Исследование средств
организации активных измерений в сетях передачи данных на базе протокола IPv4
Григорьев Александр Сергеевич,
аспирант Ульяновского государственного
технического университета.
При проектировании и модернизации сетей передачи
данных (СПД) с целью получения более точных проектных решений используется
моделирование. При этом, по мнению автора, при моделировании самым сложным
этапом является параметризация модели сети, особенно в случае модернизации
существующей СПД [1, 2, 7, 8]. Уточнение эксплуатационных параметров элементов
сети возможно с использованием имеющихся и широко доступных средств и
технологий активных измерений. В рамках публикуемой работы проведено
исследование ряда таких средств. Уточняются их возможности и области применимости.
Перечень рассмотренных средств активных измерений приведен в Таблице 1.
Таблица 1.
Программные
средства активных измерений в IP-сетях.
Наименование |
Ссылка на приложение в сети Интернет |
Bing |
|
Bprobe |
|
Clink |
|
Cprobe |
|
Iperf |
|
Netperf |
|
Nettimer |
|
Pathchar |
|
Pathload |
|
Pathrate |
|
Pipechar |
|
Pchar |
|
Ping |
в составе операционной системы |
Sprobe |
С целью определения условий применимости
рассматриваемых средств была изучена документация, доступная по ссылкам в
таблице 1, другие публикации посвященные технологиями организации измерений в
СПД и в частности исследуемым средствам [3, 4, 5, 6, 9, 10], а также проведен
ряд экспериментов, результаты которых публикуются в настоящей работе.
В зависимости от измеряемых параметров и доступных
для измерений протоколов сетевого и транспортного уровней была составлена
матрица применимости рассматриваемых средств (Таблица 2). Которая позволяет
определить подходящую методику измерений и, соответственно, конкретное приложение.
Таблица 2.
Матрица применимости
средств активных измерений в IP сетях.
Инструментарий |
Оцениваемые метрики |
Методика измерений |
Протокол |
||||||||||||||||
CBR* канала |
Загруженность канала |
CBR маршрута |
Загруж. маршрута |
TCP throughput** |
Длины очередей |
Латенсия |
RTT*** |
Доля потерь |
VPS |
Packet Pairs |
Packet Trains |
SLoPS |
TCP connection |
Tailgatting |
Односторонний |
ICMP |
TCP |
UDP |
|
Bing |
|
|
+ |
|
|
|
+ |
+ |
+ |
+ |
|
|
|
|
|
+ |
+ |
|
|
Bprobe |
|
|
+ |
|
|
|
|
|
|
|
+ |
|
|
|
|
|
+ |
|
|
Clink |
+ |
|
|
|
|
|
+ |
|
|
+ |
|
|
|
|
|
+ |
|
|
+ |
Cprobe |
|
|
|
+ |
|
|
|
|
|
|
|
+ |
|
|
|
|
+ |
|
|
Iperf |
|
|
+ |
|
|
|
|
|
+ |
|
|
|
|
+ |
|
|
|
+ |
+ |
Netperf |
|
|
|
|
+ |
|
+ |
|
|
|
|
|
|
+ |
|
|
|
+ |
+ |
Nettimer |
|
|
+ |
|
|
|
|
|
|
+ |
+ |
|
|
|
+ |
|
|
+ |
|
Pathchar |
+ |
|
|
|
|
+ |
+ |
|
+ |
+ |
|
|
|
|
|
+ |
+ |
|
+ |
Pathload |
|
|
|
+ |
|
|
|
|
|
|
|
|
+ |
|
|
|
|
|
+ |
Pathrate |
|
|
+ |
|
|
|
|
|
|
|
+ |
+ |
|
|
|
|
|
|
+ |
Pipechar |
|
|
|
+ |
|
|
|
|
|
|
|
+ |
|
|
|
|
|
|
+ |
Pchar |
+ |
|
|
|
|
+ |
+ |
|
+ |
+ |
|
|
|
|
|
+ |
+ |
|
+ |
Ping |
|
|
|
|
|
|
|
+ |
+ |
|
|
|
|
|
|
+ |
+ |
|
|
Sprobe |
|
|
+ |
|
|
|
|
|
|
|
+ |
|
|
|
|
|
|
+ |
|
* Capacity Bit Rate – пропускная способность по передаче
данных.
** Пропускная способность
на уровне TCP-протокола.
*** Round
Trip Time – время прохождения пакета между двумя узлами «туда-обратно».
В зависимости от условий проведения измерений, а
именно наличия или отсутствия возможности задействовать в процессе
промежуточные узлы прохождения трафика (маршрутизаторы IP-сети) и конечные узлы,
где трафик терминируется, возникают ограничения на использование измерительных
методик. В связи с чем определена применимость рассматриваемых средств в
зависимости от условий организации измерений (Таблица 3). Таким образом, в
зависимости от измеряемой величины и условий проведения измерений, руководствуясь
результатами в таблицах 2 и 3 можно выбрать наиболее адекватный инструмент для
решения задачи измерения некоторого параметра в действующей СПД.
Таблица 3.
Условия
проведения измерений в части интеграции с узлами сети.
Инструментарий |
Использование промежуточных узлов |
Использование конечных узлов |
||||
Нет |
Стандартная |
Специальная |
Нет |
Стандартная |
Специальная |
|
bing |
+ |
|
|
|
+ |
|
bprobe |
+ |
|
|
|
+ |
|
clink |
|
+ |
|
|
+ |
|
cprobe |
+ |
|
|
|
+ |
|
Iperf |
+ |
|
|
|
|
+ |
Netperf |
+ |
|
|
|
|
+ |
nettimer |
|
+ |
|
|
+ |
|
pathchar |
|
+ |
|
|
+ |
|
pathload |
+ |
|
|
|
|
+ |
pathrate |
+ |
|
|
|
|
+ |
pipechar |
|
+ |
|
|
+ |
|
pchar |
|
+ |
|
|
+ |
|
ping |
+ |
|
|
|
+ |
|
Sprobe |
+ |
|
|
|
+ |
|
Следующий шаг исследования рассматриваемых
средств заключался в оценке точности измерений. Была проведена серия
экспериментов, для которой использован участок реальной сети из 5-ти узлов с соединяющими
их каналами связи с разной пропускной способностью и загруженностью. Схема
измерительного стенда приведена на рисунке 1.
Рис. 1. Схема
экспериментального участка сети.
Зафиксированные в ходе экспериментов результаты сведены
в таблице 4. Незаполненные ячейки таблицы – измерение данного параметра не
поддерживается использованным инструментом. Справочно, в таблице 5 приведены
объемы трафика, сгенерированного в ходе измерений, и время выполнения измерений
каждым приложением.
Таблица 4.
Результаты
измерительных экспериментов.
Параметр |
Теорет. значения |
pathchar |
clink |
pchar |
bprobe |
pathrate |
sprobe |
cprobe |
pathload |
pathChirp |
Iperf |
Netperf |
bing |
Сервер 1 – Router
1, IP over FastEthernet, 100Mb/s |
|||||||||||||
CBR, Mb/s |
100 |
37,0 |
35,2 |
34,9 |
|
|
|
|
|
|
|
|
36,8 |
Router1 – Router2,
IP over Ethernet, 10Mb/s |
|||||||||||||
CBR, Mb/s |
10 |
9,10 |
9,19 |
9,02 |
|
|
|
|
|
|
|
|
4,91 |
Router2 –Router3, IP over Frame Relay, 1984Kb/s |
|||||||||||||
CBR, Mb/s |
1,94 |
1,90 |
1,94 |
1,90 |
|
|
|
|
|
|
|
|
2,00 |
Router3 – Сервер2, IP over
Ethernet over xDSL bridge, 2Mb/s |
|||||||||||||
CBR, Mb/s |
2,0 |
1,30 |
1,28 |
1,28 |
|
|
|
|
|
|
|
|
1,41 |
В среднем для маршрута Сервер1-Сервер2 |
|||||||||||||
CBR, Mb/s |
1,94 |
1,30 |
|
1,28 |
1,68 |
1,95 |
|
|
|
1,95 |
|
|
|
TCP throughput |
1,89 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
1,61 |
1,65 |
|
ABR, Mb/s |
1,69 |
|
|
|
|
|
1,71 |
1,44 |
1,80 |
|
|
|
|
Таблица 5.
Объемы
сгенерированного трафика.
|
Объем трафика вх., Kb |
Объем трафика исх., Kb |
Время выполнения, мин |
pathchar |
319,5 |
4349,3 |
11,5 |
clink |
179,1 |
2221,1 |
5,3 |
Pchar |
2319,3 |
5839,7 |
26,4 |
bprobe |
127,1 |
125,9 |
0,0 |
pathrate |
30149,1 |
76,5 |
6,0 |
sprobe |
0,6 |
0,5 |
0,1 |
cprobe |
32,0 |
32,0 |
0,0 |
pathload |
3717,8 |
13,5 |
3,1 |
pathChirp |
3616,1 |
2,3 |
10,1 |
Iperf |
48,7 |
2073,6 |
0,2 |
Netperf |
50,2 |
2120,7 |
0,2 |
bing |
5602,2 |
5537,1 |
1,7 |
По результатам теоретического и практического
исследований рассматриваемых в работе средств активных измерений в IP-сетях
сделаны следующие выводы и рекомендации по их использованию:
1.
Точность
измерений при скоростях выше 10 Мбит/c резко снижается, что
обуславливается недостаточной точностью измерения временных интервалов
(ограниченная дискретность системных компьютерных часов). Таким образом,
рассмотренные утилиты не рекомендуется использовать для измерения каналов с
пропускной способностью выше 10 Мбит/с.
2.
При
оценке параметров участка, построенного на комбинации нескольких технологий,
значительно увеличивается погрешность измерений. В рассмотренном эксперименте
таким участком был канал между Router3 – Сервер2, который на
физическом уровне организован путем включения через Ethernet-интерфейсы xDSL
модемов. Пассивные измерения протоколом SNMP при искусственной загрузке данного
канала показали эффективную пропускную способность 1,9 Мбит/c от 2 Мбит/c
заявленных теоретически. Таким образом, рассмотренные утилиты в таких условиях
дают высокую погрешность измерений, порядка 30%.
3.
Для
измерения пропускной способности отдельного участка сети между двумя удаленными
узлами, с учетом ограничений озвученных в пунктах 1 и 2, наиболее точными инструментами
являются: pathchar, clink.
4.
Для
измерения пропускной способности маршрута наиболее адекватными средствами являются
pathrate и pathChirp.
5.
Наиболее
точную оценку свободной полосы маршрута (величина обратная загруженности канала)
дало приложение pathload.
6.
Наиболее
экономичными с точки зрения суммарной инъекции трафика в сеть были приложения: clink,
pathChirp, pathload. Наименьшую интенсивность
инъекции трафика в сеть имели утилиты: pchar и pathChirp.
Их следует рассматривать как приоритетные в целях минимизации вмешательства в
сеть.
7.
Ни
одним из рассматриваемых приложений не удалось оценить загруженность удаленных
каналов передачи данных (каналов соединяющих два удаленных узла, к которым нет
непосредственного доступа).
Литература
1.
Григорьев А.С.
Моделирование сетевых приложений. Сборник трудов VI всероссийского совещания-семинара
«Информационные технологии в учебном процессе кафедр физики и математики (ИТФМ-2002)»,
Ульяновск, 2002.
2.
Григорьев А.С.
Планирование измерительных экспериментов в сети УлГТУ. Сборник докладов XXXV
научно-технической конференции ППС УлГТУ «Вузовская наука в современных
условиях», Ульяновск, 2001.
3.
Bandwidth estimation:
metrics, measurement techniques, and tools [электронный ресурс]. IEEE
Network, 2003. http://www.caida.org/outreach/papers/2003/bwestmetrics/.
4.
Claffy, K. Internet
measurement and data analysis: passive and active measurement / K.Claffy,
5.
Curtis, J. Review of
bandwidth estimation techniques [электронный ресурс]. 2001. http://citeseer.ist.psu.edu/curtis01review.html
6.
7.
Grigoriev A.S. The approach to simulation of network
services in large computer networks. Interactive Systems: The Problems of
Human-Computer Interaction. – Proceedings of the 5-Th International Conference.
–
8.
Grigoriev A.S.
About integration of the measurement and simulation at designing computer
networks. Problems of the measuring experiments. Interactive Systems: The
Problems of Human-Computer Interaction. – Proceedings of the 4-Th International
Conference. –
9.
Jain, M. End-to-end
available bandwidth: Measurement methodology, dynamics, and relation with tcp
throughput // Proceedings of SIGCOMM.
10.
Postel, J. RFC 792:
INTERNET CONTROL MESSAGE PROTOCOL / J. Postel. RFC Editor, 1981. ftp://ftp.rfc-editor.org/in-notes/rfc792.txt.
Поступила
в редакцию 16.12.2008 г.