Παραγωγή, μορφοποίηση και έλεγχος κίνησης σε δίκτυα IP με χρήση προγραμματιζόμενης μονάδας χρονισμού
Authors: Σαράκης Λάμπρος 
Published: August 2021

Οι αυξανόμενες απαιτήσεις από τους κόμβους μεταγωγής και δρομολόγησης των δικτύων υψηλών ταχυτήτων απαιτούν αρθρωτή αρχιτεκτονική του υλικού και ικανότητα για δυναμική προσαρμογή αυτού και των αντίστοιχων λειτουργιών ελέγχου. Οι μονάδες χρονισμού αποτελούν βασικό δομικό στοιχείο των περισσότερων λειτουργιών ελέγχου κίνησης σε επίπεδο πακέτων παράλληλα παρέχουν τη βάση για την υλοποίηση αποδοτικών εργαλείων παραγωγής κίνησης. Στα πλαίσια αυτά, η παρούσα διδακτορική διατριβή επικεντρώνεται στην μελέτη, υλοποίηση και αξιοποίηση, εξωτερικής ως προς τον κεντρικό επεξεργαστή του κόμβου, μονάδας χρονισμού και επιβολής καθυστέρησης, υλοποιημένης σε υλικό, η οποία συνεπικουρούμενη από μια μονάδα ελέγχου και εκτέλεσης αλγορίθμων (υλοποιημένη σε λογισμικό), είναι ικανή να υποστηρίξει λειτουργίες μορφοποίησης, ελέγχου και παραγωγής κίνησης σε δίκτυα IP. Τα πλεονεκτήματα της προτεινόμενης αρχιτεκτονικής αναδεικνύονται μέσα από πειράματα σε πραγματικό εργαστηριακό δίκτυο. Η προσέγγιση για την μονάδα χρονισμού υποδηλώνεται κυρίως από την ανάγκη για αρθρωτή υλοποίηση των χρονιστών, με τρόπο που να επιτρέπει την δυναμική τους διαμόρφωση. Η μονάδα χρονισμού και επιβολής σιωπής αποτελούμενη από ομάδες χρονιστών-μετρητών και υλοποιούμενη σε πειραματική κάρτα επέκτασης ISA είναι ικανή να υποστηρίξει, ταυτόχρονα, ροές (είτε αθροιστικές είτε ανεξάρτητες) με διαφορετικές απαιτήσεις χρονικής ανάλυσης (ακρίβειας). Η προτεινόμενη μονάδα χρονισμού επιδέχεται επαναπρογραμματισμό στο χρόνο εκτέλεσης (run-time)· με τον τρόπο αυτό προσαρμόζεται στις αλλαγές της δυναμικής του δικτύου. Ο σχεδιασμός της βασίζεται κατά κύριο λόγο στις απαιτήσεις που θέτουν οι λειτουργίες της μορφοποίησης, της αστυνόμευσης και της χρέωσης στα δίκτυα πακέτων. Ωστόσο, η διατριβή πραγματεύεται παράλληλα (σε ότι αφορά ένα μεγάλο μέρος της) και θέματα που άπτονται της παραγωγής κίνησης, διότι αφενός και η λειτουργία αυτή εκμεταλλεύεται αποδοτικά την ύπαρξη μιας ευέλικτης και ακριβούς μονάδας χρονισμού και επιβολής καθυστέρησης, και αφετέρου αποτελεί προαπαιτούμενο στοιχείο για την πειραματική αξιολόγηση των μηχανισμών ελέγχου κίνησης. Στα πλαίσια αυτά της παραγωγής κίνησης, η εκμετάλλευση των μονάδων χρονισμού και επιβολής καθυστέρησης παρέχει στην υλοποίηση μεγάλη ακρίβεια χρονοπρογραμματισμού των διεργασιών εκπομπής πακέτων, αποδεσμεύοντας αυτές από τον χρονιστή του λειτουργικού συστήματος. Η αρχιτεκτονική της γεννήτριας κίνησης υψηλού επιπέδου συνοδεύεται από το λογισμικό διεπαφής με την μονάδα χρονισμού και από αποδοτικές υλοποιήσεις για δημιουργία και αποστολή πακέτων UDP σε επίπεδο πυρήνα του λειτουργικού συστήματος Linux. Παράλληλα, μελετάται η ανάλυση κίνησης και παρουσιάζεται μια υλοποίηση που βασίζεται στην ύπαρξη εξωτερικής προς τον φιλοξενούντα κόμβο μονάδας χρόνου, ικανής να παρέχει με μεγάλη ακρίβεια (εντός μερικών μικροδευτερολέπτων) μετρήσεις απόλυτης καθυστέρησης από άκρο σε άκρο σε ένα μικρό πειραματικό δίκτυο. Όσον αφορά στον έλεγχο κίνησης, κάθε ελεγχόμενη ροή μπορεί να υπόκειται σε μορφοποίηση, αστυνόμευση (και κατά συνέπεια σε σήμανση ή απόρριψη) και χρέωση, ανεξάρτητα από τις άλλες, σύμφωνα με τους αλγόριθμους που υποστηρίζονται από τη σχεδίαση. Για το σκοπό αυτό η μονάδα χρονισμού περιβάλλεται από μια μονάδα εκτέλεσης αλγόριθμων σε ενσωματωμένο λογισμικό, η οποία προσφέρει στην συνολική αρχιτεκτονική καλύτερο έλεγχο και μεγαλύτερη προγραμματιστική ευελιξία. Ο αλγόριθμος μορφοποίησης που μελετάται εκτενώς παρέχει ποσοτικές εγγυήσεις ποιότητας υπηρεσίας στατιστικής φύσης και βασίζεται στην θεώρηση του πολυπλέκτη ως ένα αναμονητικό σύστημα M/GI/L εφαρμόζει δε αραίωση στα μεταδιδόμενα πακέτα με ταυτόχρονη επιβολή ενεργού ρυθμού. Η χρέωση βασίζεται σε ένα σχήμα το οποίο λαμβάνει υπόψη τη διάρκεια μιας ροής, τη δέσμευση εύρους ζώνης (ενεργού ρυθμού) καθώς και το βαθμό χρησιμοποίησης του δεσμευμένου αυτού εύρους ζώνης. Η πειραματική αξιολόγηση του αλγόριθμου μορφοποίησης γίνεται τόσο για τεχνητή κίνηση όσο και για κίνηση που προέρχεται από εφαρμογές video MPEG-4 πραγματικού χρόνου. Εξισορρόπηση της αυξημένης καθυστέρησης που εισάγει η μορφοποίηση μπορεί να γίνει είτε μέσω προσαρμογής του ρυθμού του μορφοποιητή είτε μέσω ελεγχόμενων απορρίψεων. Προς την κατεύθυνση αυτή, πέρα από την μελέτη της επίδρασης της καθυστέρησης που εισάγει ο μορφοποιητής (και την πειραματική αξιολόγηση ενός σχήματος προσαρμογής του ρυθμού αυτού), μέρος της διδακτορικής διατριβής αφιερώνεται και στην μελέτη της επίδρασης των απωλειών στην ποιότητα της λαμβανόμενης εικόνας. Τα πειράματα αξιολογούν την απόρριψη πακέτων από κόμβους του δικτύου, οι οποίοι εφαρμόζουν ενεργά σχήματα διαχείρισης ουρών και αποφυγής συμφόρησης (π.χ. RED και WRED). Η αποτίμηση της αποτελεσματικότητας των μηχανισμών αυτών γίνεται με βάση ένα μέτρο επίδοσης το οποίο βασίζεται στην κατανομή των απωλειών πλαισίων διαφορετικής κωδικοποίησης ροών video MPEG-4.