CC BY
15
Ромасевич П.В.
Волгоградский государственный университет, г.Волгоград, к.т.н., доцент кафедры «Телекоммуникационных систем», promasevich@ dlink.ru
ОЦЕНКА ОБЩЕГО ОБЪЕМА ПАМЯТИ ВВОДА-ВЫВОДА ТЕЛЕКОММУНИКАЦИОННОЙ СИСТЕМЫ В УСЛОВИЯХ САМОПОДОБНОГО
ТРАФИКА И ПОТЕРИ ПАКЕТОВ
КЛЮЧЕВЫЕ СЛОВА
Телекоммуникационная сеть, телекоммуникационная инфраструктура, буферная память, память ввода-вывода, коммутатор, маршрутизатор, самоподобный трафик, коэффициент использования, вариация трафика, параметр Херста.
АННОТАЦИЯ
В статье получена формула оценки общего размера памяти ввода-вывода многопортового телекоммуникационного устройства с учётом максимальных скоростей и степени загрузки интерфейсов, потери пакетов, а также самоподобия и вариации трафика как функции пиковой скорости и объема всплеска трафика показана нелинейная зависимость от объема буферной памяти интерфейсов.
Введение
В связи с динамичным ростом количества устройств в публичных сетях, рынка телекоммуникационных услуг и «облачных» сервисов, технология предоставления которых предполагает удаленное и зачастую динамически меняющееся местоположение контента, важнейшее значение имеет непрерывное их обеспечение при разумных финансовых затратах и в связи с этим автоматически встает задача не только кардинальной модернизации телекоммуникационной инфраструктуры, но и предварительной оценки её ключевых параметров, ответственных за качественное предоставление сервисов.
Одним из таких параметров наряду с задержкой является буферная память телекоммуникационной системы, размер которой прямо влияет на процесс потери пакетов и, как следствие, на качество обслуживания трафика и предоставление услуг.
Зачастую, при построении моделей телекоммуникационных систем принимается допущение, что пакеты в системе не теряются [6]. Это предполагает бесконечность буферной памяти интерфейсов ввода/вывода, что на практике невыполнимо.
Многочисленные зарубежные и отечественные исследования последнего десятилетия также показали, что трафик в сетях передачи данных проявляет свойства самоподобия [4]. Эффект самоподобия трафика оказывает негативное влияние на производительность сетей передачи данных ввиду значительно большей потребности в буферной памяти телекоммуникационных систем, что является одним из основных факторов, влияющих на процесс потери пакетов, и, как следствие на качество обслуживания.
Как показано в [1], [2] и [3], предположение о независимости интервалов между поступающими пакетами и их длинами действительно имеет место в телекоммуникационных сетях с большим количеством интерфейсов и позволяет произвести декомпозицию телекоммуникационных устройств на элементы «канал+интерфейс», рассматривая их отдельно, найденные параметры которых являются слагаемыми для получения общего результата [6]. Это также справедливо с точки зрения аппаратной архитектуры большого числа сетеобразующих устройств. Со своей стороны, примем допущение, что данные результаты распространяются на сети с самоподобным трафиком.
Одной из актуальных проблем эксплуатации сетей пакетной коммутации является неустойчивая работа телекоммуникационных устройств в условиях интенсивного трафика. Это особенно характерно для коммутаторов L3 и маршрутизаторов уровней агрегации и ядра крупных телекоммуникационных сетей, через которые проходят большие объемы транзитного трафика.
Интересное исследование приводит университет Мичигана по причинам отказов современных №-сетях (Рис.1):
ЗНОЙ умысел 2% Неизвестные при чины 2%—."J
Перегрузки 5% Проецирование сегёй"
Физические лини и 27"А • Резервирование
Гвотрафичесоое pejfj Б .що ва we быстро»
7%Оборудование нэ территории закали ка
36% Процессы в мери рути эатсрах Мдди фи кэци я АО/П О Ошибт конфигурация
"Мягкий "режим модификации
ЯЧОПОЗЫ маршрутизаторов
* Стказы АО
* Качество ПО
• Избыточность ПО •> Кг = 99/999 для АО
Источник University of Michigan
Рис.1 Причины отказов в современных IP-сетях
И одним из наиболее существенных факторов отказов здесь упоминается не только модификация аппаратного и программного обеспечения, которые достаточно быстро исправляет производитель, но и человеческий фактор - ошибки конфигурации, в том числе выделения необходимого объема буферной памяти в конкретных условиях эксплуатации - интенсивности потоков трафика, его статистических свойств, необходимого уровня качества обслуживания (QoS) и т.д.
С этой оценкой достаточно хорошо согласуется информация известного аналитического агентства Gartner Group, которая также отдает в указании причин системной ненадежности значительную долю «ошибкам эксплуатации», что в основном, по значительному производственному опыту автора статьи, происходит от неадекватного конфигурирования телекоммуникационного оборудования (Рис.2).
Поэтому оценка величины необходимой буферной памяти телекоммуникационных систем в условиях самоподобного трафика с учётом различного количества интерфейсов и места в сетевой иерархии является важной прикладной задачей.
При этом с точки зрения эксплуатации телекоммуникационных сетей, которые, как правило, построены на разном оборудовании с различными параметрами, на практике важна именно оценка границы значений общего объема буферной памяти всех интерфейсов узла сети, позволяющая инженеру службы эксплуатации сделать соответствующие действия по конфигурации сетевого оборудования.
40%
40%
20%
□ отказ аппаратного обеспечения узлов
■ программные ошибки
■ ошибки эксплуатации
Итгочки к: г1г ег Огоч р Рис.2. Причины системной ненадежности телекоммуникационных сетей
В этой связи целью данной работы является получение выражений для оценки общего объема буферной памяти телекоммуникационного устройства в условиях самоподобия трафика с учетом потери пакетов и количества сетевых интерфейсов.
Оценка памяти ввода-вывода многопортового телекоммуникационного устройства
Как было отмечено выше, одной из причин неустойчивой работы коммутаторов L3 и маршрутизаторов часто является их настройка, не соответствующая реальной сетевой ситуации, т.е. объем оперативной памяти и ее деление на основную область и память ввода/вывода, не соответствуют уровню интенсивности проходящего через устройство трафика. И наиболее часто это проявляется на магистральных узлах, через которые пользователи получают доступ к «внешнему миру» и трафик через которые формируется большим количеством источников.
В своей многолетней производственной деятельности автор неоднократно сталкивался со случаями и экспериментально исследовал случаи неуправляемости маршрутизаторов по сети, непредсказуемые резкие колебания загрузки их центральных процессоров и нехватки ресурсов оперативной и буферной памяти, что вело к «зависанию» маршрутизаторов, default-маршруты которых во «внешний мир» указывали на интерфейсы с множественным доступом, которыми в современных сетях является Ethernet [10].
Когда стандартный (default) маршрут указывает на интерфейс с множественным доступом (т.е. имеющим адрес канального уровня модели OSI), то даже при подключении «точка-точка», данным интерфейсом формируется ARP-кэш больших размеров, ввиду того, что через данный интерфейс осуществляется доступ к огромному количеству сетей «внешнего мира». Рост размеров ARP-кэша приводит к увеличению времени разрешения IP-адресов, дополнительной памяти на сам кэш и загрузке процессора. Поскольку маршрутизирующее устройство периодически освобождает место в ARP-кэше для размещения информации о результатах новых ARP-запросов, это дополнительно приводит к росту загрузки CPU, т.к. первая коммутация пакета с новым адресом назначения осуществляется чисто программно. И чем больше трафик через данный интерфейс, тем больше пакетов приходится коммутировать программно ввиду отсутствия записей об их адресатах в ARP-кэше. Как следствие, часто возникает ситуация, приводящая к полной очистке ARP-кэша ввиду отсутствия места для всех необходимых записей. Это также приводит к чрезмерному расходу ресурсов CPU и может повлечь неуправляемость и неработоспособность устройства, что в итоге делает участки сети неработоспособными.
Необходимо отметить, что эффективный функционал противодействия данной проблеме имеется в коммутаторах L2 и L3 компании D-Link и называется SafeGuard Engine [5]. Однако подобные средства есть не у всех производителей оборудования, поэтому правильная «ручная» конфигурация памяти является актуальной.
В [10] автором была решена данная практическая задача для определенного сетевого оборудования, а в [11] предложена общая формула расчета буферной памяти телекоммуникационного устройства с множеством интерфейсов с учетом самоподобия трафика и потери пакетов:
' 1 H 1
му mtu у
1024 ^ кг
a2 (1-H) f -1 (e)1-H р2 (1-H) р
2H-1 H
' 2( 1-H) (1-р)1-Н
(1)
\ С2^' (1-рГя ¡и
где i - количество интерфейсов, а параметры а, С, е, f, p, H и MTU специфичны для каждого интерфейса. Индекс суммирования j определяет работу интерфейса в режиме полного дуплекса.
В [8],[9] представлено описание вероятностного закона превышения длины очереди над размером буферной памяти одноканальной телекоммуникационной системы для самоподобного трафика, что фактически и является вероятностной функцией потери пакетов, которая может быть выражена распределением Вейбулла:
f "(s) ~ Ы (С - ")" • )
f (s) ~ 2 • H 2 H • (1 - H )=-=Ham' (2)
где
С - максимальная скорость передачи данных интерфейса; H - параметр Херста; a - коэффициент вариации трафика; m - средняя скорость трафика;
х - объем памяти ввода/вывода одноканальной телекоммуникационной системы. Это также подтверждено в [12], и показано, что модели трафика с долговременной зависимостью (в частности, модели, основанные на фрактальном броуновском движении) приводят к асимптотике распределения вероятностей хвостов вейбулловского типа, т.е. P(Q > B) -
вероятность того, что длина очереди Q больше размера выделенной буферной памяти В:
Р(<2 > Б)~ехр(-( уБ )2-2н ) (3)
Коэффициент вариации трафика а можно легко вычислить через его пиковую скорость и объем всплеска следующим образом [7]:
к2н-1 • (2- 2Н • Ь)2-2н а = —- 3 - 2Н—__ , (4)
(3 - 2H) • (2H -1) • H
где:
h - скорость всплеска трафика; Ь - средний объем всплеска трафика.
Необходимо отметить, что данный вид распределения, по мнению автора, адекватен практической ситуации, т.к. всегда имеет конечную дисперсию, чего нельзя сказать про наиболее популярное для моделирования самоподобных процессов распределение Парето.
т
Подставляя (2) в (1), где р —~, а также одновременно упрощая и усиливая выражение,
и
избавляясь от вычитания р внутри скобок в выражении (1), получим неравенство для оценки общего объема памяти многопортового телекоммуникационного устройства «с запасом»:
M У MTU, У
1024 i '£2
ap
С2
- ln(
С2H-1 2pa
1 -Р H
x 1 - H
2(1-H ) H
)
1-p
2(1-H)
(5)
В сетях MetroEthernet в основном используются устройства с одинаковым типом портов, поэтому на практике параметр MTU одинаков для всех интерфейсов. Поэтому, упрощая выражение с учетом работы интерфейсов в режиме полного дуплекса с одинаковой природой трафика в обоих направлениях, получаем:
„ ^ MTU ^
M >-У
512 ^
ap
С2
- ln(
С 2 H-1 2 pa
1 -Р H
x
1 - H
2(1-H ) ^ )
1-p
2(1-H)
Анализируя полученные результаты, видно, что общий пул памяти ввода-вывода не есть простая сумма буферных памятей интерфейсов, увеличение максимальной скорости интерфейсов позволяет снизить требования к величине общего пула памяти ввода-вывода, тогда как загрузка интерфейсов и показатель изменчивости трафика напротив диктуют её увеличение.
В случае возможного отсутствия самоподобия при Н=0,5 , формула преобразуется в следующий упрощенный вид и явно не зависит от С :
, , MTU ^
м >-У
512
ap •
- ln(-
1 (1 -Р
pa ^ H
x
1 - H
)
1-p
(6)
Одна из задач дальнейшей работы состоит в проверке данного соотношения методом имитационного моделирования и постановкой серии экспериментов на реальном оборудовании.
Выводы
В данной работе получены формулы для оценки общего объема памяти ввода-вывода многопортового телекоммуникационного устройства с учетом максимальных скоростей и степени загрузки интерфейсов, потери пакетов, а также самоподобия и вариации трафика как функции пиковой скорости и объема всплеска трафика и показана нелинейная зависимость от объема буферной памяти интерфейсов.
Результаты работы могут быть использованы для предварительной оценки параметров телекоммуникационной телекоммуникационные инфраструктуры различного назначения для качественного предоставления услуг через неё.
Литература
1. Л.Клейнрок, Коммуникационные сети, М., Наука, 1970, 255 с.
2. Л.Клейнрок, Вычислительные системы с очередями, М., Мир,1979, 598 с.
3. Л.Клейнрок, Теория массового обслуживания, М., Машиностроение, 1979, 432 с.
4. О.И.Шелухин, А.М.Тенякшев, А.В.Осин. Фрактальные процессы в телекоммуникациях. - М., Радиотехника, 2003. -479 с.
5. Технологии коммутации и маршрутизации в компьютерных сетях: учеб.пособие / [Е.В.Смирнова, А.В.Пролетарский и др.]; под общ.ред.А.В.Пролетарского. - М.:Изд-во МГТУ им.Н.Э.Баумана, 2013. - 389 с.
6. В.Столлингс, Современные компьютерные сети - М., Питер, 2003. - 782 с.
7. Ромасевич П.В., Адаптивная телекоммуникационная система как средство реализации качества обслуживания в сетях с интенсивным трафиком // Инфокоммуникационные технологии, 2006, - №3. С. 21-26.
8. I.Norros, A Storage Model with Self-Similar Input, Queuing Systems, Vol.16, 1994
9. Norros I. On the Use of Fractanial Brownian Motion in the Theory of Connectionless Networks// IEEE Journal on Selected Areas in Communications. - Aug. 1995. - Vol.13, №6. - Pp.953-962.
10. П.В.Ромасевич. Оценка памяти ввода/вывода маршрутизаторов Cisco с интерфейсами множественного доступа в телекоммуникационных сетях с интенсивным трафиком//Инфокоммуникационные технологии. - 2004. - Т.1, №4 - С.36-40.
11. П.В.Ромасевич, «Адаптивные телекоммуникационные системы для сетей образования и науки. Исследование и создание», Монография, LAP Lambert AcademicPublishing, 2012, 200 с., ISBN 978-3-8473-0443-2
12. Ю.И.Лосев, К.М.Руккас. Анализ моделей вероятности потери пакетов в буфере маршрутизатора с учетом фрактальности трафика // Вкник Харгавського нащонального ушверситету, серiя «Математичне моделювання. !нформацшш технологи. Автоматизоваш системи управлшня» - 2008, №833, с.163-169.
