CC BY
16
Ромасевич Е.П.,
ВолГУ, магистрант eromasevich2@mail.ru
Ромасевич П.В.
D-Link, к.т.н., доцент promasevich@dlink.ru
Исследование влияния трафика пиринговых сетей на работу сети MetroEthernet смешанной архитектуры на основе имитационной модели
Аннотация
В статье проведено исследование процесса потери пакетов при передаче самоподобного трафика различной природы в сетях масштаба города со смешанной архитектурой в зависимости от его параметров с учетом влияния наложенных сервисов массового использования с помощью построенной имитационной модели.
Введение
Тенденции современного рынка телекоммуникаций характеризуются масштабным строительством и модернизацией сетевой инфраструктуры, предназначенной для организации различных сервисов - от VoIP до интерактивного телевидения и предполагает доступность сервисов вне зависимости от местоположения клиента и используемого им интерфейса.
На местах состояние телекоммуникационного рынка характеризуется повсеместным развертыванием сетей широкополосного доступа различной архитектуры уровня города (MetroEhternet), что связано с необходимостью предоставления комплекса телекоммуникационных услуг TriplePlay (данные, голос, видео), через единую линейную инфраструктуру.
Качество передаваемой 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 работоспособности при проектировании новой или модернизации существующей телекоммуникационной сети. [1]
По причине трудности постановки эксперимента и сложности аналитического моделирования, 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 У1540 [3], посвященной технологии 1Р 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 - IPpackettransferdelay) ипотеряпакетов (IPLR - IPpacketlossratio).
Необходимо отметить негативное влияние на качество предоставляемых провайдерами услуг различных бесплатных наложенных сервисов массового использования, которые создают большую нагрузку на инфраструктуру, такие как «торренты», и зачастую прямо конкурируют с аналогичными коммерческими сервисами операторов, такие как Skype.
Поэтому целью данной работы является исследование процесса потери пакетов при одновременной передаче самоподобного трафика различной природы в сетях масштаба города со смешанной архитектурой в зависимости от его параметров с учетом влияния «нехороших» сервисов с помощью имитационной модели.
Качество обслуживания QoS определяется в рекомендации МСЭ У1541, в которой указаны значения параметров, которые должны обеспечиваться в сетях 1Р. В таблице 1 приведены верхние границы для средних значений параметров.
Таблица 1 - Рекомендации МСЭ Y.1541
Характери стики сети Классы качества обслужива ния (QoS)
0 1 2 3 4 5
Задержка доставки пакета 1Р, IPTD 100 мс 400 мс 100 мс 400 мс 1с
Вариация задержки пакета 1Р, IPDV (джиттер) 50 мс 50 мс
Коэффициент потери пакетов 1Р, 1Е-3 1Е-3 1Е-3 1Е-3 1Е-3
Коэффициент ошибок пакетов 1Р, 1РЕЯ 1Е-4 1Е-4 1Е-4 1Е-4 1Е-4
Имитационная модель
За основу была взята телекоммуникационная сеть одного из операторов Волгограда. Сеть представляет собой топологию смешанного типа. Здесь представлена сложная звездообразная топология, а также кольцевая на уровне распределения, как показано на Рис. 1.
Для создания модели сети был выбран новый инструмент в этой сфере - сетевой симулятор Ш-3. Этот симулятор представляет собой совершенно новый продукт со своей архитектурой и подходом к построению моделей. Ш-3 полностью написан на языке С++, а сетевые модели становятся его составляющими. В симуляторе Ш-3 достигается более детальная симуляция сети, по сравнению со своими предшественниками. Необходимо отметить, что данный программный продукт позволяет моделировать телекоммуникационные сети на основе 1Ру6, что особенно актуально ввиду уже начавшегося перевода опорных сетей федеральных операторов на этот протокол.
Рис. 1. Топология моделируемой сети
Программа модели написана так, что исследователь может легко менять такие параметры как количество коммутаторов распределения, количество коммутаторов доступа на каждом коммутаторе распределения, количество пользовательских компьютеров на каждом коммутаторе доступа, а также размер пакета генератора трафика, что делает её масштабируемой.
Каждый сегмент сети имеет своё адресное пространство.
Скорость передачи данных в каждом сегменте 100 Мбит/с с задержкой 2 мс. Скорость в кольце, связывающем коммутаторы распределения - 1 Гбит/с с задержкой 1 мс, а скорость до маршрутизатора ядра - 10 Гбит/с с аналогичной задержкой.
Для приближения к реальной ситуации в модель добавлен трафик,
который по своим параметрам близок к FTP-трафику и имитирует «жизнь» в сети.
Трафик «торрентов», передаваемый по протоколу UDP, является самоподобным и создаётся OnOff-генератором на основании распределения Вейбулла с параметрами, соответствующими параметру Хёрста, равному 0,7. Данное распределение было выбрано как хорошо подходящее для описания вероятности переполнения буферной памяти входного интерфейса телекоммуникационной системы [5]. Размер пакета, как упоминалось ранее, может быть задан любым. По умолчанию, размер пакета равен 100 байт, что характерно для пакетов пиринговых сетей на сегодняшний день.
Исследование процесса передачи трафика различной природы в сетях MetroEthernet
Задача данной работы заключалась в исследовании влияния трафика пиринговых сетей на работу сети MetroEthernet на основе имитационной модели при различных параметрах.
Модель имитирует сеть с топологией, представленной на Рис.1, с тремя L3 коммутаторами распределения, двумя L2 коммутаторами доступа на каждом L3 коммутаторе и двумя пользователями на каждом коммутаторе доступа.
Данная модель имеет следующие характеристики:
• от ядра сети до уровня распределения канал - 10Гб/с;
• на уровне агрегации канал - 1 Гб/с;
• использование стека Интернет;
• использование протоколов TCP и UDP для передачи данных;
• масштабируемость модели;
• имитация передачи FTP-пакетов;
• имитация передачи торрент-пакетов;
• учёт самоподобия трафика;
• использование OnOff-генератора с распределением Вейбулла.
В модели сети исследовалось влияние размера пакета торрента на потери пакетов в сети. Были взяты средние значения из трёх наиболее вероятных диапазонов: 64, 100, 200, 400, 800 и 1300 байт.
Исследовалось два возможных варианта сети: с «кольцом» на уровне распределения и без него, когда весь трафик между сегментами сети проходит через маршрутизатор ядра.
В ходе работы менялся параметр скорости доступа пользователя к коммутатору при постоянном значении параметра Хёрста Н=0,7. Было взято пять значений, четыре из которых присутствуют сегодня на рынке (20Мб/с, 10Мб/с, 4Мб/с и 2Мб/с), и одно максимальное - 100Мб/с. Полученные результаты представлены на Рис.2 и Рис.3.
На каждом графике изображены три кривые, соответствующие трём длинам пакетов: 100, 200 и 1300 байт. Данные значения были взяты из
чаще встречающихся диапазонов торрент-пакетов современных сетей, процентное соотношение которых приведено в [4]:
• 64 байт - 5%
• 64-127 байт - 58%
• 128-255 байт - 16%
• 256-511 байт - 5%
• 512-1023 байт - 4%
• 1024-1518 байт- 13%
70,00 60,00 50,00 ч* 40,00
О4
I 30,00
Б
= 20,00 10,00 0,00 -10,00
♦
с
64 байта 100 байт 200 байт 400 байт 300 байт 1300 байт
20
40
60
80
100
120
Скорость доступа, МЬр5
Рис. 2. Потери пакетов при различных скоростях доступа при разных размерах пакета торрента и Н=0,7, с кольцом на уровне агрегации
80,00
70,00
60,00
50,00
-ч?
ч 40,00
а.
Ф
30,00
с
20,00
10,00
0,00
-10,00
64 байта 100 байт 200 байт 400 байт 800 байт 1300 байт
20
40
60
80
100
120
Скорость доступа, МЬрЕ.
Рис. 3. Потери пакетов при различных скоростях доступа при разных размерах пакета торрента и Н=0,7, без кольца на уровне агрегации
Из графиков видно, что увеличение скорости доступа клиента не приводит к решению проблемы высокой потери пакетов. Напротив, размер пакета «торрента» оказывает сильное влияние на сеть оператора. Так, увеличение размера пакета в настройках торрент-клиентов со 100 байт до 200 байт, приводит к снижению потерь примерно на 20% от общего числа пакетов при любых скоростях. А увеличение пакета до 1300 байт приводит потери практически к нулю при большинстве тарифных планов, что соответствует нормативам потерь пакетов, приведенных в Таблице 1.
Также положительное влияние на процент потери пакетов оказывает более связная топология. Из Рис.2 и Рис.3 видно, что при кольцевой топологии на уровне агрегации при одних и тех скоростях подключения конечных пользователей потери пакетов меньше, чем в случае звездообразной архитектуры сети. Это объясняется наличием большего количества путей от источников к получателям, что снижает пакетную нагрузку на очереди входных интерфейсов активного оборудования телекоммуникационной сети.
Другим направлением исследований было определение влияния степени самоподобия трафика на процент потери пакетов путем изменения параметра Хёрста при постоянной скорости доступа пользователей. При скорости доступа 10 Мб/с, были получены результаты для четырёх значений параметра Н (0,6, 0,7, 0,8 и 0,9). При этом рассматривались случаи кольцевой и звездообразной топологии на уровне агрегации. Результаты данных экспериментов представлены на графиках на Рис. 4 и Рис.5.
Графики показывают зависимости потери пакетов в целом по сети от параметра Херста при постоянной скорости 10Мб/с для всех характерных длин пакетов [4]. Оператор не может влиять на степень самоподобия сетевого трафика, но так как этот параметр может быть измерен, то предварительное исследование поведения сети при его различных значениях параметра Херста может представлять интерес для прогнозирования работы сети и выработки необходимых превентивных мер.
Как видно из графиков на Рис.4-5, сильных изменений потерь пакетов при увеличении параметра Хёрста нет, кроме случая «кольца» на уровне распределения при размере пакета 200 байт и параметре Н=0,8 процент потери пакетов резко возрастает. Чтобы объяснить причину такого скачка, требуется провести ряд дополнительных исследований. При этом также видно, что в случае кольцевой топологии на уровне агрегации при одинаковой степени самоподобия трафика процент потери пакетов для всех длин меньше, что также объясняется наличием альтернативных путей движения трафика по сравнению с чисто звездообразной архитектурой сети.
Таким образом, можно сделать вывод о том, что на потери пакетов в сети влияет как самоподобие, так и скорость доступа пользователя к сети, однако эти параметры сети не оказывают столь значительного влияния на
потери, как размеры отправляемых пользователем пакетов.
Ввиду того, что оператор не может контролировать размеры пакетов пользователей и степень самоподобия трафика, практической рекомендацией в условиях исследуемой архитектуры сети является ограничение трафика торрент-приложений с размерами пакетов ниже 1300 байт, чего оператор может добиться установкой фильтрации трафика по длине пакетов, а также отказ от предоставления клиентам безлимитных тарифов со скоростями ниже 10 Мбит/с.
0,7 0,8
Параметр Хёрста Н
54 байта 100 байт 200 байт 400 байт 800 байт 1300 байт
Рис. 4. Потери пакетов при различных значениях параметра Хёрста при разных размерах пакета торрента и скорости 10Mbps, с кольцом на
уровне агрегации
70,00 50,00
^ 50.00 af о
| 40,00 гс
= 30,00 о<
| 20,00
0,7 0,8
Параметр Хёрста Н
64 байта 100 байт 200 байт 400 байт 800 байт 1300 байт
Рис. 5. Потери пакетов при различных значениях параметра Хёрста при разных размерах пакета торрента и скорости 10Mbps, без кольца на
уровне агрегации
Результаты данной работы могут быть использованы для прогнозирования работы телекоммуникационных сетей MetroEthernet сложной топологии с использованием современных технологий построения инфраструктуры и передаче трафика различной природы, в том числе на основе протокола IPv6, перевод на который своих сетей уже начали крупные телекоммуникационные операторы.
Литература
1. П.В.Ромасевич. Исследование сети MetroEthernet на основе её имитационной модели//Известия ОрелГТУ, Информационные системы и технологии - 2010, №2/58 (585)
2. W.E.Leland, M.S.Taqqu, W.Willinger, D.V.Wilson., On the self-similar nature ofethernettaffic , IEEE/ACM Transactions of Networking, 2(1):1-15,1993
3. МСЭ-Т Recommendation Y.1540. IP Packet Transfer and Availability Performance Parameters//December 2002.
4. Материалы сервера http://forum.nag.ru/forum/index.php?showtopic=55025
5. Norros I. On the Use of Fractanial Brownian Motion in the Theory of Connectionless Networks// IEEE Journal on Selected Areas in Communications. - Aug. 1995. - Vol.13, №6. -Pp.953-962.
