Щитникова Анастасия Николаевна
e-mail: tropikanka@ukr.net

Автореферат магисторской работы:
"РАЗРАБОТКА МЕТОДОВ ОЦЕНКИ ПАРАМЕТРОВ ТРАФИКА МУЛЬТИСЕРВИСЕОЙ СЕТИ"

руководитель: доц. Дегтяренко Илья Вячеславович

Широкий диапазон скоростей передачи – от нескольких сот бит до сотен Мбит/с, существенный статический характер информационных потоков, большое разнообразие сетевых конфигураций – все эти факторы значительно усложняют описание трафика в современных информационных системах по сравнению с классическими сетями связи. Физическая природа значительных диапазонов изменения характеристик случайных процессов передачи битового трафика в значительной степени обусловлена нерегулярностью генерации информации источником. В настоящее время появление новых сетевых технологий привело к появлению новых терминалов, обеспечивающих: мультимедиа телекоммуникации, услуги широкополосного доступа, услуги с гарантией времени доставки и т.п. Сети, готовые предоставить любые телекоммуникационные и информационные услуги называют полносервисными или мультисервисными сетями. Мультисервисная сеть связи – это единая телекоммуникационная инфраструктура для переноса, коммутации трафика произвольного типа, порождаемого взаимодействием потребителей и поставщиков услуг связи с контролируемыми и гарантированными параметрами трафика. Данные сети должны гарантировать оговоренное качество соединений и предоставляемых услуг. Данная задача является неотъемлемой частью деятельности оператора. Актуальной проблемой на сегодняшний момент является разработка единой методики оценки параметров трафика мультисервисной сети. Данная задача и является темой моей магистерской работы.

На сегодняшний день не существует единой методики для расчета, прогнозирования и анализа трафика мультисервисных сетей. Существуют лишь частные методики, например, для сети АТМ - это алгоритм "дырявого ведра", мониторинг, комплексный анализ; для телефонных сетей - метод на основе построения матрицы информационного тяготения и т.д.

Все вышеупомянутые методы предназначены для расчета трафика, генерируемого абонентами на прикладном уровне. Однако они не предусматривают тот факт, что на последующих уровнях модели OSI размер сгенерированных пакетов увеличивается на величину, равную размеру служебной информации протокола, действующем на данном уровне. А ведь эта величина может играть значительную роль при расчете максимально допустимой пропускной способности мультисервисной сети. Современные сети связи являются сложными динамическими системами. В настоящее время для описания динамических систем используется классический подход, основанный на построении адекватных динамических моделей в виде систем обыкновенных дифференциальных уравнений. Построение таких моделей, как правило, невозможно без наличия значительного объема априорной информации о физических принципах и закономерностях функционирования исследуемых систем. Данные методы используют результаты вычислительной математики при аппроксимации функций описывающих поведение быстропротекающих процессов или другими словами функций в реальном времени. В данной работе такая модель была взята за основную. А за основу разрабатываемой методики была взята методика Назарова для АТМ.

Данная методика может применятся для прогнозирования, анализа и контроля качества работы мультисервисной сети. Также расчет параметров трафика является нетъемлемой частью при проектировании данных сетей.

1. Основные характеристики трафика

При решении задачи распределения сетевых ресурсов между различными службами, абонент каждой службы характеризуется, с одной стороны, традиционными параметрами трафика:

• интенсивностью входящего потока заявок на предоставление услуг к-й службы η ^(к) , выз/час;
• средней длительностью сеанса связи Тс ^(к) ,с;
• удельной интенсивностью нагрузки γ ^(к) Эрл.

• пиковой (максимальной ) битовой скоростью передачи В ^(к) max , бит/с;
• средней битовой скоростью передачи Вср ; бит/с;
• пачечностью к ^(к) _n , определяемую отношением В ^(к)max/ Вср ; бит/с;
• средним временем пика Тр ^(к) ,с.

Реальный размер передаваемых по сети данных складывается из непосредственно данных и необходимого информационного обрамления, составляющего накладные расходы на передачу. Многие технологии устанавливают ограничения на минимальный и максимальный размеры пакета. Так, например, для технологии Х.25 максимальный размер пакета составляет 4096 байт, а в технологии Frame Relay максимальный размер кадра- 8096 байт. Т.о. можно выделить четыре наиболее общие характеристики трафика:

• «взрывоопасность»,
• терпимость к задержкам,
• время ответа,
• емкость и пропускная способность.

Эти характеристики с учетом маршрутизации, приоритетов, соединений и т.д. как раз и определяют характер работы приложений в сети. Больше всего проблем возникает при попытке «собрать» множество однофункциональных сетей в одну гибкую мультисервисную сеть. Еще труднее получить такую сеть, которая бы могла разрешить абсолютно все проблемы, хотя бы в обозримом будущем.

2. Характеристики законов формирования трафика

Существует несколько законов формирования изменяющегося трафика: Uniform, Exponential, Normal, Log Normal, Gamma, Erlang, Weibull. Объем передаваемой информации может быть установлен в битах, байтах, килобитах, килобайтах, мегабитах, мегабайтах, гигабитах или гигабайтах. Были исследованы законы распределения объемов передаваемых сообщений: Constant, Exponential, Uniform, Normal, Weibull в сочетании с законами распределения интенсивностей Constant, Exponential, Uniform, Normal, Lognormal, Gamma, Erlang, Weibull.

3.Анализ характеристик основных сетевых технологий

Любые сети связи поддерживают некоторый способ коммутации своих абонентов между собой. Практически невозможно предоставить каждой паре взаимодействующих абонентов свою собственную некоммутируемую физическую линию связи, которой они могли бы монопольно «владеть» в течении длительного времени. Поэтому в любой сети всегда применяется какой-либо способ коммутации абонентов, который обеспечивает доступность имеющихся физических каналов связи одновременно для нескольких сеансов связи между абонентами сети. Существует три принципиально различные схемы коммутации абонентов в сетях: коммутация каналов (circuit switching),коммутация пакетов (packet switching),коммутация сообщений(message switching). Каждая из этих схем имеет свои преимущества и недостатки, но по долгосрочным прогнозам будущее принадлежит технологии коммутации каналов, как более гибкой и универсальной.

В информационно-вычислительных сетях (ИВС) коммутация пакетов – основной способ передачи данных. Это обусловлено тем, что коммутация пакетов приводит к малым задержкам при передачи данных через СПД (системы передачи данных), а также следующими обстоятельствами:

• Коммутация каналов требует, чтобы все соединительные линии, из которых формируется канал, имели одинаковую пропускную способность, что крайне ужесточает требования к структуре СПД. Коммутация пакетов и сообщений позволяет передавать данные по линиям связи с любой пропускной способностью.
• Представление данных пакетами создает наилучшие условия для мультиплексирования потоков данных. Благодаря этому эффективно используется линия связи, соединяющая узлы связи и компьютеры с СПД, и одна линия обеспечивает работу многих взаимодействующих абонентов. Экономичность коммутации пакетов несколько снижается из-зи размножения заголовков, сопровождающих каждый пакет, но эти потери окупаются за счет эффекта мультиплексирования сильно пульсирующего потока данных, характерных для ИВС.
• Малая длина пакетов позволяет выделять для промежуточного хранения передаваемых данных меньшую емкость памяти, чем требуется для сообщений. Также использование пакетов упрощает задачу управления потоками данных, поскольку для приема потока пакетов в узлах связи требуется меньше резервной памяти.
• Надежность передачи данных по линиям связи невелика. Типичная линия связи обеспечивает передачу данных с вероятностью искажений 10-4…10-6. Чем больше длина пакета, тем больше вероятность искажения. Искажения исключается перезапросом данных (метод автоматического запроса при ошибке – ARQ: Automatic ReQuest). Пакеты значительно лучше согласуются с механизмом перезапросов, чем сообщения, и обеспечивают наилучшее использование пропускной способности линии связи, работающей в условиях помех.

Выбор длины пакетов производиться исходя из размера сообщения с учетом влияния длины пакетов на время доставки данных, пропускную способность ЛС, емкость памяти и загрузку компьютера. Наиболее широко используются пакеты длиной 1024 бит (128 байт). При такой длине все управляющие сообщения и большинство сообщений, генерируемых в режиме диалоговой обработки, «вкладываются» в один пакет.

3.2. Методы доступа и кадры для сетей Ethernet, Token Ring, АТМ.

Обработку кадров, передаваемых по сети, выполняют сетевой адаптер, устанавливаемый в слот расширения станции, и соответствующий ему драйвер. Сетевой адаптер (СА) и драйвер СА реализуют следующие функции:

• поддерживают метод доступа в сети,
• формируют и анализируют кадры, передаваемые по сети.

В зависимости от поддерживаемого метода доступа и типа кадра сетевые адаптеры можно разделить на несколько групп: Ethernet, Token Ring, ARCNet, FDDI и др. Сети, где устанавливаются перечисленные адаптеры, имеют те же названия: сети Ethernet, сети Token Ring и т. д. Следует отметить, что рассматриваемые СА поддерживают разные методы доступа и типы кадров, поэтому они не совместимы между собой. Следовательно, на станциях, подключаемых к одному сегменту сети, необходимо устанавливать сетевые адаптеры одного типа. Были рассмотрены методы доступа и кадры для сетей Ethernet, Token Ring, и АТМ.

При расчете нагрузки мультисервисной сети необходимо учитывать такие особенности, как:

• метод коммутации
• используемые протоколы на разных уровнях модели OSI
• обработка пакета протоколами нижлежащих уровней

Рисунок 1. Архитектура и совокупность протоколов TCP/IP узла связи Internet

Каждое сетевое приложение формирует свой поток данных, который необходимо передать по сети. К основным сетевым приложениям относятся:

• Internet – приложения (FTP, HTTP, E-mail)
• CAD/CAM
• Telnet
• Сетевые базы данных
• Файловый обмен

При поступлении пакета от приложения протокол TCP/IP на транспортном уровне оценивает его размер и делит его на пакеты (если размер его слишком велик), которые передаются межсетевому уровню (т.е. протоколу IP). Последний формирует свои IP-пакеты. Затем происходит их «упаковка» в кадры (frame), приемлемые для данной физической среды передачи информации. При этом каждый пакет снабжается заголовком данного протокола. Размер заголовка протокола TCP насчитывает 12 байт Размер заголовка протокола IP также насчитывает 12 байт. При прохождении пакета через протоколы IP и ТСP их размер увеличивается на величину, равную размеру служебной информации. Также происходит и на канальном уровне, где пакты еще снабжаются заголовками протоколов данного уровня. Величину, характеризующую данное явление обозначим как km, где m обозначает уровень семиуровневой модели OSI.

Величины данных коэффициентов рассчитаны как отношение общего размера пакета на уровне m к размеру полезных данных приложения.

k_m= k_m/ k_прил

Величины коэффициентов, рассчитанные для протокола TCP/IP и для наиболее распространенных и перспективных сетевых технологий Ethernet, Token Ring и АТМ представлены в таблице 1.

Таблица1- Величины коэффициентов km

kEth.II	kEth.802.3	kEth.802.2	kEth.SNAP	kTR	kATM	kTCP	kIP
1.034	1.034	1.038	1.044	1.005	1.104	1.0156	1.0156

За основу разрабатываемой методики была взята методика Назарова для АТМ. Если известно количество абонентов на каждом объекте и интенсивность потоков пакетов, генерируемыми абонентами каждой службы, то ожидаемую нагрузку на объекте i k-ой службы можно определить по формуле:

B_{i пр}^k= N_абi^k •T_c^k•γ_i^k•B_max^k

где N_абi^k – число абонентов k-ой службы на объекте i

γ_i^k - число заявок, поступающих от абонента k-ой службы в единицу времени, равное: γ_i^k=1/t

T_c^k - средняя длительность сеанса связи абонента в единицу времени

B_max^k – максимальная скорость k-ой службы

Тогда ожидаемая нагрузка, генерируемая абонентами i-го узла связи: В_пр= Вi_пр*k

где К – количество служб.

Следует напомнить, что найденная нагрузка предъявляет требования к пропускной способности, необходимой на прикладном уровне. На транспортном уровне данная нагрузка увеличится на величину k_TCP. Тогда ожидаемая нагрузка на транспортном уровне будет равна:

В_Σтр= k_TCP.•В_Σпр

Аналогично рассчитывается нагрузка на сетевом и канальном уровнях.

В_Σсет= k_IP.•В_Σтр

В_Σкан= k_кан•В_Σсет

Отметим, что предыдущие расчеты нагрузки относились к сетям с коммутацией пакетов. Если сеть использует коммутацию каналов, то расчет нагрузки рекомендуется проводить по следующей методике. Каждая индивидуальная АЛ і-ой категории характеризуется в ЧНН интенсивностями нагрузок при местной связи в пределах зоны yвн.i. Выделяют 6 абонентских категорий, а т.к. статистические данные отсутствуют, то используют рекомендуемые значения для прогнозирования нагрузок абонентов этих категорий.

Для расчета интенсивности нагрузок внутризоновой связи Yвн.j используют формулу:

где N_i.j - число абонентов і-й категории на станции j.

Расчёт интенсивностей нагрузок межзоновой связи будем осуществлять исходя из соотношения

Y_внешj=Y_ис.j+ Y_вх.j=0,5*Y_вн.j

Y_внеш.р= 0,2*Y_вн.р

Данная методика находится в стадии разработки. Для расчета по ней исходные данные предполагается взять из пакета сетевого моделирования Net Cracker, однако эти параметры нуждаются в уточнении. Также необходимо проверка метода на практике. В дальнейшем планируется рассчитать трафик локальной сети кафедры АТ и экспериментально проверить полученные результаты с помощью пакетов сетевого моделирования Net Cracker и UltrasNifer.

Вывод

Широкий диапазон скоростей передачи – от нескольких сот бит до сотен Мбит/с, существенный статический характер информационных потоков, большое разнообразие сетевых конфигураций – все эти факторы значительно усложняют описание трафика в современных информационных системах по сравнению с классическими сетями связи. Физическая природа значительных диапазонов изменения характеристик случайных процессов передачи битового трафика в значительной степени обусловлена нерегулярностью генерации информации источником. Разрабатываемая методика позволит оценивать парметры трафика мультисервисной сети для технологий АТМ, Ethernet, Toker Rihg а также позволит контролировать качество работы данных сетей.

Список используемой литературы

1. А.Н.Назаров. Модели и методы расчета структурно-сетевых параметров сетей АТМ.-М.:Наука,2002.-315с.
2. ДЖ.Мартин. Системный анализ передачи данных, том 2. -М.: Мир, 1975.-432с.
3. А.Т.Гургенидзе, В.И.Корше. Мультисервисные сети и услуги широкополосного доступа.-С.-П.,2003.-434с.
4. Д.А.Мельников. Информационные процессы в компьютерных сетях.-М.:Кудиц-образ,1999-256с.
5. В.Г.Олифер, Н.А.Олифер. Компьютерные сети: принципы, технологии, протоколы.-М.:Питер, 2002-668с.

Сайт ДонНТУ        Магистратура ДонНТУ        Поиск       

Главная        Библиотека        Ссылки        Результаты поиска