октет), а последующие буферизовьшать до прихода подтверждения получения посланного. После этого посьшаются все буферизованные октеты, а запись в буфер вводимых кодов возобновляется. Если онератор вводит символы быстро, а сеть работает медленно, этот алгоритм нозволяет заметно понизить загрузку канала. Сегодня алгоритм Нагля реализован во всем программном обеспечении ньше установленном в узлах Internet. Алгоритм Нагля был первым шагом на пути обеспечения качества обслуживания в IP сетях. В 1986 году Ван Якобсон разработал функции Internet QoS. Эти функции легли в основу механизма предотвращения перегрузок в TCP (эти процедуры называются: TCP Slow Start медленный старт. Congestion Avoidance предотвращение перегрузок. Fast Retransmit быстрая повторная передача. Fast Recovery быстрое восстановление; RFC 2001). Механизм предотвращения перегрузок реализован во всех современных версиях TCP (RFC 2001). Конечной целью регулирования трафика и предотвращения нерегрузок является установление соответствия между темпом передачи и возможностями приема. Причиной нерегрузки может быть не только ограниченность размера буфера, но и недостаточная пропускная способность какого-то участка канала. С учетом этого обстоятельства каждый отправитель формирует два окна: окно получателя и окно перегрузки (ширина этого окна равна cwnd). Каждое из этих окон задает число байтов, которое может послать отправитель. Реальное число байтов, которое разрещено послать, равно минимальному из этих окон. При инициализации соединения окно перегрузки имеет щирину, равную максимальному сегменту, который может бьяь использован в данном канале. Отправитель посылает такой сегмент. Если будет прислано нодтверждение до истечения времени таимаута, размер окна перегрузки удваивается и посылаются два сегмента максимальной длины. При получении подтверждения доставки каждого из сегментов окно перегрузки увеличивается на один сегмент максимальной длины. Когда ширина окна перегрузки становится равной В сегментов и все В посланных сегментов получают подтверждение, окно перегрузки возрастает на число байт, содержащихся в этих сегментах. Таким образом, щирина окна перегрузки последовательно удваивается, пока доставка всех сегментов подтверждается. Рост ширины окна перегрузки при этом имеет экспоненциальный характер. Это продолжается до тех пор, пока не наступит таймаут или окно перегрузки не сравняется с окном получателя. Именно эта процедура и пазьгеается медленным стартом. Помимо окон перегрузки и получателя в TCP используется третий параметр порог (иногда он назьшается порогом медленного старта ssthresh). При установлении соединения ssthresh=64 Кбайт. В случае возникновения таймаута значение ssthresh делается равным cwnd/2, а само значение CWND приравнивается MSS (Maximum Segment Size), Далее запускается процедура медленного старта, чтобы выяснить возможности канала. При этом экспоненциальный рост cwnd осуществляется вплоть до значения ssthresh. Когда этот уровень cwnd достигнут, дальнейший рост происходит линейно с приращением па каждом шагу равным MSS. Следует отметить, что механизм медленного старта [45] и механизм предотвращения перегрузки играют огромную роль в предупреждении критического снижения работоспособности сети Интернет. Сегоднящний Интернет ориентирован на модель обслуживания best-effort. В этой модели сетевые узлы делят доступную полосу между всеми текущими сессиями и пытаются обслужить эти сессии как получится. При этом узлы не несут перед потоками никаких обязательств относительно предоставленной полосы пропускания, задержки при передаче пакета и процента потерянных пакетов. В промежуточных марщрутизаторах, как правило, не отслеживаются состояния проходящих через пих соединений и когда происходит переполнение буфера, замедляется работа всех соединений. После превращения Интернет из научно-исследовательской сети в коммерческий проект выросло число приложений реального времени, требующих от сети гарантий обслуживания своих данных. Появляются пользователи, которые готовы заплатить за качество обслуживания своих потоков, но на сегоднящний день модель услуг (best-effort), реализованная в Интернет, не может дать гарантии QoS для потока данных пользователя через глобальную сеть Интернет, такие гарантии можно обеспечить лищь в пределах сети сервис-провайдера и в локальной сети (LAN) пользователя, В среде Интернет пересекается много потоков и перегрузка в транзитных узлах более вероятна, чем в LAN, Если же канал в LAN свободен, весьма вероятно, что качество будет гарантировано, во всяком случае, на этом участке маршрута. Гарантии QoS предполагают, что сеть должна обеспечить соединению набор нужных характеристик производительности. Основными характеристиками производительности сетевого соединения являются полоса пропускания, задержка при передаче пакетов (RTT), дисперсия RTT, уровень потерь пакетов. Именно эти величины мы измеряем в наших экспериментах. Полоса пропускания Термин полоса пропускания (bandwidth) применяется для описания пропускной способности среды передачи данных и задаёт "ширину канала", необходимую приложению для взаимодействия по сети. Каждое соединение, нуждающееся в гарантированном качестве обслуживания, требует резервирования минимальной полосы пропускания в сетевом канале. Приложения, ориентированные на передачу речи, создают поток информации интенсивностью 16 Кбит/с, Эффективное использование таких приложений становится невозможным при уменьшении эффективной полосы пропускания канала ниже 16 Кбит/с, Задержка (RTT) и дисперсия RTT при передаче пакетов Задержка при передаче пакета (packet delay, latency), складывается из задержки преобразования в последовательную форму (эта задержка связана со скоростью отправки данных из интерфейса сетевого устройства в кабель), задержки распространения, задержки коммутации и задержки буферизации в очередях промежуточных устройств. Определим каждый из типов задержки: Задержка преобразования в последовательную форму (serialization delay). Время, затрачиваемое устройством с фиксированной полосой пропускания на передачу одного пакета. Задержка преобразования в последовательную форму зависит как от полосы пропускания выходного канала, быстродействия сетевого устройства, так и от размера передаваемого пакета. Если размер пакета 64 байта, а выходной интерфейс имеет полосу пропускания 3 Мбит/с, то задержка преобразования в последовательную форму составит 171 мксек. Данный вид задержки иногда называют задержкой передачи (transmission delay). Полоса пропускания часто не совпадает со скоростью передачи. Канал может быть Fast Ethernet, но из-за перегрузки реальная полоса может составлять 3 Мбит/с, тогда transmission delay будет равна 25,6 мксек. Задержка распространепия (propagation delay). Время, необходимое переданному в сеть биту данных, чтобы достичь принимающего устройства на противоположенном конце сети при условии отсутствия буферизации в промежуточных устройствах. Величина задержки распространения зависит от расстояния и используемой среды передачи данных, но не от полосы пропускания канала. Для глобальных сетей задержка распространения имеет величину порядка нескольких миллисекундах. Для канала Россия США задержка распространения будет порядка 30 мс. Если же используется спутниковый канал, то эта задержка может достигать более 200мсек. Задержка коммутацни (switching delay). Задержка коммутации это время, которое потребуется сетевому устройству, получившему пакет, для начала передачи этого пакета следующему сетевому устройству. Задержка буферизацпп в промежуточных устройствах. Часто при передаче пакетов потока каждый пакет передается с различным значением задержки. Задержка при передаче пакетов меняется в зависимости от состояния промежуточных каналов. При возникновении перегрузки сетевых каналов пакеты либо помещаются в очереди (буферы) в промежуточных сетевых устройствах, либо отбрасываются. В отсутствии перегрузки общее время задержки при передаче пакета является суммой задержек преобразования в последовательную форму, распространения и коммутации в каждом промежуточном узле. В этом случае задержка передачи пакетов через заданную сеть минимальна. Когда сеть перегружена, дополнительно возникают задержки буферизации пакетов в промежуточных маршрутизаторах и переключателях. В результате пакеты одного и того же потока доставляются с разной задержкой. Вариация задержки при передаче пакетов характеризуется дисперсией RTT (встречается термин «временной разброс» задержки между пакетами -packet jitter). От амплитуды дисперсии RTT зависит максимальная задержка при приеме пакетов в конечном пункте назначения. Принимающая сторона, в зависимости от типа используемого приложения, может компенсировать дисперсию RTT за счет приемного буфера, в котором хранятся принятые пакеты, поступивщие за время меньшее, либо равное максимальному выбросу амплитуды дисперсии RTT. Так работают приложения, ориентированные на передачу или прием непрерывных потоков данных, таких как IPтелефония или приложения для проведения видеоконференций. Потеря пакетов Вероятность потери пакетов (packet loss) определяет количество пакетов, отбрасываемых сетью во время передачи. Осповными причинами потери пакетов являются перегрузки в сети и повреждения пакетов в процессе передачи. Чаще всего отбрасывание пакетов происходит в местах перегрузки сети, где число поступающих пакетов превышает размер выходного буфера интерфейса на маршрутизаторе [63]. Процент потери пакетов выражается как доля отброшенных пакетов за определенный интервал времени. Некоторые приложения не способны нормально работать или же работают неэффективно в случае возникновения нотерь пакетов. Такого рода приложения требуют от сети гарантий надежной доставки всех своих пакетов. Как правило, хорошо спроектированные сети имеют низкий уровень процента потерь пакетов. Например, в волоконно-оптических линиях связи частота появления ошибочных битов (Bit Error Rate BER) порядка 10, т.е. потери маловероятны. Во время перегрузок в случае негарантированной доставки трафика неизбежно происходит отбрасывание пакетов в узлах сети. Следует заметить, что отброшенные пакеты говорят о неэффективном использовании ресурсов сети. Конечный пользователь, как правило, выходит во внешнюю сеть через локальную сеть. Если провайдер сконфигурировал своё оборудование с учётом требований QoS, то эти требования могут быть легко нарушены на этапе прохождепия трафика пользователя через его же локальную сеть. Ноэтому возникает необходимость обеспечения QoS в LAN для пользователя. Стандарт IEEE 802.1р также обладает механизмом дифференцированного обслуживания (см. [46] и [47]). QoS в локальных сетях IEEE 802.3 Наиболее популярной технологией локальных сетей (LAN) является Ethernet. Технология Ethernet стандартизирована в спецификации ШЕЕ 802.3. Высокоскоростные версии сетей Ethernet: Fast Ethernet (802.3u) и Gigabit Ethernet (802.3x). Технологии Fast Ethernet и Gigabit Ethernet тоже используют доступ CSMA/CD (множественный доступ с обнаружением столкновений). Ethernet сегмент это сеть с

Заключение диссертации по теме «Системы, сети и устройства телекоммуникаций», Гончаров, Андрей Андреевич

Выводы

Понятие качества обслуживания возникает, когда для работы приложения требуется гарантированное выделение ресурсов сетевого канала (полосы, задержки см. выше). Поток данных от приложения выделяется на основе набора признаков из общего потока данных. К выделенному потоку должны применяться правила, которые обеспечат ему необходимые условия прохождение через канал сервис провайдера и локальную сеть. В представленной работе:

Разработан метод измерения процента потерь пакетов в удалённых сетевых сегментах для отслеживания качества предоставленных услуг. Метод позволяет отслеживать с одной рабочей станции качество работы удалённых сегментов сети. Данный метод также полезен для отслеживания изменений процента потерь от времени для удалённых сегментов сети. Наблюдение изменений даёт представление о суточной загрузке устройств на пути следования пользовательского трафика. Создана и опробована программа, реализующая данный метод. Результат работы программы показал, что метод является хорошим средством диагностики сети и может использоваться сетевыми инженерами для оценки качества работы сетей.

Разработан метод выявления причин потерь пакетов в проводных и коаксиальных сетевых каналах. Алгоритм основан на утверждении, что если потери сопряжены с искажениями пакетов при транспортировке, то зависимость интегральной вероятности потерь Срал пакетов вдоль пути будет зависеть от длины пакета. Метод пригоден для коаксиальных и проводных линий связи, которые подвержены внешним наводкам. Создана программа, реализующая данный метод. При помощи программы было исследовано несколько сетевых маршрутов, полученные результаты подтвердили эффективность и пользу метода. Программа, реализующая данный метод, может с пользой применяться для мониторинга наводок, т.е. для исследования наводок за интервал времени.

Построена модель тестового канала с привлечением программы N8-2, которая позволяет оценить параметры (ДО, не внося дополнительного трафика в рабочий виртуальный канал. Данная модель, откалиброванная по тестовому каналу, даёт хорошую точность при предсказании поведения тестового канала. Использование модели для определения настроечных параметров WRED, которые обеспечивают потоку данных требуемое значение задержки, дисперсии задержки, и процент потерянных пакетов, позволяет отказаться от проведения измерений в реально работающем сетевом канале. На модели можно выполнять подбор параметров WRED, оптимальных для каждой конкретной конфигурации сетевого канала.

В рамках измерений и моделирования виртуального канала (с привлечением пакета NS-2) показано, что при некоторых конфигурационных параметрах возможны осцилляции длины очереди (особенно для потоков среднего и низкого приоритета). Этот эффект связан с механизмом вычисления усредненного значения длины очереди в алгоритмах WRED и RIO. Такие осцилляции могут привести к росту дисперсии RTT, что крайне нежелательно для работы с мультимедийными данными и при решении задач управления в реальном масштабе времени. Осцилляции усредненной длины очереди понижают также эффективность использования канала из-за неполного использования буфера маршрутизатора. Выработаны рекомендации и получены аналитические оценки значений конфигурационных параметров, минимизирующих влияние этого явления. Определена зависимость амплитуды этих осцилляций и постоянной затухания от Tj, Т2, рс, qw и отношения А/ц. Для очередей высокого приоритета усредненная длина очереди обычно не достигает уровня Т2 и проблем влияния осцилляций удается избежать (потому, что не происходит вынужденного отброса пакетов).

Разработан комплекс программ для измерения параметров качества обслуживания (полосы пропускания, RTT, Drtt? вероятности потери пакетов), расчета характеристик осцилляций усредненной длины очереди и графического отображения эволюции параметров QoS. Разработанное программное обеспечение позволяет достичь приемлемой точности измерения базовых параметров качества обслуживания (парциальной полосы пропускания для потока, RTT и Drtt, также вероятности потери пакета).

Предложения для дальнейших исследований

Сегодняшний Интернет ориентирован в основном на модель обслуживания best-effort. В этой модели сетевые узлы делят доступную полосу между всеми текущими сессиями и пытаются обслужить эти сессии, как получится. При этом узлы не несут перед потоками никаких обязательств относительно предоставленной полосы пропускания, задержки при передаче пакета, процента потерянных пакетов. В промежуточных маршрутизаторах, как правило, не отслеживаются состояния проходящих через них соединений и когда происходит переполнение буфера, замедляются все обмены. Для оконечных пользователей в моменты перегрузки доступна часть полосы от «узкого места в сети». В зависимости от числа соединений проходящих через «узкое место» в момент перегрузки, доля полосы, выделяемая оконечному пользователю, будет каждый раз разная, и невозможно заранее предугадать размер выделяемой пользователю полосы.

Получение гарантированного качества обслуживания (DiffServ - QoS) может обеспечить только сервис-провайдер и только клиентам, непосредственно подключенным к входам/выходам его маршрутизаторов. При применении AQM алгоритмов для передачи данных реального времени возникает проблема справедливого разделения полосы между потоками и проблема обеспечения баланса между коэффициентом использования полосы канала, задержкой буферизации, и процентом потерь пакетов.

Для обеспечения гарантированного качества обслуживания на рабочем месте клиента, необходимо, чтобы его машина была подключена к маршрутизатору DiffServ или к устройству канального уровня с поддержкой IEEE 802.1D. Это позволит немного улучшить ситуацию, но в принципе не может решить проблему. Радикально проблема может быть решена лишь в случае разработки стандарта для канального уровня с поддержкой DiffServ. В пределах локальной сети альтернативы для IEEE 802.ID пока не существует. Этот протокол позволяет распределить приоритеты между потоками, но гарантировать параметры качества обслуживания не может [47].

Для каналов с поддержкой DiffServ можно получить несколько потоков с достаточно высоким уровнем гарантированного качества обслуживания. Поток с наивысшим приоритетом может иметь малую вероятность потери и дисперсию RTT даже в условиях двойной и более перегрузки канала. Там, где возможно, следует совмещать DiffServ с RSVP-TE.

Для получения оптимальных для конкретного канала характеристик качества обслуживания, параметры алгоритма WRED должны быть оптимизированы с целью получения приемлемого уровня осцилляций очереди.

Возможность обеспечить QoS при помощи механизмов DiffServ и IntServ ограничена. По этой причине нужно искать способы объединения этих технологий, когда требования DiffServ можно обеспечивать с помощью запросов, поступающих от получателя, как это делается в IntServ. Кроме того, крайне важно обеспечивать нужный уровень QoS конечным пользователям, а для этого переключатели канального уровня должны поддерживать протоколы, эквивалентные RSVP-TE и MPLS-TE. Необходимое программное обеспечение придётся встраивать в сетевые аппаратные средства. Попутно возникает проблема сетевой безопасности и новые модификации протоколов (например, DCCP, NTCP) должны предусматривать встроенные конфигурируемые утилиты, которые будут обеспечивать решение этой проблем.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Гончаров, Андрей Андреевич, 2007 год

1. Sally Floyd, Kevin Fall, and Kinh Tieu, «Estimating Arrival Rates from the RED Packet Drop History»

2. Floyd S., Jacobson V., «Random Early Detection Gateways for Congestion Avoidance», IEEE/ACM Transactions on Networking, pp.397- 413, August 1993.

3. Martin May, Jean Bolot, Christophe Diot, Bryan Lyles, «Reasons not to deploy RED» in Proceedings of IWQoS' 99, pp. 260-262, March 1999

4. Floyd S., Recommandations on using the gentle variant of RED, March 2000 http:// www.aciri.org/floyd/red/gentle.html

5. Floyd S., Gummadi R., Shenker S., Adaptive RED: An Algorithm for Increasing the Robustness of RED's Active Queue Management, 2001, under Submission, http://www.aciri.org/floyd/red.html.

6. D. Lin and R. Morris, "Dynamics of random early detection", in Proceedings of ACM SIGCOMM'97,1997

7. Inside Cisco IOS Software Architecture Vijay Bollapragada, Curtis Murphy, Russ White Cisco Press.

8. M. May, T. Bonald, and J.-C. Bolot, "Analytical evaluation of RED performance", in Proceedings of IEEE INFOCOM 2000, March 2000.

9. V.Sharma, J. Virtamo, and P. Lassila, "Performance analysis of the random early detection algorythm", September 1999.

10. Гончаров A.A., Семенов Ю.А., "Исследование влияния параметров алгоритма WRED на осцилляции длин очередей в маршрутизаторе", "Информационные процессы", стр. 153-159,2006г, http://www.jip.ru/2006/153-159.pdf

11. DCCP, http://linux-net.osdl.org/index.php/DCCP

12. STCP, http://lksctp.sourceforge.net/overview.html

13. David D. Clark and Wenjia Fang, "Explicit allocation of best-effort packet delivery service" IEEE/ACM Trans, on Networking, pp. 362-373, Aug. 1998

14. M. Christiansen, K. Jeffay, D. Ott, and F. D. Smith, 'Tuning RED for web traffic," in Proceedings ofACMSIGCOMM2000, pp. 139-150, Aug. 2000.

15. Srinivas Vegesna, "IP Quality of Service", Cisco Press 2001

16. J.Padhye, V.Firoiu, D. Towsley, J. Kurose. Modeling TCP throughput: a simple model and its empirical validation. In Proceedings ofACMSIGCOMM 1998, pp. 303-314, Sept. 1998.

17. RFC 2001: TCP Slow Start, Congestion Avoidance, Fast Retransmit, and Fast recovery Algorithms. Stevens W. 1997

18. Demers A., Keshav S., Shenkar S. Design and Analysis of a Fair Queuing Algorithm. In Proceedings ofACMSIGCOMM1989, Austin, TX, September 1989.

19. Гончаров А.А., Семенов Ю.А.,"Алгоритм измерения вероятности потерь пакетов для удаленных субсетей" (Труды XLV Научной конференции МФТИ, 29-30 ноября 2002 г)

20. S.Floyd, K.Fall, "Promoting the use of end-to-end congestion control in the Internet", IEEE ACM Transactions on Networking, Vol. 7 No.4, pp. 458-472,1999.

21. K.Ramakrishnan, S.Floyd, D.Black, 'The Addition of Explicit Congestion Notification (ECN) to IP", IETF RFC 3168, September 2001

22. Vishal Misra, WeiBo Gong, Don Towsley, "Fluidbased Analysis of a Network of AQM Routers Supporting TCP Flows with an Application to RED", In Proceedings of ACM SIGCOMM 2000, pages 151-160, Aug. 2000.

23. M. Handly, S. Floyd, J. Padhye, and J. Windmer, "TCP friendly rate control (TFRC): protocol specification", RFC 3448, Jan. 200324. «RSVP» http://book.itep.rU/4/44/rsv4496.htm

24. Ott, Т., Lakshman, T. & Wong, L. (1999). SRED: Stabilized RED. Proceedings of INFOCOM'99.1346-1355.

25. Yavatkar, R., Pendarakis, D. and R. Guerin, "A Framework for Policy-Based Admission Control", RFC-2753, January 2000.

26. ATM, http ://book.itep.ru/4/43/atm435 .htm

27. Erich Plasser, Thomas Ziegler, "An Analytical RED Function Design Guaranteeing Stable System Behavior"

28. Julio Orozco, David Ros, Jose Incera, Rodolfo Cartas "A Simulation Study of the Adaptive RIO (A-RIO) Queue Management Algorithm", 2004

29. Plasser E., Ziegler Т., On the Non Linearity of the RED Drop Function, ICCC 2002, Mumbai, India, August 2002

30. S. Floyd, K. Fall, "Promoting the Use of End-to-End Congestion Control in the Internet", IEEE/ACM Transactions on Internetworking, V7, N4. August 1999.

31. The NS-2 network simulator (ver.2) LBL,http://www-mash.CS.Berkeley.edu/ns

32. S. Floyd, "Discussion on setting RED parameters", http://www.aciri.org/floyd/red.html, Nov. 199735. VBR-NRT,http://www.cisco.com/en/US/tech/tk39/tk51/technologiestechnote09186a0080102a4 2.shtml36. http://www.cisco.com/warp/public/121/atmvbrshape.shtml

33. Evalvid, http://www.tkn.tu-berlin.de/research/evalvid/

34. YUV, http://www.fourcc.org/fccyuv.htm

35. J. Gross, J. Klaue, H. Karl and A. Wolisz, "Cross-Layer Optimization of OFDM Transmission Systems for MPEG-4 Video Streaming"

36. LLQ,http ://www.cisco.com/ en/US/products/sw/iosswrel/ps1830/productsfeaturegui de09186a0080087b13 .html

37. FFMPEG, http://fimpeg.mplayerhq.hu

38. Семенов Ю.А., "Протоколы Интернет. Энциклопедия", из-во «Горячая линия -Телеком», Москва 2001 г

39. А.А.Гончаров, Ю.А.Семенов, «Выявление узких мест и неисправного сетевого оборудования с помощью анализа потерь пакетов.» XLV Научная конференция Московского Физико-технического института, 29-30 ноября 2002года (стр.32).

40. RFC 2001 TCP Slow Start, Congestion Avoidance, Fast Retransmit, and Fast Recovery Algorithms

41. Virtual Bridged Local Area Networks. IEEE 802.1Q,

42. ANSI/IEEE Std 802.1D. Standard for local and metropolitan area networks: Media access control (MAC) bridges, 1998

43. Nichols, K., Blake, S., Baker, F. and D. Black, "Definition of the Differentiated Services Field (DSField) in the IPv4 and ff v6 Headers", RFC 2474, December 1998.

44. Deering, S. and R. Hinden, "Internet Protocol, Version 6 (IPv6) Specification", RFC 2460, December 1998.

45. RFC-1633 (Integrated Services in the Internet Architecture)

46. Ratul Mahajan, Sally Floyd, and David Wetherall, Controlling High-Bandwidth Flows at the Congested Router, 9th International Conference on Network Protocols (ICNP), November 2001

47. Ratul Mahajan and Sally Floyd, Controlling High Bandwidth Flows at the Congested Router ICSI Tech Report TR-01-001, April 2001

48. E. Kohler, M. Handley, S. Floyd, and J. Padhye. Datagram Congestion Control Protocol, draft-ietf-dccp-spec-04.txt, работа продолжается, июнь 2003.

49. M. Handley, S. Floyd, J. Padhye, and J. Widmer, TCP Friendly Rate Control (TFRC): Protocol Specification, RFC 3448, Proposed Standard, January 2003.

50. Blake, S., Black, D., Carlson, M., Davies, E., Wang, Z. и W. Weiss, "An Architecture for Differentiated Services", RFC 2475, December 1998.

51. Firoiu V., Borden M., A Study of Active Queue Management for Congestion Control

52. Ziegler Т., Fdida S., Brandauer C., A quantitative Model of RED with TCP Traffic, IEEE/ACM IWQoS, May 2001, Karlsruhe

53. Iannaccone G., Brandauer C., Ziegler Т., Diot C., Fdida S., May M., Comparison of Tail Drop and Active Queue Management Performance

54. Firoiu V., Borden M., A Study of Active Queue Management for Congestion Control, Infocom 2000

55. Feng W., Kandlur D., Saha D., Shin K., A Self-Configuring RED Gateway, Infocom 1999

56. Ziegler Т., On Averaging for Active Queue Management Congestion Avoidance, IEEE ISCC-2002

57. D. Clark, W. Fang, Explicit Allocation of Best-Effort Packet Delivery Service,IEEE/ACM Transactions on Networking 6 (4) (1998) 362-373

58. Understanding Buffer Misses and Failures, http://cisco.com/en/US/products/hw/modules/ps2643/productstechnote09186a0080 093fc5.shtml

59. Bernet, Y. et al, "A Framework For Integrated Services Operation Over Diffserv Networks". Internet Engineering Task Force, Request for Comments (RFC) 2998, November 2000.

60. Гончаров A.A., Семенов Ю.А., Анализ влияния параметров канала и алгоритма подавления перегрузок на ухудшение качества передачи видеоизображений // «Информационно-измерительные и управляющие системы», 2007 г., № 3-4, стр. 109-112

61. Публикации по теме диссертации

62. Гончаров A.A., Семенов Ю.А., Исследование влияния параметров алгоритма WRED на осцилляции длин очередей в маршрутизаторе //Информационные процессы, стр. 153-159,2006 г., http://www.jip.ru/2006/153-159.pdf

63. Гончаров A.A., Семенов Ю.А., Исследование влияния параметров алгоритма WRED на качество обслуживания при передаче данных по перегруженным каналам // Информационные процессы, 2006 год, стр. 364-374

64. Гончаров A.A., Ильин А.Ю., Семенов Ю.А., Исследование влияния коэффициента перегрузки канала на качество передаваемого видео потока // Исследовано в России, 99, 944-947, 2006 http://zhurnal.ape.relarn.ru/articles/2006/099.pdf

65. Гончаров A.A., Ильин А.Ю., Семенов Ю.А., Исследование возможностей получения гарантированного качества обслуживания при передаче мультимедиа через перегруженные каналы // Информационные процессы, 2006, стр. 310-321

66. Гончаров A.A., Семенов Ю.А., Исследование зависимости вероятности потери пакета от его длины, как средство диагностика транспортного канала // Исследовано в России, 27, стр. 264-265, 2006 год, http://zhurnal.ape.relam.ru/articles/2006/027.pdf

67. Гончаров A.A., Семенов Ю.А., Выявление узких мест и неисправного сетевого оборудования с помощью анализа потерь пакетов // XLV Научная конференция Московского Физико-технического института, 29-30 ноября 2002года (стр.32).

68. Гончаров A.A., Семенов Ю.А., Исследование зависимости вероятности потери пакета от его длины, как средство диагностика транспортного канала // Труды XLVIII Научной конференции МФТИ, 25-26 ноября 2005 года.

69. Семенов Ю.А., Гончаров А.А, Горелов А.И., Гончар A.A., Ильин А.Ю., III Международная Конференция "Интернет нового поколения IPv6", 24-26 ноября 2004 года

70. Гончаров A.A., Семенов Ю.А., Исследование возможности получения гарантированного качества обслуживания (QoS) в общедоступных сетях Интернет. // Труды XLVIII Научной конференции МФТИ, 25-26 ноября 2005 года

71. Гончаров A.A., Семенов Ю.А., Исследование влияния коэффициента перегрузки канала на качество передаваемого видео потока // Труды XLIX Научной конференции МФТИ, 24-25 ноября 2006 года

72. Гончаров A.A., Семенов Ю.А., Выявление узких мест и неисправного сетевого оборудования с помощью анализа потерь пакетов в сегментах локальной сети // Школа-семинар по компьютерной автоматизации и информатизации, ACS'2002

73. Гончаров А.А., Семенов Ю.А., Анализ влияния параметров канала и алгоритма подавления перегрузок на ухудшение качества передачи видеоизображений // «Информационно-измерительные и управляющие системы», 2007 г., № 3-4, стр. 109112