ПОДХОДЫ К ИЗМЕРЕНИЮ ЗАДЕРЖКИ, ПРОПУСКНОЙ СПОСОБНОСТИ И КОЭФФИЦИЕНТА ПОТЕРЬ ПАКЕТОВ В СЕТЯХ С КОММУТАЦИЕЙ ПАКЕТОВ

С расширением сетей и быстрым развитием Интернета стали широко использоваться устройства сетевого подключения. Коммутатор, маршрутизатор и другое сетевое оборудование стали важной частью сети. Производительность данных устройств напрямую влияет на размер, стабильность и надежность сети, поэтому необходимо точно ее оценить. Хорошая система тестирования производительности помогает обеспечить нормальную, безопасную, эффективную, рациональную эксплуатацию компьютерной сети. Прибор для проверки производительности стал необходим для оценки эффективности различных типов сетей и её применимости. В настоящее время используются два подхода к тестированию производительности сети: стандарт RFC2544 и стандарт ITU-T Y.1564. Рассмотрим каждый из них отдельно.

RFC2544 – это международный стандарт, разработанный организацией RFC (англ. Request For Comments – рабочее предложение) для оценки производительности сетевых и межсетевых устройств (брандмауэры, IDS, коммутаторы и т. д.). Данный стандарт предоставляет несколько методов тестирования параметров, определенных в RFC1242 [2]. Существует несколько аппаратных устройств на основе стандарта RFC2544, такие как SmartBits, IXIA, iTester и другие.
RFC2544 определяет множество параметров, применяемых при тестировании различного сетевого оборудования. Первым параметром является латентность (задержка). Латентность – это время, которое требуется проверяемому устройству для пересылки пакетов данных. Тестер отправляет определенное количество пакетов, при этом записывает как время посылки, так и время получения пакета после пересылки DUT (англ. Device under test – испытываемое устройство). Для устройств хранения и пересылки задержка является временным интервалом между моментом, когда последний бит входного кадра достигает входного порта, и моментом времени, когда первый бит выходного кадра достигает выходного порта. Для транзитного устройства задержка – это интервал времени между моментом, когда первый бит входного кадра достигает входного порта, и тем, когда первый бит выходного кадра достигает выходного порта. Задержка показывает скорость DUT для обработки пакетов.
Задержка пересылки кадров может быть разделена на три части: задержка в очереди, задержка передачи и задержка распространения. Процесс передачи кадра показан на рис. 1. Для кадра k задержка в очереди равна  задержка передачи равна , а задержка распространения равна  Узел на рис. 1 – это целевое устройство, такое как брандмауэр, коммутатор, маршрутизатор или другие сетевые устройства, а также оборудование, которое может измерять параметры сети.

Рисунок 1. Процесс передачи кадра

Предполагая, что задержка кадра k в узле i равна , можно рассчитать по формуле (1):

,                           (1)

гдеи известны при определенных условиях измерения. В кэше узла i длина очереди является динамической из-за перегрузки сетевого трафика и других факторов, что приводит к изменению .
Текущий метод измерения производительности сети обычно использует двустороннюю задержку для оценки производительности сети. Однако односторонняя задержка значима для сетевых служб и ошибка в измерениях меньше, чем при двухсторонней задержке [1]. Рассмотрим одностороннюю задержку, где  - это задержка кадра k в узле j, а  - это временное перекрытие между узлом i, отправляющим кадр данных, и узлом j, принимающим кадр данных. Отсюда можно получить одностороннюю задержку , которая определяется уравнением (2):

 (2)

Вторым параметром является пропускная способность. Пропускная способность – это самая высокая скорость, в которой число тестовых кадров, передаваемых DUT, равно количеству тестовых кадров, отправленных ему испытываемым оборудованием. Она показывает максимальный трафик данных, который может обрабатывать DUT. Как говорилось выше, пропускная способность это передача последовательности кадров , где δ является межкадровым интервалом между  и  (1≤ i ≤ n-1). Задержка пересылки вышеупомянутых кадров четко проиллюстрирована в модели межкадрового интервала, показанной на рис.2., где  - размер кадра . Общий размер вышеуказанной последовательности кадров может быть найден по формуле (3):

Время , необходимое для обработки кадра , делится на две части. Первая часть является межкадровым интервалом δ, а вторая – задержка пересылки кадра.  и общая задержка пересылки  могут быть получены следующим образом:

 (4), (5)

где C – пропускная способность критического (узкого) участка.
Первый кадр  не должен ждать межкадровый интервал, таким образом, можно рассчитать пропускную способность на обозначенных узлах  следующим образом:

 (6)

Тогда можно сделать вывод, что входная пропускная способность в узел является пропускной способностью нисходящей линии связи, а выходная из узла является пропускной способностью восходящего потока.
Предполагая, что является набором, состоящим из фактических измерении пропускной способности последовательности кадров  m раз, тогда по формуле (7) рассчитывается ширина полосы пропускания C:

                    (7)

Из уравнений 4, 5 и 6 видно, что если уменьшить δ, то  будет уменьшаться, что приведет к увеличению. И наоборот, если увеличить δ, это приведет к уменьшению . Таким образом, теоретически доказано, что можно динамически регулировать межкадровый интервал, чтобы постепенно приблизиться к максимальной пропускной способности, что позволяет нам осуществлять измерение пропускной способности критического участка.
Третьим параметром измерения является коэффициент потерь. При постоянной нагрузке некоторые пакеты данных должны пересылаться DUT, но теряются из-за недостатка ресурсов. Коэффициент потерь является отношением потерянных пакетов ко всем пакетам, которые должны быть переданы [1]. Он отражает способность DUT выдерживать определенную нагрузку. Для вышеприведенной последовательности отправленных кадров  количество отправленных кадров и общее количество байтов отправленной последовательности в узле i соответствуют  и . С другой стороны, в узле j количество сохраненных кадров и общий размер сохраненной последовательности составляют  и  соответственно. Таким образом, коэффициент потери кадров  и коэффициент потерь байтов  могут быть установлены следующим образом:


Тестер, основанный на стандарте RFC2544 работает в двух режимах: автономный и двойной. Автономный режим – это идеальный тестовый режим, поддерживаемый RFC2544. DUT принимает поток тестовых данных от передающего порта тестера, а затем направляет его на приемный порт того же тестера, который будет суммировать и анализировать тестовые данные для предоставления результатов теста в соответствии с RFC2544. Двойной режим представляет собой систему, в которой имеется два тестера. На тестере A и B находятся соответственно передающий порт и порт приема. Тестер A отправляет поток тестовых данных, который передается DUT и принимается тестером B, после чего тестер B анализирует поток данных в соответствии с RFC2544. Автономный режим и двойной режим имеют свои преимущества и недостатки. Для автономного режима легко контролировать точность и процесс тестирования, поскольку весь процесс тестирования выполняется в одном тестере, но сложно создать нужную испытываемую нагрузку. Напротив, в двойном режиме процессы тестирования происходят соответственно на двух машинах, что приводит к проблемам с синхронизацией, но легко создать нужную испытываемую нагрузку. Делая выводы по этому методу можно отметить, что RFC2544 изначально была разработана для тестирования коммутаторов L2 для исследовании, поэтому она не является эффективной для измерения в современных сетях, так как не имеет возможности одновременно исследовать несколько источников нагрузки. В настоящее время данный метод почти не используется, так как устарел и на его смену пришла новая рекомендация ITU-T Y.1564.
ITU-T Y.1564 предоставляет информацию о методике проведения измерений сети с коммутацией пакетов через Ethernet. По итогу проведенных тестов можно найти: гарантированную скорость передачи данных (CIR – Committed Information Rate), допустимое превышение гарантированной скорости (EIR – Excess Information Rate), коэффициент потери пакетов (FLR– Frame Loss Ratio), задержку передачи пакетов (FTD – Frame Transfer Delay), джиттер пакетов (FDV – Frame Delay Variation) и другие параметры, а также определить доступность (AVAIL – Availability). Следует отметить, что в настоящее время сети являются несимметричными по скорости передачи информации. Также в самой рекомендации говорится, что измеряются параметры в местах подключения пользователя и провайдера-оператора , либо же провайдера к другому провайдеру [4].
Рекомендация Y.1564 включает два этапа проведения измерений. Первый этап (Service Configuration Test – тест конфигурации услуг) представляет собой генерацию и проверку трафика каждой услуги отдельно от других. Это производится для определения параметров оборудования и его действии при изменении пропускной способности и нагрузки. По количеству услуг (сервисов) Y.1564 не ограничивает, т. е. сам пользователь теста выбирает количество исследуемых услуг. Если тест не зафиксировал никаких ошибок в конфигурации сети, и параметры были в пределах нормы, то тогда можем переходить ко второму этапу исследования.

Рисунок 3. Последовательность тестирования на первом этапе по ITU-T Y.1564.

Рассмотрим более подробно первый этап. Он включает в себя последовательных 6 подэтапов длительностью от 1 до 60 секунд каждый, но для оптимальности взяли 10 секунд, изображенны на рис. 3. На первом подэтапе на 50% от гарантированной скорости передачи данных измеряется реальная скорость приема, задержка пакетов в сети с коммутацией пакетов (FTD), коэффициент потерь пакетов (FLR) и джиттер пакетов (FDV) [5]. Полученные результаты сравниваются с нормой SLA (Service Level Agreement – соглашение об уровне предоставления услуги). На втором, третьем, четвертом подэтапе действия аналогичны, только скорость передачи данных возрастает соответственно 75%, 90% и 100% от гарантированной скорости передачи данных. На пятом подэтапе происходит увеличение гарантированной скорости передачи на некоторое превышение EIR, но при этом измеряется все параметры, но не сравниваются. На шестом подэтапе измеряется реальная скорость приема при ограничении оператором скорости (механизм Traffic Policing).
Во втором этапе (Service Performance Test – тест производительности услуг) генерируется и измеряется трафик всех услуг одновременно. Чтобы получить правильные, достоверные результаты тестирования, желательно использовать два прибора, тогда тестируется каждое направление отдельно. На данном этапе проверяется возможность длительно передавать все услуг связи одновременно, на максимально гарантированной скорости передачи в сети с коммутацией пакетов. Второй этап прост из-за предыдущих настроек, установленных в первом этапе, но продолжителен по времени, которое задается по методике Y.1564: 15 минут, 2 часа и 24 часа.
По рекомендации ITU-T Y.1564 имеется возможность измерять с помощью двух приборов, либо одним, но тогда на втором конце ставится маршрутизатор или второй прибор с функцией отражателя кадров. Одним прибором не рекомендуется тестировать сети и её участки, так как результаты будут едины для сети и не будет возможности определить источник ошибок или место ограничения скорости.
Сравнивая предоставленные два подхода измерении сетей с коммутацией пакетов можно сделать вывод, что RFC2544 производит тестирование на максимальной скорости канала, где отсутствуют потери пакетов, а Y.1564 позволяет оценить параметры согласно, заключенному с провайдером, договору. Сам тест RFC 2544 тестирует каждую услугу отдельно, когда Y.1564 сначала отдельно каждую услугу для проверки параметров, а потом тестирует канал при всех нагрузках (услугах). Как говорилось ранее рекомендация RFC2544 в настоящее время почти не используется, поэтому её заменила Y.1564, которая намного лучше и быстрее тестирует предоставляемые пользователю услуги в сетях с коммутацией пакетов.

1. T Jones. Измерение производительности сети: точность в высокоскоростных сетях обеспечения //IEEE MIPRO 23-27 мая 2011, С. 489-493.
2. F Lifu, Y Dongming, T Bihua. Методика измерения производительности сети на основе RFC 2544 // IEEE CICN2012, Матура, Индия, 2012, С. 200–204.
3. Bradner, J McQuaid, Методология сравнительного анализа для устройств сетевого взаимодействия //RFC2544, Фремонт, 1999 C. 1-25. – URL: https://tools.ietf.org/html/rfc2544
4. Международный союз электросвязи сектор стандартизации электросвязи (МСЭ-Т / ITU-T) – URL: https://www.itu.int/ITU-T/recommendations/rec.aspx?rec=12752&lang=ru
5. НТЦ Метротек. – 2016 – URL: https://habr.com/ru/company/metrotek/blog/264295/

Все статьи автора «Маркин Сергей Алексеевич»