POSSIBILITIES RESEARCH OF TENSOR ANALYSIS FOR TRAFFIC CONTROL IN TCP/IP NETWORKS

Abstract

TCP/IP traffic control is one of the most important tasks for providing given QoS level in modern communication. Tensor analyses present method for optimal distribution network recourses and more effective traffic control in TCP/IP networks.

Full Text

Одной из составляющих механизма обеспечения качества обслуживания, как в архитектуре дифферен- циальных, так и в архитектуре интегральных услуг является наличие сервера управления политикой каче- ства обслуживания в сети, роль которого заключается в удаленном администрировании узлов с поддержкой механизмов QoS (Quality of Service (качество обслу- живания)), а также сбор статистической информации о функционировании узла. Как правило, администриро- вание сводится к непосредственному подключению к узлу с помощью протоколов удаленного доступа и ввода соответствующих команд для настройки меха- низмов QoS, или для распространения правил полити- ки на все узлы сети используется протокол COPS (Common Open Policy Service (общая открытая служба политики), RFC 2748). Средства мониторинга, напри- мер такие как Nagios, Intellipool Network Monitor, NCM (Network complex monitor), Alchemy Eye, IPCheck Server Monitor, Friendly Net Viewer и др., предназначены для сбора статистической информации и отображение её в виде графиков, диаграмм или таб- лиц, на основании которых инженер должен делать выводы о функционировании сети и осуществлять настройку сетевых узлов и протоколов. Актуальность рассматриваемой темы заключается в том, что на се- годняшний день нет единого подхода, как необходимо вести политику поддержки QoS сети. Обеспечение качества обслуживания в таком случае полностью зависит от уровня знаний и навыков администратора сети. В качестве единого подхода к выбору стратегии управления показателями качества обслуживания элементов сети авторы предлагают использовать тен- зорный метод анализа. К управляемым и управляющим протоколам для обеспечения заданного качества обслуживания можно отнести следующие протоколы: IP, ICMP, OSPF, IS-IS, EIGRP, TCP, telnet, SSH, r-login, SNMP, CMIP, RSVP, COPS. В протоколе ICMP (Internet Control Message Proto- col, RFC-792, 1256-й протокол передачи команд и со- общений об ошибках) определены сообщения, уве- домляющие об ошибках, произошедших в сети, но не все эти сообщения способны влиять на управления потоками данных в IP-сети. В протоколе ICMP опре- делено только одно сообщение, которое способно вы- полнять такую функцию, - «Подавление источника», а поле «Тип сообщения» в пакете ICMP имеет значение Сообщение о подавлении источника отсылается приемником информации отправителю с целью сни- жения скорости передачи, при этом скорость снижает- ся на значение, установленное администратором сети. Необходимо отметить, что протокол ICMP не реко- мендуется использовать для таких целей в крупных сетях, так как это создает дополнительную нагрузку на маршрутизатор. Кроме того, пакет ICMP непосред- ственно инкапсулирован в пакет IP, что не гарантиру- ет доставки пакета ICMP адресату. Следующий протокол, который способен контро- лировать скорость информационного обмена в сетях IP, - это протокол TCP (Transmission Control Protocol (протокол управления передачей данных), RFC-793). Данный протокол может применяться только для пе- редачи непотокового трафика, так как использование механизмов подтверждения и повторного запроса, определенного в протоколе TCP, может внести слиш- ком большие задержки в передачу пакета и негативно скажется на качестве принимаемой информации. Ме- ханизмами управления в протоколе TCP являются метод скользящего окна и система таймеров. Они оп- ределяют, сколько байт информации может одновре- менно передать источник без подтверждения. Но сле- дует отметить, что не все устройства (коммутаторы и маршрутизаторы) в сети на базе IP обрабатывают про- токол TCP. Устройствами, обрабатывающие протокол TCP, являются оконечные узлы сети: хосты пользова- телей и различные серверы приложений и баз данных. Среды основных параметров, которыми необходимо манипулировать в ходе передачи данных по протоко- лу ТСР, необходимо выделить размер окна, таймер повторной передачи, таймер ожидания пакета и сред- нее время двойного оборота. Таймер повторной пере- дачи настраивается на передающем устройстве и его истечение свидетельствует о том, что подтверждения на переданные пакеты за время, отведенное этим тай- мером, не пришли. Срабатывание таймера, как прави- ло, происходит в том случае, когда пакет утерян или поврежден. Таймер ожидания пакета настраивается на приемном устройстве и его истечение показывает, что время, отведенное на ожидание следующего пакета, истекло, в этом случае посылается пакет с номером утерянного пакета. Протоколы маршрутизации, использующие раз- личные метрики состояний каналов, которые вычис- ляются автоматически либо задаются администрато- ром сети, относятся к средствам распределения ин- формации в сетях связи на базе протокола IP. Так как маршрутизатор или другое устройство, работающее на третьем уровне модели OSI, для вычисления маршру- тов наименьшей стоимости использует метрики, то на основании вычисленного маршрута принимается ре- шение о направлении передачи пакета. В случае не- скольких маршрутов в маршрутизаторах можно задать коэффициент, на основании которого трафик, предна- значенный одному пользователю, будет распределять- ся по различным направлениям. Тем самым будет дос- тигнута необходимая загрузка интерфейсов коммуни- кационных устройств. К протоколам маршрутизации, использующим различные метрики, относятся OSPF (Open Shortest Path First (первый путь открывается первым), RFC-1247), IS-IS (Intermediate System to In- termediate System (связь между промежуточными сис- темами)), EIGRP (Enhanced Interior Gateway Routing Protocol (улучшенный прокол маршрутизации внут- реннего шлюза)). Как и предыдущие протоколы, протокол IP содер- жит в своем заголовке необходимую информацию о том, как необходимо обрабатывать данный пакет. Ос- новными полями заголовка IP являются поле «Адрес получателя и отправителя», поле, указывающее на протокол верхнего уровня, а также байт ToS (Type of Service (тип сервиса)) или его модификация - поле DSCP (Differential Service Code Point (указатель на код дифференциальных услуг)). Помимо полей заголовка, управляющей информацией в зависимости от модели маршрутизатора может быть размер пакета IP. Все перечисленные выше протоколы не управляют распределением информационных потоков в IP-сети непосредственно, они лишь переносят служебную информацию, на основе которой можно принять ре- шение о том, как поступить с определенным пакетом. Основным устройством, принимающим решение в сетях IP, является маршрутизатор или коммутатор третьего уровня. Основными функциями устройств третьего уровня по управлению трафиком являются механизмы орга- низации очередей, профилирования и формирования трафика, которые могут настраиваться как непосред- ственно через консольный порт, так и удаленно по- средством протоколов telnet (RFC-854), SNMP (Simple Network Management Protocol (простой протокол управления сетью), RFC-1157), CMIP (Common Man- agement Information Protocol (протокол общей управ- ляющей информации)), COPS. Определено несколько различных способов орга- низации очередей: простое приоритетное обслужива- ние, взвешенное обслуживание, взвешенное справед- ливое обслуживание, методы обслуживания очередей, основанные на методе раннего случайного обнаруже- ния и специально разработанные для сетей, в которых на транспортном уровне используется протокол TCP [1-4]. Первые три способа организации очередей подра- зумевают существование нескольких очередей, где обслуживание каждой очереди ведется по принципу FIFO, а в случае переполнения памяти, выделенной на организацию очереди, поступившие пакеты будут от- брошены. При организации приоритетного обслуживания каждому потоку присваивается свой приоритет. При этом происходит организация такого количества оче- редей, которое соответствует имеющимся приорите- там, каждая очередь работает по принципу FIFO. Об- служивание очередей происходит следующим обра- зом: вначале обслуживается очередь с наивысшим приоритетом и только после того, как все пакеты в очереди с наивысшим приоритетом будут обслужены, начинается обслуживание очереди с более низким приоритетом. Если в момент обслуживания очереди с низким приоритетом пришел пакет с более высоким приоритетом, то обслуживание этой очереди прекра- щается и начинается обслуживание более приоритет- ного пакета. Механизм взвешенного обслуживания предусматривает организацию нескольких очередей, но при этом каждой очереди гарантируется определенная часть полосы пропускания. Механизм взвешенного справедливого обслужива- ния подразумевает организацию n очередей, которые разбиты на k групп. В каждой группе находится m очередей. Между собой каждая группа работает по принципу приоритетного обслуживания, но внутри группы m очередей работают по принципу взвешенно- го обслуживания. При организации очереди на основе механизмов случайного раннего обнаружения обслуживание про- исходит следующим образом: пакеты обслуживаются в порядке поступления, но при переполнении памяти, выделенной на организацию очереди, пакеты в конце очереди отбрасываются в случайном порядке, что свя- зано с применением в протоколе TCP алгоритма мед- ленного старта, описанного в RFC-2001. Помимо организации очередей, в устройствах третьего уровня реализуются механизмы профилиро- вания и формирования трафика, такие как механизм «дырявого ведра» и «ведра маркеров», с помощью которых осуществляется сглаживание пульсаций тра- фика [1; 2]. Следующим этапом после выбора набора протоко- лов управления является настройка механизмов управления IP-трафиком. Решение данной задачи сво- дится к определению маршрутов прохождения IP- потоков, выбору размеров очередей для различных видов трафика, определению параметров задержек, вносимых как самим устройством, так и всем соеди- нительным трактом, а также к определению скорости обработки пакетов в различных очередях. Кроме того, потоки в современных сетях не являются стационар- ными, а это значит, что параметры функционирования сетевых элементов должны динамически подстраи- ваться под изменения поведения потоков IP. Для ана- лиза сложных систем авторами предлагается исполь- зование тензорного метода, предложенного в [5], а затем адаптированного к применению в телекоммуни- кационных сетях [6; 7]. Основоположником тензорной теории явился Г. Крон, который впервые применил тензорный метод к расчету электрических цепей [6]. Центральное место в тензорной методологии Г. Крона занимают два ос- новных постулата обобщения: «метод анализа и окончательные уравнения, опи- сывающие поведение сложной физической системы (с n степенями свободы), могут быть найдены последо- вательно при анализе простейшего, но наиболее обще- го элемента системы при условии, что каждая величи- на заменяется соответствующей матрицей размерно- сти n (n-матрицей). Простейший элемент системы мо- жет иметь одну или несколько степеней свободы» [6]; «новая система описывается тем же числом n- матриц и того же типа, что и старая система, но отли- чается от нее численными значениями компонент n- матриц; уравнения новой системы, записанное в n- матрицах, имеет тот же вид, что и уравнение старой системы; n-матрицы новой системы могут быть най- дены из n-матриц старой системы с помощью рутин- ного преобразования» [6]. В качестве простейшего элемента сети IP можно взять модель системы массового обслуживания (СМО), обладающую следующими параметрами: ин- тенсивностью поступления пакетов л, интенсивно- стью обслуживания пакетов м, загрузкой СМО с. Эти параметры связаны соотношением [7]: л = мr. (1) При объединении простейших СМО в сеть, согласно первому постулату обобщения, уравнение (1) будет иметь матричный вид: а б image Рис. 1. Маршрутизатор: а - IP-пакеты; б - эквивалентная схема L = M ´ P, image (2) где Л - вектор, элементы которого показывают интен- сивность поступления IP-пакетов в каждую СМО, с количеством элементов, равным количеству СМО в IP-сети; М - квадратная матрица, элементы главной диагонали которой показывают интенсивность обслу- живания IP-пакетов в устройстве, а остальные элемен- ты - взаимное влияние отдельных СМО друг на друга, число столбцов и строк этой матрицы определяется количеством СМО в сети; Р - вектор загрузки, эле- менты которого показывают загрузку каждой СМО. В тензорной методологии ограничение на выбор простейшей сети не накладывается, но в качестве про- стейшей, или примитивной (в терминологии тензор- ного анализа) сети предлагается выбрать сеть, которая состоит из такого же количества СМО, что и иссле- Рис. 2. Примитивная узловая сеть При объединении примитивных элементов в сеть (см. рис. 1, б) происходит перераспределение загру- зок. Узловой метод анализа позволит установить мат- рицу перехода, с помощью которой осуществляется перераспределение загрузок при переходе от прими- тивной к исходной сети. Для перехода от примитив- ной сети к исходной определим матрицу А, которая связывает загрузки в СМО примитивной и исходной сетей следующим соотношением: дуемая, только между этими СМО отсутствуют связи. Для такой сети матричное уравнение (2) имеет про- P = A´ P¢, (3) стую форму записи, и в случае отсутствия взаимного влияния все элементы матрицы М, кроме диагональ- ных, равны нулю. В тензорной методологии определены три типа се- тей: контурные, узловые и ортогональные, и исполь- зуются два способа анализа таких сетей: узловой и контурный [5; 6]. Выбор того или иного метода анали- за не имеет значения, а лишь определяется удобством применения. Рассмотрим применение узлового метода анализа. В качестве примера возьмем маршрутизатор IP- пакетов, имеющий три порта: один принимающий, а два других передающих (рис. 1). Согласно узловому где Р - вектор загрузок в ветвях примитивной сети; P¢ - вектор загрузок в исходной сети; А - матрица перехода. При исследовании сети с помощью узлового метода предполагается, что величина Р является неизвест- ной. Поэтому необходимо установить формулы пре- образования между интенсивностями обслуживания и поступлением исходной и примитивной сетей. Эле- менты со штрихом описывают исходную сеть. Для установления такого преобразования необходимо определить инвариант относительно преобразо- вания координат. В [7] в качестве инварианта выбрано уравнение методу анализа составим примитивную сеть для данной сети (рис. 2). Определим компоненты для примитивной сети (см. рис. 2) согласно формуле (2): P ´L = P¢ ´ L¢. Подставим уравнение (3) в формулу (4): A´ P¢ ´L = P¢ ´ L¢ Þ P¢ ´ AT ´L = P¢ ´ L¢. (4) (5) image image image l1 m1 image image image 0 0 r1 Произведя сокращение P¢, получим l2 = 0 m2 0 ´ r2 , AT ´ L = L¢. (6) l3 0 0 m3 r3 Подставим в уравнение (2) уравнения (3) и (6): где лi - интенсивности соответствующих СМО; мi - интенсивности обслуживания пакетов соответст- вующей СМО; сi - загрузка в соответствующей СМО. L¢ = M ¢ ´ P¢Þ AT ´L = M ¢ ´ P¢Þ AT ´ M ´ P = = M ¢ ´ P Þ AT ´ M ´ A ´ P¢ = M ¢ ´ P¢, (7) и произведем сокращение на P¢: image image image image 1 1 0 0 T m 0 0 AT ´ M ´ A = M ¢. (8) M ¢= -1 1 0 ´ 0 m2 0 ´ Определив по формулам (6) и (8) значения L¢ и -1 0 1 0 0 m3 M ¢ и подставив их формулу (2) L¢ = M ¢ ´ P¢, решим это уравнение относительно P¢ . Результатом решения данного уравнения является вектор загрузок. Для нахождения загрузок в отдельных ветвях неimage image image image 1 0 0 ´ -1 1 0 = -1 0 1 m1 +m2 +m3 -m2 3 3 -m -m2 m2 0 -m3 0 ´ m обходимо полученное значение P¢ подставить в формулу PB = A ´ P¢. (9) image image image image l1 - l2 - l3 ´ l2 m1 +m2 +m3 = -m2 -m2 m2 -m3 0 image image ra ´ rb , А для нахождения интенсивностей потоков, про- l3 ходящих в отдельных ветвях, необходимо воспользо- -m3 0 m3 rc -1 ваться следующей формулой: image m1 +m2 +m3 -m2 image image image -m3 l1 - l2 - l3 ¢ P¢= -m m 0 ´ l , LB = M ´ A ´ P¢. (10) 2 2 2 Произведем расчет для сети (см. рис. 1, б), в кото- рую добавим вспомогательные загрузки узловых пар -m3 0 m3 l3 image -1 image (рис. 3). Через эти загрузки будем выражать загрузки в image image 1 0 0 m1 +m2 +m3 -m2 -m3 примитивной сети и составлять матрицу перехода А. PB = -1 1 0 ´ -m2 m2 0 ´ image -1 0 1 ´ image image -m3 0 m3 l1 - l2 - l3 l2 . l3 (11) Рис. 3. Исследуемая сеть Получим систему уравнений, в которой загрузки примитивной сети выражаются через загрузки узло- вых пар исследуемой сети, а коэффициенты перед загрузками узловых пар будут определяют элементы матрицы А: ìr1 = ra , ï ír2 = -ra + rb , ïr = -r +r Итак, тензорный метод позволяет достаточно легко описывать текущее состояние сети, при этом вычис- лительная сложность алгоритма невысока, так как она сводится к простым арифметическим операциям. Дан- ное обстоятельство делает перспективным примене- ние тензорного метода анализа в системах управления телекоммуникационными сетями. Уравнение (11) в явном виде описывает динамику поведения сети в зависимости от интенсивности поступления пакетов, что дает возможность определить гарантии по за- держке и вероятности потерь для каждого потока в сети. А использование аналитических выражений для средней очереди и времени задержки из теории массо- вого обслуживания позволит соответствующим обра- зом отрегулировать значение параметров механизмов организации и обслуживания очередей. Из вышеизложенного следует, что тензорный анализ имеет хорошие перспективы в качестве мето- î 3 a c . Выразим из этой системы матрицу А: image image 1 0 0 A = -1 1 0 . -1 0 1 Воспользуемся формулами (6), (8) и (9) для полу- чения загрузки в соответствующих СМО исследуемой сети: Соответственно получаем да управления сетью IP. В частности, можно предложить следующую архитектуру управления сетью IP (рис. 4) согласующуюся с концепцией построения систем управления на базе протоколов SNMP, CMIP, COPS.