УТОЧНЕНИЕ типа распределения для односторонней задержки пакетов в глобальной сети

Полный текст

В современном обществе получают всё большее распространение приложения реального времени: IP-телефония, видеоконференции, онлайн игры, удалённые рабочие столы и др., которые крайне требовательны к качеству связи. С распространением облачных сервисов стало возможным использование удалённых приложений, но при этом необходим качественный канал связи с сервером, на котором они расположены. Для оценки качества сетевых соединений инженерным центром Internet (IETF) разработаны стандарты, объединенные под общим названием метрик производительности IP-сетей (IP Performance Metrics, IPPM) [1] - это метрики, которые описывают качество и производительность передачи данных в глобальной сети. Основными метриками производительности IP-сетей являются: односторонняя задержка (one-way delay, OWD) [2], двусторонняя задержка (round-trip time, RTT) [3], джиттер (вариация задержки), потери пакетов, доступная пропускная способность [4]. Односторонняя задержка пакетов - задержка при передаче пакета по сети от источника к приемнику - является одной из ключевых метрик производительности IP сетей и описана в стандарте RFC 7679. Двусторонняя задержка - описывает задержку прохождения пакетов от источника к получателю и обратно. Исследование задержек пакетов важно для задач математического моделирования передачи трафика по сети, приложений реального времени [5], Internet-телефонии и видеосвязи, а также для исследования характеристик производительности сетей. Для всех вышеперечисленных приложений требуется знать тип распределения задержки пакетов. T. Elteto, S. Molnar провели исследование двусторонней задержки пакетов в локальной сети компании Ericsson [6] и установили, что распределение задержки соответствует усеченному нормальному распределению с некоторыми отклонениями в виде «тяжелых хвостов». Другая группа специалистов провела ряд экспериментов с помощью измерительного сервиса RIPE NCC Test Traffic Measurement [7]. Сбор и обработка большого объема экспериментальных данных об односторонней сетевой задержке на реальных сетевых маршрутах позволили сделать вывод, что для описания задержки пакетов в глобальной сети следует использовать экспоненциальное распределение. Целью работы, является уточнение типа распределения для односторонней сетевой задержки, с достаточной точностью аппроксимирующего экспериментальные данные, полученные в ходе измерений односторонней сетевой задержки между реальными измерительными узлами. Метод измерения односторонней задержки Для измерения метрик производительности IP-сетей использован запущенный в опытную эксплуатацию в 2015 г. аппаратно-программный измерительный комплекс NetTestBox [8], представляющий собой компактный высокопроизводительный одноплатный компьютер со специализированным клиент-серверным программным обеспечением owping и встроенной временной синхронизацией. Аппаратная часть комплекса базируется на одноплатном компьютере ARM-архитектуры Raspberry Pi 2 Model B и навигационном приемнике U-blox UBX-M8030, с поддержкой навигационных систем глобального позиционирования ГЛОНАСС/GPS/BeiDou/Galileo. Габаритные размеры измерительного узла составляют 90×70×25 мм. На нем запускается адаптированная версия операционной системы Linux - Raspbian. Обмен с сервером хранения и обработки экспериментальных данных осуществляется через Ethernet подключение к Internet. Для измерения односторонней задержки пакетов с микросекундной точностью необходимо обеспечить синхронизацию системного времени операционных систем измерительных узлов. Точная синхронизация системного времени в NetTestBox обеспечивается NTP сервером chrony, обрабатывающим сигнал PPS от навигационного приемника, фронт которого синхронизирован с началом секунды в UTC с точностью не хуже ±40 нс [9]. Для проведения измерений сетевых метрик разработана клиент-серверная программа owping. NetTestBox обеспечивает измерение четырех основных сетевых метрик производительности, накопление статистики и передачу ее на удаленный сервер для дальнейшей обработки данных [8-9]. Динамика характеристик глобальной сети Internet В 2006 г. при проведении экспериментов по измерению характеристик IP-сетей [11] была предложена шкала GAP (Good, Acceptable, Poor) для оценки качества передачи видеоинформации по IP-сетям. Эти результаты интересно обобщить и сравнить со значениями, измеренными комплексом NetTestBox в 2016 г. OWD = 103,46 мс, = 107,14 мс, =121,14 мс Рис. 1. График односторонней сетевой задержки на маршруте Колумбия-Тольятти Jitter = 0,09 мс, = 0,44 мс, = 2,64 мс Рис. 2. График величины джиттера на маршруте Тольятти-Колумбия AB = 12.64 Мбит/c, = 15.98 Мбит/c, = 20.69 Мбит/c Рис. 3. График доступной пропускной способности сетевого канала на маршруте Колумбия-Тольятти На рис. 1-3 приведены графики односторонней сетевой задержки, джиттера и доступной пропускной способности, полученные на реальных сетевых маршрутах с помощью комплекса NetTestBox. Программный инструмент Round-robin Database tool (RRDtool) обеспечил построение графиков производительности. Усредненные результаты измерений показаны в таблице 1. Таблица 1. Сравнение метрик производительности 2006 г. 2016 г. Джиттер 40-50 мс < 1 мс Потери пакетов 1,5-2 % < 0,1 % Доступная полоса пропускания 1 Мбит/c 30 Мбит/c Средние значения для сетевых метрик производительности в 2006 г. определены по приведенным в статье [11] результатам измерений. Как видно из таблицы 1 характеристики глобальной сети за 10 лет улучшились более чем на порядок. Уточнение типа распределения односторонней сетевой задержки Известно [7], что в односторонней сетевой задержке пакетов можно выделить следующие составляющие разной природы: , (1) где - минимальное время задержки пактов; - размер пакета; - доступная полоса пропускания; - переменная часть задержки при фиксированном размере пакета. Для уточнения типа распределения переменной компоненты задержки с помощью комплекса NetTestBox были собраны данные на маршрутах Самара (Россия) - Ростов-на-Дону (Россия), Самара - Колумбия (штат Миссури, США) и Ростов-на-Дону (Россия) - Колумбия (штат Миссури, США). На основе полученных данных была построена функция распределения для сетевой задержки : . (2) В результате построения получено экспериментальное распределение, которое приведено на рис. 4. Для построения теоретической зависимости была выбрана сумма усеченного нормального и экспоненциального распределений с весовым коэффициентом k = 0,1: . Усеченное нормальное распределение описывается следующим выражением: (3) ; - - сетевой джиттер, то есть разница односторонних задержек прохождения двух пакетов [12]; - значения односторонних задержек i-го и (i + 1)-го пакетов; - объем выборки; - среднее значение задержки; - минимальное значение задержки. Экспоненциальное распределение описывается выражением: (4) где -сетевой джиттер. Ключевым этапом проверки гипотез об аппроксимации экспериментальных данных с помощью рассматриваемых функций распределения в данной работе служит критерий Хи-квадрат Пирсона. Результаты расчетов критерия и принятия решения о правдивости гипотезы для исследуемых маршрутов приведены в таблице 2. Графики полученных теоретического и экспериментального распределений приведены на рис. 4. В результате проведенных тестов установлено, что модернизированное распределение, состоящее из суммы экспоненциального и усеченного нормального распределений с весовыми коэффициентами, можно рассматривать, как истинное описание сетевой задержки. Таблица 2. Расчет критерия Пирсона Маршрут Самара - Колумбия Колумбия - Ростов-на-Дону Ростов-на-Дону - Самара Размер выборки, 1078 1079 1079 Число степеней свободы, 11 3 2 Порог 23,209 9,210 6,635 Значение статистики 18,953 3,208 5,840 Принятие гипотезы Да Да Да Самара-Колумбия-bw = 97,848 мс, = 97,441 мс, = 0,216 мс Рис. 4. Теоретическое и экспериментальное распределения односторонней задержки пакетов на маршруте Самара-Колумбия Заключение В работе дано описание метода высокоточного измерения односторонней сетевой задержки с использование временной синхронизации ГЛОНАСС. На основе экспериментальных данных, полученных с помощью аппаратно-программного комплекса NetTestBox, произведен сравнительный анализ сетевых метрик производительности IP-сетей и сделан вывод, что за 10 лет производительность глобальной сети выросла в десятки раз, в настоящее время ее характеристики соответствуют требованиям приложений реального времени и обеспечивают передачу больших объемов мультимедийной информации. Произведено модифицирование функции распределения односторонней сетевой задержки путем комбинирования усеченного нормального распределения и экспоненциального распределения с весовым коэффициентом k = 0,1. Использованные ранее в литературе функции распределения позволяли описывать одностороннюю сетевую задержку только на коротких временных промежутках не более 30 мин. Исходная гипотеза о функции распределения сетевой задержки была подтверждена применением критерия Хи-квадрат Пирсона. Полученная функция распределения позволяет описать поведение односторонней сетевой задержки на реальных сетевых маршрутах на большие временные промежутки. Отметим, что временной интервал, в течение которого собирались данные, равен 9 ч.

Об авторах

Никита Игоревич Виноградов

Самарский национальный исследовательский университет им. акад. С.П. Королева

Email: ampelos@mail.ru

Евгений Собирович Сагатов

Самарский национальный исследовательский университет им. акад. С.П. Королева

Email: sagatov@ya.ru

Дарья Вячеславовна Самойлова

Самарский национальный исследовательский университет им. акад. С.П. Королева

Email: dasha9409@inbox.ru

Список литературы

Дополнительные файлы