Разработка критерия качества сетевого обслуживания на основе измерений доступной пропускной способности тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.13.01, кандидат наук Султанов, Тимур Геннадьевич

• Султанов, Тимур Геннадьевич
• кандидат наук
• 2013

Оглавление диссертации кандидат наук Султанов, Тимур Геннадьевич

СОДЕРЖАНИЕ

Введение

ГЛАВА 1. ПАРАМЕТРЫ КАНАЛОВ СВЯЗИ И КАЧЕСТВО ОБСЛУЖИВАНИЯ В СИСТЕМАХ ТЕЛЕКОММУНИКАЦИЙ

1.1. Параметры каналов связи

1.2. Метрики пропускной способности

1.3. Качество обслуживания в сетях с коммутацией пакетов

1.4. Выводы по первой главе

ГЛАВА 2. МОДЕЛЬ ИЗМЕРЕНИЯ ДОСТУПНОЙ ПРОПУСКНОЙ СПОСОБНОСТИ В IP-СЕТЯХ

2.1. Обзор существующих методик измерения метрик пропускной способности

2.2. Модель измерения доступной пропускной способности

2.3. Область применимости модели и точность измерений

2.4. Выводы по второй главе

ГЛАВА 3. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ПРОВЕРКА МОДЕЛИ ИЗМЕРЕНИЯ ДОСТУПНОЙ ПРОПУСКНОЙ СПОСОБНОСТИ В IP-СЕТЯХ

3.1. Планирование и проведение эксперимента с использованием измерительной инфраструктуры RIPE Test Box для протокола IPv4

3.2. Планирование и проведение эксперимента с использованием измерительной инфраструктуры RIPE Test Box для протокола IPv6

3.3. Планирование и проведение эксперимента в симуляторе NS-2

3.4. Выводы по третьей главе

ГЛАВА 4. КРИТЕРИЙ РАЗГРАНИЧЕНИЯ КЛАССОВ ОБСЛУЖИВАНИЯ В СОВРЕМЕННЫХ IP-СЕТЯХ

4.1. Влияние введения классов обслуживания на измерения доступной пропускной способности

4.2. Критерий определения границ между классами сетевого обслуживания

4.3. Экспериментальная проверка критерий разграничения классов

качества сетевого обслуживания

4.4. Выводы по четвертой главе

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Перечень сокращений

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ

Приложение А

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Разработка критерия качества сетевого обслуживания на основе измерений доступной пропускной способности»

Введение

Актуальность.

Задача анализа качества обслуживания - (Quality of Service) - QoS в современных сетях с каждым годом становится все более востребованной. Под качеством обслуживания понимают способность сети обеспечить разный уровень приоритетов различным приложениям, а также вероятность гарантии определенного уровня производительности для потока данных. В настоящее время вместе с планомерным увеличением скоростей передачи данных в телекоммуникациях увеличивается доля интерактивного трафика, крайне чувствительного к параметрам среды транспортировки. Современные Интернет-провайдеры предлагают сервис, обеспечивающий заданный уровень качества обслуживания. В результате наблюдается заметный рост, как пользователей, так и широкого спектра приложений. Для достижения этого Интернет-провайдеры должны тщательно управлять резервированием и распределением сетевых ресурсов для гарантированного выполнения необходимых требований. В зависимости от предоставляемого уровня качества обслуживания формируется стоимость сервиса для конечного пользователя. В связи с этим обеспечение требований для достижения заданного уровня качества обслуживания является одним из ключевых направлений в сетевых технологиях на сегодняшний день.

В сетях с коммутацией пакетов четырьмя параметрами, характеризующими QoS, являются: В - пропускная способность канала, D -задержка пакета, р -процент потери пакетов, j - сетевой джиттер - вариация задержки. Требования к величине каждого из вышеописанных параметров для заданного сервиса формируют различные классы качества обслуживания. Гарантии выполнения требований качества обслуживания играют большую роль в случаях, когда пропускной способности сети недостаточно, например, для приложений реального времени, обеспечивающих передачу аудио и видео контента, онлайн-игр и IP-телевидения, так как они требуют

фиксированной скорости передачи и довольно чувствительны к задержкам. Следует отметить, что в сотовых сетях передачи данных, где пропускная способность является ограниченным ресурсом, предоставление заданного уровня качества обслуживания является приоритетной задачей.

В настоящей работе наиболее актуальной задачей является поиск критерия, разграничивающего классы качества обслуживания в современных сетях. Решение данной задачи позволяет проверить соответствие теоретически рассчитанных классов качества обслуживания фактически предоставляемому сервису. Основное внимание сосредоточено на вопросе разработки модели измерения доступной пропускной способности, на основе которой можно рассчитать соответствующие значения для заданных классов обслуживания. Метрика доступной пропускной способности является одним из ключевых параметров, характеризующих качество обслуживание.

Вопросы обеспечения требуемого качества обслуживания, а также измерения доступной пропускной способности в разное время исследовали Копачев, А.Г., Кучерявый, Е.А., Q. Liu, J.N. Hwang, М. Jain, С. Dovrolis, V. Jacobson и др. Существующие методики по измерению доступной пропускной способности обладают рядом недостатков, в частности, предполагают проведение двусторонних измерений, для выполнения которых необходима установка специальной утилиты на обоих концах сетевого маршрута. Стоит отметить, что большинство утилит, реализованных на основе данных методик, имеют невысокую стабильность работы.

В данной работе проводится подробный анализ существующих методик измерения доступной пропускной способности и показаны их недостатки. В работе предлагается модель измерения доступной пропускной способности, позволяющая рассчитать требуемое значение на основе односторонних измерений задержек пакетов, а также критерий, разграничивающий классы качества обслуживания в сетях с коммутацией пакетов.

Результаты исследования соответствуют следующим пунктам паспорта научной специальности 05.13.01 - Системный анализ, управление и обработка информации (технические системы и связь):

пункту 2 - «Формализация и постановка задач системного анализа, оптимизации, управления, принятия решений и обработки информации», а именно:

Разработана модель измерения доступной пропускной способности на основе измерений задержек пакетов разного размера.

Предложен метод расчета погрешности и верхней границы доступной пропускной способности.

пункту 3 - «Разработка критериев и моделей описания и оценки эффективности решения задач системного анализа, оптимизации, управления, принятия решений и обработки информации», а именно:

Разработан метод расчета точности измерения доступной пропускной способности в зависимости от числа измерений.

Предложен критерий для разграничения классов качества сетевого обслуживания на основе модели измерения доступной пропускной способности.

Объектом исследования являются методики и алгоритмы измерения доступной пропускной способности в сетях TCP/IP.

Предмет исследования - процесс измерения доступной пропускной способности.

Цель и задачи исследований.

Целью работы является разработка критерия для разграничения классов сетевого обслуживания на основе измерений доступной пропускной способности.

Для достижения поставленной цели в диссертационной работе решаются следующие задачи:

1. Анализ существующих методик измерения доступной пропускной способности каналов связи.

2. Разработка новой модели измерения доступной пропускной способности и определение ее области применимости.

3. Разработка экспериментов в 1Ру4 и 1Ру6 сетях с использованием измерительной инфраструктуры, позволяющей измерять задержки пакетов с микросекундной точностью.

4. Разработка критерия для разграничения классов сетевого обслуживания на основе модели измерения доступной пропускной способности.

Методы исследования.

Для решения поставленных задач используются математического анализа и теории вероятностей, а также имитационного моделирования дискретно-событийных систем и математической статистики.

Основные положения диссертации, выносимые на защиту:

1.Модель измерения доступной пропускной способности на основе односторонних измерений задержек пакетов.

2. Метод расчета области применимости модели измерения доступной пропускной способности.

3. Метод расчета точности измерения доступной пропускной способности в зависимости от числа измерений.

4. Критерий для разграничения классов сетевого обслуживания на основе измерений доступной пропускной способности.

методы методы методы

Научная новизна работы.

В диссертации получены следующие новые научные результаты:

1. Предложена модель измерения доступной пропускной способности на основе измерений задержек пакетов разного размера.

2. Найдена область применимости модели в зависимости от аппаратной точности измерений задержек пакетов.

3. Разработан метод расчета точности измерения доступной пропускной способности в зависимости от числа измерений.

4. Получен критерий для разграничения классов качества обслуживания на основе модели измерения доступной пропускной способности.

Практическая ценность работы.

Результаты, полученные в ходе выполнения настоящей диссертационной работы, могут быть использованы Интернет-провайдерами, поставщиками услуг для разграничения качества трафика, предоставляемого в рамках сервисной модели классов обслуживания. Модель измерения доступной пропускной способности может быть использована в системах реального времени, в частности, передачи аудио и видео контента, для расчета необходимой скорости передачи.

Апробация работы.

Основные результаты, связанные с разработкой критерия для разграничения классов качества обслуживания на основе модели измерения доступной пропускной способности, докладывались на следующих конференциях: XVI конференция представителей региональных научно-образовательных сетей «RELARN-2009» (2-7 июня 2009, Москва - Санкт-Петербург, Теплоход «Александр Суворов»); XVI Всероссийская научно-методическая конференция «Телематика 2009» (22 - 25 июня 2009, Санкт-Петербург); Test Traffic Working Group, RIPE59 meeting (5-9 October 2009, Lisbon, Portugal); XVII Всероссийская научная конференция профессорско-

преподавательского состава, научных сотрудников и аспирантов ПГУТИ (февраль 2010, Самара); XVII Всероссийская научно-методическая конференция «Телематика 2010» (21 - 24 июня 2010, Санкт-Петербург); Международная конференция с элементами научной школы для молодежи «Перспективные информационные технологии для авиации и космоса (ПИТ-2010)» (29 сентября - 1 октября, Самара); Fourth UKSim European Modeling and Simulation (EMS) Symposium (16 - 18 November, 2010, Pisa, Italy); Международная конференция с элементами научной школы для молодежи «Перспективные информационные технологии в научных исследованиях, проектировании и обучении (ПИТ-2012)» (18-20 декабря, 2012, Самара).

Публикации. По теме диссертации опубликованы 14 печатных работ, в том числе 3 - в изданиях, рекомендованных ВАК Минобрнауки России. Одна статья на английском языке по итогам доклада, сделанного на конференции IEEE, которая индексируется Scopus.

Гранты. Поездки на международные конференции были поддержаны соответствующими грантами РФФИ: 09-07-09255-моб_з и 10-07-09310-мобз.

Структура и объем работы.

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы. Общий объем работы составляет 115 страниц, 21 рисунок, 14 таблиц, 1 приложение. Библиографический список насчитывает 99 наименований.

Во введении обоснована актуальность работы, сформулированы ее цель и задачи. Показана роль качества обслуживания, в том числе его ключевой характеристики - доступной пропускной способности. Приводятся перечень научных результатов и положения, выносимые на защиту.

В первой главе проведен обзор существующих параметров каналов связи в системах телекоммуникаций. Особое внимание уделено метрикам

пропускной способности и их роли в современных сетевых приложениях. Описаны базовые функции качества обслуживания и сервисные модели. Показаны основные преимущества и недостатки существующих сервисных моделей.

Во второй главе проведен обзор существующих методик измерения доступной пропускной способности. Приведены недостатки этих методик и показана необходимость разработки новых, лишенных данных недостатков. Основное внимание уделено разработке новой модели измерения доступной пропускной способности в 1Р-сетях. Найдена область применимости созданной модели, а также метод расчета погрешности и верхней границы доступной пропускной способности

Третья глава посвящена экспериментальной проверке разработанной методики измерения доступной пропускной способности. Эксперименты проведены на реальных сетях как в 1Ру4, так и в 1Ру6 с использованием прецизионной измерительной инфраструктуры, а также с использованием системы имитационного моделирования компьютерной сети.

В четвертой главе показано влияние использования классов обслуживания на результаты измерения доступной пропускной способности. Приводятся результаты эксперименты в симуляторе N8-2, имитирующие работу сети, по которой осуществляется передача данных, разделенных на классы обслуживания с различными требованиями. Найден критерий, позволяющий разграничить классы обслуживания в современных сетях с использованием С>о8.

В заключении обсуждаются результаты и делаются выводы.

ГЛАВА 1. ПАРАМЕТРЫ КАНАЛОВ СВЯЗИ И КАЧЕСТВО ОБСЛУЖИВАНИЯ В СИСТЕМАХ ТЕЛЕКОММУНИКАЦИЙ

В данной главе рассматриваются существующие параметры каналов связи в системах телекоммуникаций. Особое внимание уделяется метрикам пропускной способности и их роли в современных сетевых приложениях.

Показана роль данных параметров для обеспечения заданного качества обслуживания в современных сетях. Рассматриваются базовые функции качества обслуживания и сервисные модели.

1.1. Параметры каналов связи

В последние несколько десятилетий наблюдается стремительное развитие систем сетевой связи и телекоммуникаций. Происходит объединение электронных вычислительных машин (ЭВМ) в целях совместного использования информационных и вычислительных ресурсов. Компьютерные сети относятся к числу наиболее значительных областей технического развития.

По охвату территории различают локальные сети (узлы сети находятся в пределах одной комнаты, этажа или здания), корпоративные сети (в пределах организации, фирмы, корпорации), региональные (районы и города) и глобальные. В глобальных сетях различают сети доступа, которые соединяют близко расположенные друг к другу узлы сети, и магистральные сети, объединяющие узлы между собой. Каждая работоспособная сеть состоит из определенной сети каналов связи и коммуникационного оборудования.

В телекоммуникациях под каналом связи понимают систему технических средств, обеспечивающих передачу информационного сигнала, например, цифрового потока битов, от источника (передатчика) к получателю (приемнику). Передача данных от источника к получателю предполагает наличие определенной среду передачи. Каналы связи можно классифицировать по типу среды передачи: различают каналы проводной

связи (витая пара проводов, коаксиальный кабель, волоконно-оптические линии связи) и радиоканалы (микроволновые, телевидение, радио и инфракрасные). Если сигналы, поступающие на вход канала и снимаемые с его выхода, являются по уровням дискретными, то такой канал называется дискретным. В случае если входные и выходные сигналы канала являются непрерывными по уровню, то и канал называется непрерывным. Также встречаются дискретно-непрерывные и непрерывно-дискретные каналы. На вход первых поступают дискретные сигналы, а с выхода снимаются непрерывные или наоборот. Стоит отметить, что канал может быть дискретным или непрерывным независимо от характера передаваемых сообщений. В одной и той же системе связи можно выделить как дискретный, так и непрерывный канал [7].

Для характеристики канала связи можно использовать следующие параметры:

1) полоса пропускания (эффективно передаваемая полоса частот) ДF;

2) динамический диапазон Л;

3) затухание;

4) волновое сопротивление;

5) помехозащищённость;

6) объём (емкость);

7) пропускная способность.

Полоса пропускания (эффективно передаваемая полоса частот) ДF определяет непрерывный диапазон частот, в пределах которого амплитудно-частотная характеристика (АЧХ) канала связи достаточно равномерна для того, чтобы обеспечить передачу сигнала без существенного искажения его формы [4].

Под динамическим диапазоном канала О понимают отношение допустимой мощности передаваемого сигнала к мощности помехи, неизбежно присутствующей в канале [13]..

Затухание характеризуется потерей мощности сигнала и определяется отношением мощности на выходе передатчика к мощности сигнала на входе приемника, выраженное в децибелах (дБ). Чем меньше затухание, тем сильнее сигнал на входе приемника, тем лучше связь [4]..

Волновое сопротивление линии передачи определяется отношением напряжения V к силе тока / в любой точке линии, по которой распространяются волны. Волновое сопротивление играет роль сопротивления, которое оказывает линия бегущей волне напряжения и тока.

ZB=J (1)

Стоит отметить, что в линейных системах волновое сопротивление определяется только их параметрами и поперечной структурой полей, в то время как в нелинейных системах волновое сопротивление является функцией от напряжения или силы тока [7].

По признаку помехозащищенности различают каналы без помех и с помехами. Величина помехозащищенности определяется логарифмом отношения мощности полезного сигнала Pmin Signai к мощности шума Pnoise.

А = 10 ■ lg Pmin^ai (2)

Р noise

Объем канала определяется как произведение времени использования канала Тк, в течение которого канал занят передаваемым сигналом, полосы пропускания Fk, и динамического диапазона Dk, который характеризует способность канала передавать различные уровни сигналов [13]:

Vk = Tk-Fk- Dk (3)

Отдельное внимание стоит уделить такой характеристике как пропускная способность. На физическом уровне термин пропускная способность относится к ширине спектра электромагнитных сигналов и выступает характеристикой распространения сигналов в системах связи. В контексте сетей передачи данных пропускная способность определяется как скорость передачи данных по сетевому маршруту.

Следует отметить, что в сетях с коммутацией пакетов помимо пропускной способности важными параметрами являются:

1) задержка при передаче пакета - (Delay);

2) джиттер - (Jitter) - колебание (вариация) задержки при передаче пакетов;

3) потеря пакетов - (Packet Loss). Данный параметр определяет количество пакетов, отбрасываемых сетью во время передачи.

В следующем разделе работы рассматриваются метрики пропускной способности в контексте сетей передачи данных.

1.2. Метрики пропускной способности

Концепция пропускной способности занимает центральное место в цифровой связи, в частности в пакетных сетях, так как она связана с объемом данных, которые сетевой канал или маршрут может передать за единицу времени. Для многих задач, требующих интенсивной передачи данных, таких как передача файлов или мультимедийных потоков, доступная для приложения пропускная способность напрямую влияет на производительность этого приложения [18,19]. Даже интерактивные приложения, которые, как правило, более чувствительны к задержке, чем к пропускной способности, выигрывают от небольших составных задержек, обусловленных высокой пропускной способностью каналов и низкими задержками передачи пакетов [15].

Пропускная способность [59] также является ключевым фактором в различных сетевых технологиях. Ряд приложений значительно выигрывают, когда располагают информацией о величине пропускной способности сетевого маршрута. Например, одноранговые (peer-to-peer) приложения, которые обмениваются данными на уровне пользователя, основываясь на величине пропускной способности между участниками передачи. Оверлейные (логические) сети могут настраивать свои таблицы

маршрутизации на основе пропускной способности оверлейных каналов. Сетевые провайдеры, предоставляя каналы клиентам, обычно взимают плату согласно величине пропускной способности, которая была куплена. Соглашения об уровне обслуживания - (Service-Level Agreement) - SLA между поставщиками и клиентами часто определяют услугу с использованием величин пропускной способности ключевых соединений (сетевых границ) узлов сети. Провайдеры планируют модернизацию мощностей своей сети на основе темпов роста утилизации каналов связи. Пропускная способность является ключевой концепцией для сетей распределения данных, систем интеллектуальной маршрутизации, играет большую роль в контроле приёма данных на всём протяжении сетевого маршрута, а также в процессе передачи аудио/видео контента.

В данной работе сетевой маршрут определяется как последовательность соединений на всем протяжении от отправителя к получателю. Две метрики, обычно связываемые с маршрутом, это доступная пропускная способность - (available bandwidth) - ДПС и полная пропускная способность - (capacity) - 111 1С. Известны различные определения для метрик пропускной способности. Ниже используется определение, аналогичное приведенным в работах [34,83,54].

Полная пропускная способность С - это максимальная полоса пропускания уровня IP, которая может быть предоставлена на маршруте потоку при отсутствии конкурирующего потока. С другой стороны доступная пропускная способность Bav - это максимальная пропускная способность уровня IP, которая может быть предоставлена потоку в конкретной ситуации загруженности маршрута конкурирующим трафиком. ППС всего маршрута определяется соединением с минимальной пропускной способностью (рисунок 1.1), ДПС всего маршрута соединением с минимальной свободной от конкурирующего трафика пропускной способностью. Измерение доступной пропускной способности требуется как для диагностики сети, так

и для предоставления сетевым приложениям возможности управлять генерируемым ими трафиком.

-Использование канала

Рисунок 1.1 — Иллюстрация метрик пропускной способности С описанными выше метриками пропускной способности связана еще одна метрика - пропускная способность потоковой передачи (Bulk-Transfer-Capacity) - ВТС [68,81]. Пропускная способность потоковой передачи маршрута за определенный период времени - это пропускная способность TCP-последовательности при условии, что передача ограничена только ресурсами сети (но не ограничена ресурсами оконечных систем). Интуитивно-понятное определение для ВТС - это ожидаемая долгосрочная скорость передачи данных по определенному маршруту в случае работы одиночного идеального TCP приложения.

Все вышеописанные метрики имеют большое значение, поскольку разные аспекты пропускной способности важны для различных приложений. Стоит отметить, что немаловажный вопрос состоит в том, каким образом можно измерить вышеописанные метрики пропускной способности в реальных условиях. Администратор сети [3], обладающий соответствующей привилегией доступа к оборудованию, может измерить некоторые метрики пропускной способности, непосредственно получая данные с маршрутизатора или коммутатора. В частности системный администратор может получить следующую информацию с маршрутизатора: параметры конфигурации, номинальную скорость передачи данных по каналу, величину средней утилизации канала, количество байт или пакетов, передаваемых в

течение определённого периода времени. Для этого ему достаточно будет подключиться к оборудованию, используя простой протокол сетевого управления - (Simple Network Management Protocol) - SNMP. Тем не менее, такой доступ, как правило, имеют только администраторы, а не конечные пользователи. Как правило пользователи не имеют таких привилегий и в этом случае для оценки метрик пропускной способности они могут использовать результаты сквозных - (end-to-end) - Е2Е измерений. Даже администраторам сети иногда необходимо определить пропускную способность от серверов, находящихся внутри их локальной сети, до серверов, расположенных вне их инфраструктуры, поэтому в ряде случаев они также полагаются на сквозные измерения. В данной работе основное внимание уделено технологиям измерений сквозной ДПС и 1111С.

Нельзя не отметить тот факт, что метрика доступной пропускной способности (ДПС) является одним из факторов, определяющих качество обслуживания - (Quality of Service) - QoS. ДПС и качество обслуживания играют большую роль в приоритезации трафика.

1.3. Качество обслуживания в сетях с коммутацией пакетов На сегодняшний день вместе с постепенным увеличением скоростей передачи данных в телекоммуникациях увеличивается доля интерактивного трафика, крайне чувствительного к параметрам среды передачи. Как следствие повышается роль качества обслуживания с целью обеспечения заданных параметров сети.

Существуют различные определения для термина качество обслуживания. Далее приводится определение, предложенное компанией Cisco. Под качеством обслуживания понимают способность сети обеспечить необходимый сервис заданному трафику в определенных технологических рамках [40]. В отдельных случаях под QoS подразумевают вероятность прохождения пакета между двумя точками сети.

Рабочая группа, занимающаяся стандартами сети Internet - (Internet Engineering Task Force) - IETF, предложила различные сервисные модели и технологии, призванные обеспечить требуемый уровень QoS [41,42,99]. Среди них различают модель негарантированной доставки, интегрированного обслуживания с резервированием ресурсов, дифференцированного обслуживания, многопротокольной коммутации по меткам- (Multiprotocol Label Switching) - (MPLS), технологию инжиниринга трафика и маршрутизации на основе ограничений (рисунок 1.2).

Рисунок 12 — Существующие модели и технологии QoS Негарантированная доставка (Best Effort Service)

Данная модель предполагает использование всех доступных ресурсов сети без классификации трафика. В основе лежит подход, что лучшим механизмом обеспечения QoS является увеличение пропускной способности. Однако некоторые виды трафика (например, передача голоса или видео) довольно чувствительны к задержкам пакетов и вариации скорости их прохождения. Модель негарантированной доставки даже при наличии больших резервов допускает возникновение перегрузок в случае резких

всплесков трафика. Исходя из этого были разработаны другие модели обеспечения заданного QoS [10].

Интегрированное обслуживание с резервированием ресурсов

Интегрированная модель обслуживания (Integrated Services) предлагает два класса обслуживания в дополнение к модели негарантированной доставки:

• гарантированное обслуживание [91] для приложений, требующих фиксированного значения задержки;

• обслуживание с управляемой нагрузкой [98] для приложений, требующих надежного соединения и передачи.

Суть этой модели заключается в требовании для маршрутизаторов иметь возможность зарезервировать ресурсы с целью обеспечения заданного уровня QoS [40] для определенного пользовательского набора пакетов или потоков. Такой подход предполагает формирование условий обработки пакетов на уровне маршрутизатора, необходимых для конкретного потока.

Протокол резервирования сетевых ресурсов - (Resource ReSerVation Protocol) - RSVP был изобретен, как сигнальный протокол для приложений с целью резервирования ресурсов [14]. Работает он по следующему принципу: узел-отправитель посылает специальное сообщение о пути (path message) узлу-приемнику с указанием характеристик трафика. Каждый промежуточный маршрутизатор перенаправляет сообщение на следующий узел согласно протоколу маршрутизации, при этом определяется последовательность маршрутизаторов, в которых необходимо зарезервировать определённую пропускную способность. Получив данное сообщение, приемник генерирует ответное сообщение (RESV) с целью резервирования ресурсов для потока [27]. Каждый промежуточный маршрутизатор, получив ответное сообщение, проверяет свои ресурсы с целью определения возможности выделения требуемой пропускной

Заключение диссертации по теме «Системный анализ, управление и обработка информации (по отраслям)», Султанов, Тимур Геннадьевич

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В результате проведенных исследований решен ряд важных задач, составляющих проблему выявления аномальных состояний в работе компьютерной сети на основе анализа сетевого трафика.

В ходе исследований, проведенных в настоящей работе, получены следующие результаты:

1. Предложена модель измерения доступной пропускной способности на основе измерений задержек пакетов разного размера и показано ее преимущество.

2. Найдена область применимости модели, а также предложен метод расчета погрешности ДПС и верхней границы пропускной способности в зависимости от аппаратной точности измерений задержки.

3. Проведены эксперименты по проверке разработанной модели измерения доступной пропускной способности с использованием измерительной инфраструктуры RIPE Test Box на существующих сетях IPv4. Эксперименты подтвердили адекватность модели.

4. Показано влияние переменной части задержки и найдено условие устойчивости методики измерения. Получено выражение, позволяющее рассчитать требуемое количество измерений для оценки экспериментальной погрешности измерений на основе табличных значений.

5. Проведены эксперименты с использованием измерительной инфраструктуры RIPE Test Box в сетях IPv6 по проверке разработанной модели измерения доступной пропускной способности. Эксперименты подтвердили адекватность разработанной модели измерения доступной пропускной способности для сетей следующего поколения.

6. Проведено имитационное моделирование с использованием пакета N8-2, которое подтвердило адекватность разработанной модели измерения доступной пропускной способности.

7. Получен критерий для разграничения классов обслуживания в современных 1Р-сетях. Проведены эксперименты, подтверждающие работоспособность данного критерия.

Полученные результаты имеют большую теоретическую и практическую значимость в связи с высокой актуальностью данной проблемы.

Автор имеет серию публикаций, в которых отражены отдельные как теоретические, так и практические составляющие всей диссертационной работы.

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Султанов, Тимур Геннадьевич, 2013 год

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ

1. *Веселовский,П.В. Измерение доступной пропускной способности в IPv6 сетях [Текст] / Т.Г. Султанов, П.В. Веселовский // Дистанционное и виртуальное обучение - М., №7, 2011. - С. 25-35.

2. *Веселовский,П.В. Аналитическая модель измерения доступной полосы пропускания на основе вариации размера пакетов [Текст] / Т.Г. Султанов, П.В. Веселовский // Конференция представителей региональных научно-образовательных сетей "RELARN-2010", сборник тезисов докладов, М.-СПб, 2009. - С. 43-45.

3. *Гальцев, A.A. Технология администрирования учетных записей пользователей в компьютерной сети ТФ СГАУ [Текст] / A.A. Гальцев, Е.С. Сагатов, Т.Г. Султанов // Городская научная студенческая конференция «Молодежь. Наука. Общество», сборник тезисов, Часть II, 2009. - С.77.

4. Гоноровский, И.С. Радиотехнические цепи и сигналы / И.С.Гоноровский // Радио и связь, Москва, 4-е издание - 1986.

5. Зайцев, Д.А., Моделирование телекоммуникационных систем в системе NS [Текст] / Д.А. Зайцев, Т.Н. Шинкарчук // Сборник научных трудов Одесской национальной академия связи им. A.C. Попова. - 2006. - № 2 -С. 35-43.

6. Канаков, О. Система моделирования сетей связи NS. Учебно-методическое пособие / Ковалев П., Филимонов В. - Нижегородский Государственный Университет им. Н.И.Лобачевского, 2003 - С. 2-6.

7. Кловский, Д.Д. Теория электрической связи: Учебник для вузов / А.Г.Зюко, Д.Д.Кловский, В.И.Коржик, М.В.Назаров // Радио и связь, Москва - 1999.

8. Копачев, А.Г. Методы управления трафиком в мульти-сервисных сетях // Информатизация образования. - 2004, № 4. - с. 69-74.

9. Кучерявый, Е.А. Управление трафиком и качество обслуживания в сети Интернет / Кучерявый Е.А. // СПб.: Наука и техника, 2004. - 336 с.

10. Листопад, Н.И. Обеспечение качества обслуживания в сетях с коммутацией пакетов /./ Н.И.Листопад, И.О.Величкевич [Электронный ресурс], URL: http://www.masters.donntu.edu.ua/2011/fkita/ryadskaya/ library/article03.htm (дата обращения 21.02.2013).

11. Полукаров, Д.Ю. Нечеткая аппроксимация метрики протокола IGRP [Текст] / Д.Ю. Полукаров // Инфокоммуникационные технологии. -2006.-№4, Т. 4.-С. 51-54.

12. *Полукаров, Д.Ю. Определение допустимой полосы пропускания IP-соединения [Текст] / Т.Г. Султанов, Д.Ю. Полукаров, A.A. Туманова // XVII Всероссийская научная конференция профессорско-преподавательского состава, научных сотрудников и аспирантов, материалы конференции, Самара, 2010. - С. 213.

13. Скляр, Б. Цифровая связь. Теоретические основы и практическое применение / Б.Скляр // Издательский дом «Вильяме», 2003 - 1104 с.

14. Стандарты QoS в IP-сетях. Дифференцированное обслуживание -[Электронный ресурс], URL: http://iptcp.net/differentsirovannoe-obsluzhivanie.html (дата обращения 15.08.2013).

15. * Султанов, Т.Г. Аналитическая модель измерения доступной полосы пропускания на основе вариации размера пакетов [Текст] / Т.Г. Султанов // журнал "Диалоги о науке" - С. Петербург, №1, 2010. - С. 114-116.

16. *Султанов, Т.Г. Измерение доступной полосы пропускания по данным о задержке пакетов [Текст] / Т.Г. Султанов, A.M. Сухов, Д.Ю. Полукаров // Труды XVII Всероссийской научно-методической конференции "Телематика 2010", СПб, 2010, Т. 1. - С. 46-51.

17. *Султанов, Т.Г. Критерии классов облуживания QoS на основе измерений доступной пропускной способности [Текст] / Т.Г. Султанов // Труды международной конференции с элементами научной школы для молодежи "Перспективные информационные технологии в научных

исследованиях, проектировании и обучении (ПИТ-2012)", Самара, 2012. -С. 97-100.

18. *Султанов, Т.Г. Методика измерения пропускной способности в сетях TCP/IP [Текст] / Т.Г. Султанов // журнал "Молодой учёный" - Чита, № 1 -2, Т.1, 2010. - С. 45-50.

19. * Султанов, Т.Г. Утилита AvBand для измерения доступной полосы [Текст] / Т.Г. Султанов // Конференция представителей региональных научно-образовательных сетей "RELARN-2009", сборник тезисов докладов, М.-СПб, 2009. - С. 70-74.

20. *Султанов, Т.Г. Экспериментальная проверка аналитической модели, описывающей доступную полосу канала в сетях TCP/IP [Текст] / Т.Г. Султанов // Труды XVI Всероссийской научно-методической конференции "Телематика 2009", СПб, 2009. - С. 298-300.

21. *Султанов, Т.Г. Экспериментальная проверка модели измерения доступной полосы пропускания на основе вариации размера пакетов [Текст] / Т.Г. Султанов // Всероссийская молодёжная научная конференция с международным участием "X Королёвские чтения", сборник тезисов, Самара, 2009. - С. 302.

22. * Султанов, Т.Г. Экспериментальная проверка модели измерения доступной пропускной способности [Текст] / Т.Г. Султанов // Труды международной конференции с элементами научной школы для молодежи "Перспективные информационные технологии для авиации и космоса (ПИТ-2010)", Самара, 2010. - С. 296-300.

23. *Султанов, Т.Г. Новая модель измерения доступной полосы пропускания в сетях TCP/IP [Текст] / Т.Г. Султанов // Дистанционное и виртуальное обучение - М., №11, 2009. - С. 67-75.

24. Сухов, A.M. Измерительная инфраструктура для изучения качества соединений в российском сегменте Интернет [Текст] / А.П. Платонов, Д.И. Сидельников, М.В. Стрижов, А.М.Сухов//Телекоммуникации-2009.-№ 1,-С. 11-16.

25. *Сухов, A.M. Методика определения доступной пропускной способности IP-соединения на основе измерений для пакетов различного размера [Текст] / Т.Г. Султанов, A.M. Сухов, Д.Ю. Полукаров // Электросвязь - М., №11, 2012. - С. 39-42.

26. Сухов, A.M. Функция распределения задержки пакетов в глобальной сети для задач теории управления [Текст] / A.A. Гальцев, Н.Ю. Кузнецова, А.К. Первицкий, A.M. Сухов // Телекоммуникации, №12, 2010, с. 10-16.

27. Тарасов, A.B. Качество обслуживания в современных сетях / A.B. Тарасов // Провайдинг России [Электронный ресурс], URL: http://www.hub.ru/modules.php?name=Pages&op=showpage &pid=141 (дата обращения 20.02.2013).

28. Choi, B.-Y. Analysis of Point-To-Point Packet Delay In an Operational Network [Text] / B.-Y. Choi, S. Moon, Z.-L. Zhang // Infocom 2004, Hong Kong, 2004. - pp. 1797-1807.

29. Clark, D. The Design Philosophy of the DARPA Internet Protocol [Electronic resource] / D. Clark // Proc. ACM SKjCOMM '88. Aug. 1988.

30. Clark, D. and An Approach to Service Allocation in the Internet [Electronic resource] / D. Clark, J. Wroclawski // Internet draft, draftclork-different-svc-olloc-OO.txt, July 1997.

31. Comerford, R. State of the Internet: Roundtable 4.0 [Text] / R. Comerford // Spectrum, Oct. 1998.

32. Crawley, E. A Framework for QoS-based Routing in the Internet [Electronic resource] / E. Crawley // RFC 2386, Aug. 1998.

33. Davie, B. An expedited forwarding PHB [Text] / B. Davie, F. Baker, J. Bennet, K. Benson, J.-Y. Le Boudec, A. Chamy, A. Chiu, W. Courtney, S. Davari, V. Firoiu, C. Kalmanek, K.K. Ramakrishnain, D. Stiliadis //- 2002.

34. Dovrolis, C. Packet-Dispersion Techniques and a Capacity-Estimation Methodology [Text] / C. Dovrolis, P. Ramanathan, D. Moore // IEEE/ ACM Transactions on Networking. - December 2004. -Vol.12, №6. - pp. 963-977.

35. Dovrolis, C. What do Packet Dispersion Techniques Measure? [Text] / C. Dovrolis, P. Ramanathan, D. Moore // Proc. IEEE INFOCOM, Apr. 2001, pp. 905-14.

36. Dovrolis, C. Proportional differentiated services for the Internet [Text] / C. Dovrolis// University of Wisconsin -Madison, 2000.

37. Dovrolis, C. Proportional differentiated services, part II: Loss rate differentiation and packet dropping [Text] / C. Dovrolis, P. Ramanathann // //Quality of Service, 2000. IWQOS. 2000 Eighth International Workshop on. -IEEE, 2000.-pp. 53-61.

38. Downey, A.B. Using Pathchar to Estimate Internet Link Characteristics [Text] / A.B. Downey // Proc. ACM SIGCOMM, Sept. 1999, pp. 222-23.

39. Ecdysis: open-source NAT64 [Electronic resource]/ http://ecdysis.viagenie.ca/

40. Ferguson, P. Quality of Service [Text] / P. Ferguson, G. Huston //- Wiley, 1998.

41. Ferrari, D. A Scheme for Real-Time Channel Establishment in Wide-Area Networks [Text] / D. Ferrari, D. Verma// IEEE JSAC, vol. 8, no. 3, Apr. 1990, pp. 368-79.

42. Ferrari, D. Charging For QoS [Text] / D. Ferrari, L. Delgrossi // IEEE/IFIP IWQOS 98 keynote paper, Napa, CA, Moy 1998.

43. Floyd, S. The New Reno Modification to TCP's Fast Recovery Algorithm [Electronic resource] / S. Floyd, T. Henderson // RFC 2582, Apr. 1999.

44. Georgatos, F. Providing active measurements as a regular service for ISP's [Text] / F. Georgatos, F. Gruber, D. Karrenberg, M. Santcroos, A. Susanj, H. Uijterwaal, R. Wilhelm // In: PAM2001.

45. Goto, Y. Path QoS Collection for Stable Hopbyhop QoS Routing [Text] / Y. Goto, M. Ohta, K. Araki // Proc. INET '97, Kuala Lumpur, Malaysia, June 1997.

46. Guerin, R. QoS Routing Mechanisms and OSPF extensions [Electronic resource] / R. Guerin// Internet draft, draft-guerin-QoS-routing-ospf-03.txt, Jan. 1998

47. Guerin, R Aggregating RSVP-based QoS Requests[Electronic resource] / R. Guerin, S. Blake, S. Herzog // Internet draft, draft-guerin-oggreg-R5VP-00.txt, Nov. 1997.

48. Harfoush, K. Measuring Bottleneck Bandwidth of Targeted Path Segments [Text] / K. Harfoush, A. Bestavros, J. Byers // Proc. IEEE INFOCOM, 2003.

49. Heinanen, J. Assured Forwarding PHB Group [Electronic resource] / J. Heinanen // Internet draft, draft-ietf-diffserv-af-03.txt, Nov. 1998

50. Hohn, N. Bridging Router Performance And Queuing Theory [Text] / N. Hohn, D.Veitch, K. Papagiannaki, C.Diot // Proc. ACM SIGMETRICS, New York, USA. - Jun 2004.

51. Hu, N. and Evaluation and Characterization of Available Bandwidth Probing Techniques [Text] /N. Hu, P. Steenkiste// IEEE JSAC, 2003.

52. IPv4 Address Report, http://www.potaroo.net/tools/ipv4/

53. Jain, R. Myths about Congestion Management in High Speed Networks/Internetworking [Text] / R. Jain// Res. and Exp., vol. 3, 1992, pp. 101-13.

54. Jain, M. End-to-end Estimation of the Available Bandwidth Variation Range [Text] / R. Jain, K. Dovrolis // SIGMETRICS'05, Ban, Alberta, Canada, 2005.

55. Jain, M. End-to-End Available Bandwidth: Measurement Methodology, Dynamics, and Relation with TCP Throughput [Text] / R. Jain, K. Dovrolis // Proc. ACM SIGCOMM, Aug. 2002, pp. 295-308.

56. Jacobson, V. Pathchar: A Tool to Infer Characteristics of Internet Paths [Electronic resource] / V. Jacobson // ftp://ftp.ee.lbl.gov/pathchar/, Apr. 1997.

57. Jacobson, V. An expedited forwarding PHB [Text] / V. Jacobson, K. Nichols, K. Poduri // EETF RPC 2598, June/ - 1999.

58. Jacobson, V. Congestion Avoidance and Control [Text] / V. Jacobson // Proc. ACM SIGCOMM, Sept. 1988, pp. 314-29.

59. Kelly, F. Notes on Effective Bandwidths in Stochastic Networks: Theory and Applications[Text] / F Kelly, S. Zachory, I. B. Ziedins// Eds., Oxford Univ.Press, 1996, pp. 141-68.

60. Kelly, F. Modeling Communication Networks, Present and Future [Text] / F Kelly // Phil.Trans. Royal Soc. A354, 1996, pp. 437-63.

61. Keshav, S. A Control-Theoretic Approach to Flow Control [Text] / S. Keshav // Proc. ACM SIGCOMM, Sept. 1991, pp. 3-15.

62. Lai, K. Measuring Link Bandwidths Using a Deterministic Model of Packet Delay [Text] / K. Lai, M. Baker // Proc. ACM SIGCOMM, Sept. 2000, pp. 283-94.

63. Lai, K. Measuring Bandwidth [Text] / K. Lai, M. Baker // Proc. IEEE INFOCOM, Apr. 1999, pp. 235-45.

64. Li, T. Provider Architecture for Differentiated Services and Traffic Engineering (PASTE) [Electronic resource] / T. Li, Y. Rekhter // RFC 2430, Oct. 1998.

65. Li, T. CPE based VPNs using MPLS [Electronic resource] / T. Li // Internet draft, draft-li-MPLS-vpn-OO.txt, Oct. 1998.

66. Liebeherr, J. Rate allocation and buffer management for differentiated services [Text] / J. Liebeherr, N. Christin // Computer Networks. - 2002. -T.40. - №. 1,-pp.89-110.

67. Ma, Q. QoS Routing in the Integrated Services networks [Text] / Q. Ma // Ph.D. thesis, CMU-CS-98-138, Jan. 1998

68. Mathis, M. A Framework for Defining Empirical Bulk Transfer Capacity Metrics [Electronic resource] / M. Mathis, M. Allman // RFC 3148, July 2001.

69. McCreary, S. Trends in Wide Area IP Traffic Patterns [Text] / S. McCreary, K. C. Claffy // Tech. rep., CAIDA, Feb. 2000.

70. Melander, В. A New End-to-End Probing and Analysis Method for Estimating Bandwidth Bottlenecks [Text] / B. Melander, M. Bjorkman, P. Gunningberg // IEEE Global Internet Symp., 2000.

71. Melander, B. Regression-Based Available Bandwidth Measurements [Text] / B. Melander, M. Bjorkman, P. Gunningberg // Int'l. Symp.Perf.Eval.Comp. and Telecommun.Sys., 2002.

72. Moret, Y. A proportional queue control mechanism to provide differentiated services [Text] / Y. Moret, S. Fdida //Proceedings of the International Symposium on Computer and Information Systems (ISCIS). - 1998. - pp. 1724.

73. Murphy, N. IPv6 Network Administration [Text] / N. Murphy, D. Malone //O'Reilly Media, 2005.

74. Nandagopal, T. Delay differentiation and adaptation in core stateless networks [Text] / T. Nandagopal,V. Venkitaraman, R.Sivakumar, V. Bharghavan //INFOCOM 2000.Nineteenth Annual Joint Conference of the IEEE Computer and Communications Societies.Proceedings.IEEE. - IEEE, 2000. -T. 2.-pp. 421-430.

75. Network Simulator - ns-2 [Электронный ресурс], URL: http://www.isi.edu/nsnam/ns/ (дата обращения 20.09.2012).

76. Nichols, К. Definition of the Differentiated Services Field (DS Field) in the IPv4 and IPv6 Headers [Electronic resource] / K. Nichols // RFC 2474, Dec. 1998.

77. Nichols, K. A Two Bit Differentiated Services Architecture for the Internet [Electronic resource] / K. Nichols, V. Jacobson, L. Zhang // Internet draft, draft-nichols-diff-svc-arch-OO.txt, Nov. 1997.

78. Pasztor Active Probing using Packet Quartets [Text] / Pasztor, D. Veitch // Proc. Internet Measurement Wksp., 2002.

79. Pasztor and D. Veitch The Packet Size Dependence of Packet Pair Like Methods [Text] / Pasztor, D. Veitch // IEEE/IFIP Int'l. Wksp. QoS, 2002.

80. Paxson, V. End-to-End Internet Packet Dynamics [Text] / V. Paxson // IEEE/ACM Trans. Net., vol. 7, no. 3, June 1999, pp. 277-92.

81. Paxson, V. An Architecture for Large-Scale Internet Measurement [Text] / V. Paxson, J. Adams, M. Mathis // IEEE Commun. Mag., vol. 36, no. 8, 1998, pp. 48-54.

82. Postel, J. Service Mappings [Electronic resource] / J. Postel // RFC 795, Sept. 1981.

83. Prasad, R.S. The effect of layer-2 store-and-forward devices on per-hop capacity estimation Measurement [Text] / R.S. Prasad, C. Dovrolis, B.A. Mah // Proc. IEEE INFOCOM, Mar. 2003. - P. 2090-2100.

84. Rosen, E. Multiprotocol Label Switching Architecture [Electronic resource] / E. Rosen, A. Viswanafhan, R. Callón // Internet draft, droft-ietf-mpls-arch-01 .txt, Mar. 1998.

85. RFC 2460, Internet Protocol, Version 6, http://www.ietf.org/rfc/rfc2460.txt

86. RFC 791, Internet Protocol, http://www.ietf.org/rfc/rfc791 .txt

87. Ribeiro, V. PathChirp: Efficient Available Bandwidth Estimation for Network Paths [Text] / V. Ribeiro // Proc. Passive and Active Measurements Wksp., Apr. 2003.

88. Ribeiro, V. Multifractal Cross-Traffic Estimation [Text] / V. Ribeiro // Proc. ITC Specialist Seminar on IP Traffic Measurement, Modeling, and Management, Sept. 2000.

89. RipeTestBox[Electronic resource] URL: http://ripe.net/projects/ttm/ (дата обращения 19.09.2010).

90. RIPE Atlas Project, http://atlas.ripe.net/

91. Shenker, S. Specification of Guaranteed Quality of Service [Electronic resource] / S. Shenker, C. Partridge, R. Guerin // RFC 2212, September 1997

92. Shenker, S. Integrated services in the Internet architecture: an overview [Electronic resource] / S. Shenker, R. Braden, D. Clark // IETF RFC 1633, July. - 1994.

93. Hagen, S. IPv6 essentials, Second Edition [Text] / S. Hagen //O'Reilly Media, 2006.

94. Striegel, A. Packet scheduling with delay and loss differentiation [Text] / A. Striegel, G. Manimaran //Computer Communications. - 2002. - T. 25. - №. l.-pp. 21-31.

95. *Sultanov, T.G. Simulation technique for available bandwidth estimation 2010 [Text] / A.M. Sukhov, T.G. Sultanov //In Proc. IEEE European Modeling Symposium 2010, November 2011, pp. 490-495

96. Villamizar and "IS-1S Optimized Multipath IIS-IS OMP) [Electronic resource] / Villamizar, T. Li, // Internet draft, draft-villamizar-ijis-omp-OO.txt, Oct 1998

97. Voananen, P. and Framework for Traffic Management in MPLS Networks [Electronic resource] / P. Voananen, R. Rervikarvh // Internet draft, draft-voonanenmpls-tmframework-00.txt. Mar. 1998.

98. Wroclawski, J. Specification of the Controlled-Load Network Element Service [Electronic resource] / J. Wroclawski // RFC 2211, September 1997.

99. Wong, Z. Quality of Service Routing for Supporting Multimedia Applications [Text] / Z. Wong, J. Crowcroft // IEEE JSAC, Sept. 1996.