Имитационное моделирование сети связи в условиях влияния отказов с помощью программы Riverbed

УДК 004.942

DOI: 10.12737/article 5a02fa00087d52.69916122

А.С. Пузанов, К.А. Батенков, А.Е. Миронов, М.В. Илюшин

ИМИТАЦИОННОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ СЕТИ СВЯЗИ В УСЛОВИЯХ ВЛИЯНИЯ ОТКАЗОВ С ПОМОЩЬЮ ПРОГРАММЫ RIVERBED

Рассмотрено имитационное моделирование протокола маршрутизации RIP на базе сети связи с коммутацией пакетов. В программе Riverbed смоделирован фрагмент сети связи c пакетной коммутацией, произведены измерения вероятностных характеристик трафика протокола маршрутизации, проведен анализ результатов и сделаны выводы по

применению протокола при построении сетей связи.

Ключевые слова: имитационное моделирование, сеть связи, протоколы маршрутизации, вероятностные характеристики трафика, программный продукт Riverbed.

A.S. Puzanov, K.A. Batenkov, A.E. Mironov, M.V. Ilyushin

COMMUNICATIONS NETWORK SIMULATION UNDER CONDITIONS OF FAILURE IMPACT USING RIVERBED PROGRAM

At present high demands are made to communication services. A lot of different factors, for example, a failure of communication lines and nodes, affect quality of services offered. At the new network development or updating of already existing one it is necessary to take into account this factor. For this problem solution one resorts to a simulation.

The paper reports the analysis of RIP routing protocol simulation on the basis of a communication network with package switching. In Riverbed program there is modeled a fragment of the communication network with the package switching, the probability characteristics measurements of the routing protocol

traffic are carried out, the results analysis is fulfilled and conclusions for the protocol application at the communication network formation are drawn.

The results presented in the paper may be used for new solutions substantiation at traffic routing in communication networks affected by various sorts of destabilizing factors.

The analysis of RIP routing protocol traffic presented in the paper may be used for the application updating in communication networks of RIP protocol.

Key words: simulation, communications network, routing protocols, traffic probability characteristics, Riverbed software product.

Введение

В настоящее время к услугам связи предъявляются высокие требования. На качество предоставляемых услуг влияет множество различных факторов, например выход из строя линий и узлов связи. При разработке новой сети или модернизации уже существующей необходимо учесть этот фактор. Для решения этой задачи прибегают к имитационному моделированию.

Цель работы - исследование вероятностных характеристик трафика протоколов маршрутизации на основе имитационного моделирования.

Задачами работы являются построение имитационной модели сети связи, ис-

пользующей протокол маршрутизации RIP, исследование статистических зависимостей трафика в условиях отказа линий связи, анализ полученных результатов исследований трафика протокола маршрутизации RIP. Результаты, представленные в статье, могут быть использованы для обоснования новых решений при маршрутизации трафика в сетях связи, на которые воздействуют различного рода дестабилизирующие факторы. Представленный в работе анализ трафика протокола маршрутизации RIP может быть использован для совершенствования применения на сетях связи протокола RIP.

Создание модели сети связи

Для анализа статистических зависимостей трафика в условиях отказа линий связи создана небольшая сеть на основе стека протоколов TCP/IP, которая включает в себя два компьютера, восемь маршрутизаторов, линии связи между этими элементами с учетом резервирования для надежной работы в условиях влияния на них дестабилизирующих факторов. В качестве программного продукта для имитационного моделирования сети связи будет использоваться программа Riverbed. Она опирается в своей работе на информацию о расположении сети, количестве линий и узлов связи, настройке элементов сети, скоростях передачи данных, используемых протоколах и типе оборудования. После настройки созданной модели будут смоделированы отказы линий связи, возникающие в случайные моменты времени. Будут проанализированы такие характеристики, как задержка передачи IP-пакетов, коэф-

фициент потерь ТР-пакетов, время сходимости сети при использовании различных протоколов маршрутизации. Имитационная модель сети связи с отказами представлена на рис. 1.

Рис. 1. Модель сети связи с отказами

Исследование статистических зависимостей отказами, использующей протокол RIP

С помощью построенной имитационной модели, изображенной на рис. 1, проведен анализ влияния среднего времени между отказами линий связи т и среднего времени восстановления линий связи в на задержку передачи IP-пакетов t, коэффициент потерь IP-пакетов p, время сходимости сети связи T, скорость V передаваемого протоколом маршрутизации RIP трафика. Среднее время между отказами линий связи т в ходе проведения экспериментов составляло 30, 100, 300, 1000, 3000,

трафика потока информации в сети связи с

10000 с, а среднее время восстановления линий связи в - 3, 30, 300, 3000 с. В имитационной модели на фрагменте сети связи в качестве протокола маршрутизации использовался протокол RIP. В качестве транспортного протокола использовались протоколы TCP и UDP. Размер передаваемого IP-пакета составлял 10 кбайт. Результаты измерений задержки передачи IP-пакетов t при использовании транспортного протокола UDP представлены в табл. 1.

Таблица 1

Результаты измерений задержки передачи ТР-пакетов с) при использовании транспортного

протокола иБР

0, с т, с

30 100 300 1000 3000 10000

3 - 0,08381 0,0713 0,0717 0,07068 0,07063

30 - 0,1191 0,1305 0,071 0,07662 0,07118

300 - 0,0751 0,0747 0,0723 0,07215 0,0708

3000 - - - - 0,0746 0,073

0.01

100

1х103

1х104

Рис. 2. Зависимость задержки передачи /Р-пакетов t от среднего времени между отказами линий связи т при различных значениях среднего времени восстановления линий связи в и использовании транспортного протокола ОБР

Зависимость задержки передачи /Р-

пакетов t от среднего времени между отказами линий связи т при различных значениях среднего времени восстановления линий связи в и использовании транспортного протокола UDP изображена на рис. 2.

При анализе графиков, изображенных на рис. 2, видно, что при увеличении среднего времени между отказами линий связи т, среднего времени восстановления линий связи в значения задержки передачи IP-пакетов t почти не изменяются. Это связано с тем, что использование транспортного протокола UDP не предполагает гарантированной доставки IP-пакетов до необходимого адресата, вследствие чего IP-пакеты теряются в сети и не дублируются протоколом UDP.

Результаты измерений задержки передачи IP-пакетов t при использовании транспортного протокола TCP представлены в табл. 2.

Таблица 2

Результаты измерений задержки передачи IP-пакетов (t, с) при использовании транспортного

протокола TCP

0, с т, с

30 100 300 1000 3000 10000

3 - 8,41 3,57 1,04 0,51 0,178

30 - 4,1 3,2 0,7849 0,70224 0,28

300 - 0,12 0,12 1,36 0,33 0,1042

3000 - - - - 0,81 0,116

'Ч, c

100

10

0.1

в — 3 с

в — 3 0 с

• • /

, ч у — 3 00 0

• ч

в — ЭЛЛ

ч

<

>1

т, с —

Рис. 3. Зависимость задержки передачи IP-пакетов t от среднего времени между отказами линий связи т при различных значениях среднего времени восстановления линий связи в и использовании транспортного протокола TCP

Зависимость задержки передачи IP-пакетов t от среднего времени между отка-

зами линий связи т и среднего времени восстановления линий связи в при использовании транспортного протокола TCP изображена на рис. 3.

При анализе графиков, изображенных на рис. 3, видно, что при увеличении среднего времени между отказами линий связи т при различных значениях среднего времени восстановления линий связи в значения задержки передачи IP-пакетов t уменьшаются. Это связано с тем, что использование транспортного протокола TCP предполагает гарантированную доставку IP-пакетов до адресата, вследствие чего транспортный протокол TCP повторно дублирует передачу потерянных пакетов в сети.

Результаты измерений коэффициента потерь IP-пакетов p при использовании транспортного протокола UDP представлены в табл. 3.

1

г

л

Таблица 3

Результаты измерений коэффициента потерь IP-пакетов (p) при использовании транспортного протокола UDP

0, с т с

30 100 300 1000 3000 10000

3 0 0,345 0,1447 0,0539 0,032 0,0135

30 0 0,683 0,2924 0,1106 0,03843 0,026

300 0 0,786 0,9573 0,589 0,1152 0,033

3000 1 1 1 1 0,1402 0,0204

Зависимость коэффициента потерь IP-пакетов p от среднего времени между отказами линий связи т при различных значениях среднего времени восстановления линий связи в и использовании транспортного протокола UDP изображена на рис. 4.

При анализе графиков, изображенных на рисунке 4, наблюдается тенденция уменьшения коэффициента потерь IP-пакетов p при увеличении среднего времени между отказами линий связи т при различных значениях среднего времени восстановления линий связи в. Это связано с тем, что при увеличении среднего времени

Таблица 4

Результаты измерений коэффициента потерь IP-пакетов (p) при использовании транспортного протокола TCP

между отказами линий связи т увеличивается время нормального функционирования сети, следовательно, количество отброшенных IP-пакетов снижается. Также следует отметить увеличение значений коэффициента потерь IP-пакетов p при возрастании среднего времени восстановления линий связи в, что свидетельствует об уменьшении времени нормального функционирования сети связи.

Результаты измерений коэффициента потерь IP-пакетов p при использовании транспортного протокола TCP представлены в табл. 4.

0, с т, с

30 100 300 1000 3000 10000

3 1 0,2927 0,0338 0,00002 0,0000312 0,000021

30 1 0,2579 0,245 0,0552 0,000083 0,00712

300 1 0,4580 0,5377 0,0967 0,0073 0,00191

3000 1 1 1 1 0,0325 0,00907

Зависимость коэффициента потерь IP-пакетов p от среднего времени между отказами линий связи т при различных значениях среднего времени восстановления линий связи в и использовании транспортного протокола TCP изображена на рис. 5.

При анализе графиков, изображенных на рис. 5, наблюдается тенденция уменьшения коэффициента потерь IP-пакетов p при увеличении среднего времени между отказами линий связи т, как и на рис. 4.

При сравнении графиков, изображенных на рис. 4 и 5, отчетливо видно, что значения коэффициента потерь IP-пакетов p меньше при использовании транспортного протокола TCP, чем при протоколе UDP. Этот факт подтверждает контроль доставки IP-пакетов протоколом TCP до конечного адресата. Следует также отметить факт наличия порога работоспособности транспортного протокола TCP, что объясняется невозможностью доставки IP-пакетов до адресата, даже с использованием повторных запросов, при значительном времени простоя сети связи.

А

1-

0.1

0.01

>— Ч в 3< 0 0

\

• V

1 * ф м

в 30 0 Ч .

D 4 / \ \ 1

/ ч

/

в _ q 0 1 ♦ \

/ Ч

/ \ ч

в 7» ?

т, с —

0.01

1x10

1x10'

1x10'

т, с >

10

100

1x103

1x104

100

1x103

1x104

Рис. 4. Зависимость коэффициента потерь ТР-пакетов р от среднего времени между отказами линий связи т при различных значениях среднего времени восстановления линий связи в и использовании транспортного протокола иБР

Рис. 5. Зависимость коэффициента потерь IP-пакетов p от среднего времени между отказами линий связи т при различных значениях среднего времени восстановления линий связи в и использовании транспортного протокола TCP

Результаты измерений времени схо- линий связи т при различных значениях

димости сети Т при использовании транс- среднего времени восстановления линий

портного протокола иБР представлены в связи в и использовании транспортного

табл. 5. протокола иБР изображена на рис. 6.

Зависимость времени сходимости сети Т от среднего времени между отказами

Таблица 5

Результаты измерений времени сходимости сети (Т, с) при использовании транспортного

протокола UDP

0, с т, с

30 100 300 1000 3000 10000

3 0 489 61,4 19 15,6 11,8

30 0 650 110,7 37,9 27,41 19,4

300 0 41 35,8 26,2 16,5 16

3000 1,8 5,3 7,9 6,81 11,5 11,15

При анализе графиков, изображенных на рис. 6, видно, что увеличение среднего времени между отказами линий связи т при значениях среднего времени восстановления в = 3, 30, 300 с приводит к уменьшению времени сходимости сети Т. Данное явление объясняется тем, что маршрутизаторы успевают обновить свои маршрутные таблицы до того момента, когда возникают все реже появляющиеся отказы линий связи. При среднем времени восстановления линий связи в = 3000 с значения времени сходимости сети Т меньше, чем при значениях среднего времени восстановления линий связи в = 3,

30, 300 с. Это объясняется тем, что при среднем времени восстановления линий связи в = 3000 с количество сходимостей сети мало, оно начинает расти при увеличении среднего времени между отказами линий связи т. При малых значениях среднего времени между отказами линий связи т время сходимости сети Т вычисляется на основе результатов, полученных при инициализации работы сети связи, которые существенно ниже значений времени сходимости сети при эксплуатации сети связи.

Отсутствие некоторых значений на рис. 6, например значений времени сходимости сети при среднем времени между

отказами линий связи т =30 с и среднем времени восстановления линий связи в = 3, 30, 300 с, говорит о том, что маршрутизаторы не успевают обновлять маршрутные таблицы, как уже снова появляются отказы линий связи.

Таблица 6

Результаты измерений времени сходимости сети (T,c) при использовании транспортного _протокола TCP_

0, с т, с

30 100 300 1000 3000 10000

3 0 550 62,6 17,58 19,12 12,5

30 0 546 124 35,4 24,25 18,75

300 0 29,1 28,4 26,9 19,25 14

3000 2,61 3,5 4,21 7 9,94 11,08

Результаты измерений времени сходимости сети T при использовании транспортного протокола TCP представлены в табл. 6.

Зависимость времени сходимости сети T от среднего времени между отказами линий связи т при различных значениях среднего времени восстановления линий связи в и использовании транспортного протокола TCP изображена на рис. 7.

При анализе графиков, изображенных на рис. 7, наблюдается такая же тенденция уменьшения времени сходимости сети Т при увеличении среднего времени между отказами линий связи т при значениях среднего времени восстановления в = 3, 30, 300 с, как на рис. 6.

^T, c

Рис. 6. Зависимость времени сходимости сети T от среднего времени между отказами линий связи т при различных значениях среднего времени восстановления линий связи в и использовании транспортного протокола UDP

Данное явление объясняется тем, что транспортные протоколы UDP и TCP в малой степени влияют на процесс сходимости сети, что подтверждается почти одинаковыми значениями времени сходимости

Рис. 7. Зависимость времени сходимости сети T

от среднего времени между отказами линий связи т при различных значениях среднего времени восстановления линий связи в и использовании транспортного протокола TCP

сети T при реализации этих транспортных протоколов.

Результаты измерений скорости передаваемого протоколом RIP трафика V при использовании транспортного протокола UDP представлены в табл. 7.

Таблица 7

Результаты измерений скорости передаваемого протоколом RIP трафика (V, байт/с) при использовании транспортного протокола UDP

0, с т, с

30 100 300 1000 3000 10000

3 0 2977 2162 1830 1742 1700

30 0 3103 2310 1894 1771 1705

300 0 1900 1938 1845 1752 1703

3000 1714 1714 1717 1720 1715 1699

Зависимость скорости передаваемого трафика V от среднего времени между отказами линий связи т при различных значениях среднего времени восстановления линий связи в и использовании транспортного протокола UDP изображена на рис. 8.

При анализе графиков, изображенных на рис. 8, наблюдается снижение скорости передаваемого протоколом RIP трафика V при увеличении среднего времени между отказами линий связи т. Это явление отражает тот факт, что при увеличении среднего времени между отказами линий связи т маршрутизаторам приходится реже

Зависимость скорости передаваемого трафика V от среднего времени между отказами линий связи т при различных значениях среднего времени восстановления линий связи в и использовании транспортного протокола TCP изображена на рис. 9.

При анализе графиков, изображенных на рис. 9, наблюдается тенденция снижения скорости передаваемого протоколом RIP трафика V при увеличении среднего времени между отказами линий

обновлять свои маршрутные таблицы, тем самым уменьшается количество передаваемых IP-пакетов.

При среднем времени восстановления линий связи в = 3000 с скорость передаваемого протоколом RIP трафика V почти не изменяется и колеблется около значения 1700 байт/с, что объясняется невозможностью передачи трафика из-за длительного простоя сети связи.

Результаты измерений скорости передаваемого протоколом RIP трафика V при использовании транспортного протокола TCP представлены в табл. 8.

связи т, как и на рис. 8. Значения скорости V передаваемого протоколом RIP трафика при использовании транспортного протокола TCP почти идентичны значениям скорости V передаваемого протоколом RIP трафика при использовании транспортного протокола UDP, что свидетельствует об отсутствии влияния транспортных протоколов на скорость передаваемого протоколом RIP трафика V.

Таблица 8

Результаты измерений скорости передаваемого протоколом RIP трафика (V, байт/с) при использовании транспортного протокола TCP

0, с т, с

30 100 300 1000 3000 10000

3 0 2973 2148 1840 1738 1700

30 0 3100 2309 1890 1770 1709

300 0 1900 1962 1850 1754 1700

3000 1711 1711 1711 1714 1716 1701

1x10

1x10'

V, байт/с

в - в = 30 с

в = 3 00 с ч  ч*< £

в =

00 0 с

10

100

1x10'

т, с —

1x104

1x10

1x10'

V, байт/с

= 3 300

300

.'О.

Н].

30

10

100

1x10'

т, с —

1x104

в

в

в

в

0

с

Рис. 8. Зависимость скорости передаваемого прото колом RIP трафика V от среднего времени между отказами линий связи т при различных значениях среднего времени восстановления линий связи в и использовании транспортного протокола UDP

Рис. 9. Зависимость скорости передаваемого протоколом RIP трафика V от среднего времени между отказами линий связи т при различных значениях среднего времени восстановления линий связи в и использовании транспортного протокола TCP

Заключение

На основе результатов, полученных при снятии статистических данных с имитационной модели протокола маршрутизации RIP, был проведен анализ статистических данных трафика и сформулированы следующие выводы:

- для трафика реального времени отказы в сети связи не оказывают влияния на его временные параметры качества функционирования, что позволяет не учитывать особенности деструктивных воздействий на сети связи при прогнозировании временных характеристик сквозного качества обслуживания;

- для трафика протокола TCP, наоборот, наблюдается прямая линейная зависимость временных параметров качества функционирования от интенсивности деструктивных воздействий, что предполагает использование в качестве исходных данных при проектировании сетей связи, предназначенных для передачи трафика, критичного к потерям, статистических

данных о виде и параметрах распределения времени между отказами и восстановлениями;

- передача на сети связи трафика реального времени приводит к существенным потерям данных даже при малых значениях деструктивных воздействий, поэтому, несмотря на нечувствительность временных параметров, дестабилизирующие факторы оказывают губительное воздействие на сквозное качество обслуживания конечного пользователя;

- при передаче сообщений с гарантиями доставки протокол TCP справляется со своим предназначением лишь при относительно низких интенсивностях восстановления линий связи, поэтому при эксплуатации сети связи необходимо проводить серьезную работу с техническим персоналом по подготовке к ремонтным работам по восстановлению линий связи в кратчайшие сроки.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Рыжиков, Ю.И. Имитационное моделирование / Ю.И. Рыжиков. - СПб.: Корона Принт; М.: Аль-текс-А, 2004. - 380 с.

2. Sethi, Adarshpal S. The Practical OPNET User Guide for Computer Network Simulation / Adarshpal S. Sethi, Vasil Y. Hnatyshin. - CRC Press Taylor & Francis Group, 2013. - 480 с.

3. Чечик, В.В. Имитационное моделирование трафика HTTP с помощью программной среды Riverbed / В.В. Чечик, К.А. Батенков // Труды Северо-Кавказского филиала Московского технического университета связи и информатики. -2016. - Т. 1. - № 9. - С. 273-277.

1. Ryzhikov, Yu.I. Simulation / Yu.I. Ryzhikov. - S-Pb.: Korona Print; M.: Altex-A, 2004. - pp. 380.

2. Sethi, Adarshpal S. The Practical OPNET User Guide for Computer Network Simulation / Adarshpal S. Sethi, Vasil Y. Hnatyshin. - CRC Press Taylor & Francis Group, 2013. - pp. 480.

3. Chechik, V.V. NTTR traffic simulation by means of Riverbed software environment / V.V. Chechik, K.A. Batenkov // Proceedings of Northern-Caucasus Branch of Moscow Technical University of Communication and Informatics. - 2016. - Vol. - No.9 - pp. 273-277.

Статья поступила в редколлегию 9.06.17. Рецензент: д.т.н., доцент Академии ФСО РФ

Лисичкин В.Г.

Сведения об авторах:

Пузанов Алексей Станиславович, сотрудник Академии ФСО России, е-таЛ:

lescha.puzanov@vandex.ru.

Батенков Кирилл Александрович, сотрудник Академии ФСО России, е-таП: pustur@vandex.ru.

Миронов Александр Егорович, сотрудник Академии ФСО России.

Илюшин Михаил Владимирович, сотрудник Академии ФСО России.

Puzanov Alexey Stanislavovich, Employee of the Academy of FGS of Russia, e-mail: lescha.puzanov@yandex.ru.

Batenkov Kirill Alexandrovich, Employee of the Academy of FGS of Russia, e-mail: pustur@yandex.ru.

Mironov Alexander Yegorovich, Employee of the Academy of FGS of Russia.

Ilyushin Mikhail Vladimirovich, Employee of the Academy of FGS of Russia.