CC BY
23
УДК 004.724.4
АНАЛ13АТ0Р ПР0Т0К0Л1В К0МП ЮТЕРН01 МЕРЕЖ1 ДЛЯ 0ПТИМ13АЦНАДАПТИВН0Г0 УПРАВЛ1ННЯ ТРАФ1К0М П0Т0КУ
О.Ю. Федевич1'2
Описано розроблений аналiзатор протоколiв комп'ютерно'1 мережi з позицш анал> зу трафiку потоку. Побудоване програмне забезпечення для мониторингу та аналiзу тра-фiку потоку запропоновано використати для збирання даних про стан завантаження ме-режi з метою прогнозування трафжу потоку на наступний 5-хвилинний промiжок. У розробленому аналiзаторi вбудовано модифiкований алгоритм Дейкстри для реалiзацií обчислення оптимального шляху паке™ у мережа На основi цих двох складникiв, прогнозування i оптимального шляху, реалiзовано оптимiзацiю адаптивного управлшня трафiком потоку за критерieм мшткзаци часу затримки пакетiв у мережа Експеримен-ти проiлюстровано рисунками.
Ключов1 слова: трафж потоку, комп'ютерна мережа, Л1еЬ-функци, адаптивне управлшня, аналiзатор протоколiв.
Вступ. Стрiмке вдосконалення та розширення топологiй i можливостей комп'ютерних мереж на сьогоднi породило низку проблем, серед яких окремим класом постають проблеми покращення за рiзними критерiями передавання ш-формаци через вузли комп'ютерно! мережi. Враховуючи всi теперiшнi вимоги до комп'ютерних мереж передавання даних у рiзних сферах дiяльностi людини, можна зазначити, що iснуючi проблеми загалом дуже сповшьнюють розвиток iнформацiйних технологiй у галузi високошвидкiсного передавання даних.
Основним завданням комп'ютерно! мережi з точки зору транспортування шформаци - е, по сутi, передавання iнформацi! вiд вузла-вiдправника до вузла-отримувача, що зазвичай потребуе кшькох транзитних пересилань. З цих причин випливае, що вдосконалення алгоритмiв маршрутизаци може iстотно пок-ращити продуктивнiсть роботи вузлiв комп'ютерно! мережi. Усi iншi вимоги, такi як продуктивнiсть, надшшсть, сумiснiсть, керованiсть, захищенiсть, розши-рювашсть i масштабованiсть [1] безпосередньо пов'язаш з якiстю виконання цього основного завдання.
У цш роботi розглянуто створений аналiзатор мережевих протоколiв для монiторингу мережi в реальному чаи, на основi розроблено! ранiше [2] матема-тично! моделi прогнозування трафiку потоку. На основi отриманих результатiв дослiджень запропоновано приймати ефективнi рiшення адаптивного управлш-ня для розподшу завантаження вузлового обладнання. Також розглянуто моди-фiкований алгоритм маршрутизаци, оскiльки вiн мае iстотний вплив на ефек-тивнiсть функцюнування комп'ютерно! мережi та його зв'язок з такими основ-ними параметрами трафжу в комп'ютернiй мережi, як Г! пропускна здатшсть; затримка передавання даних та варiацiя затримки передавання (джиттер).
Мета роботи - створити аналiзатор протоколiв комп'ютерно! мережi, ек-спериментально дослiдити та проаналiзувати трафш потоку комп'ютерно! мере-жi на основi збережених зразкiв даних спостережень над комп'ютерною мере-
1 астр. О.Ю. Федевич - НУ " Льв1вська полггехтка";
2 наук. кер1вник: доц. 1.М. Дронюк, канд. ф1з.-мат. наук
жею кафедри автоматизованих систем управлшня (АСУ) НУ "ЛП". 1нструмен-том дослiдження став розроблений ан^затор мережевих протоколiв i3 прогно-зуванням поведiнки трафiку потоку. Здшснений аналiз трафiку застосовують для прогнозування трафшу потоку на наступи кiлька хвилин, що використо-вуеться для прийняття коректних рiшень адаптивного управлшня вузловим об-ладнанням комп'ютерно! мережi.
Опис математично! моделi. Математичний апарат Ateb-функдш дав змогу розв'язати аналггичш системи диференцiальних рiвнянь, що описують ю-тотно нелiнiйнi процеси у системах з одним ступенем вшьноси [3]. Для прогнозування трафшу потоку в комп'ютернш мережi використано диференцiальне рiвняння, що описуе коливний рух з малим збуренням у такому виглядi:
x + a2x|x|v = f(e, x,X,t), (1)
де: x(t) - кiлькiсть пакетiв у мережi в момент часу t; а - константа, яка визна-чае величину перiоду коливання траф^; f (е, x, X, t) - довiльна аналiтична фун-кдiя, яка використовуеться для моделювання малих вiдхилень трафiку вiд основного складника коливань; v - число, яке визначае степiнь нелшшноси рiв-няння та впливае на перюд основного складника коливань.
Аналiзатор протоколiв комп'ютерно! мереж та його основш можли-BOCTi. Аналiзатор протоколiв комп'ютерно! мережi призначений для анатзу мережевих протоколiв з подальшою можливiстю прогнозування величини трафiку за допомогою Ateb-функдiй, складаеться зi серверно! та ктентсько! (C++, Has-kell/QT) частин. Серверна частина зберiгае та аналiзуе данi. Водночас, ктентсь-ка - збирае, обробляе дат трафшу комп'ютерно! мережi та вiдображае результата. Цей програмний продукт створено за допомогою мов програмування C++ та Haskell. Розроблене програмне забезпечення не потребуе встановлення. Програ-ма поставляеться у виглядi архiвного файлу, який необхщно розпакувати, а роз-пакований вмiст можна розмiстити у зручному для користувача мiсдi.
Основними можливостями розробленого аналiзатора мережевих прото-колiв е: зчитування зразкiв мережевого трафшу з комп'ютерно! мережi iз мож-ливiстю запису результатiв зчитування у файл формату *.pcap, аналiз попе-редньо записаного мережевого трафшу. Обробленi данi про трафiк збер^аються в релядiйнiй базi даних з роздшьною здатнiстю 1 с. Також програмне забезпечення надае можливiсть розрахунку оптимальних мережевих маршрутiв переда-вання даних на основi графово! моделi за допомогою модифiкованого алгоритму Дейкстри [4]. Головне вшно програми вiдображаеться пiсля шдключення до бази даних. Головне вiкно складаеться з областi графiкiв та логування, панелi налаштувань та панелi управлiння (рис. 1). У головному вшш проводяться ос-новнi операци з аналiзу трафiку. Програмне забезпечення для свое! роботи також використовуе сервер баз даних PostgreSQL.
В обласл графтв трафiку обласл виводяться графiки трафiку, кiлькостi пакетав, рiзнидi мiж значеннями реального трафжу та прогнозованими на осно-вi Ateb-функдiй, кореляди мiж значеннями реального трафшу та прогнозованими на основi Ateb-функдiй. Вiсь абсцис показуе значення часу, а вюь ординат -ввдповвдно значення, якi залежать вiд часу. Областi вiдображення траф^ та ко-
реляди дають змогу перетягувати та змшювати масштаб графтв, що на них зображеш, за допомогою лГво!' клавiшi та колщатка мишi. Водночас, область логування призначена для виводу шформадп про результати обчислень кореля-дп (рис. 2).
Рис. 1. Головне вшно аналпатора мережевих npomoKonie
Рис. 2. Д1алог тдключення до бази даних
Вжно для роботи з графами (рис. 3) призначене для дослщження маршрут у комп'ютернш мережш у виглядГ графово!' моделi. У л1вш частинi вiкна зображений граф, на якому позначено два найкращi шляхи м1ж двома заданими вершинами (1 - зеленим кольором, 2 - сишм кольором). Спадш меню Start та Finish дають змогу задати початковий та кшцевий вузли графу для пошуку
найкращих шляхiв. Таблиця у правiй частинi вшна показуе два найкращi шляхи мiж стартовою вершиною та кожною шшою вершиною, а також додатковi даш про вершини графу. Кнопка Load дае змогу завантажувати данi про мережу з текстового файлу. Завантажеш з файлу даш автоматично вщображаються.
Маршрутизащя у сучасних комп'ютерних мережах мае великий вплив на ïx функщонування, експлуатацiю, рацiональне використання ресуршв. Одним Ï3 протоколiв, що використовуються для маршрутизацп у сучасних комп'ютерних мережах, е протокол OSPF (Open Shortest Path First), який забезпечуе передачу даних по найкоротшому шляху, для пошуку якого використовуеться алгоритм Дейкстри. Однак цей протокол не забезпечуе захисту ресуршв комп'ютерно'1 ме-режi вщ перевантажень, що зумовлюе потребу створення та вживання додатко-вих заxодiв для ïx лжвщацп. Проблема високих перевантажень у комп'ютерних мережах, як використовують маршрутизацiю за допомогою протоколу OSPF, е надзвичайно актуальною на сьогодш [5].
Головною причиною виникнення перевантажень у комп'ютернш мережi е передача трафiку рiзниx потокiв лише одним спiльним шляхом, визначеним за алгоритмом Дейкстри. Водночас, цей алгоритм будуе дерево найкоротших шля-xiв на основi топологи комп'ютерно'1 мережi, в якiй вш працюе, однак не врахо-вуе поточного стану ïï завантаження. Це спричиняе створення черг з шформа-цiйниx пакетiв та виникнення затримки шд час передачi даних, тому що вш потоки йдуть по розрахованому найкоротшому маршрут^ результатом чого стае його перевантаження. У роботах [6, 7] запропоновано рiзнi модифшаци базового алгоритму Дейкстри, як враховували перевантаження вxiдниx канамв.
Розроблений автором модифiкований алгоритм Дейкстри було побудо-вано на основi математично'1 моделi для прогнозування трафшу потоку в сег-ментi комп'ютерно'1 мережi та використано для вщображення шляxiв мiж реаль-ними вузлами мережi 1нтернет, данi про як були взятi з проекту The Opte Pro-
[8]. Моделювання проводили для кiлькох випадюв. Зокрема, для ста, чо-тирьохсот та двох тисяч вузлiв. Результати експерименив показано на рис. 4-6.
Рис. 4. Вiзуалiзацiя 1нтернет-графу для 100 вузлiв
_ 6943.143.113
30 4842.244.189 ' •
„,„„,' 12.118.205.50 12.123.216.37
12118.21362 | 12.118.Tt2.10 12.108.188.10 * ,,,
12.118.160.10 12.108.12043
12 123 2*1 Г • 12.123.21.5
191892сИ220631 Ь&сюЗП 03114Ас860аё 7»'
12.123 137-21 • 12.118.185.198
'I2.123.137.25
159.182.31.1
12 .123 .218 .5 .
12.1^.200.113 12.118ЛЯЯ6 V •
ВГС1918173872сЮс1с1591а0вЫс86Юс1497202 ' 12.118.163.22 159.182.2f> 12 118.184^^
4.64.101 12.118.127.19» 12.123.199.1С
10450 ' 12.123.217.1812.118.175,14 * 12.123.205.1 . •
ЛМИЯ
'68.87.18.18
* 12.118.Ш^"Г6 .
12.127.35.150
12.118.184.98 12.118.151.^22
Рис. 5. Вгзуалгзащя 1нтернет-графу для 400 вузл1в
Рис. 6. В1зуал1зац1я 1нтернет-графу для 2000 вузл1в
Використання розробленого анамзатора мережевих протоколiв у комп'ютернш мережi дае змогу значно економити час, автоматично та цшодо-бово збирати даш трафшу потоку з вузлiв мережi, та в режимi реального часу слщкувати за роботою комп'ютерно'1 мережi [9].
Висновки. Для ефективного спостереження трафiку потоку комп'ютерно'1 мережi створено власний аналiзатор ïï роботи, який призначений для забез-печення автоматизованого збирання шформацп з мережевих пристро'1'в та реаль зацп адаптивного управлшня над роботою каналiв зв'язку. Розглянуто методи моделювання трафiку та вивчено проблеми перевантаження мережi та явища, що виникають у разi виникнення перевантаження вузлiв. Проведено мошторинг мережевого обладнання та проведено обчислення, що використовують реальнi данi про вузли комп'ютерно'1 мережi 1нтернет з проекту The OPTE Project. Внас-лщок роботи аналiзатора данi числового моделювання вiзуально зображено на графшах.
Запропоновано модифiкований алгоритм Дейкстри та алгоритм прогно-зування поведiнки трафшу, якi допоможуть зменшити затримку паке™ у мере-жi або значно знизити негативний вплив затримки. Ефективнють запропонова-них методiв пiдтверджена експериментальними дослщженнями на основi розробленого аналiзатора роботи комп'ютерно'1 мережi.
Лггература
1. Вимоги до комп'ютерних мереж. [Електронний ресурс]. - Доступний з http://www.www.victoria.lviv.ua/html/ippt/lecture16.doc.
2. Dronjuk Ivanna. Asymptotic method of traffic simulation (Distributed Computer and Communication Networks) / Ivanna Dronjuk, Maria Nazarkevych, Olga Fedevych // Communications in Computer and Information Science. Springer. - 2014. - Vol. 279. - Pp. 136-144.
3. Сеник П.М. Про Ateb-функци / П.М. Сеник // Доклады АН УРСР. - Сер.: А. - 1968. - № 1. - С. 23-27.
4. Олифер В.Г. Компьютерные сети. Принципы, технологии, протоколы : учебник [для студ. ВУЗов] / В.Г. Олифер, Н.А. Олифер. - Изд. 4-ое, [перераб. и доп.]. - СПб. : Изд-во "Питер", 2010. - 944 с.
5. Быков Д.В. Разработка внутреннего протокола маршрутизации / Д.В. Быков, В.С. Лукьянов // Информационные технологии моделирования и управления : сб. науч. тр. - 2007. - № 1 (35). - С. 100-105.
6. Обельовська К. Модифжований алгоритм маршрутизаци для зменшення перевантажень ресурав комп'ютерних мереж / К. Обельовська, А. Русаков // Вюник Нащонального ушверсите-ту "Львiвська политехшка". - Сер.: Комп'ютерш науки та шформацшш технологи. - Львiв : Вид-во НУ "Львiвська полiтехнiка". - 2010. - № 663. - С. 223-228.
7. Обельовська К. Модифжований алгоритм маршрутизаци для врахування завантаженост каналiв комп'ютерних мереж / К. Обельовська, А. Русаков // Техшчш вгсп : наук.-публщ. часо-пис. - Львiв. - 2010. - № 1(31), 2(32). - С. 42-43.
8. The Opte Project, The Internet 2015. [Electronic resource]. - Mode of access http://www.op-te.org/the-internet/
9. Демида Б.А. Основи адшшстрування LAN у середовищi MS Windows : навч. поаб. / Б.А. Демида, К.М. Обельовська, В.С. Яковина. - Львiв : Вид-во НУ "Львiвська полiтехнiка", 2013. - 487 с.
Надшшла до редакци 25.03.2016 р.
Федевич О.Ю. Анализатор протоколов компьютерной сети для оптимизации адаптивного управления трафиком потока
Описан разработанный анализатор протоколов компьютерной сети с позиций анализа трафика потока. Построенное программное обеспечение для мониторинга и анализа трафика потока предложено использовать для сбора данных о состоянии загрузки сети с целью прогнозирования трафика потока на следующий 5-минутный промежуток. В разработанном анализаторе встроено модифицированный алгоритм Дейкстры для реализации вычисления оптимального пути пакетов в сети. На основе этих двух составляющих, прогнозирования и оптимального пути, реализована оптимизация адаптивного управления трафиком потока по критерию минимизации времени задержки пакетов в сети. Эксперименты проиллюстрированы рисунками.
Ключевые слова: трафик потока, компьютерная сеть, Ateb-функции, адаптивное управление, анализатор протоколов.
Fedevych O.Yu. Computer Networks Protocol Analyzer for Optimization of Adaptive Management of Traffic Flow
Our research describes the designed computer network protocol analyzer from the standpoint of traffic flow analysis. The software built for monitoring and analysis of traffic flow was proposed to use for data collection about the network traffic load for the purpose of forecasting of traffic flow for the next 5-minute interval. A modified Dijkstra's algorithm was built in the developed analyzer for implementation of the calculation of the optimal path of packets in the network. Based on these two components, forecasting and on the optimal path, optimization of adaptive management of traffic flow by the criterion of minimizing of time of packet delay in network was implemented. The experiments were illustrated by figures.
Keywords: traffic flow, computer network, Ateb-function, adaptive management, protocol analyzer.
