Оценка результатов использования протокола rip в системах связи с динамической топологией сети методом имитационного моделирования

СИСТЕМЫ ТЕЛЕКОММУНИКАЦИЙ И СЕТЕВЫЕ ТЕХНОЛОГИИ

УДК [621.394/.396.049.73:519.173]:[004.45:656.022]

А. А. Сорокин, В. Н. Дмитриев, Чан Куок Тоан, П. С. Резников

ОЦЕНКА РЕЗУЛЬТАТОВ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ПРОТОКОЛА RIP В СИСТЕМАХ СВЯЗИ С ДИНАМИЧЕСКОЙ ТОПОЛОГИЕЙ СЕТИ МЕТОДОМ ИМИТАЦИОННОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ

Цель работы - оценка эффективности использования протокола динамической маршрутизации RIP в системах связи с динамической топологией сети, предназначенных для обслуживания объектов транспорта. В качестве базовой математической модели, описывающей топологические изменения системы телекоммуникаций, использована модель «мерцающего» графа. Суть модели «мерцающего» графа заключается в последовательном представлении топологических изменений сети в виде эволюции графа, при этом состояние графа изменяется дискретно. Последующий граф отличается от предыдущего на некоторое небольшое приращение, которое содержит информацию о количестве добавленных или изъятых ребер из графа. В результате использования модели происходит преобразование изменений топологической структурной составляющей системы связи из пространственной области (возникающей в результате изменения положения узлов относительно друг друга) во временную область (когда топологические изменения происходят в процессе добавления или исключения ребер графа). Работа сети исследовалась в программном пакете Opnet Modeler. Проведено сравнение полученных результатов с результатами моделирования системы связи с динамической топологией в программном пакете Network Simulator. Оценка результатов показала, что при использовании протокола RIP сохраняется работоспособность сети при скорости передачи информации до 64 Мбит/с и скорости перемещения узла до 80 км/ч.

В данных диапазонах скорости передачи информации и скорости перемещения узла обеспечивается качество передачи мультимедийного трафика по параметру задержки информационного пакета из конца в конец. Для обеспечения надежности передачи трафика рекомендовано использовать протоколы транспортного уровня, гарантирующие доставку информационных пакетов. Результаты исследований показывают возможность использования протокола маршрутизации существующих сетей передачи данных RIP в системах связи с динамической топологией сети, предназначенных для обслуживания транспортных магистралей

Ключевые слова: моделирование, протокол, маршрутизация, динамическая топология, граф, система связи, информационный пакет, задержка, вероятность потери.

Введение

В настоящее время одним из направлений развития систем связи является предоставление телекоммуникационных услуг на транспортных объектах - самолетах, кораблях, поездах. В отличие от ad hoc систем, которые предусматривают передачу низкоскоростного трафика между большим количеством мобильных абонентов, во время предоставления услуг на объектах транспорта требуется организация высокоскоростных каналов передачи данных между непосредственно объектом и системой связи общего пользования. В [1, 2] описаны общие принципы построения подобных систем. В [3] описана математическая модель «мерцающего» графа, согласно которой возможно использование методов теории графов для моделирования крупномасштабных систем связи с динамической топологией сети (ССДТС). В [4, 5] показана техническая возможность обеспечения передачи трафика с приемлемыми параметрами качества QoS (Quality of Service) мультисервисного трафика при скорости передачи данных в канале до

32 Мбит/с за счет использования протоколов динамической маршрутизации. Однако в [4, 5], при исследовании процесса передачи трафика по ССДТС, использовался абстрактный протокол динамической маршрутизации, и это исследование подтверждает только принципиальную возможность использования протоколов динамической маршрутизации, применяемых в традиционных IP-сетях. Как показывает практика, в IP-сетях широкое применение нашел протокол динамической маршрутизации RIP (Routing Information Protocol) [6]. Таким образом, необходимо провести дальнейшую оценку работоспособности крупномасштабных ССДТС при использовании существующих протоколов динамической маршрутизации.

Целью исследований была оценка результатов использования протокола динамической маршрутизации RIP в ССДТС, предназначенных для обслуживания объектов транспорта.

Исследование эффективности использования протокола динамической маршрутизации RIP в системах связи с изменяемой топологией сети

Протокол динамической маршрутизации RIP нашел применение в сетях, работающих с использованием протоколов стека TCP/IP. Протокол RIP относится к дистанционновекторным протоколам, и принцип его работы основан на обмене информацией о маршрутах между маршрутизаторами [6]. В качестве метрики используется число транзитных участков, максимальное количество которых составляет 15. Все маршруты, имеющие более 15 транзитных участков, получают бесконечный вес в таблице маршрутизации.

В качестве средства моделирования ССДТС использовался программный пакет OPNET Modeler [7]. Программный пакет OPNET Modeler является средством для разработки и исследования различных телекоммуникационных и информационных систем, содержит большое количество моделей протоколов, сетевого оборудования, приложений, а также позволяет осуществлять графическую визуализацию эксперимента при помощи построения схем сети и отображения результатов эксперимента в виде графиков. Оценка эффективности работы телекоммуникационной системы проводится по большому количеству параметров, в том числе таких, как задержка пакета из конца в конец (End to end delay), количество отправленных и принятых пакетов, джиттер пакетов.

В качестве базовой математической модели, описывающей поведение ССДТС, использованы функционалы, заложенные в основу модели «мерцающего» графа [3, 8]. Суть модели «мерцающего» графа заключается в последовательном представлении топологических изменений сети в виде эволюции графа, при этом состояние графа изменяется дискретно:

где G(Дt) - граф, который описывает топологию сети в течение момента времени Дt, когда, согласно модели, считается, что система находится в стационарном состоянии.

При этом графы G(Дtk) и G(Дtk+1) отличаются на некоторое небольшое приращение ДG .

Согласно модели «мерцающего» графа, приращение ДG содержит информацию о количестве добавленных ребер или изъятых из графа G . Формально данный процесс описан при помощи функционала

Функционалы (1), (2) описывают процесс преобразования изменений топологической структурной составляющей системы связи из пространственной области (возникающей в результате изменения положения узлов относительно друг друга) во временную область (когда топологические изменения происходят в процессе добавления или исключения ребер графа). Время «открытия» и «закрытия» каналов определяется на основании исходной базы данных о состоянии сети, которая содержит информацию о параметрах перемещения сетевых узлов, параметрах оборудования, установленных на сетевых узлах, и параметрах зоны развертывания сети.

Для проведения эксперимента использовались исходные данные, приведенные в табл. 1 [4].

G( Atk+1) = G( Atk) ^ AG.

Таблица 1

Начальные условия моделирования сети

Параметры подвижных узлов № узла Координаты Скорость Угол движения

Среднее значение, км Среднее значение, км/ч

Параметры статических узлов № узла Координаты, км Радиус покрытия, км

A 10; 5 20

B 42,5; 25 20

C 75; 17,5 20

D 77; 55 20

Е 107,5; 37,5 20

Параметры точек поворота № точки Координаты. среднее значение, км Угол поворота, град

П1 52,5; 15 20

П2 63,5; 18,5 53

П3 80; 41 20

П4 97,5; 47,5 0

Топология моделируемой сети, сформированной при помощи данных табл. 1, показана на рис. 1.

км

70

60

50

40

30

'10

Рис. 1. Перемещение крупного подвижного объекта по сложной траектории при использовании антенн, обеспечивающих сплошное покрытие зоны обслуживания

В результате использования данных табл. 1 и методики определения времени использования канального ресурса для моделирования инфокоммуникационных ССДТС, предназначенных для обслуживания водных путей, заключающейся в расчете времени «открытия» и «закрытия» каналов связи между парой узлов в зависимости от условий их перемещения и типа используемых антенных комплексов, получены результаты, приведенные в табл. 2.

Данные табл. 2 в дальнейшем используются для формирования имитационных моделей для среды Network Simulator или Opnet Modeler. Результаты моделирования исследуемой топологии в программном пакете Network Simulator представлены на рис. 2 и 3.

Таблица 2

Время «открытия» и «закрытия» каналов связи между крупным подвижным объектом и стационарным ретранслятором

Скорость движения узла, км/ч Пара узлов Время «открытия» канала, с Время «закрытия» канала, с

Математическое ожидание Среднеквад- ратическое отклонение Математическое ожидание Среднеквад- ратическое отклонение

20 a - A 0 0 3 548,8 96,6

a - B 3 165,2 91 9 784,5 146,2

a - C 8 581,5 146,6 14 401,5 295,7

a - D 13 891,8 289 19 424,3 383

a - E 16 853,7 271,8 - -

a - b - - 23 475,3 453,9

40 a - A 0 0 1 791,5 132

a - B 1 571,8 73,8 4 862,5 238,7

a - C 4 264,7 202,9 7 155,3 327,3

a - D 6 906,2 318,8 9 651,2 446,3

a - E 8 375,4 406,9 - -

a - b - - 11 663,5 542,9

80 a - A 0 0 893 44,3

a - B 796,2 40,8 2 461,8 83

a - C 2 159,3 79,6 3 623,7 143,5

a - D 3 495,3 139,2 4 887,3 187,2

a - E 4 240,6 144,9 - -

a - b - - 5 906,5 222,6

Скорость передачи информации, Мбит/с

Рис. 2. Зависимость вероятности потери пакета от скорости передачи информации

Анализ графиков на рис. 2 и 3, а также требований QoS на передачу мультимедийного трафика [9] показывает, что исследуемая ССДТС пригодна для передачи трафика реального времени (задержка информационного пакета не превышает значения 300 мс, а вероятность потери 0,1 %), а при использовании протоколов транспортного уровня, гарантирующих доставку, исследуемая система пригодна и для передачи трафика обычных данных. Ограничением использования полученных результатов является абстрактность некоторых моделей протоколов и моделей узлов, которые используются в процессе написания имитационной модели. Фактически полученные результаты означают принципиальную справедливость разработанной модели

«мерцающего» графа, при этом большую практическую значимость будут иметь результаты, полученные в процессе использования реальных протоколов управления сетью, и более конкретные модели узлов.

S

о

и

й

к

S

S

я

й

2

Л

о

к

S

й

и

N

Л

о

«

СО

0.04

0,038

0,036

0,034

0,032

0,03

0,028

0,026

0,024

0,022

0,02

40 км/ч

N 20 км/ч

10

15

20

25

30

35

Скорость передачи информации, Мбит/с

Рис. 3. Задержка передачи пакета от отправителя к получателю в зависимости от скорости передачи информации

Более того, как показала практика, исследование сетей, обеспечивающих передачу трафика со скоростью более 64 Мбит/с, в силу специфики работы используемых программных продуктов, требует больших затрат времени для проведения эксперимента и обработки полученных результатов. Реализация исследований с учетом использования реальных протоколов управления сетью, а также сокращение затрат времени на проведение возможны при использовании программного пакета Opnet Modeler. В качестве протокола маршрутизации в исследуемой сети использовался протокол RIP, в качестве сетевых узлов - маршрутизаторы, по многим функциональным возможностям аналогичные маршрутизаторам Cisco. Результаты моделирования с использованием данных табл. 1 и 2 для диапазона скорости передачи от 1 до 64 Мбит/с приведены в табл. 3.

Таблица 3

Результаты моделирования ССДТС в программе Opnet Modeler

Скорость движения подвижного узла 1 Мбит/с 4 Мбит/с 8 Мбит/с 16 Мбит/с 32 Мбит/с 64 Мбит/с

а т е ек а п ог с S * не он ен § S с? ео Ц «  Э & g нк из ка и ж р е д а ео Вероятность потери информационного пакета, % а т е ек а п ог с S * не он ен оци ок с? ео ор ацн ф но нк из ка и ж р е д а ео Вероятность потери информационного пакета, % а т е ек а п ог с но ,ц не он ен оци ок с? ео ор ацн ф но нк из ка и ж р е д а ео Вероятность потери информационного пакета, % Задержка информационного пакета из конца в конец, с Вероятность потери информационного пакета, % Задержка информационного пакета из конца в конец, с Вероятность потери информационного пакета, % Задержка информационного пакета из конца в конец, с Вероятность потери информационного пакета, %

20 км/ч 0,00086 0,26 0,00178 0,239 0,0031 0,208 0,007 0,234 0,038 0,212 0,03 0,25

40 км/ч 0,00086 0,291 0,00178 0,348 0,0031 0,306 0,007 0,448 0,038 0,286 0,03 0,34

80 км/ч 0,00086 0,465 0,00178 0,447 0,0031 0,449 0,007 0,455 0,038 0,442 0,03 0,56

С учетом данных табл. 3 на рис. 4, 5 построены графические зависимости, аналогичные зависимостям на рис. 2 и 3.

Анализ результатов эксперимента свидетельствует, что, несмотря на изменившиеся значения результатов эксперимента, система связи в целом сохраняет работоспособность при использовании на сетевом уровне протокола динамической маршрутизации RIP. Оценка моделируемой системы по критерию задержки информационного пакета из конца в конец показывает ее пригодность для передачи трафика реального времени. Результаты оценки системы по критерию вероятности потери информационного пакета более критичны, поскольку превышают установленные нормы QoS. Следовательно, для обеспечения качества передачи информации требуется использование протоколов транспортного уровня, гарантирующих доставку информационного пакета. Примером подобного протокола является протокол TCP (Transport Control Protocol).

§

<D

m

0,5

0.4

0,3

0.2

0,1

0

80 км/ч ^

tr р 40 км/ч

с*  ч % Ш~ - Ш

20 км/ ч

10 20 30 40 50

Скорость передачи трафика, Мбит/с

60

70

Рис. 4. Зависимость вероятности потери пакета от скорости передачи информации при использовании протокола динамической маршрутизации RIP для диапазона скорости от 1 до 64 Мбит/с

Скорость передачи трафика, Мбит/с

Рис. 5. Задержка передачи пакета от отправителя к получателю в зависимости от скорости передачи информации при использовании протокола динамической маршрутизации RIP для диапазона скорости от 1 до 64 Мбит/с

В ходе эксперимента показано также, что система сохраняет работоспособность и обеспечивает качество работы при увеличении скорости передачи информации в 2 раза относительно предыдущих экспериментов, проводившихся в программном пакете Network Simulator.

Заключение

Таким образом, оценка результатов использования протокола динамической маршрутизации RIP в ССДТС, предназначенных для обслуживания объектов транспорта, показала, что при использовании протокола RIP сохраняется работоспособность сети при скорости передачи информации до 64 Мбит/с и скорости перемещения узла до 80 км/ч. В данных диапазонах скорости передачи информации и скорости перемещения узла обеспечивается качество передачи мультимедийного трафика по параметру задержки информационного пакета из конца в конец, а для обеспечения надежности передачи трафика рекомендовано использовать протоколы транспортного уровня, гарантирующие доставку информационных пакетов.

Результаты исследований показывают возможность использования протокола маршрутизации существующих сетей передачи данных RIP в ССДТС, предназначенных для обслуживания транспортных магистралей.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Способ мобильной связи между подвижными и стационарными объектами: пат. 2341896. Рос. Федерация / Дмитриев В. Н., Сорокин А. А.; опубл. 20.12.2008.

2. Дмитриев В. Н. Построение систем связи с динамической непериодической топологией / В. Н. Дмитриев, А. А. Сорокин, О. Н. Пищин // Инфокоммуникационные технологии. Самара. 2008. Т. 6, № 1. С. 34-39.

3. Сорокин А. А. Описание систем связи с динамической топологией сети при помощи модели «мерцающего» графа / А. А. Сорокин, В. Н. Дмитриев // Вестн. Астрахан. гос. техн. ун-та. Сер.: Управление, вычислительная техника и информатика. 2009. № 2. C. 134-139.

4. Сорокин А. А. Разработка математической модели и программ для исследования инфокоммуника-ционных систем с динамической топологией сети / А. А. Сорокин: автореф. дис. ... канд. техн. наук. Астрахань: АГТУ, 2011. 20 с.

5. Сорокин А. А. Разработка и оценка модели системы связи с динамической топологией сети / А. А. Сорокин // Вестн. Астрахан. гос. техн. ун-та. 2009. № 1 (48). C. 13-18.

6. Олифер В. Г. Компьютерные сети: принципы, технологии, протоколы / В. Г. Олифер, Н. А. Оли-фер. СПб.: Питер, 2008. 958 с.

7. Opnet Application and network performers // URL: http://www.opnet.com/university_program /itguru_academic_edition/.

8. Сорокин А. А. Разработка программного комплекса для исследования телекоммуникационных систем с динамической топологией сети / А. А. Сорокин // Вестн. Астрахан. гос. техн. ун-та. Сер.: Управление, вычислительная техника и информатика. 2011. № 2. C. 137-142.

9. Величко В. В. Телекоммуникационные системы и сети: учеб. пособие. Т. 3. Мультисервисные сети / В. В. Величко, Е. А. Субботин, В. П. Шувалов, А. Ф. Ярославцев / под ред. проф. В. П. Шувалова. М.: Горячая линия - Телеком, 2005. 592 с.

Статья поступила в редакцию 12.09.2014

ИНФОРМАЦИЯ ОБ АВТОРАХ

Сорокин Александр Александрович - Россия, 414056, Астрахань; Астраханский государственный технический университет; канд. техн. наук, доцент; доцент кафедры «Связь»; alsorokin2@list.ru.

Дмитриев Вадим Николаевич - Россия, 414056, Астрахань; Астраханский государственный технический университет; д-р техн. наук, профессор; зав. кафедрой «Связь»; vndmitriev@yandex.ru.

Чан Куок Тоан - Россия, 414056, Астрахань; Астраханский государственный технический университет; аспирант кафедры «Связь»; sviaz@astu.org.

Резников Петр Сергеевич - Россия, 414056, Астрахань; Астраханский государственный технический университет; аспирант кафедры «Связь»; sviaz@astu.org.

A. A. Sorokin, V. N. Dmitriev, Tran Quoc Toan, P. S. Reznikov

EVALUATION OF THE RESULTS OF USING THE RIP PROTOCOL IN COMMUNICATION SYSTEMS WITH DYNAMIC NETWORK TOPOLOGY USING SIMULATION METHOD

Abstract. The purpose of the paper is to evaluate the effectiveness of using a dynamic routing protocol RIP in communication systems with dynamic network topology, intended for maintenance of transportation facilities. As a basic mathematical model, describing the topological changes in the telecommunications system the model of "flickering" graph is used. The essence of the model of "flickering" graph is a logical representation of topological changes in the network in the form of the evolution of the graph, while the state of the graph changes discretely. In this case, the subsequent graph differs from the previous one in a small increment, which contains information on the number of additions or deletions of edges in the graph. As a result of using the model, there is a transformation of changes in the topological structural component of the communication system of the spatial domain (arising from changes in the positions of the nodes to each other) to the time domain (when topological changes occur during the addition or deletion of edges of the graph). The network operation was studied in software package Opnet Modeler. Comparison of the obtained results with the results of modeling the system due to the dynamic topology in the software package Network Simulator is made. The evaluation showed that by using the RIP network performance is stored at data rate to 64 Mbit/s and the velocity of the assembly up to 80 km/h. In these ranges of data rates and the speed of the unit, the quality of the transmission of multimedia traffic is provided by the delay parameter of information packet from end to end. To ensure reliable transmission of traffic it is recommended to use transport layer protocols to guaranty the delivery of data packets. The results of these studies prove the possibility of using the routing protocol of existing data networks to the RIP in communication systems with dynamic network topology, designed to serve highways.

Key words: modeling, protocol, routing, dynamic topology, graph, system of telecommunication, information packet, delay, loss probability.

REFERENCES

1. Dmitriev V. N., Sorokin A. A. Sposob mobil'noi sviazi mezhdu podvizhnymi i statsionarnymi ob"ektami [Way of mobile communication between mobile and stationary objects]. Patent RF no. 2341896, 2008.

2. Dmitriev V. N., Sorokin A. A., Pishchin O. N. Postroenie sistem sviazi s dinamicheskoi neperiodi-cheskoi topologiei [Designing of the communication systems with dynamic irregular topology]. Infokommuni-katsionnye tekhnologii, Samara, 2008, vol. 6, no. 1, pp. 34-39.

3. Sorokin A. A., Dmitriev V. N. Opisanie sistem sviazi s dinamicheskoi topologiei seti pri pomoshchi modeli «mertsaiushchego» grafa [Description of the communication systems with dynamic network topology using the model of "flickering" graph]. Vestnik Astrakhanskogo gosudarstvennogo tekhnicheskogo universiteta. Seriia: Upravlenie, vychislitel’naia tekhnika i informatika, 2009, no. 2, pp. 134-139.

4. Sorokin A. A. Razrabotka matematicheskoi modeli i programm dlia issledovaniia infokommunikatsion-nykh sistem s dinamicheskoi topologiei seti. Avtoreferat dis. kand. tekhn. nauk [Development of mathematical model and programs for studying the information communication systems with dynamic network topology. Abstract of dis. cand. tech. sci.]. Astrakhan, AGTU, 2011. 20 p.

5. Sorokin A. A. Razrabotka i otsenka modeli sistemy sviazi s dinamicheskoi topologiei seti [Development and evaluation of the model of communication system with dynamic network topology]. Vestnik Astrakhanskogo gosudarstvennogo tekhnicheskogo universiteta, 2009, no. 1 (48), pp. 13-18.

6. Olifer V. G., Olifer N. A. Komp'iuternye seti: printsipy, tekhnologii, protokoly [Computer networks: principles, technologies, protocols]. Saint-Petersburg, Piter Publ., 2008. 958 p.

7. Opnet Application and network performers. Available at: http://www.opnet.com/university_program /itguru_academic_edition/.

8. Sorokin A. A. Razrabotka programmnogo kompleksa dlia issledovaniia telekommunikatsionnykh sistem s dinamicheskoi topologiei seti [Development of software complex for studying telecommunication systems with dynamic network topology]. Vestnik Astrakhanskogo gosudarstvennogo tekhnicheskogo universiteta. Seriia: Upravlenie, vychislitel’naia tekhnika i informatika, 2011, no. 2, pp. 137-142.

9. Velichko V. V., Subbotin E. A., Shuvalov V. P., Iaroslavtsev A. F. Telekommunikatsionnye sistemy i seti. Vol. 3. Mul'tiservisnye seti [Telecommunication systems and networks. Vol. 3. Multiservice networks]. Pod redaktsiei professora V. P. Shuvalova. Moscow, Goriachaia liniia - Telekom Publ., 2005. 592 p.

The article submitted to the editors 12.09.2014

INFORMATION ABOUT THE AUTHORS

Sorokin Alexander Aleksandrovich - Russia, 414056, Astrakhan; Astrakhan State Technical University; Candidate of Technical Sciences, Assistant Professor; Assistant Professor of the Department "Communication"; alsorokin2@list.ru.

Dmitriev Vadim Nikolaevich - Russia, 414056, Astrakhan; Astrakhan State Technical University; Doctor of Technical Sciences, Professor; Head of the Department "Communication"; vndmitriev@yandex.ru.

Tran Quoc Toan - Russia, 414056, Astrakhan; Astrakhan State Technical University; Postgraduate Student of the Department "Communication"; sviaz@astu.org.

Reznikov Peter Sergeevich - Russia, 414056, Astrakhan; Astrakhan State Technical University; Postgraduate Student of the Department "Communication"; sviaz@astu.org.