Unverzta Karlova v Praze Matematcko-fyzkální fakulta DIPLOMOVÁ PRÁCE Danel Matteon Měření rychlost a kvalty datových přenosů Katedra softwarového nženýrství Vedoucí dplomové práce: RNDr. Ing. Jří Peterka Studjní program: Informatka softwarové systémy 1
Rád bych poděkoval panu RNDr. Ing. Jřímu Peterkov, za mnoho cenných rad a odpovědí na záludné otázky. Prohlašuj, že jsem svou dplomovou prác napsal samostatně a výhradně s použtím ctovaných pramenů. Souhlasím se zapůjčováním práce. V Praze dne Danel Matteon 2
Obsah Obsah... 3 Kaptola 1 - Úvod... 6 Kaptola 2 - Základy měření v sítích... 7 2.1 Vývoj telekomunkačních sítí... 7 2.2 TCP/IP... 8 2.3 Měření v telekomunkačních sítích... 8 2.4 End-to-end měření... 9 2.5 Pasvní měření... 10 2.6 Aktvní měření... 10 Kaptola 3 - Velčny... 12 3.1 Standardní velčny... 12 3.2 Pasvní velčny... 12 3.2.1 Propustnost (throughput)... 12 3.2.2 Využtí (utlsaton)... 13 3.2.3 Dostupnost (avalablty)... 13 3.2.4 Další pasvní velčny... 13 3.3 Aktvní velčny... 13 3.3.1 Kapacta (capacty)... 13 3.3.2 Dostupná kapacta (avalable bandwdth)... 14 3.3.3 Latence (latency)... 15 3.3.4 Propustnost TCP (TCP throughput)... 15 3.3.5 Ztráta paketů (packet loss)... 16 3.3.6 Dostupnost (avalablty)... 16 3.3.7 Topologe (Topology dscovery)... 17 3.3.8 Dynamka směrování (Routng dynamcs)... 17 Kaptola 4 - Úvod do aktvního měření... 18 4.1 UDP... 18 4.2 TCP... 18 4.3 ICMP... 19 Kaptola 5 - Měřící technky... 20 5.1 Sondování s varablní velkostí paketů(varable Packet Sze VPS)... 20 5.2 Sondování pomocí dsperze párů/řetězců paketů(packet Par/Tran Dsperson PPTD).. 21 5.3 Self-Loadng perodcké proudy(self-loadng Perodc Streams SLoPS)... 23 5.4 Řetězce párů paketů(trans of Packet Pars TOPP)... 24 5.5 Chrp Packet Trans(CPT)... 24 Kaptola 6 - Aplkace meas... 25 6.1 Cíle aplkace meas... 25 6.2 Měření dostupné kapacty... 26 6.3 Měření dostupné kapacty pomocí CPT... 27 6.3.1 Dostupná kapacta cesty... 27 6.3.2 Implementace odhadu dostupné kapacty... 27 6.3.3 Rozdělení na segmenty podle odchylek... 29 6.3.4 Algortmus pro rozdělení na segmenty podle odchylek... 30 6.3.5 Výpočet odhadů dostupné kapacty per-paket... 30 6.4 Měření dostupné kapacty pomocí SLoPS... 32 3
6.4.1 Úvod do metody SLoPS... 32 6.4.2 Implementace SLoPS v meas... 35 6.5 Měření kapacty... 39 6.5.1 Dsperze páru paketů... 39 6.5.2 Dsperze řetězců paketů... 42 6.5.3 Průměrná míra dsperze(average (Asymptotc) Dsperson Rate ADR)... 43 6.5.4 Implementace odhadu kapacty... 45 6.6 Měření propustnost TCP... 49 6.7 Měření ztráty paketů... 49 6.8 Tvar výstupů naměřených hodnot... 49 6.8.1 Výstupní XML soubor... 49 6.8.2 Výstupní textový soubor... 50 Kaptola 7 meas struktura zdrojových kódů... 51 7.1 Hlavní program meas... 51 7.1.1 man... 51 7.1.2 bandwdth_chrp... 52 7.1.3 bandwdth... 52 7.1.4 capacty... 53 7.1.5 throughput... 54 7.1.6 loss... 54 7.2 meas_agent... 55 7.2.1 man_agent... 55 7.2.2 bandwdth_chrp_agent... 55 7.2.3 bandwdth_agent... 55 7.2.4 capacty_agent... 56 7.2.5 throughput_agent... 57 Kaptola 8 Zhodnocení... 58 8.1 Srovnání s jným projekty řešícím měření datových přenosů... 58 8.2 Testování... 59 8.2.1 Testování měření dostupné kapacty... 60 8.2.2 Testování měření kapacty... 60 8.2.3 Testování měření propustnost TCP... 61 Kaptola 9 Shrnutí dosažených výsledků a doporučení dalšího směru práce... 62 Příloha - Ovládání aplkace meas... 63 meas_agent Lnux... 63 meas_agent Wndows... 63 meas Lnux... 63 Seznam použté lteratury... 65 4
Název práce: Měření rychlost a kvalty datových přenosů Autor: Danel Matteon Katedra: Katedra softwarového nženýrství Vedoucí dplomové práce: RNDr. Ing. Jří Peterka e-mal vedoucího: Jr.Peterka@mff.cun.cz Abstrakt: Měření výkonnost a kvalty počítačových sítí a přesněj datových přenosu v nch má velký význam pro neustálý rozvoj a rozšřování Internetu. Tato práce má za cíl prozkoumat, které praktcky využtelné parametry datových přenosů se dají měřt. Dále je důležté zjstt, jaké algortmy jsou nejvhodnější pro tato měření v ohledech přesnost a doby měření a také zátěže pro síť. Výsledkem tohoto průzkumu je dentfkace pět důležtých velčn charakterzujících aktuální stav nebo obecné vlastnost síťových cest. Kapacta je maxmální rychlost, kterou mohou být přenášeny pakety od zdroje do cíle v síťové vrstvě. Dostupná kapacta je nevyužtá kapacta během určtého časového ntervalu. Propustnost TCP je množství dat přenesených za jednotku času jedním TCP spojením. Doba obrátky je čas potřebný k tomu, aby se paket dostal ze zdroje do cíle a zase zpátky do zdroje. Ztráta paketů je podíl paketů ztracených během přenosu a všech odeslaných paketů. Součástí této práce je pops postupů pro měření výše uvedených velčn a také návrh a vývoj aplkace pro jejch end-to-end měření. Klíčová slova: měření, počítačová síť, datový přenos Ttle: A system for measurng qualty and throughput of data transmssons Author: Danel Matteon Department: Department of Software Engneerng Supervsor: RNDr. Ing. Jří Peterka Supervsor s e-mal address: Jr.Peterka@mff.cun.cz Abstract: Network performance measurements play a key role n the contnuous development and expanson of the Internet. The frst part of ths work ams to dentfy the mportant parameters of data transmssons whch are possble to measure. Next we try to fnd out whch algorthms are the most sutable wth respect for the accuracy and the tme of the measurement and also for the load caused on the network. As a result of that research we found fve mportant measures descrbng the actual state or general characterstcs of network paths. Capacty s the maxmum rate that can be used to transfer the packets from source to destnaton n the network layer. Avalable bandwdth s the unused capacty durng some tme nterval. TCP throughput s the amount of data per tme unt that s delvered over a sngle TCP connecton. Round trp tme s the tme requred for a packet to get from source to destnaton and back to source agan. Packet loss rate s the rato of number of packets lost durng the transmsson and number of all sent packets. Ths work ncludes the descrpton of the algorthms used for the measurements of mentoned measures and also the desgn and the development of an applcaton for these measurements. Keywords: measurement, computer network, data transmsson 5
Kaptola 1 - Úvod Od začátku exstence počítačových sítí klíčovou rol v jejch zlepšování hraje měření jejch výkonnost. Navzdory několka desítkám let vývoje v této oblast, měření výkonnost je stále předmětem výzkumu. V posledních letech se měření datových přenosů zaměřují hlavně na protokoly TCP/IP, na nchž je založen Internet. Mnohé nternetové aplkace jsou totž závslé na nformacích o výkonnost sítě a přesněj o parametrech síťové cesty, po které se aktuálně přenášejí data. Důsledkem toho je větší důležtost měření typu end-to-end (od jednoho ke druhému koncovému uzlu), a tedy těžště měření se přesouvá z jádra sítě k jejím okrajům. Měření jsou typcky prováděna spíše koncovým uzly než prvky uvntř sítě. Cílem této práce je prozkoumání problematky měření v počítačových sítích se zaměřením na datové přenosy a na technolog TCP/IP, dentfkace velčn důležtých pro měření a známých metodologí pro jejch měření a mplementace systému, který by umožňoval měřt dentfkované důležté velčny. 6
Kaptola 2 - Základy měření v sítích Měření různých parametrů počítačových sítí má dlouhou tradc. Měření síťového provozu jsou nutná pro montorování a zajštění kvalty přenosu (QoS Qualty of Servce) a jsou nezbytná pro mnohé další aktvty jako třeba plánování výstavby sítí. 2.1 Vývoj telekomunkačních sítí Klascké telefonní sítě, nazývané Plan Old Telephone System (POTS) nebo také Publc Swtched Telephone Network (PSTN), začaly být slně regulovány několk desetletí po vynálezu telefonu v roce 1876. Pro zajštění globální dostupnost telefone byla potřeba meznárodní spolupráce př vytváření standardů pro zajštění kompatblty zařízení. Velkou rol zde hrála Internatonal Telecommuncaton Unon (ITU). Snahy dodavatelů tradčních PSTN zařízení a služeb o uspokojení rostoucí potřeby po moblní a datové komunkac vyústly v množství nových technologí. Mez nm jsou kupříkladu standard pro moblní komunkace Global System for Moble Communcatons (GSM), Integrated Servces Dgtal Network (ISDN) a jeho šrokopásmová verze B-ISDN nebo Asynchronous Transfer Mode (ATM). ATM se mělo stát novým ntegrovaným řešením pro poskytování celé řady hlasových a datových komunkačních služeb, této technolog se však nepovedlo splnt očekávání. Internet byl vyvnut za účelem zajštění jednoduché, efektvní a robustní komunkace založené na prncpu přepojování paketů. Výsledkem jeho vývoje byl mez jným vznk specfkací řady protokolů. Centrálním je Internet Protocol (IP), který přenáší data nazývaná datagramy mez odesílatelem a příjemcem, kteří jsou dentfkování pomocí adres pevné délky. IP spoléhá na služby nízkoúrovňových protokolů lokálních sítí a zajšťuje vlastní služby pro vysokoúrovňové protokoly typu host-to-host. Zatímco tradční dodavatelé telekomunkačního vybavení a služeb byl zaneprázdnění vývojem a standardzací nové síťové technologe, IP začal být používán praktcky na všech termnálech vlastněných zákazníky dodavatelů telekomunkačních služeb a stal se takto de-facto standardem. Dnes je IP nedílnou součástí všech významných operačních systémů počítačů, herních konzolí a moblních zařízení. Díky úspěchu aplkací jako e-mal a WWW a také díky robustnost a dostupnost v čase, kdy to potřeboval trh, se stal IP domnantní síťovou technologí moderních telekomunkací. 7
Výsledkem této evoluce je, že model telekomunkační sítě se oprot PSTN výrazně změnl. Namísto k jednomu standardnímu telefonnímu termnálu užvatelé přstupují k různým telekomunkačním službám prostřednctvím velkého množství termnálu počítačů, moblních telefonů, kapesních počítačů PDA, herních konzolí. Navíc exstuje spousta technologí přístupů podle typu zařízení přpojujícího se k telekomunkační sít. 2.2 TCP/IP Kořeny IP hledejme v šedesátých letech dvacátého století, když byl zrozen program ARPANET datová síť organzace Advanced Research Projects Agency. V sedmdesátých a začátkem osmdesátých let byla vyvnuta soustava protokolů kolem IP nazývána TCP/IP Protocol Sute. Je to kombnace řady protokolů komunkujících na čtyřech různých vrstvách aplkační, transportní, síťové a síťového rozhraní. Hlavním úkolem vrstvy síťového rozhraní je zajstt fyzcké spojení mez sousedním uzly. Typcky je realzovaná prostřednctvím ovladačů zařízení, které jsou součástí operačního systému a které se zabývají komunkací na nejnžší úrovn. Síťová vrstva, často také nazývána nternetová vrstva, je zodpovědná za doručování datových paketů jakémukol uzlu v sít. Důležtou úlohou síťové vrstvy je směrování paketů. V TCP/IP je síťová vrstva mplementována pomocí protokolů Internet Protocol (IP), Internet Control Message Protocol (ICMP) a Internet Group Management Protocol (IGMP). Služby protokolu IP jsou využívány dvěma známým protokoly transportní vrstvy User Datagram Protocol (UDP) a Transmsson Control Protocol (TCP). Oba zajšťují datový proud mez dvěm stancem pro účely protokolů aplkační vrstvy. Mez těmto protokoly je podstatný rozdíl. TCP zajšťuje spolehlvý tok dat, kdežto jednodušší UDP pouze přenáší datové pakety zvané datagramy, ale nezaručuje jejch doručení. Více nformací o TCP/IP lze získat např. z publkací [1] a [2]. 2.3 Měření v telekomunkačních sítích V sítích PSTN se měřící úslí zaměřovalo na různé síťové prvky. Většna měření v moderních telefonních přepínačích je mplementována pomocí čítačů událostí, které jsou perodcky čteny jným uzly a aplkacem pro správu sítí. Tato měření se obvykle zaměřují na dostupnost různých síťových zdrojů. Čítače počítají požadavky, úspěšné požadavky a selhání 8
z různých důvodů. Tato měření jsou typcky dostupná ve všech prvcích sítě, v prax se však musí čelt různým omezením jako např. omezenému místu pro ukládání dat v síťových prvcích, nadbytečnému zatížení procesorů atd. Někteří poskytovatelé PSTN služeb také provozují montorovací systém nezávslý na síťových uzlech, který funguje na prncpu testovacích volání z určtých termnálů umístěných na rozlšných místech jejch sítě. Tyto systémy se snaží shromažďovat měření end-to-end výkonu a kvalty tak, jak jsou vnímány užvatel. Měření síťového výkonu v sít ARPANET v rané fáz vývoje datových komunkací se prováděla v podstatě dentcky jako výše popsaná měření v sítích PSTN. Role měření v moderních datových sítích založených na prncpu přepojování paketů zůstává podobná tradčním deám, ncméně exstují také některé významné odlšnost. V těchto sítích rapdně vzrostl význam end-to-end měření - jedním z argumentů je potřeba zajštění vhodné kvalty přenosu zákazníkům. Modelování výkonu sítí založených na přepojování paketů se ukázalo jako velm složtý úkol. Exstující modely totž nefungovaly tak spolehlvě pro zjšťování end-to-end výkonu a kvalty přenosu jako tomu bylo v případě telefonních sítí založených na přepojování okruhů. End-to-end měření jsou takto jedným spolehlvým zdrojem nformací a právem se staly domnantní měřící technkou používanou v Internetu. Rozvoj počítačových technologí otevřel celou řadu nových příležtostí a zmenšla se tak důležtost ntegrování měřících služeb do síťového hardwaru. Ačkolv dnešní síťové prvky, jako jsou např. směrovače a přepínače v jádrech datových sítí, stále podporují měření, end-to-end měření prováděna osobním počítač domnují. 2.4 End-to-end měření Základní prncp end-to-end měření je následující: Síťový provoz pocházející ze zdrojového uzlu je přenášen po sít do cílového uzlu. Montory provozu (traffc montors) zachycují provoz procházející montorovaným body uvntř sítě a zaznamenávají jeho vlastnost potřebné pro měřící účely. Obecně je velm důležté nenarušovat měřený síťový provoz. Exstují dvě základní metody duplkování provozu a doručování jej do montorů provozu. První možností je použít přepínač nebo směrovač pro duplkac datového proudu. Tyto síťové prvky typcky poskytují porty 9
vyhrazené pro účely měření, avšak tyto mají různá omezení na množství provozu. Reže potřebná pro doručení paketů na měřící port a omezení kapacty kombnované s tím, že vyšší prortu má přenášení reálného provozu, mohou způsobt ztrátu paketů nebo narušení jejch časování v měřeném datovém proudu. Druhou možností je použít fyzckou duplkac sgnálu. Nevýhodou tohoto řešení je, že může narušt sgnál původní lnky a dále je zapotřebí složté nstalace. V dalším kroku měřcího procesu montory provozu potřebují zachytt datový proud, který jm je předáván, což znamená přjmout pakety, zpracovat je a nakonec zapsat a uložt výsledky. 2.5 Pasvní měření Pojmem pasvní měření se rozumí standardní přístup sledování chování a výkonu proudů paketů pomocí montorování provozu procházejícího měřícím body. Aby bylo možné sledovat chování provozu pocházejícího z určtých zdrojových adres, je potřeba, aby tento provoz byl dostatečný pro získání potřebného množství dat. Provoz je různým způsoby fltrován za účelem zolace různých proudů a skupn proudů podle krtérí, jakým jsou cílová adresa, protokol nebo aplkace. Jedním z extrémů je gnorovat nformace o adresách, čímž se získají agregované statstky lnky v daném bodě jako např. rozptyl velkostí paketů složení provozu podle protokolů. Tato třída síťových měření se obvykle označuje termínem pasvní at-a-pont měření (měření v bodě). Pasvní měření ve zdrojovém a v cílovém uzlu lze kombnovat a získat tak pasvní end-toend měření. Takovéto metody dovolují měření např. počtu ztrát paketů nebo jejch zpoždění. Aby to bylo možné, je potřeba vyřešt problémy týkající se synchronzace časových razítek nebo dentfkace paketů. 2.6 Aktvní měření Pojmem aktvní měření se rozumí vysílání umělého sondovacího provozu do sítě a měření jeho vlastností v různých bodech. Počáteční struktura sondovacího provozu je známá, proto změřením toho, jak je tato struktura ovlvněna úsekem sítě, přes který sondy prošly, lze zjstt síťové podmínky. Tato práce se bude dále zabývat pouze aktvním end-to-end měřením, kde sondy jsou posílány mez párem zdroj-cíl a měření jsou prováděna pouze na zdrojovém a cílovém uzlu. Tímto typem měření je možné určt celou řadu zajímavých parametrů a přtom je 10
prováděno pouze na uzlech mmo vlastní jádro sítě, tj. je jednoduché na mplementac a správu. Zdroj proudu sond bude dále označován jako Odesílatel, zkráceně SND, cíl jako Příjemce, zkráceně RCV. Toto zkrácené označování bude využíváno v následujících kaptolách, především v kaptolách popsujících mplementační detaly jednotlvých měření. Proces aktvního měření se skládá ze dvou částí. První částí je odesílání sond na odesílatel, druhou je montorovací proces prováděný jak na odesílatel, tak na příjemc. Montorovací proces je vlastně pasvní měření s fltrem pro výběr proudu očekávaných sond. Klíčovou výhodou tohoto přístupu je velká flexblta, s jakou je možné navrhovat proudy sond, aby jejch vlastnost byly vhodné pro konkrétní měření. Parametry návrhu aktvního proudu sond jsou posloupnost typů paketů, velkost paketů a časy mez odesláním jednotlvých paketů. Tyto parametry mohou být vybrány v závslost na jakémkolv determnstckém nebo statstckém krtéru. Další výhody zahrnují možnost častého opakování a pozměňování expermentů, mnohem menší objem měřených dat než u pasvního montorování hlavně v sítích s vysokou propustností a dále nemožnost jakéhokolv narušení soukromí u ctlvých dat. Hlavní nevýhodou aktvních měření je jejch nvazvní charakter. Sondy mohou narušovat ostatní síťový provoz nebo měnt směrovací podmínky. Ve snaze mnmalzovat tyto efekty měřící projekty typcky používají proudy sond s průměrnou rychlostí 10 Kbps, což odpovídá provozu generovanému jedním užvatelem přpojeným pomocí vytáčeného spojení [3]. 11
Kaptola 3 - Velčny Hlavní oblast nternetových měření jsou podle [4] topologe, zátěž, výkon a směrování. Globální nfrastruktura Internetu podléhá neustálým změnám, je tedy velkou výzvou zmapovat tento extrémně komplexní systém. Cílem topologckých měření je získat nformace o tom, jak jsou páteřní uzly navzájem propojeny a určt jejch geografcké umístění. Cooperatve Assocaton of Internet Data Analyss (CAIDA) montoruje topolog Internetu pomocí sond odesílaných z mnoha zdrojů do desítek tsíc cílů rozmístěných po celé zeměkoul. Měření zátěže se zaměřují na sběr statstk o využtí směrovačů, přepínačů a jednotlvých spojů. Typcky jsou prováděná pasvně montorováním provozu na různých místech sítě. Měření výkonu se zaměřují na analýzu end-to-end chování a na dagnózu síťových problémů. Tato úslí typcky znamenají sběr statstk jako end-to-end ztráta paketů (end-to-end packet loss), zpoždění (delay) a doba obrátky (round trp tme) pomocí odesílání testovacího provozu do sítě. Měření směrování poskytují náhled na dynamku směrovacích protokolů a na změny ve směrovacích tabulkách. 3.1 Standardní velčny Nejběžnější velčny typcky měřené poskytovatel nternetových služeb (ISP Internet Servce Provders) jsou latence, ztráta paketů, propustnost, využtí a dostupnost. Bohužel většna těchto velčn není dobře defnovaná, kvůl čemuž porovnávání výsledků z různých zdrojů není vůbec trvální záležtostí. IP Performance Metrcs Workng Group (IPPM) patřící do Internet Engneerng Task Force (IETF) vyvíjí Requests For Comments (RFC) pro měření v sítích. Úslí je zaměřeno především na ISP, ncméně přes tyto standardzační snahy se většna výzkumných aktvt nezakládá na těchto standardech. 3.2 Pasvní velčny 3.2.1 Propustnost (throughput) Propustnost je rychlost, s jakou jsou data přenášena spojem nebo síťovou cestou. Obvykle se vyjadřuje v btech za sekundu (bps) nebo v bytech za sekundu (Bps). Propustnost je měřená 12
počítáním množství dat transportovaných během určtého časového ntervalu. Propustnost se může odkazovat na celkové přenesené množství dat nebo se může jednat o fltrovaný provoz v závslost na typu aplkace, protokolu, cílu, zdroj, atd. Výběr časového ntervalu pro tato měření není trvální. Volba krátkých ntervalů snžuje důvěryhodnost, zatímco nadbytečně dlouhé ntervaly skrývají nárazovost a nestaconárnost provozu v menších časových měřítcích. 3.2.2 Využtí (utlsaton) Využtí spoje může být defnováno jako poměr propustnost a kapacty spoje. Tato velčna dává poskytovatelům služeb nformac o tom, jak efektvně jsou využívány zdroje a jak blízko jsou k tomu, aby byly přetíženy. 3.2.3 Dostupnost (avalablty) Dostupnost může být defnována jako procento času, kdy služba byla dostupná pro normální použtí v určtém časovém ntervalu. Bohužel rozhodování o tom, kdy je služba dostupná není trvální. 3.2.4 Další pasvní velčny Výše uvedené velčny jsou nejčastěj používány a dávají vysokoúrovňový pohled na výkon sítě. Pro detalnější analýzu jsou sbírány další statstky. Například rozptyl velkostí paketů (packet sze dstrbuton), délka řetěze paketů (length of packet trans) a rozptyl délky prefxů IP adres (IP address prefx length dstrbuton) jsou používány u návrhu a konfgurace směrovačů. 3.3 Aktvní velčny 3.3.1 Kapacta (capacty) Spoj ve vrstvě síťového rozhrání obvykle pracuje s konstantní přenosovou rychlostí (bt rate nebo také transmsson rate), což je kupříkladu 10Mbps u 10BaseT Ethernetu. Přenosová rychlost je omezená šířkou pásma přenosového méda a také odesílacím/přjímacím hardwarem. V síťové vrstvě je dostupná nžší rychlost kvůl zapouzdřování paketů (encapsulaton) a synchronzac (framng). Předpokládejme, že nomnální kapacta segmentu vrstvy síťového rozhraní je C 1. Pak doba přenosu IP paketu o velkost L 2 bytů v síťové vrstvě je (1) L + H 2 1 2 =, C1 13
kde H 1 je celková reže potřebná pro zapouzdření IP paketu v bytech. Tedy kapacta C 2 v síťové vrstvě je (2) C L L 2 2 2 = = = C1. L 2 2 + H1 H1 C 1 1 1+ L 2 Kapacta v síťové vrstvě tedy závsí na velkost IP paketu a na rež vrstvy síťového rozhraní. Kapactu přeskoku (capacty of a hop ) C defnujeme jako maxmální možnou přenosovou rychlost v síťové vrstvě na tomto přeskoku. Podle rovnce (2) je maxmální přenosové rychlost v síťové vrstvě dosaženo pro pakety o velkost MTU. Tedy Kapacta přeskoku (kapacty of a hop) je přenosová rychlost, se kterou jsou přenášeny IP pakety o velkost MTU v síťové vrstvě. Předchozí defnc lze rozšířt pro síťovou cestu. End-to-end kapacta (end-to-end capacty) je maxmální rychlost, kterou mohou být přenášeny pakety od zdroje do cíle v síťové vrstvě. End-to-end kapacta síťové cesty tedy vymezuje horní odhad propustnost, kterou by bylo možné očekávat na této cestě v síťové vrstvě. End-to-end kapacta C je určena kapactou mnmálního spoje na cestě (3) C = mn C, = 1,..., H kde C je kapacta -tého přeskoku a H je počet přeskoků na cestě. Přeskok s mnmální kapactou je nazýván úzký spoj (narrow lnk). Dále je potřeba poznamenat, že některé technologe vrstvy síťového rozhraní nepracují s konstantní přenosovou rychlostí. Například bezdrátová technologe IEEE 802.11b odesílá rámce rychlostí 11, 5.5, 2 nebo 1 Mbps v závslost na četnost chyb. Předchozí defnce kapacty spoje může být použtá pro tyto technologe během časových ntervalů, ve kterých je konstantní. 3.3.2 Dostupná kapacta (avalable bandwdth) Doslovný překlad této velčny z anglčtny by zněl dostupná šířka pásma, pojem šířka pásma se však používá spíše v analogových technologích pro označení rozsahu frekvencí, proto zde bude tato velčna označována jako dostupná kapacta. Dostupná kapacta se týká nevyužté kapacty spoje během určtého časového ntervalu. Přestože kapacta spoje závsí na přenosové technolog a médu, dostupná kapacta navíc závsí na objemu provozu na spoj a typcky se mění v čase. 14
V jakémkol časovém okamžku spoj buďto přenáší paket plnou kapactou lnky nebo je nečnný, takže okamžté využtí spoje může být pouze 0 nebo 1. Defnce dostupné kapacty proto vyžaduje průměrování okamžtého využtí spoje v čase. Pokud C je kapacta přeskoku a u je průměrné využtí tohoto přeskoku v daném časovém ntervalu, průměrná dostupná kapacta A přeskoku je nevyužtým dílem kapacty, tj. (4) A = ( 1 u ) C. Rozšíření předchozí defnce pro cestu s H přeskoky end-to-end dostupná kapacta, je mnmální dostupná kapacta ze všech H přeskoků (5) A = mn A. = 1,...,H Přeskok s mnmální dostupnou kapactou je nazýván těsný spoj (tght lnk). Jelkož dostupná kapacta se může měnt v čase, je důležté, aby měření probíhalo rychle. Platí to zejména pro aplkace, které používají měření dostupné kapacty k přzpůsobení jejch přenosové rychlost. Na druhou stranu kapacta zůstává konstantní v dlouhých časových ntervalech, proto měření nemusí probíhat tak rychle jako pro dostupnou kapactu. 3.3.3 Latence (latency) Latence může být defnována jako čas potřebný k tomu, aby se paket dostal ze zdroje do cíle. Specálním případem je doba obrátky (RTT Round Trp Tme), kdy cíl je dentcký se zdrojem, avšak pakety překonávají cestu od zdroje k určtému vzdálenému uzlu a zpátky. RTT měřen mez klentem a serverem je jedním z klíčových faktorů určujících výkon nteraktvních aplkací a účnnost mechansmů řízených zpětnou vazbou. 3.3.4 Propustnost TCP (TCP throughput) Další klíčovou velčnou v TCP/IP sítích je propustnost TCP spojení, protože TCP je domnantním protokolem Internetu. Propustnost TCP je ovlvněna několka faktory. Jedná se o velkost přenosu, počet konkurenčních TCP spojení, velkost bufferů TCP soketů na straně odesílatele příjemce, zahlcení podél zpětné (ACK) cesty, velkost bufferů směrovačů a kapactu a zatížení každého spoje na cestě. Kupříkladu propustnost malého přenosu (např. webové stránky) závsí prmárně na počáteční velkost TCP okénka a době obrátky (RTT). Propustnost velkých TCP přenosů se 15
může významně měnt př použtí různých mplementací TCP, když dostupná kapacta je totožná. Zajímavé je porovnání myšlenek propustnost TCP a dostupné kapacty. Dostupná kapacta totž předpokládá, že průměrná zátěž je konstantní, a odhaduje dodatečnou kapactu, kterou cesta může nabídnout až do nasycení těsného spoje, kdežto propustnost TCP závsí na tom, jak TCP sdílí kapactu s ostatním aktuálně probíhajícím TCP toky. V RFC 3148 [6] je zaveden pojem Bulk Transfer Capacty (BTC) a je defnován jako maxmální propustnost dosažtelná jedním TCP spojením. Spojení musí mplementovat všechny algortmy předcházení zahlcení tak, jak jsou specfkovány v RFC 2581 [7]. Byly provedeny další pokusy o zavedení jakés standardní velčny pro TCP (např. [6], [7], [8]). Ncméně různorodost mplementací TCP ční všechny tyto pokusy velm obtížným. 3.3.5 Ztráta paketů (packet loss) Ztráta paketů je podíl paketů ztracených během přenosu a všech odeslaných paketů, obvykle je vyjadřována v procentech. Na rozdíl od latence jednosměrná ztráta paketů je důležtější velčnou než ztráta paketů během obrátky. RFC 2680, které specfkuje velčnu jednosměrná ztráta paketů (one-way packet loss metrc), to zdůvodňuje asymetrí cest v Internetu, asymetrí výkonu v různých směrech pro symetrcké cesty a závslostí některých aplkací (např. přenos souborů pomocí TCP) na výkonu v jednom směru. Tato velčna je důležtá, neboť v mnoha aplkacích výkon drastcky klesá, pokud end-toend ztráta paketů překročí určtou hranc. Tato hrance je samozřejmě závslá na konkrétní aplkac, ale je zvláště důležtá pro real-tmeové aplkace jako třeba IP telefone, které se stávají nepoužtelným př nadměrné ztrátě paketů. 3.3.6 Dostupnost (avalablty) Dostupnost byla jž zmíněna v sekc o pasvních velčnách. Zde je potřeba poznamenat, že aktvní měření je potřeba, když mez příslušným uzly není žádný přrozený provoz. Měření dostupnost je často založeno na programu png. 16
3.3.7 Topologe (Topology dscovery) Zjšťování topologe je už tradčně založeno na aktvním měření klasckým příkladem je utlta traceroute, která funguje na prncpu posílání ICMP paketů s rostoucím hodnotam TTL (Tme To Lve). 3.3.8 Dynamka směrování (Routng dynamcs) Dynamka směrování je další oblastí využtí aktvních měření. Typcky se používají měření RTT, avšak lze také použít pasvní montorování zpráv protokolu Border Gateway Protocol (BGP) [4]. 17
Kaptola 4 - Úvod do aktvního měření Základní myšlenkou aktvního měření je posílání řízeného proudu paketů, nebol sond, po sít a měření různých parametrů na cílovém uzlu (který může být dentcký se zdrojovým uzlem). Jelkož přesné vlastnost odesílaného provozu jsou známé, odchylky způsobené sítí mohou být využty k získání přesných nformací o stavu a podmínkách v sít. Základním parametry jsou protokol použtý k přenosu sond (např. UDP, ICMP), obsahy paketů a způsob odesílání zde se jedná především o pravdlo pro výpočet časů mez odesláním jednotlvých paketů. Klíčovým problémem je výběr protokolu, protože s různým protokoly sítě zacházejí odlšným způsoby. Kupříkladu nelze zaručt, že směrovače se řídí pokyny v Opton Feld paketů, nebo ICMP pakety mohou být někdy záměrně zahazovány. Každý druh proudu sond má své vlastnost vhodné pro měření různých velčn. 4.1 UDP UDP tvoří malou část nternetového provozu, jeho hlavní použtí je v DNS (Doman Name Server). UDP pakety jsou častou volbou pro měření jednosměrných velčn jako třeba jednosměrné zpoždění, kolísání zpoždění a ztráta. Tok UDP paketů je totž nespojovaný a nepoužívá se vyšší protokol řídící odesílání do sítě, což je v souladu s deou nezávslých sond měřících spíše síť než jejch vlastní dynamku. Pomneme-l problémy s časováním, vytváření a odesílání UDP sond není přílš složtou záležtostí na naprogramování. Velkost sond může být mnmální, stačí když sondy obsahují sekvenční čísla pro jejch správnou dentfkac, další nformace o stavu mohou být udržovány v koncových programech. Nevýhodou tohoto přístupu je, že na obou koncových uzlech musí být nanstalován specfcký odesílací a přjímací software. 4.2 TCP Měření pomocí TCP lze mplementovat více způsoby. Je možné spustt obyčejné TCP spojení a pomocí měření různých velčn jako propustnost nebo charakterstka ztrát se pokust vytvořt závěry týkající se podmínek v sít specfcky pro TCP spojení. Problémem tohoto přístupu je velká různorodost mplementací TCP s velkým rozdíly v jejch výkonu. Dalším 18
možným přístupem jsou různé generátory sond podobných TCP nebo proudy sond řízené pomocí TCP. Proudy sond řízeným pomocí TCP se rozumí TCP pakety vygenerované specálním procesy. Kanddáty jsou SYN pakety pro jednosměrná měření a páry SYN / SYN-ACK pro obousměrná měření. Směrovače zacházejí s těmto pakety, jako kdyby se jednalo o začátky normálních TCP spojení. Proto takto naměřené hodnoty mají blízko k výkonu TCP, resp. k podmínkám na začátku spojení. Jelkož TCP je domnantním protokolem, takovéto sondy budou navíc zpracovávány typckým výkonem sítě. Dále páry SYN / SYN-ACK jsou automatcky dostupné na téměř všech koncových uzlech, což umožňuje obousměrná měření bez nutnost nstalace zvláštního měřícího softwaru, navíc generování SYN-ACK je řešeno na nízké úrovn, což redukuje zbytečná zpoždění, která narušují měřená zpoždění na síťové úrovn. Nevýhodou je, že servery mohou nterpretovat sekvence SYN paketů jako útok a odfltrovávat je. Další nevýhodou je to, že některé systémy generují SYN-ACK se zpožděním, které se mění v závslost na mnoha podmínkách jako například zátěž serveru. Další nformace jsou dostupné v [9]. 4.3 ICMP Na rozdíl od UDP a TCP byly ICMP pakety navrženy pro výměnu nformací mez stancem a směrovač v jádře sítě. Jejch hlavní použtí v aktvním měření je v nástroj png (Packet InterNet Groper), který testuje dostupnost uzlů a měří RTT, a traceroute, který používá nkrementac TTL pro generování odpovědí od směrovačů, čímž rekonstruuje trasu paketů. Nevýhodou měření založených na ICMP je, že někteří ISP omezují nebo blokují ICMP pakety. Navíc toto blokování je někdy realzováno za účelem skrytí vntřní topologe. ICMP pakety mají často na směrovačích nžší prortu než TCP a UDP pakety. Png a traceroute používají ICMP Echo Request a ICMP Tme Exceeded pakety. Nástroj pathchar popsaný v [10] a [11] kombnuje ICMP zprávy s přístupem založeným na sondách, funguje totž na prncpu ICMP zpráv generovaných směrovač v odpověd na UDP sondy s omezeným TTL. 19
Kaptola 5 - Měřící technky Tato kaptola popsuje několk exstujících měřících technk pro odhady kapacty a dostupné kapacty. Dále budeme předpokládat, že během měření cesty se nemění směrování a provozní zátěž je konstantní. Dynamcké změny ve směrování nebo zátěž totž mohou vyvolat chyby v jakékol měřící metodě. 5.1 Sondování s varablní velkostí paketů(varable Packet Sze VPS) VPS sondování se zaměřuje na měření kapacty každého přeskoku na cestě. Tato metodologe je zmíněna v [10], [11] a [14]. Klíčovým prvkem je měření RTT ze zdroje na každý přeskok jako funkce velkost sondovacích paketů. VPS používá TTL pole v hlavčce IP paketu, aby paket byl zahozen na příslušném přeskoku. Směrovač paket zahodí a odesílatel vrátí ICMP Tme Exceeded chybovou zprávu. Odesílatel využívá přjaté ICMP pakety k měření RTT na přeskoku. RTT se skládá ze tří složek zpoždění na každém přeskoku jedná se o seralzační zpoždění (seralzaton delays), fyzcké zpoždění (propagaton delay) a frontové zpoždění (queueng delay). Seralzační zpoždění paketu o velkost L na spoj s přenosovou rychlostí C je čas potřebný k odeslání paketu do spoje. Tento čas je rovný L / C. Fyzcké zpoždění paketu na spoj je čas, který zabere elektronům nebo fotonům projít skrz spoj a je nezávslý na velkost paketu. Frontové zpoždění je složka zpoždění zapříčněna frontováním v síťových prvcích. Zatímco seralzační a fyzcké zpoždění na dané cestě může být považováno za konstantní, frontové zpoždění je určeno vlastnostm aktuálního provozu v sít a obvykle se mění v čase VPS odesílá četné sondovací pakety dané velkost do každého zařízení na síťové vrstvě po cestě od zdroje k cíl. Tato technka předpokládá, že alespoň jeden z těchto paketů společně s ICMP odpovědí, kterou generuje, nenarazí na žádné frontové zpoždění. Proto mnmální RTT, které je naměřeno pro každou velkost paketů se skládá ze dvou složek: zpoždění nezávslého na velkost paketu, většnou zapříčněného fyzckým zpožděním, a zpoždění úměrného velkost paketu, zapříčněného časem obsluhy na každém spoj. Mnmální RTT T (L) pro danou velkost paketu L do přeskoku bude L (6) T ( L) = α + = α + β L, C k =1 k 20
kde C k je kapacta k-tého přeskoku, α jsou zpoždění do přeskoku, která nezávsí na velkost L paketu, β je vyjádřeno jako 1 (7) β =. C k = 1 k ICMP odpověd mají všechny stejnou velkost nezávslou na L, proto α zahrnuje jejch seralzační zpoždění společně se součtem všech fyzckých zpoždění na cestě tam zpátky. Opakováním měření mnmálního RTT pro každý přeskok = 1,,H, lze odhadnout kapactu každého přeskoku jako: (8) C 1 = β β 1. VPS sondování může významně podhodnott kapactu, pokud měřená cesta obsahuje storeand-forward přepínače ve vrstvě síťového rozhraní. Tato zařízení generují seralzační zpoždění typu L / C, avšak neposílají ICMP Tme Exceeded pakety, protože nejsou vdtelné v síťové vrstvě. 5.2 Sondování pomocí dsperze párů/řetězců paketů(packet Par/Tran Dsperson PPTD) Sondování pomocí párů paketů se používá hlavně k měření end-to-end kapacty cesty. Zdroj odesílá četné páry paketů. Každý pár paketů se skládá ze dvou paketů stejné velkost odeslaných těsně jeden za druhým (back-to-back). Dsperze páru paketů na určtém spoj cesty je časová vzdálenost mez posledním bty obou paketů. Tato technka byla zavedena a analyzována v [15], [16], [17] a [18]. Když spoj s kapactou C 0 přpojuje zdroj k cestě a sondovací pakety mají velkost L, pak dsperze páru paketů na tomto prvním spoj je 0 = L / C 0. Obecně pokud dsperze před spojem s kapactou C je n, dsperze páru paketů po opuštění spoje bude L (9) out = max( n, ) C za předpokladu, že spoj nepřenáší žádný další provoz. (10) Když pár paketů dorazí k příjemc, naměřená dsperze R bude L max ( ) = 0,..., H C L mn ( C = = R = ) = 0,..., H L, C 21
kde C je end-to-end kapacta cesty. Takže kapactu cesty může příjemce určt jako C = L / R. Předpoklad, že na cestě není žádný další provoz (tzv. křížující provoz cross traffc), je v prax velm obtížné splnt. Křížující provoz může zvýšt nebo snížt dsperz R, což způsobí přílš nízký nebo přílš vysoký odhad kapacty. Nízký odhad se objeví, když pakety křížujícího provozu jsou na určtém spoj odesílány mez sondovacím pakety. Dsperze bude v tomto případě totž vyšší než L / C. Vysoký odhad se objeví, když křížující provoz zpozdí první paket páru paketů více než druhý paket na spoj, který následuje za úzkým spojem. Následky křížujícího provozu lze zmírnt odesíláním mnoha párů paketů a použtím statstckých metod pro odfltrování nepřesných měření. Avšak standardní statstcké postupy, jako např. počítání medánu, nevedou vždy ke správným výsledkům více lze najít v [17]. Sondování pomocí řetězce paketů je rozšířením sondování pomocí páru paketů. Dsperze řetězce paketů na spoj je čas mez posledním btem prvního a posledního paketu řetězce. Jakmle příjemce změří end-to-end dsperz R (N) pro řetězec paketů délky N, může spočítat míru dsperze D (dsperson rate) ( N 1) L (11) D =. ( N) R Pokud na cestě není žádný křížující provoz, míra dsperze bude rovna kapactě stejně jako v případě páru paketů. Ncméně křížující provoz může způsobt, že míra dsperze bude podstatně menší než kapacta. Uvažme cestu se dvěma přeskoky, na které se používají FIFO buffery. Odesílatel odesílá řetězec paketů délky N skrz spoj s kapactou C 0 bez křížujícího provozu. Sondovací pakety mají velkost L bytů. Druhý spoj má kapactu C 1 < C 0 a přenáší křížující provoz s průměrnou rychlostí R c < C 1. Dsperze řetězce paketů za prvním spojem je 1 = L(N 1) / C 0, kdežto za druhým spojem (12) ( N 1) L + X c 2 =, C 1 kde X c je velkost křížujícího provozu v bytech, který dorazí na druhý spoj v průběhu přenosu řetězce paketů na tomto spoj. Očekávaná hodnota X c je (13) E[ X c ( N 1) L ] = Rc 1 = Rc, C a proto očekávaná hodnota míry dsperze je 0 22
(14) E[ D] ( N 1) L = C 1 =. R 2 c 1+ C 0 Když R c > 0, E[D] je menší než kapacta. E[D] nezávsí na délce řetězce paketů, ncméně A má vlv na odchylku změřené míry dsperze od její střední hodnoty E[D] delší řetězce paketů snžují odchylku D. 5.3 Self-Loadng perodcké proudy(self-loadng Perodc Streams SLoPS) SLoPS je metoda pro měření end-to-end dostupné kapacty popsaná v [19]. Odesílatel odesílá K stejně velkých paketů (perodcký proud paketů) příjemc určtou rychlostí R. Metodologe se týká montorování odchylek jednosměrných zpoždění sondovacích paketů. Pokud je rychlost proudu R větší než dostupná kapacta A cesty, proud způsobí krátkodobé zahlcení fronty těsného spoje. Jednosměrná zpoždění sondovacích paketů se zvyšují, když každý paket čeká ve frontě na těsném spoj. Na druhou stranu když rychlost proudu R je nžší než dostupná kapacta A, sondovací pakety projdou cestou bez zvyšování obsazenost fronty u těsného spoje, a proto jednosměrná zpoždění se nezvyšují. Odesílatel se snaží, aby rychlost proudu R byla blízká dostupné šířce pásma A, k čemuž se používá teratvní algortmus podobný bnárnímu vyhledávání. Odesílatel sonduje cestu různým řetězc paketů a odesílatel mu zpátky oznamuje vývojovou tendenc jednosměrného zpoždění každého proudu. Odesílatel dále ověřuje, že na sít je vždy maxmálně jeden proud a mez následujícím proudy udržuje odstupy, aby sondovací provoz nepřekročl 10 % dostupné kapacty cesty. Odhad dostupné kapacty A se může během měření měnt. SLoPS odhalí takové kolísání, když zjstí, že jednosměrná zpoždění nemají tendenc an stoupat, an být konstantní. V tomto případě metodologe oznámí šedý regon (grey regon), který se týká rozsahu, ve kterém se pohybují hodnoty A během měření. 23
5.4 Řetězce párů paketů(trans of Packet Pars TOPP) Tato metoda je zavedena v [20] a vylepšena v [21] a týká se měření dostupné kapacty síťových cest. TOPP odesílá mnoho párů paketů s postupně rostoucí rychlostí. Nechť je pár paketů odeslán s počáteční dsperzí S a sondovací pakety mají velkost L bytů. V tomto případě je nabízená rychlost (offered rate) R o = L / S. Pokud je R o větší než dostupná kapacta A, druhý paket bude umístěn ve frontě za prvním paketem, a proto naměřená rychlost (measured rate) na příjemc bude R m < R o. Když R o < A, TOPP předpokládá, že pár paketů dorazí k příjemc stejnou rychlostí, jakou byl odeslán. Tato základní dea je podobná jako dea SLoPS. Největší rozdíly mez těmto metodam se týkají statstckého zpracování měření. TOPP zvyšuje nabízenou rychlost lneárně, kdežto SLoPS používá pro přzpůsobení rychlost bnární vyhledávání. Důležtým rozdílem mez TOPP a SLoPS je, že TOPP může změřt také kapactu těsného spoje cesty. Tato kapacta může však být větší než kapacta cesty, protože úzký a těsný spoj mohou být různé. Uvažme cestu skládající se z jednoho spoje s kapactou C, dostupnou kapactou A a průměrnou rychlostí křížujícího provozu R c = C A. TOPP odesílá páry paketů s rostoucí nabízenou rychlostí R o. Když R o překročí A, naměřená rychlost páru paketů bude Ro (15) Rm = C. R + R o c TOPP odhadne dostupnou kapactu A jako maxmální nabízenou rychlost, pro kterou platí R o R m. 5.5 Chrp Packet Trans(CPT) Jedná se o metodu odvozenou od SLoPS a TOPP, avšak používající odlšný model řetězců paketů, zaměřující se na zmenšení latence měření. V rámc řetězce paketů jsou exponencálně zmenšovány mezery mez jednotlvým pakety. Takovýto řetězec je označovány jako chrp (doslovný překlad je cvrkot dále bude používán spíše původní anglcký termín). Díky prudkému zvětšování rychlost sondování v rámc každého řetězce má tato metoda k dspozc sadu nformací pro šroké spektrum rychlostí paketů. 24
Kaptola 6 - Aplkace meas 6.1 Cíle aplkace meas Součástí této práce je vývoj aplkace pro měření důležtých vlastností datových přenosů. Tato aplkace je nazvána meas jako zkratka anglckého slova measurng měření. Cílem bylo, aby aplkace umožňovala měření velčn důležtých pro datové přenosy. Informace o jednotlvých velčnách jsou uvedeny v kaptole 3. Na základě těchto nformací jsem provedl výběr velčn pro mplementac v aplkac meas. Byly vybrány následující velčny: dostupná kapacta, kapacta, propustnost TCP, doba obrátky (čl latence), a ztráta paketů. Opomeneme-l tedy dynamku směrování a topolog, meas lze použít přímo č nepřímo pro měření všech velčn z kaptoly 3. Všechna tato měření jsou mplementována jako end-to-end, tj. je měřená celá síťová cesta mez dvěma koncovým uzly. meas používá aktvní měřící technky, jejchž výhody a nevýhody jsou popsány v kaptole 2.6. Aplkace meas se skládá z hlavního programu meas a z programu meas_agent. Každý z těchto programů je určen ke spuštění na jednom z koncových uzlů měřené cesty. meas hlavní program Řídcí TCP kanál Proudy sondovacích paketů v závslost na typu měření meas_agent Obr. 1: Schéma komunkace mez meas a meas_agent 25
meas_agent je navržen tak, aby mohl být spuštěn nepřetržtě a aby přjímal požadavky na měření a obsluhoval je. Představa je taková, že meas_agent bude spuštěn na počítač, ke kterému nemáme vždy přístup, ale chceme ho často používat jako jeden koncový uzel měřených síťových cest. Oprot tomu hlavní program meas reprezentuje opačný koncový uzel měření a je potřeba ho spustt na počítač, ke kterému máme přístup. Př spouštění hlavního programu meas je potřeba vybrat požadované měření, zadat adresu stance, na které je spuštěn meas_agent, k němuž chceme měřt síťovou cestu, a specfkovat, zda a jak se mají měření opakovat. meas umožňuje: Jednorázová měření měření je provedeno jednou př spuštění hlavního programu. Perodcká měření - měření je spouštěno neustále v pravdelných časových ntervalech, tj. například každých 30 mnut. Nepřetržtá měření - jakmle měření skončí, je hned spuštěno znovu. Pokud měření trvalo méně než mnutu, je následující měření spuštěno až po uběhnutí mnuty. Celý tento proces je opakován po určtý nastavený čas. Agent naslouchá na řídcím TCP kanálu. Má-l začít měření, hlavní program pošle agentov po tomto kanálu dentfkac typu měření a následně začne samotné měření. meas_agent plní rol SND, hlavní program RCV (kromě měření ztráty paketů, kterého se agent neúčastní, takže hlavní program zde je jak SND, tak RCV). Toto rozdělení rolí jsem provedl s přhlédnutím k tomu, že meas_agent je vhodný k tomu, aby byl spuštěn na počítač, který bude plnt rol serveru nějaké síťové služby, kdežto hlavní program ve většně případů bude spouštěn spíše na klentských stancích. Z toho je zřejmé, že zajímavější bude měřt síťovou cestu vedoucí z počítače se spuštěným agentem k počítač se spuštěným hlavním programem. Dále budou popsány detaly měření jednotlvých velčn v meas. 6.2 Měření dostupné kapacty Pro měření end-to-end dostupné kapacty lze použít metody PPTD, SLoPS, TOPP a CPT popsané v kaptole 5. 26
V [17] je ukázáno, že navzdory dřívějším pracím (např. [22]), dsperze řetězců paketů není dostupnou kapactou cesty, proto měření pomocí PPTD by nemuselo dávat požadované výsledky. V [25] jsou emprcky porovnány metody SLoPS, TOPP a CPT. Závěr z těchto porovnání je takový, že CPT je nejlepší, co se týče přesnost a účnnost. Nejeví známky závslost na velkost paketů a má přjatelné chování na cestách s mnoha přeskoky s různým modely křížujícího provozu. Výkon SLoPS není přílš horší než CPT. Metoda TOPP byla shledána jako velm ctlvá na velkost paketů křížujícího provozu a také velm pomalá. Na základě těchto nformací a s přhlédnutím k tomu, že dostupná kapacta je nejdůležtější velčnou měřenou aplkací meas, jsem se rozhodl, že měření dostupné kapacty v meas bude mplementováno dvěma způsoby - pomocí metod CPT a SLoPS. Dále budou popsány detaly těchto metod tak, jak jsou mplementovány v meas. 6.3 Měření dostupné kapacty pomocí CPT 6.3.1 Dostupná kapacta cesty Uvažme síťovou cestu P defnovanou jako posloupnost kapact spojů P { C C,..., } =. Celkový objem křížujícího provozu na spoj mez časy a a b označíme jako u [a, b]. Pak dostupná kapacta cesty v časovém ntervalu [t τ, t] je u[ t τ + p, t + p ] (16) A[ t τ, t] = mn( C ), τ kde p je mnmální čas potřebný k tomu, aby se paket dostal ze SND na směrovač. Zpoždění p se skládá z fyzckého a seralzačního zpoždění. U sondovacích paketů je potřeba počítat kromě mnmálního zpoždění p také s frontovým zpožděním. Tedy sondy odeslané během ntervalu [t τ, t] mohou dorazt na směrovač mmo časový nterval [t τ + p, t + p ], a tedy přesně nezměří A[t τ, t]. Pro velké τ (>> RTT) se však efekty frontového zpoždění stávají zanedbatelným. 0, 1 C H 6.3.2 Implementace odhadu dostupné kapacty meas odhaduje dostupnou kapactu cesty pomocí CPT tak, že vyšle určtý počet řetězců paketů (chrpů) ze SND na RCV a následně je provedena statstcká analýza na RCV. Vysílané chrpy jsou číslovány jako m = 1, 2, 27
Obr. 2: Chrp paketů Nechť chrp m se skládá z N paketů s exponencálně klesajícím mezeram mez následujícím pakety, každý paket o velkost L. Defnujeme faktor rozpětí γ jako poměr velkostí následujících mezer mez pakety v rámc chrpu. Frontové zpoždění paketu k označíme jako q k (m), čas odeslání paketu k ze SND jako t k (m), velkost mezery mez pakety k a k + 1 jako k (m) a okamžtou rychlost paketu k jako: L (17) Rk =. k Jelkož k (m) a R k (m) jsou stejné pro všechny chrpy, dále nebude potřeba je označovat číslem chrpu. Předpokládáme-l, že křížující provoz má konstantní rychlost, platí: (18) q k = 0, pokud A[ t1, t N ] Rk qk > qk 1 v ostatních případech, z čehož se dá odvodt jednoduchý odhad: (19) A ˆ[ t1, t N ] = Rk*, kde k* je paket, na kterém se začne zvětšovat frontové zpoždění. Ncméně předpoklad konstantní rychlost křížujícího provozu je přílšným zjednodušením. Kvůl shlukům křžujícího provozu frontové zpoždění typcky není monotónní během celého chrpu. Průběh frontového zpoždění v čase během jednoho chrpu je označován jako sgnatura frontového zpoždění. Typcká sgnatura obsahuje odchylky od nulové osy způsobené shluky křížujícího provozu. Dokud je R k menší než kapacta úzkého spoje C mn, po odchylce způsobené shlukem křížujícího provozu se sgnatura vrací na nulovou osu. Poslední odchylka obvykle končí s rostoucím frontovým zpožděním, protože R k > Cmn, tj. pakety chrpu zahltí fronty. 28
(m) meas používá tvar sgnatury k vytvoření odhadu E k dostupné kapacty per paket A [ t k, t + ]. Dále je pomocí váženého průměru E (m) k vypočítán odhad D (m) dostupné kapacty k 1 ( ) per-chrp A [ t m, t ]: (20) 1 N N 1 Ek k = 1 = N 1 k D. k = 1 k Nakonec je vypočítán odhad ρ[t τ, t] dostupné kapacty A[t τ, t] jako průměr odhadů D (m) získaných v časovém ntervalu [t τ, t]. 6.3.3 Rozdělení na segmenty podle odchylek Prncp měření dostupné kapacty v meas pomocí CPT je založen na předpokladu, že zvětšující se frontová zpoždění znamenají, že dostupná kapacta je menší než okamžtá rychlost chrpu, zmenšující se zpoždění znamenají opak. To znamená: (21) Ek Rk, pokud q k qk + 1 (22) Ek Rk, v ostatních případech. Uvažujeme-l jeden přeskok, vztah (21) je vždy pravdvý, zatímco (22) nemusí vždy platt. Například mezera mez pakety k a k + 1 může být enormně velká. V takovém případě fakt, že q k qk + 1 < říká velm málo o E k (m). Pakety k a k + 1 totž nemohou vyvolat zahlcení v sít a spíše představují nezávslé vzorky frontového zpoždění na cestě. Aby bylo možné využít vztah (22), je každá sgnatura frontového zpoždění rozdělená na segmenty pro každou odchylku v sgnatuře jeden segment. Vztah (22) je aplkován pouze na tyto segmenty. Zřejmě pokud se q k (m) zvětší a zůstává větší než 0 pro několk následujících paketů, je pravděpodobné, že všechny tyto pakety jsou součástí fáze, ve které nějaká fronta na cestě není nkdy prázdná. V tomto případě lze očekávat, že vztah (22) platí. Je tedy potřeba najít segmenty v sgnatuře, pro které platí q > 0 pro několk následujících paketů. k V prax se vyskytuje určtá odchylka mez hodnam na obou koncových uzlech není tedy možné používat q > 0 pro detekc segmentů. Místo toho meas používá relatvní frontové zpoždění uvntř chrpu. k 29
6.3.4 Algortmus pro rozdělení na segmenty podle odchylek Cílem algortmu pro rozdělení na segmenty je určt čísla a j prvního a posledního paketu segmentu. Každý paket, pro který platí q q+ 1 Konec segmentu j defnujeme jako první paket, pro který platí: (23) max[ q( k) q( )] k j q( j) q( ) <, F < je potencálním prvním paketem segmentu. kde F je zmenšující faktor. Pokud rozdíl j je dostatečně velký, tj. segment sgnatury je dostatečně dlouhý, potom všechny pakety mez a j tvoří odchylku. q l ql+ 1 Poslední odchylka v sgnatuře obvykle není ukončena, tj. exstuje paket l, pro který platí < a neexstuje j > l, pro který platí (23) (namísto dosadíme l). 6.3.5 Výpočet odhadů dostupné kapacty per-paket Zbývá vypočítat odhady dostupné kapacty per-paket E k (m). Každý paket k chrpu spadá do jedné z následujících tří kategorí: 1. Pokud k patří do odchylky, která je ukončena a (24) E k = Rk. Tato defnce vyhovuje vztahu (22). q k qk + 1 2. Pokud k patří do odchylky, která není ukončena, bude: (25) E = R, k l, k l > kde l je začátek odchylky., bude: Důvod, proč v tomto případě se nepoužívá (24), je, že rychlost paketu k v této odchylce může být výrazně větší než C mn. Dostupná kapacta je vždy menší než C mn, proto musí platt E < R. k k Ncméně podle (21) platí: E > R > R, pokud q > q, + k l. Pro takové k (25) vede k k poněkud konzervatvním odhadům. k l k k 1 > 3. Pro všechna k, která nejsou pokryta body 1. an 2., nastavíme: (26) E k = Rl. Zde jsou zahrnuta k, která nepatří do odchylek a také k s klesajícím frontovým zpožděním patřící do odchylek. Pokud poslední odchylka sgnatury není ukončena, zvolíme l = N 1. 30