CC BY
59
Исследование средней задержки
в сетях MetroEthernet на основе имитационной модели
Ромасевич Павел Владимирович, D-Link, региональный менеджер,
promasevich@dlink. ru
Введение
Тенденции современного рынка телекоммуникаций в России характеризуются повсеместным развертыванием сетей широкополосного доступа уровня города (MetroEhternet), что связано с необходимостью предоставления комплекса телекоммуникационных услуг Triple Play (данные, голос, видео), через единую линейную инфраструктуру.
Практика показала, что на данный момент рентабельная реализация таких услуг возможна в архитектуре Ethernet+IP, которая обеспечивает масштабируемость, надежность и низкую стоимость с точки зрения увеличения скорости передачи данных. Опыт регионов показывает, что предоставление услуги Triple Play уже имеет место на основе широкополосных сетей без развертывания полноценных NGN. Это объясняется тем, что основной видеоконтент сегодня потребляется локально в сетях местных широкополосных операторов ввиду низкой или нулевой стоимости внутреннего трафика. Это делает достаточным применение «несквозного» качества обслуживания (QoS) поверх технологий семейства Ethernet в рамках сети оператора, добиваясь вполне качественного предоставления контента клиентам сети.
Качество передачи информации в IP-сети зависит от множества факторов и может варьироваться в значительных пределах в зависимости от функционала телекоммуникационного оборудования, параметров трафика и сети. Поэтому необходима предварительная оценка параметров трафика при проектировании новой или модернизации существующей IP-сети.
По причине трудности постановки эксперимента и сложности аналитического моделирования крупных телекоммуникационных сетей, имитационное моделирование может быть наиболее рациональным способом решения подобной задачи.
Многочисленные зарубежные и отечественные исследования последнего десятилетия показали, что трафик в современных сетях передачи данных проявляет свойства самоподобия [2], которое оказывает негативное влияние на производительность сетей передачи данных ввиду значительно большей потребности в буферной памяти и пропускной
способности телекоммуникационных систем, что является одним из основных факторов, влияющих на величину задержки.
В рекомендации МСЭ Y.1540, посвященной технология IP рассматриваются следующие сетевые характеристики, как наиболее важные по степени их влияния на сквозное качество обслуживания от источника до получателя, оцениваемое пользователем: производительность сети (Мб/сек). задержка (IPTD - IP packet transfer delay) и потеря пакетов (IPLR - IP packet loss ratio) [3].
В данной работе проведено исследование средней задержки действующей IP-сети MetroEhternet одного из динамично развивающихся Интернет-операторов на основе ее имитационной модели при определенных параметрах и на основании полученных результатов даны практические рекомендации по эксплуатации сети.
Моделирование исследуемой телекоммуникационной системы
Для построения имитационной модели использован свободно распространяемый симулятор NS2, обладающий богатым функционалом и поддерживающим в своем базовом комплекте моделирование трафика с учетом его самоподобия, используя распределение Парето, широко используемое для описания самоподобных процессов [1]. Важным фактором явилось также использование в NS2 интуитивно понятного пользователю языка скриптов (сценариев) OTcl (Object oriented Tool Command Language) [4].
Для проведения модельного эксперимента была разработана объектно-ориентированная программная модель сетевой архитектуры провайдера, построенной на управляемых коммутаторах второго и третьего уровней производства компании D-Link (Рис.1), которая описывает основные свойства сети: задержку, скорость передачи, потери и ошибки передачи. Количество абонентов сети сейчас составляет более 30000, а количество подключенных домов в районах города - более 1000.
В данной модели исследовался случай 120 узлов - источников трафика, остальные узлы являются промежуточными или конечными точками маршрута.
Рис. 1. Схема моделируемой IP-сети
Описание проведенных экспериментов и результаты моделирования
С помощью имитационной модели исследовалась зависимость средней задержки телекоммуникационной сети от скорости источников и степени самоподобия трафика (параметра Херста) для случаев протоколов TCP и UDP, в т.ч. в режиме Jumbo Frame, с учетом эффекта потери пакетов при различных скоростях генерации от 100кб/сек до 20000кб/сек [5].
Изменяя параметр Херста для фиксированной (5000кб/сек) интенсивности источников TCP и UDP-трафика, была получены следующие зависимости:
0,6 If 055 — as ГО £¡ 0,45 г§ 0,4
га 0,35 X 0,3 Г) tu 0,25 ч: Я 0,2 i 0.15 Ч 0,1 OP & 0.05
0 5000 10000 15000 20000 25000 интенсивность источника TCP трафика
Рис. 2. Зависимость средней задержки от интенсивности источников TCP трафика (экранная копия)
0,6 ь
2 055
а>
Ш 045
* "у"
а> и с£ 0,25 $ СП
к I 0,1
¡5 0,05 ----- а. п
и и 0 SOOO 10000 15000 20000 25000 интенсивность источников UDP трафика (кбит/сек)
Рис. 3. Зависимость средней задержки от интенсивности
источников UDP трафика (экранная копия)
П л?
** 0Р0б о> со £ 0,05 Ф X га S 0,04 fTJ ас £ §" 0,03 ч: га п к 0,02 X ш S" 0,01 п
0.5 0,55 0,5 0,65 0.7 0.7 5 0,8 0.S5 0,9 0,95 1 параметр Херста
Рис. 4. Зависимость средней задержки от степени самоподобия генерируемого трафика, при протоколе TCP (экранная копия)
0,089 5С 2 0,088 LQ О 0,087 1— 0J = 0,086 то с ТО 0,085 5С ¥ О. 0,084 0J 0.083 m К 0,082 X сЕ 0J 0,081 о. 1—1 0,08 0
5 0,55 0,6 0,65 0,7 0,75 0,8 0,85 0,9 0,95 1 параметр Херста
Рис. 5. Зависимость средней задержки пакета от степени самоподобия генерируемого трафика, при протоколе ПОР (экранная копия)
При использовании Jumbo Frames в моделируемой системе, были получены следующие зависимости средней задержки от интенсивности источников TCP и UDP трафика.
Рис. 6. Зависимость средней задержки пакета от интенсивности источников TCP трафика, при использовании Jumbo Frames,
(экранная копия)
0,5
___ 0,45 0,4 0,35
зс 0J
1В О
01 0,3 0,25 0,2 0,15 ОД 0,05
л
Я! ¡С
£ о.
а) tt л m
___
£ 0
и О. и
0 5000 10000 15000 20000 25000
интенсивность источников UDP трафика (кбит/сек)
Рис. 7. Зависимость средней задержки пакета от интенсивности источников UDP трафика при использовании Jumbo Frames,
(экранная копия)
Анализ полученных результатов
Учитывая чувствительность к величине и изменению средней задержки (джиттеру) таких видов трафика, как передача голосовой и видеоинформации, наиболее интересными для нас являются области значений параметров телекоммуникационной сети, где задержка минимальна и мало меняется.
Исследование зависимости средней задержки
телекоммуникационной сети для случаев транспортных протоколов ТСР (Рис.2) и UDP (Рис.3) в последнем случае показало ее относительную стабильность в более широком диапазоне изменения скорости генерации трафика источниками, что говорит о предпочтительном использовании протокола UDP с точки зрения уменьшения средней задержки при данной архитектуре телекоммуникационной сети.
При этом необходимо отметить, что при передаче «длинных» пакетов (режим Jumbo Frame) в случае протокола TCP (Рис.6) диапазон скоростей источников, при котором задержка мало меняется, остался практически неизменным. Анализ зависимостей на Рис.2 и Рис.6 показывает, что в случае «длинных» пакетов область стабилизации задержки достигается быстрее, причем величина последней несколько меньше. Данные результаты также подтверждают предположение о том,
что основную часть времени передачи TCP-пакета составляет обработка его заголовка.
Напротив, в случае протокола UDP (Рис.7), значение скоростей источников, при котором средняя задержка начинает возрастать, увеличивается на треть, ввиду того, что размер и количество полей UDP-заголовка меньше и, соответственно, обрабатывается быстрее. Данный результат говорит о привлекательности режима Jumbo Frame в случае использования UDP-приложений при большем диапазоне скоростей источников трафика, т.к. позволяет передать больше информации за одинаковое время.
Исследование изменения задержки в зависимости от степени самоподобия трафика в случае протокола TCP показало, что рост параметра Херста слабо влияет на ее изменение (Рис.4). При этом при использовании протокола UDP (Рис.5) полученный результат отражает наиболее и наименее предпочтительные области значений параметра Херста с точки зрения уменьшения задержки. Кроме того, результаты моделирования показывают, что возможно уменьшение задержки при увеличении степени самоподобия трафика (Рис.5).
Опираясь на результаты данной работы, оператору могут быть даны рекомендации по диапазонам рабочих параметров (скорость генерации трафика источниками, длина пакета, тип транспортного протокола), при которых средняя задержка телекоммуникационной сети и ее изменение (джиттер) будут находиться в пределах, достаточных для качественного предоставления услуг, критичных к данным параметрам.
Заключение
В данной статье представлен подход по созданию имитационной модели городской телекоммуникационной сети пакетной коммутации MetroEhternet с учётом свойств сетевого трафика.
На основании имитационной модели проведено исследование при определенных параметрах действующей телекоммуникационной сети MetroEhternet одного из провайдеров широкополосного доступа и выработаны практические рекомендации по выбору рабочих параметров сети для повышения эффективности ее эксплуатации, что особенно важно при передаче мультимедийного трафика.
Использованный подход может быть масштабирован для исследования телекоммуникационных сетей с другими параметрами и иной архитектурой.
Результаты статьи могут быть полезны сотрудниками компаний, специализирующихся на проектировании и техническом сопровождении мультисервисных телекоммуникационных сетей, а также студентам вузов направления 210400 «Телекоммуникации» и инженерной специальности 210406 «Сети связи и системы коммутации».
Литература
1. Шелухин О. И., Тенякшев A. M., Осин А. В. Фрактальные процессы в телекоммуникациях. Монография / Под ред. О.И. Шелухина. - М.: Радиотехника, 2003.
2. W.E.Leland, M.S.Taqqu, W.Willinger, D.V.Wilson., On the self-similar nature of ethernet taffic , IEEE/ACM Transactions of Networking, 2(1): 115, 1993.
3. МСЭ-Т Recommendation Y.1540. IP Packet Transfer and Availability Performance Parameters//December 2002.
4. The Network Simulator - ns-2. http://www.isi.edu/nsnam/ns/
5. Ромасевич П.В. Построение широкополосной телекоммуникационной сети пакетной коммутации с интеграцией услуг с учетом свойств сетевого трафика. Учебное пособие - Волгоград: Изд-во ВолГУ, 2009.
