CC BY
44
УДК621.39, 004.7
Шмелева Т. Р.
Канд. техн. наук, доцент, доцент кафедры коммутационных систем Одесской национальной академии связи
им. А. С. Попова, Одесса, Украина
РЕЕНТЕРАБЕЛЬНАЯ МОДЕЛЬ RIP ПРОТОКОЛА В ФОРМЕ _РАСКРАШЕННЫХ СЕТЕЙ ПЕТРИ_
Решена задача автоматизации оценки функциональных характеристик IP-сетей с динамической маршрутизацией на основе протокола RIP в процессе проектирования сетей. Предложен метод построения реентерабельных моделей, который обеспечивает повторное использование моделей, ориентированных на технологии и инвариантных к структуре сети. Для проведения вычислительных экспериментов и получения числовых оценок параметров качества обслуживания IP-сети к моделям терминальных сетей добавлены измерительные фрагменты в параметрическом виде. Проведен сравнительный анализ параметров качества обслуживания IP-сетей при слабой и средней нагрузке в условиях нормального режима работы и при временном отключении портов маршрутизаторов. Получена оценка полезной пропускной способности сети при разных видах нагрузки и условиях функционирования сети. В результате проведенных экспериментов выявлено, что значения параметров качества обслуживания исследуемой сети существенно не изменяются при нормальном режиме работы и временном отключении портов маршрутизаторов, изменение значений дисперсии является индикатором проблем в сети. Автоматизация оценки характеристик способствует сокращению сроков проектирования сетей.
Ключевые слова: протокол динамической маршрутизации, протокол RIP, сеть IP, реентерабельная модель, раскрашенная сеть Петри, среднее время доставки пакета.
НОМЕНКЛАТУРА
ст - среднеквадратическое отклонение;
CPN - Colored Petri Nets;
IP - Internet Protocol;
ML - Markup Language;
MTU - Model Time Unit;
RIP - Routing Information Protocol;
QoS - Quality of Service;
Traf - пропускная способность сети;
TrIN - количество полученных пакетов;
ВДП - время доставки пакета;
ТС - терминальная сеть.
ВВЕДЕНИЕ
Широкое распространение подходов управляемой моделью разработки дает ощутимые результаты лишь в случае адекватного выбора парадигмы моделирования. Стандарт языка UML, широко распространенного в разработке программного обеспечения продолжает вбирать в себя прогрессивные формализмы моделирования параллельных процессов. Так, например, диаграмма деятельности последнего стандарта языка UML включает элементы сетей Петри. Проектирование телекоммуникационных сетей требуют парадигм моделирования инвариантных к топологии (структурной схеме сети). Одной из таких парадигм является реентерабельная модель в форме раскрашенной сети Петри. Модель разрабатывается для определенной технологии, а параметры сети, такие как структурная схема, производительность оборудования и программного обеспечения загружаются в виде структур данных. Модель обеспечивает автоматизацию расчета функциональных характеристик сети непосредственно в процессе имитационного моделирования с помощью специальных измерительных фрагментов. Таким образом, скорость расчета с помощью имитационной модели приближается к скорости расчетов с помощью аналитических моделей, обеспечивая, как правило, большую точность оценок. Автоматизация расчета характеристик и повышение точ-
© Шмелева Т. Р., 2016
DOI 10.15588/1607-3274-2016-4-12
ности оценок способствуют сокращению сроков и повышению качества проектирования сетей.
В настоящей работе построена модель для IP-сети с динамической маршрутизацией на основе протокола RIP наиболее распространенной сетевой среды современных корпоративных сетей. Поскольку принципиальным для построения модели являются дистанционно-векторные процедуры RIP, модели могут быть модифицированы для использования других протоколов дистанционно-векторной маршрутизации, например BGP, являющимся основным протоколом взаимодействия автономных систем - ядра современного интернета.
1 ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ
Пусть рассматривается метод построения реентерабельных моделей в форме раскрашенных сетей Петри. Представлены основные свойства протокола динамической маршрутизации RIP и параметры IP-сети.
Тогда задача автоматизации оценки функциональных характеристик сетей с динамической маршрутизацией в процессе проектирования сетей будет заключаться в построении реентерабельных моделей сети, ТС, маршрутизаторов, компонентов, реализующих протокол динамической маршрутизации, инвариантных отношению к топологии сети, топология является параметром модели, реализации повторной входимости компонентов и переключения тегов в соответствии с топологией, что способствует сокращению сроков проектирования сетей.
Измерительные фрагменты позволят провести оценку пропускной способности сети, средних и других статистических моментов при разных видах нагрузки и условиях функционирования сети для всех или для отдельной ТС непосредственно в процессе моделирования.
2 ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР
Основные принципы моделирования телекоммуникационных сетей раскрашенными сетями Петри и оценки функциональных характеристик сетей непосредственно в процессе имитационного моделирования с помощью измерительных фрагментов изучены в [4]. Однако в
[4] представлены лишь модели со статическими таблицами коммутации и маршрутизации. Моделирование дистанционно-векторных протоколов для сетей технологии Е6 изучены в [7]. Дистанционно-векторные протоколы маршрутизации применяются как на периферии, например RIP [1, 2], так и в магистрали (ядре Интернет), например, BGP. Поэтому оценка характеристик сетей IP-RIP является актуальной [5], поскольку указанное сочетание протоколов является характерным для большинства корпоративных сетей в современном мире. Таким образом, задача проектирования IP-RIP сетей является широко распространенной.
Представленные в монографии [4] простые принципы построения моделей на основе прямого отображения структурной схемы сети вполне подходят для выполнения одноразовых работ по моделированию. Для массового решения однотипных задач моделирование сетей с одной и той же технологией и различными структурными схемами (топологией), параметрами оборудования и программного обеспечения требуется новая парадигма моделирования. Особенную актуальность задача приобретает в рамках управляемой моделью разработки [6]. В работах [3, 8] предложена новая парадигма моделирования телекоммуникационных сетей раскрашенными сетями Петри на основе реентерабельных компонентов, параметризации топологии и переключения тегов.
В настоящей работе построена реентерабельная модель сети IP-RIP, которая позволяет автоматизировать оценку функциональных характеристик [8, 9] конкретных за-
данных сетей, что способствует сокращению сроков их проектирования. Кроме того, модель может быть использована для оптимизации параметров самого протокола RIP, его дальнейшего развития и разработке новых протоколов дистанционно-векторной маршрутизации.
3 МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ
Для решения поставленных задач построены модели, реализующие взаимодействие маршрутизаторов и ТС, работу RIP протокола, генерацию трафика и расчет параметров QoS, для IP-сетей с произвольной топологией. Описание топологии сети содержит связи между маршрутизаторами и связи между маршрутизаторами и ТС, информацию о подключении устройств к портам. Модель, описывающая основные взаимодействия в сети маршрутизатора с маршрутизатором и маршрутизатора с ТС, представлена на рис. 1.
Топология сети является одним из основных параметров модели и описана в позиции Topology. Количество маршрутизаторов и ТС также являются параметрами модели, их значения задаются соответствующими константами в объявлении переменных, функций и констант, описанных с помощью языка программирования CPN ML. Взаимодействие маршрутизатора с маршрутизатором реализуется переходом Router, который представляет подмодели всех маршрутизаторов сети, и позициями rIN, rOUT, маркировка которых описывает все порты всех маршрутизаторов. Передача данных в сети осуществляется последовательностью срабатывания переходов SwitchTagR и TransmitR, т.е. пакет из выходного
Рисунок 1 - Модель взаимодействия элементов сети
порта rOUT перенаправляется во входной порт rIN в соответствии с топологией сети за счет переключения тегов, идентифицирующих положение пакета в сети. Промежуточная позиция chan моделирует каналы передачи данных в сети, пакеты передаются на вход маршрутизаторов, выполняется переход TransmitR, или ТС, выполняется переход TransmitT.
Модель взаимодействия маршрутизатора с ТС в сети представлена следующими компонентами: переход Customer и позиции aIN, aOUT моделируют все ТС и их входные/выходные порты, соответственно. Передачу пакета в сеть (позицию chan), сгенерированного ТС, осуществляет переход SwitchTagT, выполняется функция gtopo(), которая в соответствии с топологией сети (позицией Topology) переключает теги, определяет следующее положение пакета в сети: номер и порт маршрутизатора. Если рассмотреть описание типов и переменных, то структура пакета в модели q=record t:tag*pk:pktrtm состоит из двух основных частей тега tag и привычного IP-пакета pk.
Таким образом, за счет параметров сети и процедуры переключения тегов, обеспечивается повторная вхо-димость в элементы модели (позиции rIN, rOUT, aIN, aOUT), позволяющая существенно сократить размер модели, свернув топологию сети, и как следствие, время исследования сети при разных условиях.
Построение моделей, выполняющих динамическую маршрутизацию в IP-сети на основе протокола RIP, реа-
лизовано на выше описанных принципах построения реентерабельных моделей. Модель порта IP-маршрути-затора с RIP компонентами, представленная на рис. 2, описывает все порты всех IP-маршрутизаторов сети. Основными позициями модели маршрутизатора являются IN и OUT входные/выходные порты (28=7*4 элементов в каждой позиции), Buf буфер маршрутизатора, RT таблица маршрутизации (7 элементов, по количеству маршрутизаторов). Переход getpkt в соответствии с таблицей маршрутизации определяет выходной интерфейс адреса назначения, выполняется функция grec(), переключает тег номера порта и записывает пользовательский пакет в буфер маршрутизатора. Если в таблице маршрутизации отсутствует информация об IP-адресе получателя, то пакет удаляется, счетчик потерянных пакетов, позиция ndrop, увеличивается на единицу. Переход put извлекает пакет из буфера маршрутизатора и направляет в выходной порт позицию OUT. Далее пакет попадает на главную страницу модели, описанную выше и представленную на рис. 1. Все порты моделей работают в полнодуплексном режиме передачи данных с обязательной проверкой свободности/занятости порта.
Опишем компоненты модели, реализующие работу протокола RIP. Процесс функционирования протокола запускают переход initRT и позиция mum, создавая пустые таблицы маршрутизации в позицию RT по количеству маршрутизаторов в сети. Количество маршрутизаторов и ТС определяются константами RN и TN. Первые
Рисунок 2 - Модель порта IP-маршрутизатора с RIP компонентами
записи в таблице маршрутизации определяются наличием присоединенных ТС, при поступлении во входной порт позицию Ш служебной информации, запускается переход getrm, который помещает пакет в совмещенную позицию in-msg. Далее пакет обрабатывается подмоде-
лью R[Pproc, которая представлена на рис. 3. Процедура RIPupd моделирует передачу таблицы маршрутизации соседним маршрутизаторам и запускается в соответствии с заданными технологическими периодами, подмодель представлена на рис. 4.
Рисунок 3 - Модель обработки сообщений протокола ЫР
Рисунок 4 - Модель передачи таблицы маршрутизации по таймерам
Модель обработки сообщений протокола RIP выполняет две функции: обработку команд ответа RESPONSE и запроса REQUEST. Переход resp преобразует ответ в соответствии с форматом записи таблицы маршрутизации и сохраняет запись в позиции route, метрика увеличивается на единицу (#m g)+1, устанавливается признак изменения chg=true, изменяется таймаут старения ta=cT()+CLTO. Переход process обрабатывает маршрутное обновление с помощью функции newrouteQ.
При обработке запроса различают запрос на передачу одной записи, выполняемый переходом rec, и всей таблицы, выполняемый переходом wholeRT. При формировании ответа переход rec выполняет поиск указанной в запросе сети с помощью функции grec() и возвращает соответствующую запись; при отсутствии записи указывается метрика INFINITY. Для передачи всей таблицы переход wholeRT дублирует ее в позицию RT1 и переходом putrsp таблица передается по записям в буфер маршрутизатора позицию Bufrt; переход clean выполняет очистку пустой таблицы и возвращает признак готовности ready для следующего сеанса обработки запроса.
Работа компоненты RIPupdate, представленной на рис.4, аналогична обработке запроса, только инициируется по таймерам. Вся таблица ретранслируется в буфер маршрутизатора позицию buf переходом putr, при запуске таймера регулярных обновлений clock. Для этого в позиции RTp сохраняется копия таблицы при выполнении перехода sieve, при копировании таблицы реализована ее фильтрация в соответствии с таймаутами функцией sievertQ; переход clean очищает пустую таблицу. Функция mulrec() использует информацию о топологии сети и служит для дублирования записи на все порты. Для формирования одной записи с установленным признаком chg выполняется переход trigger и функция grec() при запуске таймера триггерных обновлений clocki, запись передается в буфер маршрутизатора позицию buf с тегами, полученными функцией muirécQ.
Передаваемые пакеты и локальные данные снабжены тегами, задающими конкретное положение в сети, что позволяет моделировать одновременно работу всех устройств.
4 ЭКСПЕРИМЕНТЫ
Для оценки параметров качества обслуживания и эффективности сети с динамической маршрутизацией на основе протокола RIP модель ТС, предложенная в [3], представлена реентерабельной моделью в форме раскрашенной сети Петри. В модель ТС добавлены измерительные фрагменты [8], представленные рис. 5, для расчета среднего времени доставки пакета, максимального и минимального времени доставки пакета, количества отправленных и принятых пользовательских пакетов, сообщений протокола RIP, среднеквадратичные отклонения от среднего времени доставки пакета.
Для отладки модели использовался пошаговый режим имитации системы CPN Tools, при этом выполнялась трассировка прохождения отдельных сообщений протокола RIP и пользовательских пакетов через сеть.
Для проверки работоспособности модели и адекватности получаемых результатов с ранее проведенными исследованиями, была выбрана схема фрагмента Европейской магистрали Интернет [4], представленная на рис. 6.
Европейская магистраль Интернет содержит семь маршрутизаторов R1.. .R7 и шесть ТС T1.. .T6. Всего использовано 24 IP-сети, при этом каждая из 6 ТС содержит IP-адреса в адресном пространстве соответствующих стран.
Для расчета параметров качества обслуживания выполнялось скоростное моделирование на длительных интервалах времени, количество выполняемых операций (параметр Step) не менее одного миллиона. Измерения производились в условиях слабой (функция генерации трафика Delay()=100..200) и средней (Delay()=10..20) нагрузки, генерируемой ТС; влияние пиковой нагрузки не исследовалось.
(sd+{(#dt a)-a^erM)*{(#dt a)-averM)) div (i+1) (T)|l'0|
if (#n dstnw)=(~(#l
if (#n dstnw)=(~(#l tg)J/then i
"0
sd+{(#ílt4a)-averM)*{(#dt a)-averM)
>___0
sumD (Т)|Г o| INT
Рисунок 5 - Модель измерительных фрагментов для расчета QoS
5 РЕЗУЛЬТАТЫ
Результаты проведенных экспериментов представлены в табл. 1 в условиях слабой нагрузки и табл. 2 при средней нагрузке.
Как видно из табл. 1, метод измерительных фрагментов, предложенный в [8], позволяет существенно сократить количество дополнительных расчетов параметров Ро8, так как вычисления производятся непосредственно в процессе выполнения модели, при этом обеспечивается заданная точность вычислений.
Предложенный метод построения элементов моделей сети реентерабельными моделями в форме раскрашенных сетей Петри позволяет получать оценки средних и других статистических моментов для всех ТС и для отдельной ТС в частности на одной модели, что существенно сокращает размер модели.
Таблица 1 - Значения параметров QoS при слабой нагрузке
212.60.192.0/18 82.119.0.0/19 217.146.144.0/20
Рисунок 6 - Схема фрагмента Европейской магистрали Интернет
Таблица 2 - Значения параметров QoS при средней нагрузке
Параметры Обычный Отключен Отключено
режим 1 порт 2 порта
Среднее ВДП, MTU 51 55 55
Min ВДП, MTU 34 34 34
Max ВДП, MTU 547 571 576
Дисперсия, MTU 472 535 565
а, MTU 21,72 23,13 23,78
TrIN, пакетов 54681 51542 50537
Модельное время 184727 176410 173196
Traf, пакет/MTU 0,296 0,292 0,291
Параметры Обычный Отключен Отключено
режим 1 порт 2 порта
Среднее ВДП, MTU 42 45 47
Min ВДП, MTU 34 34 34
Max ВДП, MTU 245 257 260
Дисперсия, MTU 128 148 205
а, MTU 11,31 12,16 14,32
TrIN, пакетов 49185 46657 45272
Модельное время 1272852 1212394 1178962
Traf, пакет/MTU 0,0386 0,0384 0,0383
6 ОБСУЖДЕНИЕ
Предложенный метод построения моделей по сравнению с методом прямого отображения [4] обеспечивает существенно большую скорость построения модели сети и оценки параметров качества обслуживания, сокращается время корректировки модели при изменении топологии и других характеристик сети.
По сравнению с методом построения параметрических моделей [3, 5] предложенный метод обеспечивает не только параметризацию моделей элементов сети, что уменьшает размер модели, но и их повторную входи-мость, что сокращает количество элементов модели.
Эффективность применения разработанного метода будет тем выше, чем ближе построенная модель к промышленной реализации исследуемой сети и протоколу маршрутизации.
ВЫВОДЫ
В работе решена задача автоматизации оценки функциональных характеристик IP-сетей с динамической маршрутизацией на основе протокола RIP в процессе проектирования сетей. Предложен метод построения реентерабельных моделей, который представляет собой дальнейшее развитие моделей телекоммуникационных систем в форме сетей Петри и преобразования их в класс реентерабельных раскрашенных сетей Петри. Практическая значимость полученных результатов заключается в том, что построена реентерабельная модель, реализующая предложенный метод, на основе которого может быть решена практическая задача сокращения сроков проектирования IP-сетей, выполняющих динамическую маршрутизацию и проведения экспресс анализа оценки числовых характеристик параметров качества обслуживания сети. Результаты могут быть применены для всех протоколов дистанционно-векторного типа при проектировании телекоммуникационных сетей с произвольной топологией.
Перспективы дальнейших исследований состоят в том, чтобы учитывать полученные результаты при разработке новых и оптимизации параметров существующих протоколов динамической маршрутизации.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Malkin G. RFC 2453: RIP Version 2 / G. Malkin, (November 1998). - 39 p.
2. Hedrick C. Routing Information Protocol / C. Hedrick // Network Working Group. - RFC 1058, 1988. - 33 p.
3. Шмелева Т. Р. Параметрическая модель IP-сетей в форме раскрашенных сетей Петри / Т. Р. Шмелева // Сборник УНДИС. -2009. - № 1(9). - С. 70-77.
4. Zaitsev D. A. Clans of Petri Nets: Verification of protocols and performance evaluation of networks / Zaitsev D. A. - LAP LAMBERT Academic Publishing, 2013. - 292 p.
5. Шмелева Т. Р. Оценка эффективности протокола динамической маршрутизации RIP раскрашенной сетью Петри / Т. Р. Шмелева // Сборник научных трудов ОНАС им. А. С. Попова. - 2015. - № 2. - С. 81-88.
6. Object-Oriented Analysis and Design with Applications / Grady Booch [et al.]. The Addison-Wesley Object Technology Series, 3rd ed., Boston 2007. - 691 p.
7. Гуляев К. Д. Динамическая маршрутизация в Е6 сетях / К. Д. Гуляев, Д. А. Зайцев // Радиотехника. - 2009. -Вып. 159. - С. 294-301.
8. Зайцев Д. А. Оценка характеристик сетей Ethernet с помощью параметрических моделей Петри / Д. А. Зайцев, Т. Р. Шмелева // Зв'язок. - 2007. - № 4. - С. 62-67.
9. Вентцель Е. С. Теория случайных процессов и ее инженерные приложения / Е. С. Вентцель, Л. А. Овчаров. - М. : Наука. Ред. физ.-мат. лит., 1991. - 384 с.
Статья поступила в редакцию 13.06.2016.
_ После доработки 24.06.2016.
Шмельова 1. Р.
Канд. техн. наук, доцент, доцент кафедри комутацшних систем Одесько! нацюнально! академп зв'язку 1м. О. С. Попова, Одеса, Украша
РЕЕНТЕРАБЕЛЬНА МОДЕЛЬ RIP ПРОТОКОЛУ У ФОРМ1 РОЗФАРБОВАНИХ С1ТЕЙ ПЕТР1
Розв'язано задача автоматизацп оцшки функцюнальних характеристик IP-мереж з динам1чною маршрутизащею на основ1 протоколу RIP в процес проектування мереж. Запропоновано метод побудови реентерабельних моделей, який забезпечуе повторне викори-стання моделей, ор1ентованих на технологи та швар1антних до структури мережт Для проведення обчислювальних експерименпв i отримання числових оцшок параметрiв якост обслуговування IP-мережi до моделей термшальних мереж додаш вимiрювальнi фрагмента в параметричному виглядт Проведено порiвняльний аналiз параметрiв якост обслуговування IP-мереж при слабкому та серед-ньому навантаженш в умовах нормального режиму роботи i при тимчасовому вщключенш пор™ маршрутизатс^в. Отримано оцшку корисно! пропускно! здатностс мережi при рiзних видах навантаження i умов функцюнування мережт В результат проведених експерименпв виявлено, що значення параметрiв якост обслуговування дослщжувано! мережi ютотно не змшюються при нормальному режимi роботи i тимчасовому вщключенш пор™ маршрутизатс^в, змша значень дисперсп е шдикатором проблем в мережт Автома-тизацiя оцшки характеристик сприяе скороченню термЫв проектування мереж.
Ключов1 слова: протокол динамiчноi' маршрутизацп, протокол RIP, мережа IP, реентерабельна модель, розфарбована спъ Петр^ середнiй час доставки пакета.
Shmeleva T. R.
PhD, Associate Professor, Associate Professor of Switched System department, A. S. Popov, Odesa, National Academy of Telecommunications, Odesa, Ukraine
REENTERABLE MODEL OF RIP PROTOCOL IN COLORED PETRI NETS FORM
The automation task of evaluating the functional characteristics of IP-networks with dynamic routing based on RIP protocol is solved for the designing networks process. A method of reenterable model construction is proposed, this method provides reuse of models, which are technology-oriented and invariant to the network structure. Measuring fragments in parametric form added to the model of terminal networks for computing experiments and estimating of IP-network QoS parameters. A comparative analysis of IP-network QoS parameters carried out in conditions with low and medium load, and in a normal operating mode and temporarily disable the router ports. An estimation of the useful bandwidth obtained for different types of loads and conditions of the network operation. The experiments revealed that the values of QoS parameters of the tested network do not change significantly during normal operation and temporarily disable of the router ports, change the dispersion value is an indicator of problems in the network. Automation of performance evaluation promotes for reducing of network design terms.
Keywords: dynamic routing protocol, RIP protocol, IP network, reenterable model, colored Petri net, average delivery time.
REFERENCES
1. Malkin G. RFC 2453: RIP Version 2. (November 1998), 39 p.
2. Hedrick C. Routing Information Protocol, Network Working Group, RFC 1058, 1988, 33 p.
3. Shmeleva T. R. Parametricheakay model IP setey v forme raskrashennih setey Petri, Sbornik UNDIS, 2009, No. 1 (9), pp. 70-77.
4. Zaitsev D. A. Clans of Petri Nets: Verification of protocols and performance evaluation of networks, LAP LAMBERT Academic Publishing, 2013, 292 p.
5. Shmeleva T.R. Osenka effektivnosti protocola dinamicheskoy marshrutisasii RIP raskrashennoy setiu Petri, Sbornik nauchnih
trudov ONAS im. A.S. Popova, 2015, No. 2, pp. 81-88. Grady Booch...[et al.]. Object-Oriented Analysis and Design with Applications / The Addison-Wesley Object Technology Series, 3rd ed., Boston 2007, 691 p.
Gulyaev K. D., Zaitsev D. A. Dinamicheskay marshrutisaziy v E6 setyah, Radiotehnika, 2009, Vip. 159, pp. 294-301. Zaitsev D. A., Shmeleva T. R. Ozenka harakterestik setey Ethernet s pomoschiu parametricheskih modeley Petri, Zvyazok, 2007, No. 4, pp. 62-67.
Ventzel E. S., Ovcharov L. A. Teoriya sluchainih prosessov i ee ingenernie prilogeniya. Moscow, Nauka. Red. fiz.-Mat. lit., 1991, 384 p.
6
