Методы имитации ухудшения параметров качества обслуживания в сетях пакетной передачи данных

УДК 654.02

Методы имитации ухудшения параметров качества обслуживания в сетях пакетной передачи данных

Кушневский И.Н.

Аннотация: Рассмотрены причины ухудшения параметров качества обслуживания в сетях пакетной передачи данных на основе стека протоколов TCP/IP. Разработана тестовая топология и набор имитационных тестов для проверки влияния ухудшения параметров качества обслуживания на полезный трафик.

Ключевые слова: пакетные сети, качество обслуживания, задержка пакета IP, флуктуация задержки пакета IP, процент потерь пакетов.

Methods of imitation compromising quality of service in packet data networks

Kushnevsky I. N.

Abstract: There has been considered reasons for the deterioration of the quality of service parameters in packet data networks based on protocol stack TCP/IP. Developed a test topology and set of simulation tests to verify the effect of compromising quality of service on useful data traffic. Models are applied to test topology and there has been tested dependency the quality of service parameters of the equipment controlled parameters. There has been conducted simulation increasing jitter and packet loss on the data channel.

Key words: packet data networks, quality of service, IP packet delay, Jitter, IP packet loss ratio.

Введение

Концепция конвергенции услуг и сервисов на базе сетей пакетной передачи данных в современных реалиях создает ряд проблем по обеспечению качества обслуживания. Многие виды трафика, критичные к параметрам качества обслуживания, переводятся на IP. Яркими примерами являются сигнальный трафик SIGTRAN и голосовой трафик VOIP. Так как сети на базе IP не могут полноценно гарантировать постоянство параметров качества обслуживания всем сервисам по причине асинхронной природы, возникает необходимость трафик-инжиниринга. В свою очередь, для управления трафиком, необходимо классифицировать и разделить на потоки различные виды трафика и установить для данных потоков трафика уровень качества обслуживания и предельные значения параметров качества обслуживания.

Для определения предельных значений качества обслуживания требуется имитировать различные ситуации ухудшения качества обслуживания.

Постановка задачи

Задачей работы является создание набора тестов, по которым можно определить кри-

тичность параметров качества обслуживания для различных видов трафика, и оценка данных тестов на предмет пригодности для оценки предельных значений качества обслуживания.

Основные параметры качества обслуживания, анализ основных причин ухудшения параметров качества обслуживания

Основными параметрами качества обслуживания в пакетных сетях передачи данных являются:

• задержка;

• вариации задержки прохождения пакета или джиттер;

• процент потерь пакетов;

• процент ошибочных пакетов;

• пропускная способность.

Пропускная способность измеряется в

бит/с и показывает, сколько бит за секунду может быть передано по каналу передачи данных. Пропускная способность канала передачи данных напрямую зависит от передающей среды и технологий, используемых при передаче данных. В случае пакетных се

тей передачи данных, пакет всегда передается на максимальной скорости, в то время как другие пакеты ожидают своей очереди на отправку. Отправка пакета не может быть прервана, пока пакет не будет полностью передан, так же как и не может быть начата, пока не будет закончена отправка уже отправляемого пакета. В сетях с коммутацией каналов, напротив, имеет место поток битов, который по тем или иным алгоритмам может приостанавливаться, например, в случае использования сред множественного доступа с разделением времени (TDMA).

Параметр задержки доставки пакета IP (IP packet transfer delay, IPTD) определяется как время (t1 —t2) между двумя событиями -вводом пакета во входную точку сети в момент t1 и выводом пакета из выходной точки сети в момент 12 , где (t2 > tj) и (tj —12) < Tmax. В общем случае параметр IPTD определяется как время доставки пакета между источником и получателем для всех пакетов - как успешно переданных, так и для пакетов, пораженных ошибками. Средняя задержка доставки пакета IP - параметр, специфицированный в Рекомендации Y.1540, определяется как средняя арифметическая величина задержек пакетов в выбранном наборе переданных и принятых пакетов. Значение средней задержки зависит от передаваемого в сети трафика и доступных сетевых ресурсов, в частности, от пропускной способности. Рост нагрузки и уменьшение доступных сетевых ресурсов ведут к увеличению очередей в узлах сети и, как следствие, к увеличению средних задержек доставки пакетов.

Выделяются три главных составляющих времени, затраченного на доставку пакета:

- время, затраченное на сериализацию. Пакеты передаются через сеть как дискретные единицы, и пока не закончена передача одного пакета, передача другого не может быть начата;

- время, потраченное при постановке в очередь передачи на исходящем интерфейсе

маршрутизатора. Попадая в маршрутизатор, пакет с большой долей вероятности не сможет быть отправлен сразу же, и тогда пакет отправляется в очередь на отправку, где ожидает своей отправки в зависимости от алгоритма, используемого в программном обеспечении маршрутизатора;

- время, потраченное на передачу в физической среде. Данная задержка зависит только от законов физики. Электромагнитные импульсы, проходя через физическую среду, двигаются со скоростью света. Это значит, что при больших расстояниях задержки могут существенно расти.

Вариация задержки пакета IP (IP packet delay variation, IPDV) vk . Для IP-пакета с индексом k этот параметр определяется между входной и выходной точками сети в виде разности между абсолютной величиной задержки xk при доставке пакета с индексом k и определенной эталонной (или опорной) величиной задержки доставки пакета IP d12

для тех же сетевых точек vk = xk — d12. Эталонная задержка доставки пакета IP d1,2 между источником и получателем определяется как абсолютное значение задержки доставки первого пакета IP между данными сетевыми точками. Вариация задержки пакета IP, или джиттер, проявляется в том, что последовательные пакеты прибывают к получателю в нерегулярные моменты времени.

На джиттер влияют все те же параметры, что и на задержку. Причем существенным образом на вариацию задержки влияют выбор алгоритма очередей на маршрутизаторах и загруженность каналов, техники распределения нагрузки.

Коэффициент потери пакетов IP (IP packet loss ratio, IPLR) определяется как отношение суммарного числа потерянных пакетов к общему числу принятых пакетов в выбранном наборе переданных и принятых пакетов. Потери пакетов в сетях IP возникают в том случае, когда значение задержек при передаче пакетов превышает нормированное значение,

определенное выше как Tmax. Если пакеты теряются, то при передаче данных возможна их повторная передача по запросу принимающей стороны. Среди причин, вызывающих потери пакетов необходимо отметить рост очередей в узлах сети, возникающих при перегрузках.

Коэффициент ошибок пакетов IP (IP packet error ratio, IPER) определяется как суммарное число пакетов, принятых с ошибками, к сумме успешно принятых пакетов и пакетов, принятых с ошибками.

Имитация ухудшения параметров качества обслуживания: задержки и флуктуаций задержки

Для имитации ухудшения параметров качества обслуживания соберем тестовый стенд, схема которого приведена на рис. 1.

При тестирование трафик проходит путь от серверов CentOS и OpenSuse через коммутатор и маршрутизаторы до хоста C3. При этом средствами протокола маршрутизации трафик от серверов распределяется по двум равносильным маршрутам: OpenSuse - sw1 -R2 - Traf -R1 - C3 и OpenSuse - sw1 - R2 -R1 - C3.

Для моделирования флуктуаций трафика

на входных и выходных интерфейсах маршрутизатора Traf стоит Traffic Shaper, который помещает пакеты в очередь, из-за чего задержки для данного потока намного больше, чем для потока, проходящего по маршруту OpenSuse - sw1 - R2 - R1 - C3.

Для определения зависимости задержек от параметров Traffic Shaper на хосте OpenSuse запускался генератор трафика UDP, который генерировал определенный уровень трафика, на роутере Traf менялись значения параметров Traffic Shaper. Измерения задержек проводились с хоста OpenSuse утилитой ping пакетами разного размера.

Первоначально были проведены замеры без нагрузки пакетами различного размера с интервалом посылки пакетов в 300 мс. Посылалось 100 пакетов за замер, что генерировало трафик на входящем интерфейсе маршрутизатора R2, рассчитываемый по формуле

P = 1000 L *8, где P - трафик на входном

Ti

интерфейсе маршрутизатора, T - интервал отправки пакетов, L - размер пакетов в байтах. Таким образов, для потока пакетов размером в 100 байт будет генерироваться трафик 1°°°100*8 = 2666бит/с .

300

Рис. 1. Топология сети

В таблице 1 приведены результаты замеров задержек и флуктуации задержек без нагрузки и без использования Traffic Shaper.

В таблице 2 приведены результаты замеров задержек и флуктуации задержек при нагрузке потоком UDP пакетов в 60 кбит/с без использования Traffic Shaper.

Таблица 2.

В таблице 3 приведены результаты замеров задержек и флуктуации задержек без нагрузки с использованием Traffic Shaper на 70 кбит/с. Traffic Shaper на 70 кбит/с не изменяет задержек пакетов по причине низкого уровня трафика на интерфейсах. Трафик на входном интерфейсе маршрутизатора R2 для пакетов размерами 100, 500, 1000, 1500 байт 2.7 кбит/с, 13.5 кбит/с, 27 кбит/с, 40.5 кбит/с, соответственно. Данный трафик распределяется по двум равносильным маршрутам и на интерфейсах маршрутизатора Traf составляет половину трафика входного интерфейса маршрутизатора R2.

Таблица 3.

четко проглядывается работа Traffic Shaper. Флуктуации Задержка для пакетов размером 1500 байт начинает себя проявлять по причине приближения суммарного трафика от

потоков UDP пакетов и пакетов ICMP утилиты ping к значениям, обрабатываемым Traffic Shaper.

Таблица 4.

В таблице 5 видна работа Traffic Shaper для пакетов размером 1500 байт по причине меньшего значения порога срабатывания. Очереди не строятся и пакеты не испытыва-

В таблице 6 хорошо видна работа Traffic Shaper. Флуктуации задержки выросли для всех пакетов. Суммарный трафик составляет 31.3кбит/с, 37кбит/с, 43.5 кбит/с, 50 кбит/с, что является превышением порога срабатывания Traffic Shaper. Маршрутизатор начинает строить очереди и помещать в них пакеты.

Таблица 6.

Имитация ухудшения параметров качества обслуживания: потери пакетов

Для имитации потери пакетов на канале использован механизм traffic policy. Механизм traffic policy при достижении определенного трафика, проходящего через интерфейс, начинает отбрасывать пакеты. Данный механизм обычно используется для ограничения пользовательского трафика на интерфейсах. Для имитации потерь пакетов использовался тот же стенд, что и в тестах на задержку и флуктуацию задержки. На интерфейсе в сто-

Таблица 1.

0 кбит/с

100 байт 300мс 500 байт 300мс 1000 байт 300мс 1500 байт 300м с

Средняя задержка 39 мс 39 мс 40 мс б4 мс

Джиттер 12 мс 13 мс 14 мс 14 мс

60 кбит/с

Traffic Shaper 70000 100 байт 300мс 500 байт 300мс 1000 байт 300мс 1500 байт 300мс

Средняя задержка 43 мс 4б мс 47 мс б8 мс

Джиттер 12 мс 13 мс 14 мс 18 мс

60 кбит/с

100 байт 300мс 500 байт 300мс 1000 байт 300мс 1500 байт 300мс

Средняя задержка 40 мс 41 мс 41 мс б4 мс

Джиттер 12 мс 13 мс 14 мс 14 мс

ют дополнительных задержек.

Таблица 5.

0 кбит/с

Traffic Shaper 35000 100 байт 300мс 500 байт 300мс 1000 байт 300мс 1500 байт 300мс

Средняя задержка 44 мс 44 мс 45 мс б8 мс

Джиттер 15 мс 15 мс 15 мс 17 мс

0 кбит/с

Traffic Shaper 70000 100 байт 300мс 500 байт 300мс 1000 байт 300мс 1500 байт 300мс

Средняя задержка 40 мс 42 мс 42 мс б8 мс

Джиттер 12 мс 13 мс 15 мс 15 мс

В таблице 4 приведены замеры, в которых

60 кбит/с

Traffic Shaper 35000 100 байт 300мс 500 байт 300мс 1000 байт 300мс 1500 байт 300мс

Средняя задержка б4 мс 320 мс 450 мс 2945 мс

Джиттер 57 мс 120 мс 203 мс 1б28 мс

рону хоста С3 маршрутизатора R1 назначался traffic policy со значением 24 кбит/с. Пакеты разного размера отправлялись с интервалом 300мс.

Работа данного механизма показана в таблице 7.

Таблица 7.

Traffic Policy 24000

100 байт 300мс 500 байт 300мс 1000 байт 300мс 1500 байт 300мс

Средняя задержка 39 мс 39 мс 40 мс б4 мс

Потерянных пакетов 0 % 0 % 12 % 57 %

Как видно из замеров, для пакетов размером 100 байт и 500 байт, создающих поток трафика 2.7 кбит/с и 13.5 кбит/с, соответственно, отсутствуют потери. Механизм traffic policy начинает работать для пакетов 1000 байт и 1500 байт, трафик 27 кбит/с, 40.5 кбит/с, соответственно. Причем для трафика, почти в два раза большего предельно допустимого, процент потерь составил более 50%.

Заключение

Таким образом, из результатов измерений мы можем заключить, что изменяя порог срабатывания механизма Traffic Shaper, мы можем имитировать задержки на канале и флуктуации задержек. Данный вид тестов можно использовать для оценки предельных значений параметров задержки и флуктуаций задержки в изучении требований трафика.

С помощью traffic policy имитируются потери на канале. Меняя настройки traffic policy, можно изучать, при каких потерях качество обслуживания перестает удовлетворять приложения, например, появляются искажения звука в потоках VOIP или искажается изображение IPTV. Данный механизм может входить в набор тестов для анализа требований к параметрам качества обслуживания в сетях IP.

Литература

1. Tim Szigeti «End-to-End QoS Network Design» CCIE No. 9794, Christina Hattingh, Cisco Press, 2004.

2. Гольдштейн А.Б., Гольдштейн Б.С Технология и протоколы MPLS. СПб.: БХВ - Санкт-Петербург, 2005. 304 с.

3. Awduche D., Chiu A., Elwalid A., Widjaja I., and X.Xiao Overview and Principles of Internet Traffic Engineering, RFC 3272, May 2002.

4. Гольдштейн Б.С, Маршак М.А., Мишин Е.Д., Соколов Н.А., Тум А.В. Контроль показателей качества обслуживания с учетом перехода к сети связи следующего поколения // Техника Связи. 2009, № 1. С. 14-21

References

1. Tim Szigeti «End-to-End QoS Network Design» - CCIE No. 9794, Christina Hattingh, Cisco Press, 2004.

2. Goldstein A.B., Goldstein B.S. Tehnologiya i protokoly MPLS Saint-Petesburg, 2005, 304 p.

3. Awduche D., Chiu A., Elwalid A., Widjaja I., and X.Xiao, Overview and Principles of Internet Traffic Engineering, RFC 3272, May 2002.

4. Goldstein B.S., Marshak M.A., Mishin E.D., Sokolov N.A., Tum A.V. Tehnika svyazi, 2009, 1 pp.

14-21.

Поступила 03 марта 2012 г.

Информация об авторе

Кушневский Иван Николаевич - аспирант ФГБОУ ВПО «Владимирский государственный университет имени Александра Григорьевича и Николая Григорьевича Столетовых»

Адрес: 600000, г. Владимир, ул. Горького, 87.

Kushnevsky Ivan Nickolaevich - post-graduate student Vladimir state university named after Alexander and Nickolay Stoletovs.

Address: 600000, Vladimir, Gorkogo st., 87.

E-mail: ikushnevsky@gmail.com.