Rozdział - Katedra Informatyki i Ekonometrii

Rozdział
Występowanie fluktuacji przepustowości łączy internetowych
w Polsce
Jarosław KARCEWICZ
Politechnika Śląska, Katedra Informatyki i Ekonometrii
[email protected]
Streszczenie
Niniejszy artykuł przedstawia badania dotyczące występowania fluktuacji
przepustowości łącz internetowych w Polsce, mające na celu wykazanie
problemu występowania zmiennego charakteru prędkości tych łącz w
stosunku do teoretycznych nominalnych ich wartości. Przedstawione zostały
badania dwuetapowe, badania ankietowe wśród administratorów sieci
komputerowych, oraz badania eksperymentalne w jednej z rzeczywistych
sieci komputerowych.
1. Wstęp
Klasycznym dziś rozwiązaniem wielu sieci jest połączenie sieci lokalnych z siecią
rozległą Internet, wykorzystujące do komunikacji protokół IP za pośrednictwem urządzeń
zwanych routerami. W sieci o takiej architekturze znajduje się określona ilość
uŜytkowników, którzy współdzielą łącze z siecią rozległą, czyli więc rywalizują o dostęp
do niej między sobą. Standardową zasadą dostępu do zasobów sieci rozległej, w sieciach
lokalnych o tego typu architekturze, jest zasada „kto pierwszy, ten lepszy”, czyli obsługa
metodą FIFO (First In First Out). Zasada ta oznacza, Ŝe pierwszeństwo do zasobów sieci
rozległej ma uŜytkownik, który pierwszy wyśle swoje Ŝądanie. W okresie powstawania
sieci Internet i jej początkowych rozwojów, dane przesyłane przez tą sieć były
nieznacznych rozmiarów. ZałoŜenie takiej metody dostępu do sieci, pozwalało na
maksymalizację czasu dostarczenia informacji. Z czasem ta sytuacja zaczęła się jednak
zmieniać. UŜytkownicy coraz częściej korzystają ze zdalnie uruchamianych aplikacji,
Ŝądają szybkiego dostępu do olbrzymich archiwów danych, przesyłają dźwięk i obraz
w czasie rzeczywistym, co oznacza, Ŝe przesyłane dane są duŜych rozmiarów. Łącze z
siecią rozległą stało się więc „wąskim gardłem”, które ma znacznie mniejsze moŜliwości
2
J. Karcewicz
przesyłu informacji niŜ zapotrzebowanie uŜytkowników współdzielących to łącze.
Pobranie takich danych o duŜych rozmiarach przez uŜytkownika poprzez łącze z siecią
Internet wymaga pewnej ilości czasu, a co się z tym wiąŜe oraz zgodnie z metodą FIFO
dostępu do tego łącza, powoduje to całkowite zajęcie tego łącza aŜ do momentu
zakończenia pobrania tych danych.
Najlepszym mechanizmem zapewnienia jakości w sieciach o omawianej architekturze
jest na obecny czas, kształtowanie ruchu z wykorzystaniem algorytmów kolejkowania
danych. Najczęściej zaś stosuje się do tego celu algorytmy hierarchicznego podziału
łącza. W [1] przeprowadzone zostały badania mają na celu sprawdzić efektywność
działania tegoŜ algorytmu w warunkach zmieniającej się w czasie przepustowości łącza
internetowego. Badania te potwierdziły, Ŝe taka fluktuacja ma bardzo duŜy wpływ na
efektywność tych algorytmów. W niniejszym artykule przedstawione zostały kolejne
badania mające na celu ustalenie na ile sytuacje takie zdarzają się w rzeczywistych
sieciach komputerowych.
2. Badania ankietowe
W pierwszym etapie zostały przeprowadzone badania ankietowe wśród administratorów
rzeczywistych sieci komputerowych. Badana populacja sieci komputerowych była bardzo
róŜnorodna od sieci małych z małą liczbą uŜytkowników do sieci bardzo duŜych z duŜą
liczbą uŜytkowników, sieci z łączami o niskiej przepustowości do sieci z łączami o
bardzo duŜej przepustowości. Spośród ponad 60 wypełnionych ankiet 57 zostało
wypełnionych prawidłowo i tylko te zostały wzięte pod uwagę w analizie wyników. Ze
względu na znaczny rozmiar badania ankietowego poniŜej zostaną przedstawione
najbardziej interesujące wyniki z punktu widzenia wytyczonego celu w tymŜe artykule.
Głównym, najbardziej interesującym pytaniem było pytanie, którego wynik moŜna
zaobserwować na rys. 1:
6) Czy zauwaŜasz/zauwaŜałe(a)ś w swojej sieci (szczególnie w godzinach największych
obciąŜeń) problem z uzyskaniem dostępnej przepustowości łącza, mimo zauwaŜalnego
maksymalnego obciąŜenia przez wszystkich uŜytkowników sieci (mimo widocznego
maksymalnego obciąŜenia, osiągany transfer jest niŜszy niŜ przewiduje to wielkość
dzierŜawionego łącza)
Z wykresu moŜna wywnioskować, iŜ postawiony problem nie dotyczy wszystkich sieci
komputerowych, 37% badanych odpowiedziało, Ŝe nigdy nie zauwaŜyło podobnych
problemów. JednakŜe 33% odpowiedziało, Ŝe zauwaŜa problem rzadko, a 12% zauwaŜa
problem często. MoŜna więc postawić wniosek, Ŝe problem nie dotyczy wszystkich sieci
komputerowych, jednakŜe istnieje dość spora ilość sieci komputerowych, u których
problem zmiennej przepustowości w łączu internetowym istnieje.
Występowanie fluktuacji przepustowości łączy …
3
Tak, kiedyś występowały
takie sytuacje, teraz juŜ
problem ustąpił
14%
4%
12%
37%
Tak, kiedyś występowały
takie sytuacje, po zmianie
dostawcy łącza problem
ustąpił
Tak, zuwaŜam często
Tak, zauwaŜam rzadko
33%
Nigdy nie zauwaŜyłe(a)
podobnych problemów
Rys. 1. Wykres ilości odpowiedzi dot. występowania fluktuacji
Kolejne pytanie miało na celu określenie jak duŜe potrafiły być odchylenia fluktuacji w
sieciach, w których ten problem występuje, którego wynik moŜna zaobserwować na rys.
2:
7) Jak duŜe potrafią/potrafiły być róŜnice między wielkością prędkości dzierŜawionego
łącza a rzeczywiście osiąganą prędkością w sytuacjach jak przedstawiona w punkcie 6?
4%
19%
38%
Więcej niŜ 50% nominalnej
prędkości łącza
Między 30 - 50% nominalnej
prędkości łącza
Między 10 - 30 %
nominalnej prędkości łącza
39%
Mniej niŜ 10% nominalnej
prędkości łącza
Rys. 2. Wykres ilości odpowiedzi dot. wielkości odchylenia występującej fluktuacji
Z wykresu wynika, Ŝe odchylenia wielkości między nominalną wartością łącza a
rzeczywiście występującą w większości sieci, której omawiany problem dotyczy sięga
między do 30% nominalnej przepustowości dzierŜawionego łącza.
Kolejne pytanie miało na celu konkretne ustalenie czy administratorzy dokładnie wiedzą
z czego wynikają przedstawiane problemy, tak aby jednoznacznie moŜna było określić,
czy problem ten wynika z fluktuacji przepustowości w łączu internetowym. Wyniki tego
pytania moŜna zaobserować na rys. 3:
4
J. Karcewicz
8) Gdzie Pana(i) zdaniem jest/była wina powyŜszych problemów?
Na pewno po stronie
dostawcy łącza
Chyba po stronie
dostawcy łącza
0% 8%
4%
23%
Chyba po stronie mojej
sieci lokalnej
65%
Na pewno po stronie
mojej sieci lokalnej
Nie wiem
Rys. 3. Wykres ilości odpowiedzi dot. usytuowania miejsca problemu fluktuacji
Jak moŜna zauwaŜyć na wykresie zdecydowania większość administratorów, stwierdza,
Ŝe przedstawiony problem fluktuacji wynika z winy posiadanego łącza internetowego,
eliminując moŜliwość winy problemu leŜącego po stronie wewnątrz własnej sieci
lokalnej.
Kolejne pytanie miało na celu ustalenie czy administratorzy uczestniczący w badaniu
mieli takŜe styczność z omawianym problem wśród innych administratorów i sieci
komputerów. Wyniki tego pytania moŜna zaobserowować na rys. 4:
9) Czy miał Pan(i) styczność, słyszałe(a)ś o powyŜszych problemach (jak w punkcie 6) u
innych administratorów sieci, w innych sieciach?
Tak, miałem styczność i
słyszałem
Tak, miałem styczność
14%
0%
45%
37%
4%
Tak, słyszałem
Nie, nie miałem
styczności, ani nie
słyszałem
Nie, nie mam styczności
z innymi administratorami
sieci
Rys. 4. Wykres ilości odpowiedzi dot. styczności z problemem fluktuacji w innych sieciach i u
innych administratorów sieci
Występowanie fluktuacji przepustowości łączy …
5
Jak moŜna zauwaŜyć na wykresie zdecydowana część administratorów uczestnicząca w
badaniu potwierdziła styczność z omawianym problem równieŜ wśród innych
administratorów sieci których znają i innych znanych sieci komputerowych.
3. Badania eksperymentalne
Następny etap badań miał charakter eksperymentalny i miał na celu wykazanie istnienie
omawianego problemu fluktuacji przepustowości w łączu internetowym w jednej z
rzeczywistych sieci komputerowych.
Badana sieć komputerowa Rudanet mieszcząca się w Rudzie Śląskiej, jest siecią
osiedlową liczącą około 400 uŜytkowników. Sieć ta posiada symetryczne łącze
internetowe 4 [Mbit].
Przeprowadzony eksperyment polegał na generowaniu ruchu do klienta umieszczonego
wewnątrz badanej sieci, za pomocą aplikacji „iperf” [3] tak, aby zapełnił całkowicie
przepustowość łącza internetowego tej sieci. W celu jak najdokładniejszego wypełnienia
przepustowości łącza, generowany został ruch UDP z dwóch odrębnych serwerów
posiadających łącze 10 [Mbit] o wielkości 3 [Mbit/s], tak więc więcej niŜ moŜliwości
badanego łącza. Generowany ruch na obydwu serwerach został przy pomocy algorytmów
kolejkowania ustawiony jak priorytetowy na czas badania, tak aby mógł być stały i
niezmienny. Klient odbierający generowany ruch został podłączony poprzez switch
bezpośrednio do rutera tej sieci, tak aby zminimalizować wpływ innych urządzeń tej sieci
lokalnej na badanie. Wszystkie trzy
W badaniach uŜyte zostały dwa serwery generujące ruch i jeden odbierający generowany
ruch oparte o system operacyjny GNU/LINUX DEBIAN, z zainstalowanym jądrem
2.4.25 [4], oraz z dodatkowo doinstalowanymi algorytmami kolejkowania WRR, ESFQ,
HSFC [5, 6, 7] które nie są standardowo zawarte w jądrze, uzupełnienieniem Patch-OMatic, odpowiednio zainstalowanym pakietem iproute2 z obsługą tychŜe kolejek oraz
właściwie przygotowany pakietem iptables [8, 9].
Pomiar wyników badania został przedstawiony na rys. 5, przy pomocy aplikacji „lstat”
[2] która mierzy wielkość przepływającego przez interfejs sieciowy ruchu sieciowego i
wizualizuje go w postaci wykresu.
Na wykresie tym moŜna zaobserwować, Ŝe osiągany transfer (linia czerwona) w trakcie
badania był niejednostajny, na dodatek róŜnica między osiągniętym transferem
minimalnym a maksymalnym sięgała prawie 0,5 [Mbit], natomiast podawana przez
dzierŜawcę nominalna wartości łącza, czyli 4 [Mbit], nie została w czasie badania
osiągnięta. Maksymalny osiągnięty transfer był o 360 [Kbit] mniejszy niŜ nominalna
wartość tego łącza.
6
J. Karcewicz
Rys. 5. Wykres zidentyfikowanego generowanego ruchu w [KB/s]
4. Podsumowanie
Zadaniem niniejszego artykułu było udowodnienie występowania problemu opisanego w
[1] w rzeczywistych sieciach komputerowych. Przeprowadzone badania były
dwuetapowe, w pierwszym etapie przeprowadzone zostały badania ankietowe wśród
administratorów sieci. W badania tych administratorzy sieci potwierdzili, Ŝe omawiany
problem występuje w sieciach komputerowych. W drugim etapie przeprowadzony został
eksperyment w rzeczywistej sieci komputerowej, mający na celu zbadanie łącza
internetowego tej sieci pod kątem występowania fluktuacji przepustowości. Badanie
wykazało, Ŝe w badanym łączu istnieje problem zmiennej w czasie przepustowości w
odniesieniu do podawanej przez dzierŜawcę nominalnej przepustowości tego łącza.
Na podstawie przeprowadzonych badań wynika, Ŝe w sieciach lokalnych podłączonych
do sieci rozległej Internet w Polsce istnieje często problem fluktuacji przepustowości,
który polega na fakcie, Ŝe osiągana przepustowość mimo maksymalnego wypełnienia jest
róŜna od podawanej nominalnej przez dzierŜawcę i zmienna w czasie.
Algorytmy hierarchicznego podziału łącza wymagają podania nominalnej stałej wartości
przepustowości, której podziału następnie dokonuje. Jak udowodniły badania w [1], jeśli
rzeczywista wartość przepustowości będzie się róŜniła od tej podanej nominalnej, i
będzie mniejsza od niej, bardzo silnie wpływa to na efektywność tych algorytmów. Na
podstawie badań zawartych w [1] i w niniejszym artykule, została udowodniona
konieczność opracowania mechanizmu, który byłby w stanie poprawić efektywność
algorytmów hierarchicznego podziału łącza w warunkach fluktuacji przepustowości
łącza.
LITERATURA
1.
2.
Karcewicz J., Kapczyński A., Psurek K.: Sterowanie przepływem ruchu sieciowego. Wyd. WNT:
Współczesne problemy sieci komputerowych, Warszawa 2004
Lstat. http://lstat.sourceforge.net
Występowanie fluktuacji przepustowości łączy …
3.
4.
5.
6.
7.
8.
9.
Iperf. http://dast.nlanr.net/Projects/Iperf/.
Linux Kernel - http://www.kernel.org
Mortensen C.: WRR. http://wipl-wrr.sourceforge.net
Eugene Ng T. S.: HFSC. http://trash.net/~kaber/hfsc/
Atanasov A.: ESFQ. http://www.ssi.bg/~alex/esfq/
Iptables, Patch-O-Matic. http://www.netfilter.org/
Kuzniecow A.: Iproute2. ftp://ftp.icm.edu.pl/pub/Linux/iproute
7