Więcej - Katedra Informatyki i Ekonometrii

ZESZYTY NAUKOWE POLITECHNIKI ŚLĄSKIEJ
Seria: INFORMATYKA z. 35
2005
Nr kol. 1402
Jarosław KARCEWICZ
Politechnika Śląska, Katedra Informatyki i Ekonometrii
ASPEKTY OBSŁUGI UśYTKOWNIKÓW W SIECIACH
LOKALNYCH KORZYSTAJĄCYCH Z ZASOBÓW SIECI
ROZLEGŁYCH
Streszczenie. We współczesnych czasach notuje się bardzo dynamiczny rozwój
rozległej sieci komputerowej Internet. Coraz częściej sieć ta wykorzystywana jest
w przedsiębiorstwach jako źródło pozyskiwania informacji przez pracowników.
W artykule omówiono zagadnienia związane z zapewnieniem jakości usług dla
uŜytkowników sieci lokalnej korzystających z zasobów sieci rozległej jaką jest sieć
Internet.
ASPECTS OF USERS SERVICE IN LOCAL NETWORK USING
RESOURCES OF WIDE NETWORK
Summary. At present day is notified more and more dynamic growth of wide
computer network Internet. More and more often that network is used at the
companies by the workers as a source of information. The paper specifies problems,
related with the assuring of quality of service for a local network users using the
resources of wide network which is Internet.
1. Wstęp
We współczesnych sieciach komputerowych najczęściej spotykanym rozwiązaniem jest
połączenie sieci lokalnych z siecią Internet. UŜytkownicy komputerów w sieci o takiej
topologii coraz częściej korzystają ze zdalnie uruchamianych aplikacji, Ŝądają szybkiego
dostępu do olbrzymich archiwów danych, przesyłają dźwięk i obraz w czasie rzeczywistym.
To wszystko sprawia, Ŝe oprócz gwarancji dotarcia pakietów istotne stały się takie parametry
jak przepustowość transferu, opóźnienie, jednorodność opóźnienia i transferu oraz utrata
2
J. Karcewicz
pakietów. Zbiór mechanizmów, które są w stanie zapewnić, Ŝe te parametry odpowiadać będą
załoŜonym wymaganiom nosi nazwę zapewniania jakości usług (ang. Quality of Service,
w skrócie QoS) [2, 3].
Celem niniejszej pracy jest analiza aspektów Quality of Service w odniesieniu
do uŜytkowników sieci lokalnych korzystających z zasobów sieci rozległej Internet.
2. Geneza aspektów QoS (Quality of Service) w sieciach lokalnych
korzystających z zasobów sieci rozległej Internet
W 1969 r. wykonana została pierwsza próba transmisji danych poprzez sieć ARPANET,
co zapoczątkowało powstanie znanej dzisiaj wszystkim sieci Internet. W 1972 r. sieć
ARPANET została po raz pierwszy zaprezentowana publicznie na międzynarodowej
konferencji telekomunikacyjnej, jej uczestniczy zobaczyli pierwszą na świecie działająca sieć
WAN. Na koniec 1972 r. działało juŜ 40 węzłów tej sieci i przybywało ich w szybkim tempie
coraz więcej, zarówno jak i kolejne usługi które oferowała: e-mail, Usenet, FTP, Telnet, itd. W
1983 r. znikła ostatnia bariera ograniczająca swobodny ruch w sieci, wprowadzono usługę DNS,
czyli hierarchiczną strukturę nazw komputerów w sieci. Największym przełomem stało się
następnie stworzenie w roku 1993 w ośrodku badawczym CERN graficznej przeglądarki
WWW o nazwie Mosaic, która zrewolucjonizowała znaną dziś sieć Internet. Od tego momentu
opracowana dwa lata wcześniej usługa World Wide Web stała się centrum zainteresowania
ogromnej rzeszy uŜytkowników, jak równieŜ mediów i biznesu [15].
Dziś sieć Internet stała się elementem codziennego Ŝycia wszystkich ludzi na świecie.
MoŜna zauwaŜyć jak szybki był jej rozwój od pierwszych prób wykonanych w 1969 r. Rozwój
ten jest tak szybki nadal, wciąŜ powstają coraz to nowe usługi.
Zdecydowanie dominującym w sieci Internet protokołem warstwy sieciowej modelu
komunikacji ISO/OSI jest IP. Udostępnia on wygodny mechanizm adresowania komputerów
oraz ustalania trasy pakietów pomiędzy sieciami. Jednak brakuje mu metod kontroli
integralności przesyłanych informacji. Problem zawodnej transmisji danych rozwiązano
projektując protokół wyŜszej warstwy transportowej TCP, który gwarantuje przy pomocy
szeregu odpowiednio następujących po sobie potwierdzeń, Ŝe dane dotrą do wyznaczonego
celu.
Projektując protokół TCP/IP najwaŜniejszym wyznaczonym celem było zagwarantowanie
dostarczenia informacji z jednego punktu do drugiego, był to główny wymóg poprawnego
działania ówcześnie istniejących usług sieciowych. Sieć Internet jednak rozwija się bardzo
szybko, sama gwarancja dostarczenia informacji stała się juŜ niewystarczająca, i oprócz niej
Aspekty obsługi uŜytkowników w sieciach lokalnych korzystających …
3
zaczęto wymagać takŜe innych kryteriów jakości. W odpowiedzi na te wymagania
wprowadzony został w Ŝycie QoS (Quality of Service).
Uogólniając definicje zawarte w [4, 5, 6, 7, 8, 9], Quality of Service moŜna określić jako
zbiór mechanizmów, które mają zapewnić dostarczenie przewidywalnego poziomu jakości
usług sieciowych, poprzez zapewnienie określonych parametrów transmisji danych, w celu
osiągnięcia satysfakcji uŜytkownika.
Klasycznym dziś rozwiązaniem wielu sieci jest połączenie sieci lokalnych z siecią Internet,
wykorzystujące do komunikacji protokół IP za pośrednictwem urządzeń zwanych ruterami.
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 sieci w standardach, z których najczęściej korzystają sieci IP jest zasada „kto
pierwszy, ten lepszy”, czyli obsługa metodą FIFO (First In First Out). Zasada ta oznacza, Ŝe
pierwszeństwo do zasobów sieci 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 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. Przykładowo
pobranie filmu o objętości 700 MB za pośrednictwem łącza o pojemności 1 [Mbit/s] zajmuje
około 90 minut. Przy zastosowaniu metody FIFO pobranie takiego filmu przez jednego
z uŜytkowników w sieci z pełną prędkością łącza, oznacza więc blokadę dostępu do tego
łącza przez około 90 minut, aŜ do ukończenia jego ściągnięcia. W czasie tym Ŝaden inny
uŜytkownik nie moŜe korzystać z zasobów sieci Internet. NaleŜy przy tym zaznaczyć, Ŝe
prędkość ściągania danych zaleŜy jednak nie tylko od posiadanego łącza z siecią rozległą, ale
od aktualnej pojemności kaŜdego z poszczególnych łącz pośredniczących przy poborze
danych. Oznacza to, Ŝe prędkość ściągania danych jest taka, jaką umoŜliwia jedno z łącz
pośredniczących o najniŜszej aktualnie przepustowości.
W sieciach, w których znajduje się dość duŜa ilość uŜytkowników, przy pobieraniu przez
nich danych o nieduŜej wielkości, ale za to przy duŜej intensywności pobierania tych danych,
4
J. Karcewicz
moŜe takŜe wystąpić sytuacja wypełnienia moŜliwości dostępnej przepustowości łącza z
siecią Internet.
Zasada FIFO powoduje więc, co zostało uwidocznione na rys. 1, Ŝe im większa ilość
danych będzie przepływać przez łącze z siecią rozległą (linia a), tym moŜliwość ilości
pobrania nowych danych będzie proporcjonalnie mniejsza (linia b), aŜ do stanu, w którym
przy 100% zajętości łącza, moŜliwości pobrania nowych danych nie ma.
Rys. 1. Wpływ metody FIFO na Ŝądania poboru danych z sieci Internet
do uŜytkowników w sieci lokalnej.
Fig. 1. Influence of FIFO method on data transfer from Internet network to users in local
network.
3. Mechanizmy sterowania ruchem sieciowym w sieciach lokalnych
podłączonych do sieci rozległej.
PowyŜej przedstawione problemy spowodowały konieczność utworzenia mechanizmów
Quality of Service dla omawianego rodzaju topologii sieci. Początkowo mechanizmy te
polegały na odpowiednim filtrowaniu ruchu sieciowego, poprzez podział na ruch istotny
i nieistotny, gdzie ruch nieistotny był odrzucany, dzięki czemu uzyskiwano oszczędność
w
przepustowości
łącza.
Takie
ograniczanie
usług
powodowało
niezadowolenie
uŜytkowników, którzy zostali często pozbawieni usług, które dla administratora sieci były
nieistotne, lecz dla nich często były one istotne, z drugiej zaś strony nie eliminowało nadal
wyŜej przedstawionych problemów, jedynie je ograniczając.
Aspekty obsługi uŜytkowników w sieciach lokalnych korzystających …
5
Zdecydowanie lepszym rozwiązaniem, rozwijanym i stosowanym dotychczas, okazały się
algorytmy kolejkowania ruchu. Metody te zamiast odrzucać ruch mniej istotny, klasyfikują
ruch sieciowy w kolejki, obsługiwane według róŜnego rodzaju algorytmów.
Do dnia dzisiejszego powstała duŜa ilość algorytmów kolejkowania, w zaleŜności
od platformy operacyjnej oraz sposobu obsługi kolejek, najpopularniejszymi aktualnie z nich
algorytmami „są:
1) FIFO – „pierwszy wszedł, pierwszy wychodzi”, czyli brak obsługi kolejki (ang. First
IN First OUT),
2) SFQ – stochastyczne (ang. Stochastic Fairness Queueing) [14],
3) CBQ – na podstawie klasy (ang. Class Based Queueing) [13],
4) HTB – hierarchiczne wiadro Ŝetonów (ang. Hierarchical Tocken Bucket) [10],
5) HFSC – hierarchiczne krzywe sprawiedliwej obsługi (ang. Hierarchical Fair Service
Curve) [12],
6) WRR – algorytm waŜony karuzelowy (ang. Weighted Round Robin) [11].
Przykładem efektów zastosowania algorytmów kolejkowania moŜe być sieć komputerowa
Wydziału Organizacji i Zarządzania Politechniki Śląskiej. Standardową kolejką w ruterze
obsługującym ruch jak zostało omówione jest kolejka FIFO, łącze zaś tej sieci z siecią
rozległą posiada przepustowość 10 [Mbit/s], bez podziału na ruch przychodzący
i wychodzący. Mimo tak duŜej przepustowości, zaczęły pojawiać się sytuacje blokowania
tegoŜ łącza. Blokowanie to przejawiało się niemoŜnością dostępu do sieci Internet przez
uŜytkowników.
Rys. 2. Wykres wymiany danych z siecią Internet przed zastosowaniem metod
kolejkowania.
Fig. 2. Graph of data transfer with Internet network before applying method of packet
handling.
Na rys. 2 przedstawiony został wykres z uwidocznionym momentem takiej blokady łącza.
Na wykresie tym moŜna zauwaŜyć zieloną linię sięgającą prędkości ponad 900 [KB/s], linia
6
J. Karcewicz
ta wyznacza wielkość ruchu przychodzącego do omawianej sieci komputerowej. Prędkość
ruchu wychodzącego zaś z tej sieci wyznaczona jest linią niebieską, sięgającą na tym
wykresie w rozpatrywanym punkcie blisko 300 [KB/s]. Sumarycznie ruch wychodzący wraz
z ruchem przychodzącym sięga więc ponad 1200 [KB/s], czyli całkowicie wysyca posiadane
łącze 10 [Mbit/s]. Przy stosowanym algorytmie kolejkowania FIFO sytuacja ta skutkuje
niemoŜnością przesłania nowych danych przez uŜytkowników dopóki nie zostaną obsłuŜone
dotychczasowe Ŝądania, czyli więc niemoŜność pracy w sieci Internet w tym czasie przez
uŜytkowników tej sieci.
W celu rozwiązania tego problemu zdecydowano na zaimplementowanie w ruterze
algorytmów kolejkowania i opracowanie podziału posiadanego łącza za ich pomocą tak, aby
nie zdarzały się w przyszłości sytuacje całkowitego zablokowania dostępu do sieci Internet
dla uŜytkowników sieci. Przy pomocy algorytmu HTB [10] został podzielony ruch na
wychodzący na poziomie 3 [Mbit/s] (375 [KB/s]) oraz przychodzący na poziomie 7 [Mbit/s]
(875 [KB/s]). Dla zapobieŜenia zaś blokowania łącza zastosowano algorytm SFQ [14]
dzielący przepustowość łącza pomiędzy zainicjowane przez uŜytkowników sesje, czyli
połączenia z siecią Internet.
Efekt działania zaimplementowanych algorytmów kolejkowania moŜna zauwaŜyć na
rys. 3. Jak moŜna zauwaŜyć na wykresie ruch przychodzący (zielona linia) nie przekracza
przydzielonej wielkości 875 [KB/s], natomiast ruch wychodzący (niebieska linia) nie
przekracza przydzielonej wielkości 375 [KB/s]. Natomiast przy sumarycznym całkowitym
wysyceniu łącza do 1250 [KB/s] nie zanotowano juŜ problemów dotyczących niemoŜności
dostępu do sieci Internet przez uŜytkowników tej sieci. Zainicjowanie nowego połączenia
przez któregoś z uŜytkowników skutkowało w tym czasie jedynie zmniejszeniem prędkości
dla juŜ zainicjowanych połączeń.
Rys. 3. Wykres wymiany danych z siecią Internet po zastosowaniu metod kolejkowania.
Fig. 3. Graph of data transfer with Internet network after applying method of packet
handling.
Aspekty obsługi uŜytkowników w sieciach lokalnych korzystających …
7
4. Podsumowanie
Niniejszy artykuł nakreśla problem zapewnienia jakości usług (Quality of Service)
w sieciach lokalnych korzystających z zasobów sieci rozległej Internet. Wykazano,
Ŝe standardowe mechanizmy obsługi ruchu sieciowego między tymi dwoma rodzajami sieci
stały się dziś niewystarczające. Problem blokowania dostępu do sieci Internet powoduje
wydłuŜenie czasu dostępu do informacji i jej uzyskania w przedsiębiorstwach, co moŜe
naraŜać przedsiębiorstwo na straty finansowe. Istotne jest więc zapewnienie takich
mechanizmów, które pozwolą zapobiegać takim sytuacjom.
W celu rozwiązania problemu zaproponowano stosowanie algorytmów kolejkowania
ruchu sieciowego w ruterach pośredniczących w wymianie danych między siecią lokalną
i rozległą. Wykazane zostały w pracy efekty zastosowania takich rozwiązań wdroŜonych na
Wydziale Organizacji i Zarządzania Politechniki Śląskiej, które jak zostało nakreślone,
pozwoliły na sprawiedliwy dostęp do informacji wszystkim uŜytkownikom sieci
korzystających z zasobów sieci rozległej. Praca ta jedynie nakreśla potrzebę stosowania
mechanizmów Quality of Service w sieciach o omawianej topologii, jakkolwiek problem
sposobu podziału łącza priorytetyzujący określone usługi bądź uŜytkowników, czy załoŜoną
sprawiedliwość tego podziału staje się bardziej złoŜony i będzie kontynuowany w kolejnych
pracach.
LITERATURA
1.
Stankiewicz R., Jajszczyk A.: Sposoby zapewnienia gwarantowanej jakości usług
w sieciach IP. Przegląd Telekomunikacyjny i Wiadomości Telekomunikacyjne, Nr
2/2002.
2.
Maceluch R., Kasprzyk P., Domański A.: Dynamiczny przydział pasma uŜytkownika
sieci
z wykorzystaniem usługi QoS w systemie LINUX. ZN Pol. Śl. Studia Informatica
Vol. 24, No 2A (53), Gliwice 2003
3.
Karcewicz J., Kapczyński A., Psurek K.: Sterowanie przepływem ruchu sieciowego.
"Współczesne problemy sieci komputerowych - zastosowanie i bezpieczeństwo" - pod
red. zb.: Grzywak A., Kwiecień A., Wyd. WNT 2004
4.
Hardy W. C.: „QoS” Measurement and Evaluation of Telecomunications Quality of
Service. John Willey & Sons Ltd., England 2001.
5.
IP QoS FAQ. QoSforum.com, Wrzesień 1999.
6.
E. Brent Kelly: Quality of Service In Internet Protocol (IP) Networks. Infocomm 2002.
8
J. Karcewicz
7.
Gautam R.: Quality of Service in Data Networks: Products. http://www.cse.ohiostate.edu/~jain/cis788-99/.
8.
Quality of Service (QoS). http://www.objs.com/survey/QoS.htm.
9.
Johnson V.: Quality of Service – Glossary of Terms. QoSforum.com, Maj 1999.
10.
Devera M.: HTB. http://luxik.cdi.cz/~devik/qos/htb/.
11.
Mortensen C.: WRR. http://wipl-wrr.sourceforge.net.
12.
Eugene Ng T. S.: HFSC. http://trash.net/~kaber/hfsc/.
13.
Floyd S.: CBQ. http://www.icir.org/floyd/cbq.html.
14.
Mankin A., Ramakrishnan K.: Gateway Congestion Control Survey. RFC 1254, August
1991.
15.
Miś B.: Historia Internetu. http://www.wssmia.kei.pl/pomoce/Historiapl.pdf
Recenzent: tytuły Imię Nazwisko
Wpłynęło do Redakcji 16 września 2004 r.
Abstract
At present computer networks the most often solution is the connection of a local network
with wide network. Computer users in the network of such topology more often uses remotecontrolled applications, demands fast access to huge archive data, sends sound and motion at
real time. That all make, that besides guarantee of reaching the data packets, becomes
important such parameters as bandwidth, delay, jitter and packet loss.
The mechanisms, which can guarantee, that these parameters would fulfill assumed
conditions is calling Quality of Service.
The aim of that article is analysis of Quality of Service aspects with point of reference to
users of local network using the resources of wide network Internet.