Исследование и разработка методов анализа качества обслуживания сетевого трафика при использовании протокола управления очередями

Актуальность темы

.

Эффективность использования полосы пропускания канала всегда была актуальной задачей, но ее важность возросла в последние годы в связи с появлением все более жестких требований к качеству обслуживания (QoS). Для обеспечения необходимых требований к различным потокам данных используются два метода QoS: управление перегрузкой и предотвращение перегрузок. Первый метод основан на присвоении квот и приоритетов потокам, и в случае перегрузки, потоки получают качество, ограниченное их квотой и приоритетом (например, WRR — Weighted Round Robin). Второй метод ограничивает размер очереди, сигнализируя источникам данных о необходимости уменьшить скорость передачи информации (например, WREDWeighted Random Early Detection).

Первыми учеными, которые начали решать проблему предотвращения и борьбы с перегрузками были Салли Флойд (Sally Floyd), Ван Якобсон (V. Jacobson), Кевин Фолл (Kevin Fall), Ратул Махаджан (Ratul Mahajan) и др. Среди отечественных исследователей следует отметить работы Лиханова Н. С., Потапова A.A., Цыбакова Б. С., Шелухина О. И., Добрушина P. JL, Кузнецова H.A., Вишневского В. М., Ляхова А. И., Богуславского Л. Б. и др.

Несмотря на внушительный объем публикаций [7], [8], [60], [62], [63], [64] по теме предотвращения перегрузок, остается проблема выбора настроек параметров для алгоритма WRED в зависимости от свойств входного трафика.

Последние исследования [17], [19], [22], [31], [33], [35], [36], [42], [53], [62] демонстрируют, что телекоммуникационный трафик для большинства видов сервисов является самоподобным (фрактальным). Учет фрактальных свойств позволит более точно описать исследуемый трафик, что, в свою очередь, даст возможность оценить влияние самоподобия на характеристики QoS. Поэтому актуальными представляются исследования самоподобных б свойств сетевого трафика, их влияния на характеристики QoS и оптимизация параметров протокола WRED с целью обеспечения заданного QoS.

Цель работы.

Целью диссертационной работы являются исследование свойств самоподобия сетевого трафика, оценка их влияния на характеристики качества обслуживания и оптимизация работы алгоритма WRED с целью обеспечения заданного QoS.

Основные задачи исследования.

— Анализ методов обеспечения качества обслуживания в условиях самоподобного трафика.

— Подготовка и проведение эксперимента по сбору трафика, а также выполнение статистического анализа полученных реализаций трафика на предмет выявления характерных свойств.

— Моделирование и анализ поведения сетевого трафика в модели негарантированной доставки данных (best-effort service) с учетом его самоподобных свойств.

— Моделирование и оптимизация параметров протокола WRED для обеспечения требований QoS.

Методы исследования.

Для решения перечисленных задач в работе использованы методы теории вероятностей и математической статистики, теории нелинейных динамических систем, а также имитационное моделирование на ЭВМ.

Положения, выносимые на защиту.

— Метод выявления самоподобных свойств трафика на основе положений нелинейной динамики.

— Количественные и качественные результаты статистического анализа реального самоподобного трафика.

— Результаты имитационного моделирования характеристик ОоБ сети с негарантированной доставкой данных в зависимости от степени самоподобия сетевого трафика.

— Результаты оптимизации параметров протокола управления очередями VRED с целью обеспечения С^оЗ в условиях самоподобия трафика.

Научная новизна.

В диссертации получены следующие новые научные результаты:

— Получены результаты экспериментальных исследований реального сетевого трафика, показывающие, что реализации трафика обладают самоподобными свойствами.

— Предложен метод выявления самоподобных свойств трафика на основе положений нелинейной динамики.

— Дан анализ работы алгоритма управления сетевого трафика в сети с негарантированной доставкой данных в условиях самоподобия трафика. Выявлено влияние самоподобия трафика на характеристики С^оБ.

— Проведена оптимизация параметров алгоритма VRED в сети с дифференцируемым обслуживанием с целью обеспечения заданных параметров ОоБ. Оценено влияние степени самоподобия сетевого трафика на результаты оптимизации.

Практическая ценность и реализация результатов работы.

Результаты, полученные в данной работе, могут быть использованы в существующих и создаваемых сетях передачи данных. Сформулированные рекомендации рационального выбора параметров алгоритма управления очередями «VRED позволяют повысить эффективность использования буферов маршрутизатора, и как следствие, улучшить уровень обслуживания.

Результаты диссертационной работы внедрены в телекоммуникационной компании ЗАО «Волга Телеком» и в учебный процесс ГОУВПО ПГУТИ, о чем свидетельствуют соответствующие акты.

Апробация работы.

Теоретические и практические аспекты работы докладывались и обсуждались на XIV Российской научной конференции профессорско-преподавательского состава ПГАТИ, Самара, 2007; 10 и 12 Международной конференции «Цифровая обработка сигналов и ее применение», Москва, 2008, 2010; 9 Международной научно-технической конференции «Проблемы техники и технологий телекоммуникации», Казань, 2008; X Международной научно-технической конференции «Проблемы техники и технологий телекоммуникаций», Самара, 2009.

Публикации.

Основное содержание диссертации отражено в 10 опубликованных работах. Публикаций включают 3 статьи в изданиях, рекомендуемых ВАК.

Структура и объем работы.

Настоящая диссертация содержит 148 страниц и состоит из введения, четырех глав, заключения и 5 приложений, включая 143 иллюстраций и 6 таблиц.

Список литературы

содержит 51 наименование.

4.3 Выводы по главе 4.

В настоящей главе было проанализировано поведение сетевого трафика с различными значениями коэффициента Хэрста в модели с дифференцируемым обслуживанием в перегруженном канале связи. В качестве протокола управления перегрузками был выбран взвешенный алгоритм произвольного раннего обнаружения WRED. По результатам данного анализа можно сделать следующие выводы:

1. Для несамоподобного трафика процент потерянных пакетов для всех 6 вариантов значений порогов протокола VRED не превышает 1%, причем, чем меньше Н, тем меньше потерянных пакетов. С ростом степени самоподобия у трафика увеличивается и процент потерь, но не превышает 5%. На число ошибок влияют и пороговые значения протокола WRED. Так, наихудшими вариантами являются 1 и 2, в то время как наиболее оптимальными вариантами пороговых значений являются 4, 5 и 6. Максимальная разница между ними достигает чуть более 1% потерянных пакетов. Переход к дифференцируемой модели связи с применением алгоритма активного управления очередями WRED позволяет значительно улучшить данных параметр связи по отношению к среде с негарантированной доставкой данных. Максимальный выигрыш наблюдается для трафика с коэффициентом Хэрста от 0,1 до 0,5. Причем для данного участка отличия в выборе пороговых значений алгоритма WRED наиболее существенны. С дальнейшим ростом коэффициента Хэрста выигрыш становится менее ощутимым, но даже для наихудшего случая он в 1,37 раз лучше для аналогичного варианта в модели best-effort.

2. В данном эксперименте оценка задержки при передаче пакета проводилась по трем значениям — минимальному, среднему и максимальному. Минимальная задержка для различных пороговых значений WRED остается неизменной, за исключением 2 варианта для самоподобного трафика с Н = 0,9. Характер графика минимальной задержки зависит от значения коэффициента Хэрста. Так для трафика с Н ~ 0,1 — 0,4, минимальная задержка остается постоянной. Дальнейший рост коэффициента Хэрста приводит к уменьшению минимальной задержки с незначительными всплесками в районе Н = 0,6 и Н= 0,9. Величина средней задержки с ростом коэффициента Хэрста плавно увеличивается. Для данного параметра характерна разница между различными вариантами пороговых значений алгоритма управления. График максимальной задержки также увеличивается с ростом Н. Значительный выигрыш в задержке с применением в сети алгоритма активного управления очередями, наблюдается* лишь для: средней величины. Причем выигрыш становится меньше с ростом коэффициента^ Хэрста. Наилучшим вариантом значений параметров WRED для данного случая являются 1 и 2, а наихудшим — 4, 5 и 6. Но даже в худшем случае выигрыш по отношению к модели сети с негарантированной доставкой данных составляет 1,5 раз.

3. Джиттер, как и задержка оценивался по трем значениям — минимальному, среднему и максимальному. Минимальное значение джиттера остается неизменным для различных пороговых значений алгоритма и различных значений параметра Хэрста. Лишь для 2, 5 и 6 вариантов наблюдается уменьшение в точке //=0,8 и для 5 и 6 вариантов — в точке //=0,9. Для средней величины джиттера наблюдается незначительный рост данного параметра на участке от Н- 0,1 до //= 0,2. Дальнейший рост коэффициента Хэрста приводит к плавному уменьшению средней величины джиттера. График максимальной величины джиттера имеет наиболее неравномерный характер. Выигрыш минимального джиттера по отношению к сети с негарантированной доставкой данных наблюдается лишь для 2, 5 и 6 вариантов пороговых значений и лишь для самоподобного трафика с коэффициентом Хэрста Н = 0,8. В остальных случаях наблюдается незначительный регресс. Для средней величины джиттера с применением алгоритма VRED наблюдается незначительное улучшение для всех типов трафика. Причем для трафика с коэффициентом Хэрста от 0,1 до 0,6 наблюдается спад. Дальнейшее увеличение коэффициента Хэрста приводит к росту выигрыша. Максимальная величина джиттера остается на прежнем уровне по отношению к предыдущему опыту, и лишь для самоподобного трафика с //=0,6 для всех вариантов и для трафика с Н = 0,9 для 5 и 6 вариантов наблюдается ухудшение данного параметра качества связи.

4. Анализ основных характеристик производительности сетевого соединения в данном эксперименте показал, что применение алгоритма активного управления очередями VRED в «узком» канале, способствует улучшению качества, связи. Данное улучшение качества связи зависит от коэффициента Хэрста. Наиболее заметный, выигрыш наблюдается для отброшенных пакетов и средней величины задержки. С ростом Н выигрыш для обоих параметров уменьшается, но все равно остается значительным по отношению к модели с негарантированной доставкой данных.

5. Анализ полученных данных позволяет сделать рекомендации рационального выбора пороговых значений алгоритма VRED в зависимости от свойств трафика. Основные результаты оптимизации параметров протокола управления VRED сведены в таблицу 4.3.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

Настоящая диссертационная работа посвящена исследованию методов обеспечения гарантированного качества обслуживания и поиск параметров работы алгоритма WRED для самоподобного трафика, обеспечивающих наилучший QoS по отношению к системам с негарантированной доставкой данных.

Основным результатом проведенных в диссертационной работе теоретических и экспериментальных исследований являются рекомендации рационального выбора параметров алгоритма управления очередями WRED, позволяющих повысить эффективность использования буферов маршрутизатора, и как следствие, улучшить уровень обслуживания.

Для достижения этой цели в работе сделано следующее:

1. Подробно рассмотрено современное состояние и главные понятия теории самоподобного трафика, такие как фрактальность, самоподобие, коэффициент Хэрста, распределения с тяжелыми хвостами. Также рассмотрены основы теории нелинейной динамики. Приведены главные аспекты архитектуры дифференцированных услуг QoS, а также формирование РНВ (рег-hop behavior) политик по значению поля кода дифференцированной услуги (DSCP) IP пакета.

2. Проведенный статистический анализ трафика, собранного на сети Интернет-провайдера ОАО «Самара Телеком» показал, что реализации трафика обладают самоподобными свойствами. Кроме того, в исследуемых временных рядах обнаружена слабая детерминированная составляющая.

3. Построена имитационная модель сети с негарантированной доставкой. t данных, позволяющая детально проанализировать основные характеристики качества связи — потеря пакетов, задержка при передаче пакета и джиттер. Показана неэффективность работы алгоритма FIFO в случае, когда' скорость передачи выше пропускной способности канала («узкий» канал). С ростом коэффициента Хэрста производительность работы алгоритма FIFO значительно ухудшается.

4. Экспериментально показано, что применение алгоритма активного управления очередями WRED в «узком» канале, способствует улучшению качества связи. Данное улучшение качества связи зависит от коэффициента Хэрста. Наиболее заметный выигрыш наблюдается для отброшенных пакетов и средней величины задержки. С ростом Н выигрыш для этих параметров уменьшается, но все равно остается значительным по отношению к модели с негарантированной доставкой данных.

5. Проведено исследование влияния различных значений параметров протокола WRED на качество обслуживания. Даны рекомендации рационального выбора параметров алгоритма WRED, позволяющих увеличить эффективность использования буферов маршрутизатора и, как следствие, поднять пропускную способность или улучшить уровень QoS.