691_2_Белоцкий_Левицкий. Исследование распределения времени задержки пакетов трафика в компьютерной сети при оценке качества (QoS)
 Скачать 0.74 Mb.
|
|
Военно-космическая академия имени А.Ф.Можайского Факультет специальных информационных технологий Кафедра систем сбора и обработки информации КУРСОВАЯ РАБОТА На тему «Исследование распределения времени задержки пакетов трафика в компьютерной сети при оценке качества (QoS)» Курсантов 63 курса группы №691/2 Белоцкого Н.Г. Левицкого А.В. Научный руководитель п-к Гнидко К.О. (Профессор 65 кафедры) Санкт-Петербург — 2021 ОГЛАВЛЕНИЕ 1. ВВЕДЕНИЕ 3 2. ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ПОЛОЖЕНИЕ 5 2.1 Три модели обеспечения QoS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5 2.2 Предотвращение перегрузок (Congestion Avoidance) . . . . . . . . . . . . . . . . 5 2.3 Управление перегрузками (Congestion Management) . . . . . . . . . . . . . . . . 5 3. ХОД ИССЛЕДОВАНИЯ 7 3.1 Получение исходных данных 7 3.2 Представление выборки . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10 3.3 Статистический анализ выборки . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10 4. ЗАКЛЮЧЕНИЕ И ВЫВОДЫ 14 5. ИСПОЛЬЗУЕМАЯ ЛИТЕРАТУРА 15 2 1. ВВЕДЕНИЕ Quality of Service (с англ. «качество обслуживания») — это набор технологий, которые за- пускают высокоприоритетные приложения и трафик при лимитированной пропускной способ- ности. Это означает, что более важный трафик будет обработан быстрее, а задержки по сети будут минимальны. Измерения, касающиеся QoS, включают: 1. Задержка – время, за которое данные доходят от отправителя до получателя. 2. Джиттер «дрожание» - разница задержек при передаче данных. 3. Потери – количество пакетов, потерянных во время передачи данных по сети. 3 4. Полоса пропускания – количество пакетов, проходящие по сети за определенный период времени Благодаря технологии QoS можно научить маршрутизатор разделять пропускную способ- ность и тогда ни потоковое видео, ни звонок в Skype не будут заикаться. Как работают механизмы QoS для упорядочивания пакетов и выделения полосы пропуска- ния: управление очередями; управление полосой пропускания. Чтобы обеспечить приоритетное обслуживание определенного типа трафика, используют технологию QoS (Quality of Service). QoS обеспечивает выделенную полосу пропускания, кон- тролирует задержку и джиттер, а также ограничивает потери данных. 4 2. ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ПОЛОЖЕНИЕ 2.1 Три модели обеспечения QoS 1. Best Effort — никакой гарантии качества. Все равны. Самый простой подход к реализации QoS, с которого начинались IP-сети и который практи- куется и по сей день — иногда потому что его достаточно, но чаще из-за того, что никто и не думал о QoS. 2. IntServ — гарантия качества для каждого потока. Резервирование ресурсов от источника до получателя. Название отражает стремление в одной сети одновременно предоставлять услуги для реал- тайм и не-реал-тайм типов трафика, предоставив, при этом первым приоритетное право ис- пользования ресурсов через резервирование полосы. Возможность переиспользования по- лосы, на которой все и зарабатывают, и благодаря чему IP выстрелил, при этом сохранялась. 3. DiffServ — нет никакого резервирования. Каждый узел сам определяет, как обеспечить нуж- ное качество. Оно отражает, что мы дифференцируем сервисы, предоставляемые различным приложениям, а точнее их трафику, иными словами разделяем/дифференцируем эти типы трафика. 2.2 Предотвращение перегрузок (Congestion Avoidance) В жизни любого маршрутизатора наступает момент, когда очередь переполняется. Куда по- ложить пакет? Если положить его решительно некуда, то это означает, что буфер кончился и не будет возможности найти для него место. В данном случае есть два пути: отбросить либо этот пакет, либо те, что уже заняли очередь. В первом случае если отбрасываем те пакеты, что уже в очереди, то безвозвратно теряем их. В другом случае теряем отправленный пакет.Эти два подхода называются Tail Drop и Head Drop. Tail Drop — наиболее простой механизм управления очередью — отбрасываем все вновь пришедшие пакеты, не помещающиеся в буфер. Head Drop отбрасывает пакеты, которые стоят в очереди уже очень долго. Их уже лучше выбросить, чем пытаться спасти, потому что они, скорее всего, бесполезны. Зато у более ак- туальных пакетов, пришедших в конец очереди, будет больше шансов прийти вовремя. Плюс к этому Head Drop позволит не загружать сеть ненужными пакетами. Естественным образом самыми старыми пакетами оказываются те, что в самой голове очереди, откуда и название под- хода. 2.3 Управление перегрузками (Congestion Management) Когда всё плохо, приоритет обработки следует отдать более важному трафику. Важность каждого пакета определяется на этапе классификации. Необязательно все буферы должны быть забиты, чтобы приложения начали испытывать проблемы. Самый простой пример — голосовые пакетики, которые толпятся за большими пачками крупных пакетов приложения, скачивающего файл. Это увеличит задержку, испортит джиттер и, возможно, вызовет отбрасывания. То есть мы имеем проблемы с обеспечением качественных услуг при фактическом отсутствии перегрузок. 5 Эту проблему призван решить механизм управления перегрузками (Congestion Management). Трафик разных приложений разделяется по очередям, как мы уже видели выше. Вот только в результате всё снова должно слиться в один интерфейс. Сериализация всё равно происходит последовательно. Каким же образом разным очередям удаётся предоставлять различный уровень сервисов? По-разному изымать пакеты из разных очередей. Занимается этим диспетчер: 1. FIFO - только одна очередь, все в BE, С - несправедливость. Простейший случай, по сути отсутствие QoS, - весь трафик обрабатывается одинаково - в одной очереди. Пакеты уходят из очереди ровно в том порядке, в котором они туда попали, отсюда и название: первым вошёл - первым и вышел. 2. PQ - дорогу олигархам, холопы уступают. Второй по сложности механизм и попытка разделить сервис по классам - приоритетная очередь. Трафик теперь раскладывается в несколько очередей согласно своему классу - при- оритету (например, хотя не обязательно, те же BE, AF1-4, EF, CS6-7). Диспетчер перебирает одну очередь за другой. 3. FQ - все равны. Следующий механизм - механизмы честных очередей. Честность заключается в том, что диспетчер оперирует числом не пакетов, а числом битов, которые можно передать из каж- дой очереди. 4. DWRR - все равны, но некоторые ровнее. Каждая очередь имеет отдельную кредитную линию в битах. При проходе из очереди вы- пускается столько пакетов, на сколько хватает кредита. Из суммы кредита вычитается размер того пакета, что в голове очереди. Если разность больше нуля, этот пакет изымается, и про- веряется следующий. Так до тех пор, пока разность не окажется меньше нуля. 6 3. ХОД ИССЛЕДОВАНИЯ 3.1 Получение исходных данных В данной работе технология QoS использовалась в домашних условиях Порядок включения QoS на роутере: 1. Открыть панель администрирования. 2. В адресную строку браузера ввести IP-адрес маршрутизатора. 3. Войти под персональным именем и паролем (указано в руководстве к маршрутизатору). 4. После входа выбрать вкладку «NAT», затем «QoS». 5. Нажать «Включить», оставив порт установленным на WAN, а Packet Scheduler и Queueing Discipline в состоянии по умолчанию. 6. Заполнить значения восходящую и нисходящую линии связи (вводные данные составляют 80-95% значения, полученного в ходе теста скорости). В начале откроем командную строку и введем команду: ping – 8.8.8.8 данная утилита помогает проверить связность сети, в нашем случае с DNS сервером Google. Перед началом исследования сделаем тест – замер скорости интернета без включения QoS: Рисунок 1.1 – отправка пакетов на DNS сервер Google без использования QoS 7 Как видно из рисунка 1.1 скорость не впечатляющая и еще не очень стабильная, трафик расходуется равномерно на все запросы роутера. Теперь включим QoS и отправим пятьдесят раз запросы по 32 байта на тот же самый адрес. 8 Рисунок 1.2 – отправка пакетов на DNS сервер Google c использованием QoS Можем, заметить, посмотрев на рисунок 1.2, что скорость интернета возросла многократно, скорость скачков в сети стала практически не заметна. 9 3.2 Представление выборки Выпишем время отправки пакетов для дальнейшего анализа: 3.3 Статистический анализ выборки Разобьем все элементы на интервалы, найдем их средины, количество элементов в каждом ин- тервале. Вычислим: Размах вариации R R = x max − x min Длину интервала h: h = R l , где h – количество интервалов, в нашем случае их шесть. Частоты p ∗ i p ∗ i = n i n Накопленные частоты z i z 1 = p ∗ 1 ; z 2 = p ∗ 1 + p ∗ 2 ; . . . ; z 1 = i ∑ k p k 10 Эмпирическую функцию распределения F ∗ n (x) F ∗ n (x) = ∑ i:a i p ∗ i x max = 181 x min = 34 n = 50 Выборочное среднее x ˜ x = ∑ x i n Выборочная дисперсия S 2 s 2 = l ∑ i=1 x 2 i p 2 i − x 2 Выборочное СКВО S s = √ s 2 Исправленная выборочная дисперсия s 2 s 2 = n n − 1 ∗ s 2 Исправленное выборочное СКВО s s = √ s 2 Выборочная медиана µ µ = { x k + 1 n = 2k + 1 x k +x k+1 2 n = 2k Выборочная асимметрия A A = 1 s 3 l ∑ i=1 (˜ x i − x) 3 p ∗ i Выборочный эксцесс E E = 1 s 4 l ∑ i=1 (˜ x i − x) 4 p ∗ i − 3 11 I i I 1 I 2 I 3 I 4 I 5 I 6 ∑ x i 46,25 70,75 95,25 119,75 144,25 168,75 — n i 28 18 1 0 0 3 50 p i 0,56 0,36 0,02 0 0 0,06 1 z 0,56 0,92 0,94 0,94 0,94 1 — F ∗ n (x) 0,022857143 0,014693878 0,000816327 0 0 0,002449 — Выборочное среднее ˜ x 63,4 Выборочная дисперсия S 2 870,3625 Исправленная выборочная дисперсия s 2 888,125 Исправленное выборочное СКВО s 29,8014261 Выборочная медиана µ 54 Выборочная асимметрия А 2,5736866 Выборочный эксцесс E 9,45887796 12 Карман Частота 5 2 6,6666667 26 8,3333333 18 10 1 11,666667 0 13,333333 0 15 3 Строим гистограмму по получившимся значениям: На гистограмме видим распределение с изолированным пиком. На ряду с обычным распре- делением любого типа по одну сторону от распределения находится маленький пик. Причиной появления данного пика может служить ошибка выборки, но в нашем случае это невозмож- но, изменение времени задержки сети может быть связано с повышением нагрузки на сеть, но благодаря использования технологии QoS в нашей сети выровнялось время задержки. 13 4. ЗАКЛЮЧЕНИЕ И ВЫВОДЫ На примеры статистических оценок и наглядного примера удостоверились в работе технологии QoS, в ее эффективном применении для стабильной работы сети, успешно проанализировали время задержек и узнали распределение по времени. Технология QoS помогает поддерживать производительность сети, гарантировать бесперебойную передачу трафика, а также регулярно оценивать состояние IT-инфраструктуры сети. QoS очень сильно повышает качество и снижает время задержки во время интернет трансляций и других мероприятий требующих большого расхода трафика. 14 5. ИСПОЛЬЗУЕМАЯ ЛИТЕРАТУРА 1. QOS-Enabled Networks: Tools and Foundations (Wiley Series on Communications Networking & Distributed Systems) 2nd Edition. 2. ТЕОРИЯ ВЕРОЯТНОСТИ И МАТЕМАТИЧЕСКАЯ СТАТИСТИКА Руководство по реше- нию задач Н.В. Васильева. 3. Special Topic – QoS (HUAWEI TECHNOLOGIES CO., LTD.) 4. QoS от Huawei: Special Edition QoS(v6.0) 5. QoS в MPLS: MPLS and Quality of Service 15 |