автореферат диссертации по радиотехнике и связи, 05.12.13, диссертация на тему:Разработка и исследование метода повышения скорости передачи данных в мультисервисных сетях на основе стека протоколов TCP/IP

На правах рукописи

Тимошина Мария Михайловна

РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ МЕТОДА ПОВЫШЕНИЯ СКОРОСТИ ПЕРЕДАЧИ ДАННЫХ В МУЛЬТИСЕРВИСНЫХ СЕТЯХ НА ОСНОВЕ СТЕКА ПРОТОКОЛОВ TCP/IP

Специальность 05.12.13 — Системы, сети и устройства телекоммуникаций

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

2 9 АВГ 2013

Самара-2013

005532309

Работа выполнена в Федеральном государственном образовательном бюджетном учреждении высшего профессионального образования «Поволжский государственный университет телекоммуникаций и информатики» (ФГОБУ ВПО ПГУТИ).

Научный руководитель:

кандидат технических наук, доцент Лиманский Николай Сергеевич

Официальные оппоненты:

Кучерявый Андрей Евгеньевич,

доктор технических наук, профессор, ФГОБУ ВПО Санкт-Петербургский государственный университет

телекоммуникаций им. проф. М. А. Бонч-Бруевича, заведующий кафедрой сетей связи

Росляков Александр Владимирович

доктор технических наук, профессор, ФГОБУ ВПО ПГУТИ, заведующий кафедрой автоматической электросвязи

Ведущая организация: ФГБОУ ВПО «Самарский государственный

университет», г. Самара

Защита состоится «19» сентября 2013 г. в 14 часов на заседании диссертационного совета Д 219.003.02 при Поволжском государственном университете телекоммуникаций и информатики по адресу:443010, г. Самара, ул. Льва Толстого, д. 23.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГОБУ ВПО ПГУТИ Автореферат разослан « 19 » августа 2013 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета Д 219.003.02 доктор технических наук, профессор

Мишин Д. В.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Тенденцией современного этапа развития телекоммуникаций является объединение сетей связи в единую мультисервисную сеть для предоставления унифицированной услуги, включающей в себя все виды телекоммуникационных услуг. Внедрение и успешное функционирование мультисервисных сетей и предоставление унифицированных услуг связи требует высокой скорости передачи данных, обеспечивающей трансляцию возрастающего объема данных.

Самыми распространенными протоколами в мультисервисных сетях передачи данных (до 70% от всего передаваемого трафика) являются протоколы TCP/IP. Процесс фрагментации, присущий трафику стека протоколов TCP/IP, приводит ко многим негативным последствиям. Разработанные на данный момент методы борьбы с фрагментацией в силу различных причин зачастую не достигают своих целей, и очевидной становится необходимость создания новых.

Проблемам построения и увеличения скорости передачи данных мультисервисных сетей посвящено множество работ отечественных и зарубежных авторов (В. М. Вишневский, Б. С. Гольдштейн, А. Е. Кучерявый, А. В. Росляков, Н. А. Соколов, В. И. Цыбаков, И. М. Успенский, А. Ю. Щека, Н. В. Яркина, Chen-Nee Chuah, Randy Н. Katz, Wenyu Jiang, Henning Schulzrinne и др.)

Однако в опубликованных научных исследованиях не реализована задача создания математических моделей оценки скорости передачи данных в мультисервисных сетях на базе использования стека протоколов TCP/IP, учитывающих такие характерные особенности как гарантированную доставку данных, обеспечиваемую методами повторной передачи данных и прямой коррекцией ошибок, а также фрагментацию пакетов. Вследствие этого разработка таких математических моделей и основывающегося на них метода повышения скорости передачи данных в мультисервисных сетях является актуальной задачей, решение которой предложено в диссертационной работе.

Целью диссертации является разработка метода повышения скорости передачи данных в мультисервисных сетях, предусматривающего возможность регулирования величины сегмента протокола TCP при передаче потока данных конечных пользователей для минимизации негативного влияния фрагментации.

Основные задачи исследования:

1) разработка алгоритма работы стека протоколов TCP/IP с учетом гарантированной доставки данных и фрагментации пакетов;

2) создание математической модели оценки скорости передачи данных на основе использования стека протоколов TCP/IP с учетом гарантированной доставки данных и фрагментации пакетов;

3) создание математической модели оценки пропускной способности мультисервисных сетей с учетом фрагментации и вероятности потерь пакетов данных;

4) анализ и расчет статистических характеристик трафика протоколов TCP/IP в существующей мультисервисной сети оператора связи;

5) моделирование и анализ поведения трафика стека протоколов TCP/IP в модели гарантированной доставки данных с учетом его самоподобных свойств при помощи имитационного моделирования на базе программы NS-3;

6) оценка эффективности разработанного метода повышения скорости передачи данных в мультисервисных сетях на основе аналитической модели, имитационного моделирования на базе программы NS-3 и экспериментальных данных на сети оператора связи.

Методы исследования. Проведенные в диссертационной работе исследования основываются на теории вероятностей, теории самоподобных процессов, математической статистике и имитационном моделировании.

Научная новизна работы заключается в следующем:

1) созданы математические модели оценки скорости передачи данных и пропускной способности мультисервисных сетей на основе использования стека протоколов TCP/IP с учетом гарантированной доставки, фрагментации и вероятности потерь пакетов данных;

2) выявлено самоподобие трафика передачи потока данных в мультисервисной сети связи с использованием протоколов TCP/IP, позволяющее учесть влияние распределения величин пакетов данных на скорость и пропускную способность сети;

3) разработан алгоритм оценки скорости передачи данных в сети с коммутацией пакетов, учитывающий особенности по распределению длин пакетов и влияние фрагментации;

4) разработан метод повышения скорости передачи данных в мультисервисных сетях, предусматривающий возможность регулирования величины сегмента протокола TCP при передаче потока данных конечных пользователей для уменьшения негативного влияния фрагментации.

На защиту выносятся:

1) метод повышения скорости передачи данных в мультисервисных сетях, показывающий выигрыш по скорости до 14 раз (при 10 узлах) за счет уменьшения времени на фрагментацию пакетов;

2) математические модели оценки скорости передачи данных и пропускной способности мультисервисных сетей;

3) алгоритм совместной работы стека протоколов TCP/IP с учетом гарантированной доставки, прямой коррекцией ошибок и фрагментации пакетов данных;

4) самоподобие трафика передачи потока данных в мультисервисной сети связи с использованием протоколов TCP/IP, позволяющее учесть влияние распределения величин пакетов данных на скорость и пропускную способность сети;

5) результаты имитационного моделирования и экспериментальные исследования, проведенные на мультисервисной сети оператора связи, показывающие эффективность разработанного метода.

Личный вклад. Теоретические и практические исследования, расчеты и моделирование, выводы и рекомендации на их основе получены автором лично.

Практическая ценность. Применение разработанного метода на сетях операторов связи привело к повышению скорости передачи данных за счет уменьшения времени на фрагментацию пакетов и пропускной способности мультисервисных сетей за счет увеличения доли полезной составляющей в общем объеме передаваемых данных.

Реализация результатов работы. Результаты диссертационных исследований внедрены у двух операторов связи в г. о. Самара: ЗАО «Самарасвязьинформ», ООО «ИНКОС» и в учебный процесс кафедры инфокоммуникационных технологий ФГОБУ ВПО ГГГУТИ, о чем свидетельствуют соответствующие акты внедрения.

Апробация работы. Основное содержание и результаты работы докладывались и обсуждались на: 13-й международной конференции «Состояние и перспективы развития IP-коммуникаций и IP-сервисов в России» (Москва, 2012); XIII Международной научно-технической конференции «Проблемы техники и технологии телекоммуникаций» (Уфа,

2012); Международной научно-практической конференции «Наука, образование, общество: проблемы и перспективы развития» (Тамбов,

2013); XVIII, XIX и XX Российской научно-технической конференции профессорско-преподавательского состава, научных сотрудников и аспирантов ПГУТИ (Самара, 2011, 2012 и 2013).

Публикации. По результатам проведенных исследований опубликовано 13 работ, в том числе 4 статьи в журналах из перечня, рекомендованного ВАК РФ для публикации результатов диссертационных работ.

Структура и объем работы. Диссертационная работа содержит 133 страницы и состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы и приложений.

Во введении обоснована актуальность темы диссертации, показана научная новизна и практическая значимость результатов исследований, а также перечислены основные положения, выносимые на защиту.

В первой главе проведен анализ основных аспектов работы стека протоколов TCP/IP и фрагментации пакетов, дан анализ методов борьбы с негативным влиянием фрагментации пакетов и показано, что данные

методы борьбы не эффективны в современных мультисервисных сетях передачи данных. Основной метод борьбы с фрагментацией пакетов данных на промежуточных узлах базируется на алгоритме, поиска маршрута, по которому пакеты с заданным максимальным размером блока данных (Maximum Transmission Unit — MTU) могут пройти без фрагментации (Path MTU Discovery — PMTUD). Данный метод реализован в большинстве операционных систем и опирается на использование ICMP-сообщений для определения маршрута. В последнее время многие операторы блокируют отправку ICMP-сообщений на промежуточных узлах для обеспечения информационной безопасности. Кроме того, в подавляющем большинстве случаев использование алгоритма PMTUD приводит к снижению производительности оборудования.

Рассмотрим схему прохождения пакета по сети передачи данных от отправителя (S) к получателю (R) с учетом фрагментации (рис. 1).

Li L2 L; L, Д,

s о о О ■■■ О ■■■ О R

" П—I Г п—I f п—I г п—I г п—I

mi 1

т„

п—I ■ ■ ■

П—1

Рис. 1 Схема прохождения пакета по сети передачи данных с учетом фрагментации

При прохождении пакета через множество узлов г, с максимально допустимыми размерами обрабатываемых данных Lb пакет с размером L может быть обработан и передан дальше при L<Lh При L>Lt пакет будет разбиваться на фрагменты до тех пор, пока размер последнего фрагмента не будет укладываться в допустимые границы (т, - количество фрагментов на /-ом узле).

При разбиении пакета на множество фрагментов затрачивается дополнительное время на фрагментацию. Для каждого фрагмента генерируется новый заголовок IP сообщения, содержащий информацию об IP адресе отправителя и получателя, а также служебную информацию, необходимую для сборки пакета на стороне получателя, что приводит к увеличению доли служебной информации в передаваемом потоке данных. Увеличение времени передачи и доли служебной информации в передаваемом потоке данных ведет к уменьшению скорости передачи данных в мультисервисных сетях.

Рассмотренный ряд негативных последствий, приводящих к необходимости создания методов борьбы с фрагментацией, показывает актуальность разработки метода повышения скорости передачи данных в мультисервисных сетях.

Во второй главе рассмотрен механизм совместной работы стека протоколов TCP/IP с учетом методов повторной передачи данных (называемый также способом передачи с обратной связью, ARQ —

Automatic Repeat reQuest) и прямой коррекции ошибок (помехоустойчивое кодирование, FEC - Forward Error Correction). Механизм совместной работы стека протоколов TCP/IP с учетом этих методов представлен в виде алгоритма на рисунке 2.

<

Прямая коррекция

ошибок (FEC)

Нет передач ^^

Повторная передача данных

-Конец J

Рис. 1 Алгоритм совместной работы стека протоколов TCP/IP

На основе данного алгоритма создана математическая модель оценки скорости передачи данных при использовании протоколов TCP/IP с учетом гарантированной доставки данных и фрагментации пакетов.

Рассмотрен случай, когда информация помещается в одном блоке данных. Введены обозначения М - размер блока данных, п - конечное число узлов.

Скорость передачи данных определялась как отношение объема переданной информации к общему времени передачи данных от отправителя к получателю. Рассматривалась только полезная составляющая переданных данных, поскольку для конечного пользователя не имеет значения, сколько заголовков и служебных пакетов затрачено для передачи его сообщения. Полезная составляющая переданных данных определялась как максимальный размер исходного (переданного) пакета MTU за вычетом длины заголовка M-L^

Скорость передачи полезной составляющей обозначалась как эффективная скорость передачи данных , которая равна отношению полезной составляющей переданных данных М - Lla, к общему времени 'X передачw затраченному на передачу пакета:

M-L (1) v =-—.

•фф t

Общее время передачи данных по сети с коммутацией пакетов t^ определялось как суммарное время, затраченное на обработку

пакета на узле, суммарное время передачи пакета в линии ^ и

суммарное время, затраченное на фрагментацию пакета

Считалось, что время обработки пакета на каждом /-ом узле и

время передачи сигнала по линии одинаково, тогда:

= и (3)

Условие фрагментации было сформулировано при помощи индикаторной функции I (•), которая определяется соотношением:

{1, если выполнено условие, сформулирванное в скобках,

О, если условиене выполнено

Применив индикаторную функцию, получили: 1) фрагментация требуется, при этом £>£, время, затраченное на

фрагментацию, выражается как = ......а,м-тц;

2) фрагментация не требуется, при этом l<L., время, затраченное на фрагментацию, можно представить в виде = 0.

Таким образом, используя выражения (2) и (3), а также

индикаторную функцию для выражения времени, затраченного на фрагментацию, получено:

^ (4)

= U •« + (»-!)•+ z > АХ',,™-, +■т.У■

Подставив выражение (4) в (1) была получена математическая модель оценки скорости передачи данных:

=_М - __(5)

■ п+(« -1) •'.....+ Y,IiL> АХ'*.,..-, + •)

С учетом гарантированной доставки данных, обеспечиваемой протоколом TCP, посредством использования метода ARQ (способ передачи с обратной связью), требуется время не только на передачу данных, но и, при необходимости, на ожидание перед повторной передачей 1ожид, под которым подразумевается время на ожидание подтверждения tack получения/потери данных, или время истечения тайм-аута ведущего к повторной передаче (что наступит быстрее).

Согласно RFC 791, протокол TCP имеет конечное число попыток г повторно передать потерянные или искаженные данные. Обозначая за к количество повторных попыток передать данные, после которых данные получены, к <г . С учетом гарантированной доставки данных эффективная скорость выражается в виде:

M-L,

(L, •« + ("-!)• t„ +£/(!> А)('*,„,.„„-| + ''",) +J • к

(6)

Если пользователь зачастую не может определить какая у него скорость, то у оператора пропускная способность в канале связи всегда регламентирована используемой технологией (стандартом): 100 Ваэе-Т (100 Мбит/с), 1000 Ваве-Т (1 Гбит/с), 10 СВаве (10 Гбит/с) и т. д. При определении пропускной способности учитывается не только полезная часть передаваемых данных, но и служебная информация, необходимая для их передачи. Таким образом, добиться увеличения пропускной способности, не изменяя технологию доступа, можно за счет уменьшения передаваемой служебной информации.

Занимаемую пропускную способность в мультисервисных сетях определим как отношение общего количества переданной информации

D£ , включая служебную часть трафика D^ = £>„„,„ + , к единице времени.

D +D . (7)

_ поле? служео 4 '

t

Выразим общее количество переданной информации Dс помощью индикаторной функции:

D^ = ^ I(L > Z, )(Д_, + ¿,„(/7/, -1))+/((V/, / 6 < L, ))L. (8)

Используя ранее полученные равенства (7) и (8), занимаемую пропускную способность в мультисервисных сетях с коммутацией пакетов можно определить выражением:

'(L > ¿,)(Д-. + LJm, -1))+ /((V/j б U,)L < Ц)У С----. (9)

С учетом фрагментации пакетов, вероятности потерь и повторной ретрансляции данных пропускную способность сети можно представить в следующем виде:

XI, I(L > L )[?£ Hs х т + Ем ) + LJ,n -1)1 + l((Vi, i e < L ))l

С =-^-Ь.-1-,(10)

t

где Hs - математическое ожидание числа успешно переданных бит на /-ом узле после числа попыток, не превышающих г; £ — математическое

ожидание числа подтвержденных бит.

Из полученных выражений (6), (9), (10) понятно, что для повышения скорости передачи данных и пропускной способности мультисервисных сетей необходимо уменьшить количество фрагментированных пакетов, т. е. уменьшить негативное влияние фрагментации.

В главе разработан метод повышения скорости передачи данных и пропускной способности мультисервисных сетей, предусматривающий возможность регулирования величины сегмента протокола TCP при передаче потока данных конечных пользователей для минимизации негативного влияния фрагментации.

Смысл предлагаемого метода состоит в использовании поля «дополнительные опции» в структуре сообщения протокола TCP, с помощью которого получатель извещает отправителя о максимальном размере полученного от него фрагмента, устанавливая тем самым максимальный MTU обмена.

Для описания данного метода определим, что фрагментацией и сборкой пакетов занимается протокол IP. Получаемый пакет проверяется

на корректность. Заголовок IP сообщения отбрасывается от пакета, а в поле «дополнительные опции» заголовка TCP добавляется информация о размере максимального фрагмента, принятого в одном окне передачи протоколом IP. Собрав фрагменты в единый пакет, протокол IP передает его далее протоколу TCP с информацией о максимальном размере принятого фрагмента. Протокол TCP формирует подтверждение (АСК) о принятых данных и посылает отправителю его вместе с информацией о размере максимального фрагмента, тем самым устанавливая максимальный размер блока передаваемых данных.

При приеме данной информации отправитель начинает генерировать трафик с учетом принятого ограничения размера блока данных. Таким образом, можно избежать фрагментации пакетов вне зависимости от среды передачи данных и политик безопасности, настроенных на промежуточных узлах. Также использование данного метода не дает ограничений на количество промежуточных узлов и повышает скорость передачи данных за счет уменьшения времени на обработку пакета на промежуточных узлах, исключая время на фрагментацию пакета, а также увеличивает пропускную способность за счет повышения доли полезной составляющей трафика.

Для первоначального анализа эффективности разработанного метода была проведена аналитическая оценка. Аналитическая оценка базировалась на основе разработанных математических моделях и выражена посредством написанной на языке java программы. Данная программа выбирает в качестве значений MTU промежуточных узлов псевдослучайные целочисленные положительные значения из диапазона от минимального до максимально допустимого MTU согласно стандарту RFC 894. Программа производит загрузку данных в двух режимах (при обычных условиях и при использовании разработанного метода) и определяет максимальное (ряд 1), среднее (ряд 2) и минимальное (ряд 3) значения скорости передачи данных. Данные представлены на рисунке 4.

В третьей главе проведено исследование структуры трафика протоколов TCP/IP для учета распределения длин пакетов и других статистических характеристик при оценке эффективности разработанного метода повышения скорости передачи данных и пропускной способности мультисервисных сетей.

Исходные данные для анализа были получены в процессе мониторинга магистрального канала на сети крупного оператора мультисервисных услуг масштаба города. В исследуемой сети протокол TCP использует для маршрутизации и фрагментации пакетов данных заголовки сообщений протокола IP. Из множества пакетов разных протоколов, собранных программой Wireshark, для дальнейшего анализа были выделены пакеты протокола TCP. Доля сообщений протокола TCP составила 69,8% от всего трафика мультисервисной сети.

Из полученной в ходе мониторинга реализации трафика (TCP) были сформированы агрегированные (ТСР-5 и TCP-10) и логарифмированные (ТСР-5- LOG и ТСР-10- LOG) ряды.

Максимальный и минимальный размер пакетов составляет 1600 байт и 64 байта соответственно. Распределение размеров пакетов протокола TCP в мультисервисной сети представлено на рисунке 3.

0.5 ■

о 0.4

н

и

я 0.3

с

к

§ 0.2 «

0.1

160

=1=

320

480

=ь

—г—

і І20

640 800 960 Размер пакета, байт Рис. 3. Распределение размеров пакетов протокола TCP В таблице 1 приведены основные характеристики исследуемых рядов.

1600

Название Среднее, Среднеквад- Макс. Коэфф.

м[х] ратическое корреляц. Хэрста, Н /

отклонение, размерность точность

о /Лпах измерения, %

TCP 732,91 633.084 16.60205999 0,8197/82,97

TCP -5 2460808 1684672 8.400168127 0,9053/81,91

ТСР-10 2460653 1546788 7.798108136 0,9056/84,79

TCP -5-LOG 6886,47 4415 8.400168127 0,9463/83,11

TCP-IO-LOG 6886,04 4052 7.798108136 0,9489/85,86

Также были построены автокорреляционные функции, плотности распределения и энергетические спектры исследуемых реализаций.

В результате проведенного статистического анализа было показано, что трафик протокола TCP обладает большинством свойств самоподобных процессов. Получена оценка параметра Хёрста, характеризующего степень самоподобия трафика, которая находится в пределах 0.8197 <Н < 0.9489, что свидетельствует о достаточно сильной степени самоподобия трафика TCP. Заключение о том, что исследуемый трафик протокола TCP обладает свойством самоподобия, позволяет использовать разработанный метод повышения скорости передачи данных и пропускной способности мультисервисных сетей во всех сетях с коммутацией пакетов данных при использовании стека протоколов TCP/IP.

В четвертой главе проведена оценка эффективности разработанного метода повышения скорости передачи данных в мультисервисных сетях с помощью имитационного моделирования в программе NS-3 и сравнением с экспериментальными данными,

полученными в ходе внедрения разработанного метода на сети оператора мультисервисных услуг масштаба города.

В отличие от аналитической оценки, рассмотренной во второй главе, при имитационном моделировании в программе N8-3 учитывалась потеря пакетов данных и их повторная ретрансляция. В программе N8-3 был проведен анализ эффективности разработанного метода при использовании в качестве передаваемого трафика пакетов одинаковой длины (1500 байт), на рисунке 4 представлен как ряд 4 и в случае, когда размер пакетов данных определялся размером длин пакетов реального трафика, полученного в главе 3 при анализе мультисервисной сети (ряд 5). Из графика, представленного на рисунке 4 видно, что при распределении длин пакетов реального трафика скорость и выигрыш в ней, не значительно, но все же меньше чем при равномерном распределении длин пакетов. Это обусловлено тем, что в условиях реального трафика присутствовали пакеты небольшого размера, которые и без использования метода передавались в модельной сети без фрагментации.

В процессе внедрения разработанного метода на сети оператора мультисервисных услуг масштаба города была проанализирована эффективность разработанного метода повышения скорости передачи данных в мультисервисных сетях при количестве промежуточных узлов от 1 до 3. В ходе оценки скорости передачи данных даже при большой загрузке маршрутизаторов (в ЧНН) не удалось добиться потерь пакетов и повторной ретрансляции данных. Полученные экспериментальные данные находятся в диапазоне аналитической оценки эффективности разработанного метода, которая также не учитывала вероятность потерь и повторной ретрансляции пакетов данных, что подтверждает точность

Количество узлов, п Количество узлов, п

Рис. 4. Скорость при использовании разработанного метода (слева), выигрыш

по скорости (справа) Кроме того, в данной главе была проведена оценка скорости передачи данных согласно ГОСТ Р 53632-2009 «Показатели качества услуг доступа в интернет», далее ГОСТ. Показано, что метод,

предлагаемый ГОСТ, дает существенный разброс (до 36 %) в оценке скорости в силу того, что в нем не учитывается влияние фрагментации пакетов и кеширование данных, реализованное в большинстве современных менеджеров загрузки обозревателей. Данные факты не позволяют получить с помощью метода, описанного в ГОСТ, точных оценок скорости передачи данных.

Для более точной оценки скорости передачи данных, при которой не происходит использование кэша, искажающее результаты, согласно требованиям ГОСТ и алгоритма, учитывающего влияние фрагментации, была разработана программа NSpeed на платформе Java Standard Edition, определяющая скорость посредством тестовых вызовов (загрузки) несжимаемых данных с любого удаленного сервера. Разработанная программа NSpeed способна производить оценку скорости согласно ГОСТа и на основе предлагаемого метода.

Кроме того, были рассмотрены основные способы повышения производительности компьютеров пользователей, многие из которых влияют на скорость передачи данных. Произведенный эксперимент показывает возможность увеличения скорости (до 30%) за счет повышения быстродействия оборудования пользователя.

В заключение сформулированы основные результаты работы. Основным результатом проведенных в диссертационной работе теоретических и экспериментальных исследований является разработанный метод повышения скорости передачи данных в мультисервисных сетях с учетом самоподобия трафика на основе созданных математических моделей, эффективность которого подтверждена с помощью нескольких методов оценки. Метод основан на взаимодействии протоколов TCP/IP и использовании поля «дополнительные опции» заголовка сообщения TCP. Показано, что разработанный метод повышает скорость передачи данных (до 14 раз при 10 узлах) за счет уменьшения времени на фрагментацию пакетов и пропускную способность мультисервисных сетей (до 15% при 10 узлах) за счет увеличения доли полезной составляющей в общем объеме передаваемых данных. Кроме того в работе:

1) разработан алгоритм работы протоколов TCP/IP, учитывающий такие характерные особенности как гарантированную доставку данных, обеспечиваемую методами повторной передачи данных и прямой коррекции ошибок, а также фрагментацию пакетов;

2) создана математическая модель оценки скорости передачи данных на основе использования стека протоколов TCP/IP с учетом гарантированной доставки данных и фрагментации пакетов;

3) создана математическая модель оценки пропускной способности мультисервисных сетей с учетом фрагментации и вероятности потерь пакетов данных;

4) проанализирован трафик протоколов TCP/IP в существующей мультисервисной сети оператора связи и выявлены его характерные признаки, которые влияют на скорость передачи данных;

5) произведено моделирование и анализ поведения трафика протоколов TCP/IP в модели гарантированной доставки данных с учетом его самоподобных свойств при помощи имитационного моделирования на базе программы NS-3;

6) проведена оценка эффективности разработанного метода повышения скорости передачи данных в мультисервисных сетях на основе аналитической модели, имитационного моделирования на базе программы NS-3 и экспериментальных данных на сети оператора связи, показывающая выигрыш по скорости до 14 раз при 10 промежуточных узлах с разным распределением MTU.

ОПУБЛИКОВАННЫЕ РАБОТЫ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Тимошина, М. М. О проблемах межоператорского взаимодействия / М. М. Тимошина, Н. С. Лиманский // Вестник связи. — Москва, 2012. -№11.-С. 29-30.

2. Тимошина, М. М. Разработка метода повышения скорости передачи данных за счет оптимизации размеров пакетов / М. М. Тимошина // Глобальный научный потенциал. - Тамбов, 2013. - №4. - С. 40-42.

3. Тимошина, М. М. Исследование и оптимизация настройки протокола TCP/IP в сетях передачи данных / М. М. Тимошина // Инфокоммуникационные технологии. — Самара, 2013. - № 2. - С. 39-42.

4. Тимошина, М. М. Increasing the Speed of Inter-Operator Interaction in Networks / M. M. Тимошина // Наука и бизнес: пути развития. - Тамбов, 2013. - №4.-С. 27-30.

5. Тимошина, М. М. Развитие IP-коммуникаций в России. Мнение абонентов / М. М. Тимошина // 13-я международная конференция «Состояние и перспективы развития IP-коммуникаций и IP-сервисов в России». Материалы конференции. - Москва, 2012. — 7 с.

6. Тимошина, М. М. Исследование и оптимизация настройки протокола TCP/IP в сетях передачи данных / М. М. Тимошина // Международная заочная научно-практическая конференция «Наука, образование, общество: проблемы и перспективы развития». — Тамбов, 2013. — Часть 2 — С. 138-141.

7. Тимошина, М. М. Исследование влияния параметров настройки стека TCP/IP на скорость передачи данных / М. М. Тимошина // Международная заочная научно-практическая конференция «Наука, образование, общество: проблемы и перспективы развития». - Тамбов, 2013. - Часть 3 -С. 138-142.

8. Тимошина, М. М. Исследование особенностей трафика мультисервисной сети на основе статистических данных /

-) о.

М. М. Тимошина, А. С. Чижов // Международная заочная научно-практическая конференция «Наука, образование, общество: проблемы и перспективы развития». — Тамбов, 2013. - Часть 3. — С. 142-146.

9. Тимошина, М. М. Исследование влияния параметров настройки стека TCP/IP на скорость передачи данных / М. М. Тимошина // XX Российская научно-техническая конференция профессорско-преподавательского состава, научных сотрудников и аспирантов. Материалы НТК ПГУТИ. -Самара, 2013.-С. 71.

10. Тимошина, М. М. Анализ реализаций сетевого трафика настоящего времени и прошлых лет / М. М. Тимошина, А. С. Чижов // XX Российская научно-техническая конференция профессорско-преподавательского состава, научных сотрудников и аспирантов. Материалы НТК ПГУТИ. — Самара, 2013.-С. 72.

11. Тимошина, М. М. Статистический анализ реализаций мультисервисного трафика / М. М. Тимошина, А. С. Чижов // XIII Международная научно-техническая конференция «Проблемы техники и технологии телекоммуникаций». Материалы конференции ПТиТТ. — Уфа, 2012.-С. 69-70.

12. Тимошина, М.М. Анализ сетевого трафика на основе статистических данных / М. М. Тимошина // XIX Российская научно-техническая конференция профессорско-преподавательского состава, научных сотрудников и аспирантов. Материалы НТК ПГУТИ.-Самара, 2012.-С. 72.

13. Тимошина, М. М. Определение пропускной способности пакетной сети на основе статистических данных / М. М. Тимошина // XVIII Российская научно-техническая конференция профессорско-преподавательского состава, научных сотрудников и аспирантов. Материалы НТК ПГУТИ. -Самара, 2011.-С. 89-90.

Отпечатано фотоспособам в соответствии с материалами, представленными заказчикам Подписано в печать 11.07.13 г. Формат 60x84'/16 Бумага офсетная. № 1. Гаршпура Тайме. Заказ № 1519. Печап. операгавная. Усл. печ. л. 0,91 Тираж 100 экз.

Ошечатано в издательстве учебной и научной литературы Поволжского государственного университета телекоммуникаций и информатики 443090, г. Самара, Московское шоссе, 77. т. (846) 228-00-44

ПОВОЛЖСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ТЕЛЕКОММУНИКАЦИЙ И ИНФОРМАТИКИ

На правах рукописи

04201361184

Тимошина Мария Михайловна

РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ МЕТОДА ПОВЫШЕНИЯ СКОРОСТИ ПЕРЕДАЧИ ДАННЫХ В МУЛЬТИСЕРВИСНЫХ СЕТЯХ НА

ОСНОВЕ СТЕКА ПРОТОКОЛОВ ТСРЯР

Специальность 05.12.13 - Системы, сети и устройства телекоммуникаций

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель: кандидат технических наук, доцент

Лиманский Н. С.

Самара - 2013

Содержание

Список сокращений.....................................................................................................5

ВВЕДЕНИЕ......................................................................................................................7

ГЛАВА 1. АНАЛИЗ ОСОБЕННОСТЕЙ РАБОТЫ СТЕКА ПРОТОКОЛОВ ТСРЯР В МУЛЬТИСЕРВИСНЫХ СЕТЯХ............................................................13

1.1 Семейство протоколов TCP/IP............................................................................13

1.2 Протокол TCP (Transmission Control Protocol).................................................15

1.3 Интерфейс между протоколами TCP и IP.........................................................16

1.4 Протокол IP (Internet Protocol)............................................................................18

1.5 Процесс фрагментации........................................................................................19

1.6 Проблемы, вызванные фрагментацией пакетов...............................................23

1.7 Методы борьбы с фрагментацией......................................................................24

1.8 Проблемы, связанные с использованием алгоритма PMTUD, и методы их решения с помощью настройки оборудования.......................................................26

ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ 1............................................................................................28

ГЛАВА 2. РАЗРАБОТКА МЕТОДА ПОВЫШЕНИЯ СКОРОСТИ ПЕРЕДАЧИ ДАННЫХ НА ОСНОВЕ СТЕКА ПРОТОКОЛОВ ТСРЯР..........29

2.1 Модель гарантированной доставки данных протокола TCP...........................29

2.2 Разработка алгоритма взаимодействия стека протоколов TCP/IP..................31

2.3 Создание математической модели оценки скорости передачи данных.........33

2.4 Создание математической модели оценки пропускной способности мультисервисной сети...............................................................................................38

2.4.1 Создание математической модели оценки пропускной способности мультисервисной сети с учетом фрагментации пакетов.......................................39

2.4.2 Оценка вероятности получения и потерь пакетов данных...........................41

2.4.3 Оценка пропускной способности мультисервисной сети с учетом фрагментации и вероятности потери данных.........................................................43

2.5 Разработка метода повышения скорости передачи данных и пропускной способности мультисервисных сетей......................................................................46

2.6 Исследование эффективности разработанного метода повышения скорости передачи данных на базе аналитической модели...................................................48

ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ 2............................................................................................54

ГЛАВА 3. СТАТИСТИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ РЕАЛИЗАЦИЙ ТРАФИКА НА БАЗЕ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ПРОТОКОЛОВ ТСРЯР............................................55

3.1 Проведение эксперимента по сбору трафика на базе протоколов TCP/IP.... 55

3.2 Формирование агрегированной реализации.....................................................58

3.3 Исследование реализаций статистическими методами...................................62

3.4 Проверка наличия основных свойств самоподобных процессов...................64

3.4.1 Определения самоподобных процессов.........................................................64

3.4.2 Медленно и быстро убывающие зависимости...............................................67

3.4.3 Анализ автокорреляционных функций...........................................................68

3.4.4 Анализ плотностей распределений.................................................................70

3.4.5 Построение энергетических спектров............................................................74

ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ 3............................................................................................77

ГЛАВА 4. ИССЛЕДОВАНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ РАЗРАБОТАННОГО МЕТОДА ПОВЫШЕНИЯ СКОРОСТИ ПЕРЕДАЧИ ДАНЫХ И ПРОПУСКНОЙ СПОСОБНОСТИ МУЛЬТИСЕРВИСНОЙ СЕТИ................78

4.1 Имитационное моделирование..........................................................................79

4.2 Программа имитационного моделирования Network Simulator 3..................79

4.3 Имитационное моделирование процесса оценки скорости передачи данных и пропускной способности сети в программе NS-3..................................................81

4.3.1 Исследование разработанного метода оценки скорости передачи данных без учета распределения длин пакетов....................................................................82

4.3.2 Исследование разработанного метода повышения скорости передачи данных с учетом распределения длин пакетов.......................................................88

4.4 Экспериментальная оценка эффективности разработанного метода на сети оператора связи..........................................................................................................93

4.5 Анализ методов оценки эффективности разработанного метода повышения скорости передачи данных........................................................................................97

4.6 Оценка скорости передачи данных согласно ГОСТ Р 53632-2009 «Показатели качества услуг доступа в Интернет»...............................................101

4.7 Разработка алгоритма оценки скорости передачи данных с учетом фрагментации пакетов.............................................................................................106

4.8 Исследование влияния системных компонентов абонентского оборудования на скорость передачи данных.................................................................................108

ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ 4..........................................................................................117

ЗАКЛЮЧЕНИЕ........................................................................................................118

СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ.....................................................121

Приложение 1...........................................................................................................131

Приложение 2...........................................................................................................132

Приложение 3...........................................................................................................133

Список сокращений

АКФ автокорреляционная функция

АСШС асимптотически самоподобный в широком смысле

БУЗ быстро убывающая зависимость

МУЗ медленно убывающая зависимость

РТХ распределение с «тяжелым хвостом»

ССШС строго самоподобный в широком смысле

АСК (Acknowledgment) - подтверждение принятых данных

ARQ (Automatic Repeat reQuest) - способ передачи с обратной связью

BIOS (Basic Input/Output System) - «базовая система ввода-вывода»

CRC (Cyclical Redundancy Check) - поле циклического избыточного кода

DARPA (Defense Research Projects Agency) - агентство передовых

оборонных исследовательских проектов DF (Don't Fragment) - флаг запрета фрагментации

FCS (Frame Check Sequence) - контрольная последовательность кадра FEC (Forward Error Correction) - метод прямой коррекции ошибок GRE (Generic Routing Encapsulation) - «общая инкапсуляция маршрутов»

- протокол туннелирования сетевых пакетов HDD (Hard Disk Drive) - накопитель на жёстких магнитных дисках ICMP (Internet Control Message Protocol) - протокол межсетевых

управляющих сообщений IP (Internet Protocol) - межсетевой протокол

IPsec (Internet Protocol Security) - набор протоколов для обеспечения

защиты данных, передаваемых по межсетевому протоколу IP L2TP (Layer 2 Tunneling Protocol) - «протокол туннелирования второго уровня» - туннельный протокол, использующийся для поддержки виртуальных частных сетей MF (More Fragments) - «еще фрагменты»

MSS (Maximum Segment Size) - максимальный размер сегмента MTU (Maximum Transmission Unit) - максимальный размер блока данных NFB (Number of Fragment Blocks) - число восьми-октетных блоков NS-3 (Network Simulator version 3) - программа имитационного

моделирования сетей PCI (Peripheral Component Interconnect) - «взаимосвязь периферийных

компонентов» - шина ввода/вывода для подключения периферийных устройств к материнской плате компьютера PMTUD (Path MTU Discovery) - алгоритм определения маршрута, по

которому пакеты проходят без фрагментации РРРоЕ (Point-to-point protocol over Ethernet) - сетевой протокол передачи

кадров по сетям с коммутацией пакетов QoS (Quality of Service) - качество обслуживания

RAM (Random Access Memory) - запоминающее устройство с

произвольным доступом RFC (Request for Comments) - серия информационных документов, содержащих технические спецификации и стандарты, применяемые в сетях передачи данных SYN (Synchronize Sequence Numbers) - флаг сообщения TCP,

показывающий синхронизацию номеров последовательности TCP (Transmission Control Protocol) - протокол управления передачей UDP (User Datagram Protocol) - протокол пользовательских датаграмм USB (Universal Serial Bus) - «универсальная последовательная шина» -последовательный интерфейс передачи данных для периферийных устройств в вычислительной технике

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы. Тенденцией современного этапа развития телекоммуникаций является объединение сетей связи в единую мультисервисную сеть для предоставления унифицированной услуги, включающей в себя все виды телекоммуникационных услуг. Внедрение и успешное функционирование мультисервисных сетей и предоставление унифицированных услуг связи требует высокой скорости передачи данных, обеспечивающей трансляцию возрастающего объема данных.

Проблема обеспечения высокой скорости передачи данных на данный момент является одной из самых актуальных. Результаты опроса пользователей услуги передачи данных, который проводил Центр проблем управления телекоммуникационными сетями и услугами Санкт-Петербургского Государственного университета телекоммуникаций имени проф. М. А. Бонч-Бруевича в рамках научно-исследовательской работы, показывает отношение пользователей и операторов к проблеме оценки скорости передачи данных. В 23,5 % случаев оператор не предоставляет никаких гарантий по качеству услуг, 74,6 % случаев в договоре указана расплывчатая фраза: «скорость до X Мбит/с» и всего 1,9 % пользователей имеют дополнительное соглашение с оператором об уровне качества, что демонстрирует недостаточное внимание к данной проблеме. Рейтинг значимости показателей качества услуг по опросам пользователей показал, что наибольшую значимость для них имеет скорость (47,1%) передачи данных [5]. Очевидно, что в современных условиях конкуренции на рынке операторов связи привлечение большего числа пользователей может осуществляться путем предоставления унифицированной услуги на как можно более высокой скорости передачи данных в мультисервисных сетях. Кроме того, существует не менее актуальная проблема точной оценки скорости, поскольку, как будет продемонстрировано в данной работе, существующие методы оценки

скорости передачи данных (информационные сайты, метод, предлагаемый ГОСТ Р 53632-2009) не в полной мере справляются с этой задачей.

Проблемам построения и увеличения скорости передачи данных мультисервисных сетей посвящено множество работ отечественных и зарубежных авторов (В. М. Вишневский, Б. С. Гольдштейн, А. Е. Кучерявый, А. В. Росляков, Н. А. Соколов, В. И. Цыбаков, И. М. Успенский, А. Ю. Щека, Н. В. Яркина, Chen-Nee Chuah, Randy Н. Katz, Wenyu Jiang, Henning Schulzrinne и др.).

Однако в опубликованных научных исследованиях не реализована задача создания математических моделей оценки скорости передачи данных1 и

л

пропускной способности мультисервисных сетей на базе использования стека протоколов TCP/IP, учитывающих такие характерные особенности как гарантированную доставку данных, обеспечиваемую методами повторной передачи данных и прямой коррекцией ошибок, а также фрагментацию пакетов. Вследствие этого разработка таких математических моделей и основывающегося на них метода повышения скорости передачи данных в мультисервисных сетях является актуальной задачей, решение которой предложено в диссертационной работе.

Целью диссертации является разработка метода повышения скорости передачи данных в мультисервисных сетях, предусматривающего возможность регулирования величины сегмента протокола TCP при передаче потока данных конечных пользователей для уменьшения негативного влияния фрагментации.

Основные задачи исследования:

1) разработка алгоритма работы протоколов TCP/IP с учетом гарантированной доставки данных и фрагментации пакетов;

1 Под скоростью передачи данных понимается скорость передачи данных на транспортном уровне модели 081.

Под пропускной способностью понимается скорость передачи данных на канальном уровне модели ОБ!.

2) создание математической модели оценки скорости передачи данных на основе использования протоколов TCP/IP с учетом гарантированной доставки данных и фрагментации пакетов;

3) создание математической модели оценки пропускной способности мультисервисных сетей с учетом фрагментации и вероятности потерь пакетов данных;

4) анализ и расчет статистических характеристик трафика протоколов TCP/IP в существующей мультисервисной сети оператора связи;

5) моделирование и анализ поведения трафика протоколов TCP/IP в модели гарантированной доставки данных с учетом его самоподобных свойств при помощи имитационного моделирования на базе программы NS-3;

6) оценка эффективности разработанного метода повышения скорости передачи данных в мультисервисных сетях на основе аналитической модели, имитационного моделирования на базе программы NS-3 и экспериментальных данных на сети оператора связи.

Научная новизна работы заключается в следующем:

1) созданы математические модели оценки скорости передачи данных и пропускной способности мультисервисных сетей на основе использования стека протоколов TCP/IP с учетом гарантированной доставки, фрагментации и вероятности потерь пакетов данных;

2) выявлено самоподобие трафика передачи потока данных в мультисервисной сети связи с использованием протоколов TCP/IP, позволяющее учесть влияние распределения величин пакетов данных на скорость и пропускную способность сети;

3) разработан алгоритм оценки скорости передачи данных в сети с коммутацией пакетов, учитывающий особенности по распределению длин пакетов и влияние фрагментации;

4) разработан метод повышения скорости передачи данных в мультисервисных сетях, предусматривающий возможность регулирования

величины сегмента протокола TCP при передаче потока данных конечных пользователей для уменьшения негативного влияния фрагментации.

На защиту выносятся:

1) метод повышения скорости передачи данных в мультисервисных сетях, показывающий выигрыш по скорости до 14 раз (при 10 узлах) за счет уменьшения времени на фрагментацию пакетов;

2) математические модели оценки скорости передачи данных и пропускной способности мультисервисных сетей;

3) алгоритм совместной работы протоколов TCP/IP с учетом гарантированной доставки, прямой коррекцией ошибок и фрагментации пакетов данных;

4) самоподобие трафика передачи потока данных в мультисервисной сети связи с использованием протоколов TCP/IP, позволяющее учесть влияние распределения величин пакетов данных на скорость и пропускную способность сети;

5) результаты имитационного моделирования и экспериментальные исследования, проведенные на мультисервисной сети оператора связи, показывающие эффективность разработанного метода.

Личный вклад. Теоретические и практические исследования, расчеты и моделирование, выводы и рекомендации на их основе получены автором лично.

Практическая ценность. Применение разработанного метода на сетях операторов связи привело к повышению скорости передачи данных за счет уменьшения времени на фрагментацию пакетов и пропускной способности мультисервисных сетей за счет увеличения доли полезной составляющей в общем объеме передаваемых данных.

Реализация результатов работы. Результаты диссертационных исследований внедрены у двух операторов связи в г. о. Самара: ЗАО «Самарасвязьинформ», ООО «ИНКОС» и в учебный процесс кафедры инфокоммуникационных технологий ФГОБУ ВПО ПГУТИ, о чем свидетельствуют соответствующие акты внедрения (Приложения 1, 2 и 3).

Апробация работы. Основное содержание и результаты работы докладывались и обсуждались на: 13-й международной конференции «Состояние и перспективы развития IP-коммуникаций и IP-сервисов в России» (Москва, 2012); XIII Международной научно-технической конференции «Проблемы техники и технологии телекоммуникаций» (Уфа, 2012); Международной научно-практической конференции «Наука, образование, общество: проблемы и перспективы развития» (Тамбов, 2013); XVIII, XIX и XX Российской научно-технической конференции профессорско-преподавательского состава, научных сотрудников и аспирантов ПГУТИ (Самара, 2011, 2012 и 2013).

Публикации. По результатам проведенных исследований опубликовано 13 работ, в том числе 4 статьи в журналах из перечня, рекомендованного ВАК РФ для публикации результатов диссертационных работ.

Структура и объем работы. Диссертационная работа содержит 133 страницы и состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы и приложений.

Методы исследований. Проведенные в диссертационной работе исследования основываются на теории вероятностей, теории самоподобных процессов, математической статистике и имитационном моделировании.

Для проведения численных расчетов и статистического анализа в диссертационной работе использовался пакет программ Mathlab, Fractan. Языки программирования С++ и Java. Для проверки эффективности разработанного

метода повышения скорости передачи данных в мультисервисных сетях на основе стека протоколов TCP/IP использовался программный продукт моделирования сетей связи NS-3.

Достоверность результатов. Достоверность подтверждается совпадением результатов применения метода повышения скорости передачи данных п�