Содержание к диссертации
Введение
1. Сеть Интернет - провайдера. Виды трафика и методы его обработки 10
1.1 Структура сети Интернет - провайдера 10
1.1.1 Технологии передачи данных в сети Интернет Л0
1.1.2 Возможности Интернет - провайдера. Виды услуг, предоставляемых пользователям сети Интернет 18
1.2 Виды нагрузки и особенности ее передачи. Методы обработки информации в сети Интернет - провайдера 24
1.2.1 Услуга CIR и качество обслуживания 24
1.2.2 Управление очередями в сети Интернет - провайдера 32
1.2.3 Виды систем массового обслуживания. Методы теории телетрафика 38
1.3 Выводы 49
2. Анализ передачи трафика в сети Интернет - провайдера ..52
2.1 Доступ в Интернет с гарантированной скоростью доставки трафика 52
2.2 Методика вычисления плотностей распределения интенсивности поступления пакетов в сети Интернет - провайдера 59
2.3 Определение эффективной ширины полосы пропускания 71
2.4 Выводы 77
3. Разработка методов расчёта среднего времени ожидания пакетов в очереди в сети Интернет - провайдера для СМО типа M/G/1 и G/M/1 78
3.1 Аналитическое и имитационное моделирование процесса передачи данных по сети Ethernet 78
3.2 Исследование вероятностных свойств входящего потока Интернет - провайдера 90
3.3 Алгоритм расчёта размера буфера в сети Интернет -провайдера 95
3.4 Выводы 108
4. Экспериментальные исследования 110
4.1 Обработка статистических данных сети Интернет - провайдера 110
4.2 Имитационное моделирование 117
4.3 Выводы 120
Заключение 122
Список литературы
- Структура сети Интернет - провайдера
- Доступ в Интернет с гарантированной скоростью доставки трафика
- Аналитическое и имитационное моделирование процесса передачи данных по сети Ethernet
- Обработка статистических данных сети Интернет - провайдера
Введение к работе
Актуальность темы
Сеть Интернет в России начала развиваться в первой половине 90-х годов ХХ-го века. С каждым годом можно было наблюдать колоссальный рост количества пользователей, с той же невероятной скоростью увеличивалась и пропускная способность каналов у Интернет - провайдеров.
Современный рост популярности Интернет обусловлен внедрением новых услуг пользователей, а также доступностью самой связи для населения.
Интернет является огромной базой, хранящей различную информацию. Эта информация может быть любого рода: научной, коммерческой, политической, гуманитарной, быть знаниями, накопленными человечеством, или носить характер рекламы.
Помимо ставшей уже привычной электронной почты, Интернет дал нам 1Р-телефонию, WEB-технологию, глобальные поисковые системы, электронные журналы, оперативный доступ к прессе, электронную торговлю, целевую рекламу и многое другое. Грядет интеграция цифрового телевидения, видео-телефонии, звуковые и видео письма - уже реальность. Использование Интернет стало популярным в области медицины и образования.
Поставщикам услуг Интернет хорошо известно, что пользователей в основном интересует скорость, с которой они могут получать данные. Между пользователем и провайдером отношения строятся на компромиссной основе исходя из финансового положения пользователя и возможностей провайдера.
Первый хочет за минимальную плату получать услугу хорошего качества, а второй - рационально расходовать дорогостоящие ресурсы канала.
Такой компромисс выражается в так называемой услуге CIR(Commitment Information Rate) [4, 72]. При покупке виртуального канала заключается контракт на минимальную пропускную способность в соответствии с тем объемом данных, который планируется передавать по сети.
Но помимо пропускной способности канала, на скорость передачи данных очень сильно влияют факты потери пакетов. Увеличение размера очереди устройства обработки пакетов способствует уменьшению потерь и позволяет увеличить скорость передачи данных. Поэтому поставщики услуг создают очереди очень большого объема. Однако увеличение очередей приводит к появлению задержек в интерактивном трафике. Пакеты попадают в исходящую очередь, где они ожидают отправки на удаленную систему, в результате может пройти до нескольких секунд, пока они достигнут места назначения. То же самое повторяется на обратном пути - сначала пакеты попадают в очередь для входящего трафика у поставщика услуг, долго ожидают отправки и только потом попадают к пользователю.
Существуют работы следующих учёных нашей страны, посвященные исследованиям параметров входного потока Интернет - провайдера и методам обработки трафика в современных коммутаторах: Вишневский В.М., Степанов С.Н., Гольдштейн Б.С., Лагутин B.C., Олифер В., Олифер Н., Тарасов В. Н, Львов С. П. [10, 13, 14, 47, 73 - 77, 84] и д. р.
Основной задачей данной работы является анализ и разработка методов расчёта параметров трафика, таких как интенсивность поступления пакетов, интенсивность обслуживания, среднее время ожидания пакетов в очереди, длина очереди и коэффициент загрузки для узла сети Интернет -провайдера.
Цель работы
Анализ методов расчёта параметров входного трафика Интернет -провайдера. Исследование влияния параметров трафика на качество обслуживания, предоставляемого Интернет - провайдером пользователю.
Основные задачи исследования
- Анализ доступа в Интернет с гарантированной скоростью доставки
трафика;
Методика вычисления плотностей распределения интенсивности поступления пакетов в сети Интернет - провайдера;
Определение эффективной ширины полосы пропускания;
Методика расчета плотностей вероятности времени ожидания пакетов в очереди и длины очереди в сети Интернет - провайдера, представленной в виде моделей систем массового обслуживания типа M/G/1 и G/M/1;
Анализ статистических данных, собранных с реальной сети Интернет -провайдера, с целью проверки предложенных моделей.
Методы исследования
Основные теоретические и экспериментальные исследования диссертационной работы выполнены с применением методов теории вероятностей, математической статистики, комбинаторики и приближённых вычислений.
Научная новизна работы
- Предложен метод расчёта скорости передачи пакетов и эффективной
ширины полосы пропускания для разного количества пользователей в сети
Интернет - провайдера.
Разработаны методики определения среднего времени ожидания пакета в очереди и длины очереди в сети Интернет-провайдера, представленной в виде моделей систем массового обслуживания типа М/G/l и G/M/1, и их взаимосвязь с качеством сервиса и загрузкой сети.
Предложен метод анализа параметров входящего трафика.
Основные положения, выносимые на защиту
- Анализ плотности вероятности распределения интенсивности поступления
пакетов в однолинейных системах массового обслуживания.
- Расчет эффективной ширины полосы пропускания, требуемой для
обеспечения надлежащего качества предоставления услуг Интернет -
провайдером.
- Расчет зависимости коэффициента загрузки сети от качества сервиса,
предоставляемого Интернет - провайдером.
- Результаты аналитического и имитационного моделирования процесса
передачи данных по сети Ethernet.
Результаты анализа средней длины очереди и времени ожидания пакетов в устройстве обслуживания Интернет - провайдера.
Результаты экспериментального исследования коммутатора третьего уровня Интернет - провайдера.
Практическая ценность и реализация результатов работы
Результаты анализа параметров трафика в зависимости от требуемого качества обслуживания, представленного в виде гарантированной скорости передачи, предложенные в диссертации, могут быть полезны при проектировании и строительстве сети Интернет - провайдера.
Предложенный в данной работе способ расчета параметров трафика и сети в целом, позволяет контролировать коэффициент загрузки сети и тем самым снизить потери пакетов и перегрузки.
Результаты диссертационной работы внедрены в эксплуатацию при реализации проектов по запуску и обслуживанию узлов связи компании ООО «Опти - Телеком» (г. Самара), а так же использованы в учебном процессе Поволжской Государственной Академии Телекоммуникаций и Информатики города Самары при изучении курсов «Сети связи» и «Проектирование мультисервисных сетей передачи данных».
Апробация работы
Основное содержание работы докладывалось и обсуждалось на XI Российской научно технической конференции ПГАТИ (Самара 2004), 60-ой Научной сессии, посвященной Дню радио, 6-ой, 8-ой Международной конференции «Цифровая обработка сигналов и её применение», 5-ой Международной конференции Молодых ученых и студентов «Актуальные проблемы современной науки», 5-ой Международной конференции
«Проблемы ТеХНИКИ И ТеХНОЛОГИИ ТелеКОММуНИКаЦИЙ», 6-ОМ, 7гОМ
Всероссийском симпозиуме по прикладной и промышленной математике.
Публикации
Основное содержание диссертации отражено в 12 опубликованных работах. Публикации включают 2 тезиса, 10 статей и докладов на международных научных конференциях.
Структура и объём работы
Диссертационная работа состоит из введения, четырёх глав, заключения, списка литературы и приложений. Основная часть работы содержит 135 страниц машинописного текста, 51 рисунок, 8 таблиц. Список литературы включает 125 наименований.
Структура сети Интернет - провайдера
Началом развития сети Интернет в России является первая половина 90-х годов ХХ-го века [25]. Как и все, что относится к сфере высоких технологий, развитие сети Интернет шло с лавинообразной скоростью. С каждым годом можно было наблюдать колоссальный рост количества пользователей, с той же невероятной скоростью увеличивалась и пропускная способность каналов у Интернет - провайдеров.
В конце 90-х годов ХХ-го века началась настоящая "золотая лихорадка": вложение капиталов в Интернет - технологии шло такими темпами, что они во много раз превышали инвестиции в любую другую сферу экономики. Прибыли компаний, работающих на рынке Интернет, росли, а котировки их акций увеличивались до невероятных уровней [24].
В общедоступном Интернете сети доступа соединяются с «остальной сетью» при помощи иерархий сетей Интернет - провайдеров, изображенной на рисунке 1.1. Внизу иерархии находятся сети резидентных Интернет -провайдеров, к которым обычно подключаются оконечные системы. Верхняя часть иерархии представлена сетями так называемых Интернет -провайдеров первого звена. С одной стороны, сети этих Интернет -провайдеров обладают типичными чертами компьютерных сетей - наличием маршрутизаторов и связей с другими сетями. С другой стороны, сети Интернет - провайдеров первого звена имеют свою специфику. Во-первых, их линии связи обычно обеспечивают скорость передачи не ниже 622 Мбит/с, а иногда 2,5 - 10 Гбит/с. Во-вторых, маршрутизаторы сетей
Интернет-провайдеров первого звена должны функционировать с предельно высокой скоростью для того, чтобы не вызывать задержек пакетов. В-третьих, все сети Интернет - провайдеров первого звена напрямую соединены между собой. В-четвертых, к каждой сети Интернет - провайдера первого звена подключено большое количество сетей Интернет -провайдеров второго звена и прочих компьютерных сетей. Наконец, в-пятых, область сетевого охвата Интернет - провайдера первого звена является международной [44].
Взаимосвязи между сетями Интернет - провайдеров Сети Интернет-провайдеров первого звена часто называют магистралями Интернета. К магистральным компаниям относятся UUNet, Sprint, AT&T, Genuity, Cable and Wireless, и другие.
Сети Интернет - провайдеров второго звена, как правило, имеют региональную территорию охвата и подключаются к нескольким сетям Интернет - провайдеров первого звена (рисунок 1.1), а также могут соединяться между собой и обмениваться информацией без участия
Интернет - провайдеров первого звена. К таким провайдерам относятся ОАО «Ростелеком», ЗАО «Транстелеком», Голден Телеком и другие.
Ниже в иерархии расположены сети Интернет - провайдеров третьего звена, которые подключаются к сетям Интернет - провайдеров второго звена. К Интернет - провайдерам третьего звена относятся такие компании, как ООО «Опти - Телеком», Группа компаний «Крафт - С», ОАО «Волга -Телеком» и другие. Они являются поставщиками услуг для широкого круга потребителей.
Доступ в Интернет с гарантированной скоростью доставки трафика
Технология ADSL - наиболее современный вид доступа к сети Интернет или корпоративной сети. ADSL - это телекоммуникационная технология постоянного некоммутируемого соединения пользователя, позволяющая передавать данные со скоростью до 8 Мбит/с по обычным телефонным линиям [15]. Технология позволяет предоставлять услуги, требующие высокоскоростного цифрового канала передачи данных, по существующим кабельным телефонным сетям, построенным на медных витых парах.
Схема подключения по технологии ADSL довольно проста (рисунок 1.5). На окончаниях действующей телефонной линии устанавливаются специальные устройства (сплиттеры) - один на АТС и один в офисе пользователя. К сплиттеру пользователя подключаются обычный аналоговый телефон и ADSL-модем, который в зависимости от исполнения может выполнять функции маршрутизатора или моста между локальной сетью пользователя и пограничным маршрутизатором провайдера. Для передачи данных используется диапазон, находящийся выше полосы частот, отведенной для передачи голоса (выше 4KHz), При этом сохраняется возможность пользоваться традиционными телефонными услугами одновременно с обменом данными. По своему качеству она является альтернативой построению волоконно-оптических сетей (в целом весьма недешевых) и позволяет оптимально использовать существующие кабельные сети традиционных телефонных операторов.
ADSL обеспечивает передачу данных на скоростях, достаточных для эффективной работы с различными данными, в том числе цифровым видео или мультимедиа, то есть перекрывает потребности практически всех существующих на сегодняшний день приложений.
На рисунке 1.5 показан процесс подключения к сети Интернет с использованием технологии ADSL.
Радиодоступ -— это оптимальный выбор для компаний, которые нуждаются в постоянном высокоскоростном Интернете и не желают зависеть от наличия и качества проводных коммуникаций, но в первую очередь это решение предназначено для подключения пользователей, доступ к которым с использованием других технологий затруднен или весьма дорог. Технология радиодоступа позволяет оптимизировать затраты на доступ в Интернет, исходя из текущих потребностей в трафике. Радиодоступ является экономически выгодным решением из-за небольших ежемесячных затрат на аренду радиочастоты, высокой скорости передачи данных, отсутствия привязки к физическому месту нахождения клиента. Скорость передачи данных до 11 Мбит/с в зависимости от устанавливаемого оборудования.
Сегодня технологии Radio Ethernet, или стандарт 802.11 приобретают все большую популярность у пользователей [83].
Для предоставления радиодоступа достаточно установить мачту с антенной на крыше здания, обеспечив ей прямую видимость с антенной базовой станции и установить абонентский комплект у пользователя, например, радиокарту. На рисунке 1.6 представлен процесс беспроводного доступа в сеть Интернет. Рис. 1.6. Беспроводное подключение к сети Интернет IP-телефония. ІР-телефония сегодня объединяет телефонные сети и сети передачи данных, в единую коммуникационную сеть. Решения ІР-телефонии комбинируют голос и данные в одной сети и предлагают дешевые международные и междугородные -звонки и целый набор коммуникационных услуг любому пользователю.
Понятие Voice over IP подразумевает не только и не столько использование сети Интернет в качестве среды передачи речи, сколько сам протокол IP и технологии, обеспечивающие надежную и высококачественную передачу речевой информации в сетях пакетной коммутации. Стандартизация речевых технологий на основе стека TCP/IP и их поддержка лидерами рынка пакетной телефонии обеспечивает совместимость оборудования разных производителей и позволяет создавать системы, в которых возможны вызовы с аналогового телефонного аппарата на персональный компьютер, или с персонального компьютера на номер ТфОП, в рамках трех сценариев ІР-телефонии: - телефон - телефон; - компьютер - телефон; - компьютер- компьютер. Электронная почта.
По своей сути электронная почта - это обмен информацией с другим компьютером, подключенным к сети Интернет. Сообщение может быть произвольным: текстовым, графическим, музыкальным и любым другим.
Однако существует ограничение на размер сообщения, который устанавливает провайдер исходя из технических соображений.
У электронной почты три основных преимущества - высокая скорость, оперативность передачи информации и удобство в использовании. Протоколы электронной почты: -SMTP (Simple Mail Transfer Protocol) - простой протокол пересылки почты, используется для исходящих сообщений; -POP 3 (Post Office Protocol) - протокол почтового офиса, используется для входящих сообщений [8]. Хостинг.
Хостинг - это размещение информации пользователя на виртуальном Web-сервере. Виртуальный Web-сервер физически размещают на круглосуточно работающем сервере, непосредственно подключенном к скоростным каналам Интернет. Информация пользователя находится в отведенном ему дисковом пространстве (каталоге сервера). Обновлять информацию в этом каталоге (загружать, перемещать, удалять устаревшие файлы) пользователь может удаленно, например, с офисного компьютера, подключаясь к сети Интернет через модем по телефонной линии, либо другим способом.
Аналитическое и имитационное моделирование процесса передачи данных по сети Ethernet
В сетях передачи данных зачастую возникают проблемы с отправкой информации, приводящие к образованию очереди из неотправленных данных. Это происходит в том случае, если скорость передачи трафика становится меньше максимальной скорости его формирования.
В предыдущей главе были определены скорость поступления пакетов в сети Интернет - провайдера и эффективная ширина полосы пропускания в зависимости от качества сервиса. Но какая бы ни была хорошая эффективная ширина полосы пропускания, предоставляемая пользователю, на узле Интернет - провайдера часто возникают задержки, обусловленные случайными процессами в сети. Поэтому получение значений эффективной ширины полосы пропускания является необходимым, но не достаточным условием хорошего качества, предоставляемой услуги. В силу этого требуется рассчитать дополнительные характеристики узла сети Интернет -провайдера, представленного в виде моделей систем массового обслуживания типа М/G/l и G/M/1, под воздействием заданного трафика. Такими характеристиками являются: интенсивность обслуживания, среднее время ожидания пакетов в очереди и размер буфера коммутационного устройства Интернет - провайдера, а так же коэффициент загрузки сети, который тоже зависит от качества сервиса.
Рассчитывать данные параметры будем двумя методиками. Первая методика применяется на сети Интернет - провайдера, построенной по технологии передачи данных Ethernet, где на вход обслуживающего устройства поступает пуассоновский поток. Вторая методика позволяет исследовать вероятностные свойства входящего потока и применяется в сети Интернет - провайдера, где на вход обслуживающего устройства поступает поток, имеющий произвольное распределение.
Произведем оценку выше перечисленных параметров трафика по первой методике при помощи аналитического и имитационного моделирования.
Данная система является системой типа М/G/l, где входной процесс характеризуется распределением Пуассона со скоростью поступления пакетов X, и интенсивностью обслуживания \i [31].
Введем обозначения: п - номер пакета; Х„ - его время ожидания в очереди; Yn - длительность обработки этого пакета; Zn - интервал времени между поступлениями п и п +1 пакета.
На вход обрабатывающего устройства (ОУ) от источника трафика (ИТ) поступает поток пакетов, который описывается двумя случайными величинами: интервалом времени между поступлениями пакетов Zn и размером пакета Ln. Время обработки Yn зависит от размера пакета Ln. Буфер (Б) работает по схеме FIFO и содержит очередь из пакетов, ожидающих своей обработки в ОУ. Потребитель трафика (ПТ) служит нагрузкой.
Кадр Ethernet состоит из преамбулы (служит для синхронизации передатчика и приемника физического уровня), служебной информации, полезной нагрузки и контрольной суммы (рисунок 3.2). Размер преамбулы в дуплексном режиме зафиксирован в 64 бита, а служебной информации в 112 бит. Контрольная сумма составляет 32 бита. Полезная нагрузка - величина переменная и лежит в диапазоне [368,12000] бит [76].
Напомним, что во второй главе была рассчитана эффективная ширина полосы h в зависимости от значения качества Интернет - сервиса с для сетей с высоким коэффициентом загрузки. Каждому пользователю предоставляется своя полоса с тем качеством, которое тот заказал. Такая полоса для каждого пользователя являться номинальной.
Рассчитаем коэффициент загрузки сети при качестве сервиса с равном 2, 10 и 70, т. к. эти значения определяют низкое, среднее и высокое качество обслуживания, которое чаще всего заказывают пользователи, и покажем, как изменяется этот коэффициент с увеличением длины пакета. Рассматривать будем случай, когда в сети Интернет - провайдера 10 пользователей.
Обработка статистических данных сети Интернет - провайдера
Плотность распределения времени обслуживания пакетов задается в соответствии с режимом работы коммутатора. Виды режимов работы коммутатора рассмотрены в первой главе. Время обработки пакетов коммутатором, согласно (3.3), зависит от длины пакета. Предположим, что коммутатор обрабатывает пакеты по присвоенному им приоритету. Допустим, пакеты маленького размера имеют высокий приоритет (в качестве примера можно взять голосовые пакеты, всегда имеющие наивысший приоритет обработки) и обрабатываются коммутатором в первую очередь, а большого размера - низкий приоритет, тогда плотность распределения времени обслуживания пакетов будет иметь вид:
Рассмотренный в работе случай N = 4 характеризует алгоритм расчета плотности вероятности времени ожидания пакетов в очереди для СМО типа G/M/1, при произвольном числе пользователей у Интернет-провайдера достаточно полно, так как при увеличении N вид плотности (3.30) остается неизменным и для получения плотности w(%) требуется только задание коэффициентов w,-,z = l,2,...N. При найденной w(x) среднее время ожидания пакетов в очереди определяется непосредственным интегрированием с использованием этой плотности.
Для конкретных рассмотренных случаев N = 2 и N = 4 показано, что среднее время ожидания пакетов в очереди для четырех пользователей в 1.356 раз больше, чем для двух.
В данной главе представлены две методики вычисления характеристик узла сети Интернет - провайдера, представленного в виде моделей типа M/G/1HG/M/1.
Первая методика, позволяет наиболее полно рассмотреть взаимосвязь между основными характеристиками сети: среднем временем ожидания пакета в очереди, длины очереди и коэффициента загрузки сети при заданных параметрах эффективной ширины полосы пропускания и качества сервиса.
Было выяснено, что сохраняется тенденция роста среднего времени ожидания и средней длины очереди при увеличении коэффициента загрузки сети для всех законов распределения времени обслуживания (рисунок 3.5). С ростом размера буфера, растет среднее время задержки и уменьшается вероятность потерь.
Вторая методика является аналитическим вычислением основных параметров узла сети, влияющих на качество обслуживания - это среднее время ожидания пакетов в очереди и длина очереди. Определено, что для двух пользователей это время является меньшим, чем для четырех пользователей сети Интернет, что подтверждается исследованиями на реальной сети.
Таким образом, с помощью данных исследований можно решать задачу оптимизации - при заданном значении задержки и вероятности потерь выбирать размер буфера, что увеличит производительность и уменьшит загрузку сети.
Нр 5348 тегированным портом С1 подключен к 26-му тегированному порту управляемого 24-ех портового коммутатора 2-го уровня D-Link DES3526 (SW-1), который в свою очередь 25-ым тегированным портом включен в порт Gigabit Ethernet 0/2 маршрутизатора Cisco 7206.
На Cisco 7206 прописана маршрутизация сети пользователей на коммутатор р 5348: ip route хх.ххх.ххх.О 255.255.255.248 xx.xxx.xxx.b Для определения средней скорости передачи данных снималась статистика с каждого порта SW - 2 в течение одного рабочего дня. С рабочего места, подключенного к 5 порту отправлялись пакеты на www.ru размером в 1518 байт; к 6 - производилась передача данных в виде файлов; к 7 - передача данных (42 Мбайт со скоростью 262 кбит/с), а также просмотр web страниц; к 8 - просмотр web страниц, а также отправление пакетов на www.mail.ru размером в 64 байта.
