На правах рукописи

Малахов Сергей Валерьевич

МЕТОДЫ И МОДЕЛИ АНАЛИЗА ПОКАЗАТЕЛЕЙ

ЭФФЕКТИВНОСТИ ТЕЛЕКОММУНИКАЦИОННОЙ

СОСТАВЛЯЮЩЕЙ ПРОГРАММНО-КОНФИГУРИРУЕМЫХ СЕТЕЙ

Специальность 05.12.13 – Системы, сети и устройства телекоммуникаций

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

Самара – 2015

2

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном

образовательном учреждении высшего образования «Поволжский

государственный университет телекоммуникаций и информатики» (ФГОБУ

ВПО ПГУТИ).

Научный руководитель: Тарасов Вениамин Николаевич

- доктор технических наук, профессор

Официальные оппоненты: Орлов Сергей Павлович доктор технических наук, профессор,

заведующий кафедрой вычислительной

техники ФГБОУ ВПО «Самарский

государственный технический университет»,

Ушаков Юрий Александрович

- кандидат технических наук, доцент

кафедры системного анализа и управления

ФГБОУ ВПО «Оренбургский

государственный университет

Ведущая организация: ФГАОУ ВО «Самарский государственный

аэрокосмический университет имени академика С.П. Королёва (национальный

исследовательский университет)», г. Самара.

Защита диссертации состоится 16 декабря 2015 г. в 14-30 часов на

заседании диссертационного совета Д219.003.02 при Поволжском

государственном университете телекоммуникаций и информатики по адресу:

443010, г. Самара, ул. Л. Толстого, д. 23.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке и на сайте ФГОБУ ВПО

ПГУТИ и на сайте http://www.psuti.ru/science/dissob/a:24/.

Автореферат разослан «___» _______ 2015 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета Д 219.003.02

доктор технических наук, профессор Тяжев А.И.

3

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Современное состояние и тенденции развития

компьютерных сетей показали, что потенциал роста производительности,

пропускной способности сетей на основе традиционных технологий

практически исчерпан. Это связано с ростом затрат времени на

маршрутизацию, с трудностями настройки сети и управления потоками в ней.

Особенно с учётом новых потребностей в качестве сервисов для

высокоскоростных глобальных сетей и сетей центров обработки данных. Также

с ростом потребностей в виртуализации сетей, т.е. отображения нескольких

логически изолированных сетей с независимыми политиками качества

обслуживания на общий набор сетевых ресурсов. Такое неудовлетворительное

состояние дел может измениться из-за двух революционных событий: первое,

появление на рынке чрезвычайно усложненного, проприетарного, сетевого

оборудования, и второе - появление принципиально нового подхода,

называемого программно-конфигурируемыми сетями (ПКС – Software Defined

Networks). Следование такому подходу позволит ускорить маршрутизацию в

сетях, повысить удобство конфигурирования, виртуализации, настройки

качества обслуживания, но требует дополнительных исследований и

разработок. В частности, в области организации сетевых коммутаторов,

программных приложений для управления сетью и платформ для их

выполнения. Влияние ПКС-подхода будет ощущаться в центрах обработки

данных (дата-центрах), корпоративных сетях, WAN, сотовых сетях, а также и в

домашних условиях. ПКС сети возникли в Беркли и Стэнфорде, а также

одобрены более пятидесяти компаний Open Network Foundation. Ведущим

центром по исследованию ПКС в РФ, который занимается интернет-

технологиями и компьютерными сетями является Центр прикладных

исследований компьютерных сетей (ЦПИКС).

В основе ПКС сетей лежит представление о компьютерной сети, как сети,

имеющей «плоскость данных», которая отвечает за пересылку пакетов на

основе состояния в каждом коммутаторе, и «плоскости управления», которая

отвечает за вычисление, «планирование» и управление пересылкой. Для

реализации этой идеи был разработан открытый протокол OpenFlow для

управления сетевым оборудованием, не ориентированный на продукты какого-

то отдельного поставщика. С помощью этого протокола специалисты сами

могут определять и контролировать: кто с кем, при каких условиях и с каким

качеством может взаимодействовать в сети. Все маршрутизаторы и

коммутаторы объединяются под управлением Сетевой Операционной Системы

(СОС), которая обеспечивает приложениям доступ к управлению сетью, и

которая постоянно отслеживает конфигурацию средств сети. Результаты

разработки и исследования современных СОС отражены в работах A. Tavakoli,

M. Casado, T. Koponen, S. Shenker, K.-C. Wang, J. Luo, J. Ong.

На общем уровне ПКС включает в себя только одну распределенную

систему, «сетевую операционную систему», которая формирует данные о

состоянии всех ресурсов сети и обеспечивает доступ к ним для приложений

4

управления сетью. Эти приложения управления могут быть логически

централизованными, работающими на едином графовом представлении сети.

Чтобы избежать зависимости от конкретного сетевого оборудования, ПКС

использует общие абстракции для пересылки пакетов, которые сетевая

операционная система использует для управления сетевыми коммутаторами.

Предварительный анализ предметной области показал, что несмотря на

наличие промышленного производства оборудования и программных средств

для ПКС, а также большого количества научно-исследовательских проектов:

- технологию ПКС на текущий момент нельзя признать зрелой, рынок

только развивается, прогнозируется его резкий рост к 2015-2016 годам;

- программные средства в исследовательских проектах не доведены до

достаточного уровня «отлаженности», некоторые пока находятся на стадии

«альфа-версии»;

- в данной области многие экспериментальные разработки

распространяются с открытым исходным кодом, с возможностью

использования и доработки третьими сторонами без нарушения прав;

- коммерческие программные и аппаратные средства способны

взаимодействовать по открытым стандартам из данной предметной области.

Все выше перечисленное, как с новой возможностью для российских

разработчиков обеспечить технологическую независимость в области сетевых

технологий, так и войти в новый рынок, обосновывает актуальность работы. В

настоящее время проведено мало исследований в области оценки

производительности сети поэтому данная работа посвящена оценке показателей

эффективности телекоммуникационной составляющей ПКС, для чего

предложены новые подходы.

Результаты исследования соответствуют следующим пунктам паспорта

научной специальности 05.12.13 – Системы, сети и устройства

телекоммуникаций:

пункту 3 - Разработка эффективных путей развития и совершенствования

архитектуры сетей и систем телекоммуникаций и входящих в них устройств;

пункту 4 - Исследование путей совершенствования управления

информационными потоками;

пункту 11 - Разработка научно-технических основ технологии создания

сетей, систем и устройств телекоммуникаций и обеспечения их эффективного

функционирования;

пункту 12 - Разработка методов эффективного использования сетей,

систем и устройств телекоммуникаций в различных отраслях народного

хозяйства.

Объектом исследования является телекоммуникационная составляющая

программно-конфигурируемых сетей, включающая каналы связи, контроллер

ПКС и сетевое оборудование.

Предмет исследований в диссертационной работе - показатели

эффективности программно-конфигурируемых сетей.

Целью работы является разработка методов и моделей для анализа и

оценки показателей эффективности программно-конфигурируемых сетей.

5

Для достижения поставленной цели в работе решены следующие задачи:

1. Анализ предметной области.

2. Проектирование ряда экспериментальных образцов (ЭО) с

использованием сетевой технологии OpenFlow и исследование на них процесса

взаимодействия сетевых приложений и производительности контроллера ПКС

в физической и виртуальной среде.

3. Построение алгоритмов восстановления числовых характеристик

интервала между пакетами потоков в сегментах ПКС.

4. Разработка математического аппарата системы массового обслуживания

H2/M/1 и его применение к расчету показателей эффективности каналов

сегмента ПКС.

5. Исследование вносимой протоколом OpenFlow дополнительной

задержки в сети.

6. Разработка программного обеспечения и дополнительных макросов для

обработки экспериментальных данных, а именно исследуемого трафика на

физическом оборудовании так и в виртуализированной ПКС.

Методы исследования. В работе для решения поставленных задач

использован аппарат теории вероятностей и математической статистики,

теории вычислительных систем в части сетей массового обслуживания,

алгоритмы проектирования экспериментальных образцов ПКС, программная

реализация разработанных алгоритмов и их экспериментальное исследование.

Достоверность результатов. Достоверность результатов подтверждается

экспериментальными исследованиями и применением адекватной теории

массового обслуживания для описания трафика.

Научная новизна результатов диссертации заключается в том, что

впервые:

1. Разработан алгоритм проектирования экспериментальных образцов

ПКС с использованием открытого протокола OpenFlow для проведения

исследований показателей производительности сети на основе сбора статистик.

2. Предложены алгоритмы, позволяющие восстанавливать моментные

характеристики случайной величины – интервала между пакетами потоков как

в физическом, так и в виртуализированном сегментах ЭО ПКС для

дальнейшего использования моделей массового обслуживания.

3. Предложена математическая модель системы массового

обслуживания Н2/М/1 с гиперэкспоненциальным распределением 2-го порядка

интервалов поступления трафика в сегментах ПКС для оценки задержки

пакетов и других показателей эффективности функционирования ПКС.

4. Выполнен анализ влияния на производительность ПКС протокола

OpenFlow и получены оценки задержки пакетов в сегментах сети как с

использованием протокола OpenFlow, так и без него.

5. Предложен подход виртуализации сетевых функций в ЭО ПКС,

заключающийся в виртуализации классов сетевых узлов для проведения

экспериментов.

Личный вклад автора. Основные научные результаты теоретических и

экспериментальных исследований, выводы, изложенные в диссертации,

6

получены автором самостоятельно. В работах, опубликованных в соавторстве,

соискателю принадлежит часть, связанная с постановкой задач, разработкой

алгоритмов, программной реализацией и проведением экспериментальных

исследований.

Внедрение результатов диссертационной работы. Результаты

диссертационной работы внедрены в Центре информационных технологий

Оренбургского государственного университета и в Поволжском

государственном университете телекоммуникаций и информатики, что

подтверждено соответствующими актами внедрения.

Практическая ценность и реализация результатов работы.

Результаты работы частично вошли в отчеты НИР по гранту Минобрнауки

РФ на тему «Анализ и разработка методов и алгоритмов управления сетевыми

ресурсами в распределенных вычислительных центрах обработки данных на

основе программно-конфигурируемых компьютерных сетей» шифр «2012-1.4-

07-514-0021» выполненную совместно с Оренбургским государственным

университетом.

Полученные результаты могут быть также использованы проектными,

научно-исследовательскими и эксплуатационными сетевыми организациями

для создания управляемых корпоративных программно-конфигурируемых

сетей.

Апробация работы. Основное содержание и результаты работы

докладывались и обсуждались на:

- XIII международная научно техническая конференция, проблемы техники

и технологий телекоммуникаций, 2012г., г. Уфа;

- XX Российская научная конференция профессорско-преподавательского

состава, научных сотрудников и аспирантов, 2013г., ПГУТИ, г. Самара;

- Вторая международная научно-техническая конференция

"Вычислительный Интеллект-2013" (ComInt-2013), г. Черкасы, Украина;

- 9-й международный коллоквиум молодых ученых в области программной

инженерии SYRCoSE 2015, ПГУТИ, г. Самара;

- Международная конференция и молодежная школа «Информационные

технологии и нанотехнологии» (ИТНТ), 2015г., СГАУ, г. Самара.

Публикации. По результатам проведенных исследований опубликовано 9

работ, в том числе 4 статьи в журналах из перечня, рекомендованного ВАК РФ

для публикации результатов диссертационных работ, 1 статья на конференции,

4 тезиса докладов на конференциях.

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Предложенный алгоритм проектирования экспериментальных

образцов для проведения исследования показателей производительности ПКС.

2. Алгоритмы восстановления моментных характеристик случайной

величины – интервала времени между пакетами потоков как в физическом, так

и в виртуализированном сегментах ЭО ПКС, позволяют их использовать в

модели массового обслуживания Н2/М/1.

3. Математическая модель массового обслуживания Н2/М/1 с

обратной связью и с гиперэкспоненциальным распределением 2-го порядка

7

интервалов поступления пакетов, позволяет оценить задержки пакетов и другие

показатели эффективности ПКС.

4. Результаты анализа влияния на производительность ПКС протокола

OpenFlow и полученные оценки для задержки пакетов в сегментах сети как с

использованием протокола OpenFlow, так и без него могут быть использованы

при организации университетских сетей на основе ПКС.

5. Предложенный подход к виртуализации сетевых функций в ЭО

ПКС, заключающийся в виртуализации классов сетевых узлов, позволяет его

использовать для проведения экспериментов без дорогостоящего оборудования.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех

глав, заключения и списка литературы. Работа изложена на 144 страницах

машинного текста, содержащих 55 рисунка и 4 таблицы. Список

использованных источников насчитывает 84 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосновывается актуальность темы исследования,

сформулированы ее цели и задачи, научная новизна и аргументирована

практическая ценность полученных результатов. Показаны основные проблемы

и трудности проектирования современных коммуникационных сетей.

Приводятся перечень научных результатов и положений, выносимые на

защиту.

В первой главе приведен аналитический обзор в области программно-

конфигурируемых сетей.

Основная задача ПКС состоит в том, чтобы, не изменяя традиционного

сетевого оборудования (коммутаторами и маршрутизаторами) перехватить и

отделить управление над ними за счет разработки специального программного

обеспечения. Такое ПО сможет работать на обычном компьютере и

контролироваться администратором сети. Для реализации этой задачи был

разработан открытый протокол OpenFlow, позволяющий управлять

маршрутизацией и коммутацией в сети, в независимости от производителя

сетевого оборудования. Протокол позволяет специалистам определять и

контролировать: кто с кем, при каких условиях и с каким качеством может

взаимодействовать в сети. Все коммутаторы и маршрутизаторы должны

объединятся под управлением Сетевой Операционной Системы (СОС), которая

сможет обеспечивать приложениям доступ к управлению сети и постоянно

отслеживать конфигурацию средств.

Описана таблица коммутации активного оборудования ПКС и способы

формирования таблиц потоков OpenFlow. Протокол Openflow использует

таблицы поиска в современных Ethernet коммутаторах и маршрутизаторах. Эти

таблицы потока, выполненные в строчной развертке, которые реализуют

брандмауэры, NAT, QoS или в сборах статистических данных, варьирующиеся

между различными поставщиками. Openflow идентифицирует общие наборы

функций, которые поддерживаются большинством коммутаторов и

маршрутизаторов. Для всех сетевых устройств независимо от их спецификации

можно использовать идентификацию как единый набор функции, и

8

стандартный способ управлять таблицами потока. Openflow поддерживает

стандартный способ управления таблицами потока, основанный на разделении

потока сетевого трафика. Таким образом, сетевой трафик может быть

преобразован во всевозможные потоки, которые могут быть сгруппированы и

изолированы.

Во второй главе рассматриваются методы и средства управления

сетевыми ресурсами, потоками данных, коммутаторами OpenFlow на примере

спроектированных экспериментальных образцах ПКС.

Средства управления сетями представляют собой системы,

осуществляющие наблюдение, контроль и управление каждым элементом сети

— от простейших до самых сложных устройств, при этом такая система

рассматривает сеть как единое целое, а не как разрозненный набор отдельных

устройств.

Управляемость сети подразумевает возможность централизованно

контролировать состояние основных элементов сети, выявлять и решать

проблемы, возникающие при работе сети, выполнять анализ

производительности и планировать развитие сети. Хорошая система

управления наблюдает за сетью и, обнаружив проблему, активизирует

определенное действие, исправляет ситуацию и уведомляет администратора о

том, что произошло и какие шаги предприняты.

Разработан алгоритм проектирования ЭО ПКС, а именно для оценки

показателей эффективности сегмента ПКС (рис. 1), контроллера ПКС (рис. 2) и

для оценки производительности вычислительного кластера в ПКС (рис. 3 -4).

По разработанным алгоритмам были спроектированы ЭО, на которых

осуществлены эксперименты.

Алгоритм проектирования ЭО включает следующие этапы: выбор

оптимального оборудования с требуемыми техническими характеристиками;

настройка сети и программного обеспечения на исследование требуемых

показателей эффективности; применение алгоритмов сбора статистик и

обработка экспериментальных данных с помощью разработанных средств. Все

эксперименты проводились на основе этого разработанного алгоритма

проектирования.

Произведена оценка показателей эффективности сегмента ЭО ПКС.

Ставилась задача измерения задержки пакетов и потерь, как при отсутствии

записи в таблице OpenFlow коммутатора, так и при участии в обработке

OpenFlow контроллера NOX. Контроллер NOX доступен на сетевом

интерфейсе eth0, а интерфейсы eth1 и eth2 выполняют задачи клиентских

машин (рис. 1). Каналы связи с пропускной способностью в 1Гб/с, а размер

передаваемых пакетов составляет 1500 байт. Такая сетевая структура позволяет

добиться наименьшей задержки, так как в ней отсутствуют лишние

промежуточные звенья (которые вносят свои задержки).

9

Произведено исследование

показателей эффективности

контроллера. Ниже представлен

экспериментальный образец сети с

пропускной способностью каналов

1Гб/с. (рис. 2), когда Cisco 1921

распределяет нагрузку на

контроллеры и когда с сервера

Cbench генерируется свой поток для

каждого котроллера NOX-1, NOX-2,

NOX-3 и NOX-4. Программное

обеспечение Cbench измеряет

различные параметры производительности, связанные с временем установки

потока. Cbench эмулирует настраиваемое количество OpenFlow коммутаторов,

так что все они подключаются к одному OpenFlow контроллеру. Сервер Cbench

поддерживает два режима работы: режим задержки и режим пропускной

способности.

Рисунок 2 - Экспериментальная схема

сети ПКС

В режиме задержки каждый

коммутатор поддерживает ровно

один эмулируемый новый запрос

потока, ожидая ответа перед

следующим запросом. В режиме

задержки измеряется время

обработки запроса OpenFlow

контроллером при низкой нагрузке.

В режиме пропускной

способности каждый коммутатор

отправляет большое количество

запросов до тех пор, пока позволяет

буферизация. Таким образом, режим

пропускной способности позволяет

измерить максимальную скорость

настройки потока, которую может поддерживать контроллер. Эксперимент

показал, что именно сетевые задержки являются в данном случае основным

источником падения производительности телекоммуникационной

составляющей ПКС.

При отсутствии коммутатора, вносящего существенную задержку в

режиме трансляции пакетов, повышение производительности достигает 50%.

Это означает, что канал связи между коммутатором и контроллером ПКС

должен обладать наибольшей высокой скоростью и иметь минимальное

количество активного оборудования. Эксперимент по распараллеливанию

потоков обработки данных внутри одного сервера показал, что невозможно

достигнуть существенного повышения производительности только

увеличением вычислительной мощности, а оптимальное количество потоков

приложения на один сервер равно двум. Таким образом, целесообразнее

Рисунок 1 -

Экспериментальный

образец сети

10

использовать один или два выделенных сервера со специальным программным

обеспечением, выполняющим распределение нагрузки.

Третья глава. В третьей главе представлены разработанные методы и

модели массового обслуживания для анализа показателей эффективности

телекоммуникационной составляющей сегмента. Для этого рассмотрена СМО

Н2/М/1, где Н2 – обозначение гиперэкспоненциального распределения 2-го

порядка времени поступления требований в систему с функцией плотности

ttepepta 21

21 1

, (1)

а M – обозначение экспоненциального закона обслуживания с функцией

плотности

tetb . (2)

Преобразование Лапласа функции (1) имеет вид:

2

2

1

1

λ

λ1

λ

λ*

sp

spsA , а функции (2): -

ssB* .

Далее решением интегрального уравнения Линдли относительно функции

распределения времени ожидания методом спектрального разложения найдено

преобразование Лапласа функции плотности времени ожидания в виде

следующего выражения

1

1*ss

sssW

, где

24

21

22

1

cc

cs ,

21211 1 ppc , 212c определенные функции параметров

распределений (1) и (2). Окончательно среднее время ожидания требований в

системе Н2/М/1:

/1/1 1sW . (3)

Среднее время ожидания является основной компонентой задержки

пакетов. Остальные характеристики системы являются производными от

времени ожидания. Учитывая тот факт, что распределение (1) является

трехпараметрическим, оно позволяет аппроксимировать произвольные

распределения с тяжелым хвостом на уровне трех первых моментов. Поэтому

для практического использования системы Н2/М/1 использованы три первых

начальных момента распределения (1):

21λ

λ

1

λτ

pp ,

22

21

2λ

λ

12

λ

2τ

pp ,

32

31

3λ

λ

16

λ

6τ

pp . Подставив в эти выражения для начальных моментов их

экспериментальные значения, можем определить неизвестные параметры

входного распределения (1) 1 , 2 и p для аппроксимации произвольных

входных распределений. Далее с использованием результатов для СМО Н2/М/1,

определяем время ожидания и другие характеристики системы.

Для практического применения теории системы Н2/М/1 разработано

программное обеспечение, позволяющее обрабатывать файлы логов и

определить числовые характеристики интервала между пакетами потоков в

ПКС до 3-го момента включительно. Также разработаны микропрограммы как

11

дополнение к MS Excel, помогающие автоматизировать процесс расчета

параметров.

Выполнен эксперимент с поддержкой протокола OpenFlow и без него, для

оценки влияния протокола на производительность сети. На Server 1

установлена система OpenNebula, а на сервера Node виртуальные

вычислительные узлы кластера. Среда передачи данных с пропускной

способностью 1Гб/с (рис. 3). В качестве OpenFlow контроллера (сетевой

операционной системы) установлен Floodlight Open SDN Controller с

приложениями по умолчанию.

На серверах Node, будет развернут виртуальный вычислительный кластер,

состоящий из 16-ти вычислительных узлов Slave и одного Master, с помощью

OpenNebula. Server 2 предназначен для захвата трафика с помощью tcpdump,

подключенный к зеркалированному порту коммутатора.

Трафик генерируется с помощью утилиты iperf, установленной на узлах

кластера, а длина пакета составляет 1500 байт (рис. 4). Весь трафик в сети

зеркалируется на порт коммутатора, и захватывается tcpdump на сервере Server

2. С использованием известных формул математической статистики,

определяются моментные характеристики временных интервалов (табл. 1).

Рисунок 3 - Физический сегмент сети

Рисунок 4 - Направление потока

данных

В работе использованы статистики до 3-го порядка, которые позволяют

судить о характере распределения интервалов. Например, коэффициент

вариации показывает отличие трафика от пуассоновского потока и совместно с

асимметрией позволяет судить о степени весомости хвостов распределений

интервалов между пакетами.

Среднее значение интервала между соседними пакетами равно

N

k

kk ttN 0

1

1τ , (4)

где kt – моменты времени поступления пакетов; N – количество анализируемых

интервалов.

Выборочная дисперсия равна 22 τ tDв , где 2t - второй начальный

момент

N

k

kk ttN

t0

2

1

2 1. (5)

Коэффициент вариации τ/σвc , где вв Dσ .

12

Асимметрия находится по формуле 3323 )/σ23-( вs ttA , где 3t - третий

начальный момент

N

k

kk ttN

t0

3

1

3 1 (6)

Определенные с помощью приведенных формул данные экспериментов

свидетельствуют о том, что анализируемый трафик сильно отличается от

пуассоновского, т.к. коэффициент вариации c>1, а значение асимметрии As>2.

Это говорит о том, что распределение интервалов между пакетами трафика

относится к распределениям с тяжелыми хвостами и поэтому применение

математического аппарата модели Н2/М/1 допустимо (см.табл.1). Таблица 1 Моменты интервала

№ τ с As

1 5,2x10-5

15,14 71,88

2 5,2x10-5

15,44 75,91

3 5,3x10-5

20,4 90,17

4 5,2x10-5

15,79 75,18

5 5,3x10-5

20,33 108,22

6 5x10-5

13,84 67,23

7 5,2x10-5

14,28 64,3

8 5,3x10-5

16,44 79,21

9 5,3x10-5

12,41 56,49

10 6,4x10-5

16,67 56,49

Ниже, в таблице 2 приведены

результаты расчетов по задержкам

пакетов в сети на основе СМО

H2/M/1 для сегмента ПКС,

показанного на рис. 3. Здесь

приведены результаты для сегмента

с поддержкой протокола OpenFlow и

без для каждого из 10-ти тестов. Там

же приведены для сравнения

результаты для системы M/M/1. Таблица 2 Задержки в сети (сек.)

№

H2/M/1 M/M/1

без

OpenFlow

с

OpenFlow

без

OpenFlow

1 0,0052 0,016 3,07х10-6

2 0,0056 0,009 3,09 х10-6

3 0,0086 0,012 3,02 х10-6

4 0,0046 0,009 3,17 х10-6

5 0,0056 0,011 3,02х10-6

6 0,097 0,006 2,96 х10-6

7 0,0044 0,0088 3,04 х10-6

8 0,0062 0,0134 2,97 х10-6

9 0,0036 0,0116 2,97 х10-6

10 0,006 0,0136 2,34 х10-6

Данные получены при средней нагрузке 16% и 21% (в случае с OpenFlow и

без) на канале 1 Гб/с. Средняя задержка для эксперимента с поддержкой

протокола OpenFlow 0,011 с, а без протокола 0,0058 с согласно СМО Н2/М/1 с

обратной связью. Следовательно, задержка в первом случае больше при

меньшей нагрузке, что связано с работой контроллера ПКС. С учетом

соотношения длин пакетов обратных запросов (64 байта) и основных пакетов

(1500 байт), обратные запросы увеличивают нагрузку на каналы примерно на

4%.

Согласно СМО M/M/1 средняя задержка с поддержкой протокола 2,97х10-6

с, а без 2,065х10-6

с. Естественно ожидать, что при увеличении нагрузки

задержки будут расти.

Четвертая глава посвящена анализу существующих подходов к

виртуализации вычислительных узлов кластера и способам коммутаций

трафика между виртуальными машинами. Приведены средства виртуализации в

ПКС. Дано пояснение к понятию виртуализации сетевых функций (NFV). В

работе использован спроектированный экспериментальный образец сети ПКС

13

для виртуализации сетевых функций демаркационного устройства на примере

FlowVisor и Open vSwitch, принципы работы которого описаны ниже.

Существует два подхода к коммутации трафика виртуальных машин.

Первый, когда каждый физический интерфейс коммутатора не привязывается к

логическому интерфейсу для передачи данных, а создают мостовое соединение

интерфейса виртуальной машины и логического интерфейса физического

коммутатора. Второй подход используется в программных системах без

привязки к оборудованию и представляет собой виртуальный коммутатор,

позволяющий коммутировать на уровне программного обеспечения (ядра

операционной системы).

Виртуализация сетевых функций позволяет программно создавать такие

сервисы, которые сейчас доступны только в виде аппаратных решений. NFV

позволяет устанавливать сервисы там, тогда и в том количестве, которое

востребовано сейчас и в данном месте. Преимущества NFV:

• позволяет гибко и динамично предоставлять новые услуги, сократив при

этом капитальные и операционные затраты;

• замена оборудования на стандартизованные серверы и сетевые

компоненты не привязывает операторов к поставщикам оборудования;

• снижает операционные издержки за счет упрощения мониторинга и

администрирования операций (все сетевые функции переносятся в единую

виртуализированную инфраструктуру);

• быстрое подключение новых пользователей к сети;

• окупает инфраструктуру телекоммуникационных компаний.

Когда провайдер услуг создает соединение с новым местом есть несколько

устройств, которые должны быть обязательно установлены в сети, это, в

первую очередь, управляемый маршрутизатор и демаркационное устройство

Carrier Ethernet, которые имеют решающее значение, поскольку разделяют сеть

клиента и сеть оператора. Помимо этого, к ним добавляется оборудование,

которое должно быть установлено для контроля и управления соединениями и

трафиком.

Рассмотрим демаркационное устройство, оно позволяет оператору

расширить территориальный охват услуг оптоволоконного доступа и

обеспечивают управление разнообразными услугами вплоть до площадки

пользователя. С помощью этих устройств оператор может разделять трафик

различных пользователей и предоставлять им такие услуги, как объединение

ЛВС, доступ в Интернет и построение виртуальных частных сетей (VPN).

Виртуализация сетевых функций с использованием технологии ПКС

позволяет разбивать трафик сети на различные классы (потоки) и

реализовывать свою логику управления для каждого потока, тем самым

заменить демаркационное устройство. Данный подход открывает широкие

возможности для виртуализации сетей, в том числе, для реализации различных

механизмов управления для каждой логической сети.

В качестве примера использования ПКС для разделения уровня

управления в виртуальных сетях можно привести средство FlowVisor.

FlowVisor выделяет заданные множества потоков в отдельные срезы сети

14

(slices), каждый из которых имеет свое логическое представление и логику

управления. Таким образом, срез сети определяется множеством потоков,

передаваемых в данном срезе, и логическим представлением топологии сети

(коммутаторы, порты коммутаторов, соединения). С точки зрения архитектуры

ПКС, FlowVisor является прозрачным прокси-сервером между коммутаторами

и контроллером ПКС. К одному FlowVisor может быть подключено несколько

контроллеров, реализующих различную логику управления, каждый из которых

управляет своим срезом сети. FlowVisor определяет, какие множества потоков

относятся к той или иной сети и, следовательно, могут управляться

соответствующим контроллером, предоставляет каждому контроллеру

собственное видение топологии сети и обеспечивает разделение сетевых

ресурсов. С точки зрения каждого контроллера, он монопольно управляет всей

сетью и ничего не знает о существовании других срезов.

FlowVisor предоставляет возможность однозначно ассоциировать

некоторый класс трафика (т. е. некоторое множество потоков) с одним или

несколькими срезами. В качестве класса трафика может выступать, например,

весь трафик между определенными конечными узлами или весь http-трафик.

К дополнению FlowVisor можно

отнести средство Open vSwitch

(программный многоуровневый

коммутатор), которое: позволяет

вести учёт трафика, в том числе

проходящего между виртуальными

машинами с использованием SPAN,

RSPAN, sFlow и Netflow;

поддерживает VLAN (IEEE 802.1q);

поддерживает привязку к

конкретным физическим

интерфейсам и балансировку

нагрузки по исходящим mac-

адресам; работает на уровне ядра,

поддержка существующих

возможностей Linux по работе в

качестве моста; поддерживает

протокол Openflow для управления

логикой коммутации.

Физический сервер

Физический сервер

FlowVisor

СОС-2СОС-1

Open vSwitch

100 Мб/с

Рисунок 5 – Экспериментальный

образец для виртуализации сетевых

функций На рисунке 5 представлен экспериментальный образец сети, который

позволяет виртуализировать большинство основных функций демаркационного

устройства.

В заключении сформулированы основные результаты работы.

1. Проведены аналитический обзор в области программно-

конфигурируемых сетей, а именно дано сравнение ПКС с традиционными КС,

описаны сетевые операционные системы NOX и Floodlight, описан протокол

OpenFlow и таблицы коммутации потоков.

2. Сформулирован алгоритм проектирования экспериментальных образцов

ПКС для проведения исследований по показателям ее производительности, а

именно выбор оптимального оборудования с требуемыми техническими

15

характеристиками; настройка сети и программного обеспечения для

исследования требуемых показателей эффективности; применение алгоритмов

сбора статистик и обработка экспериментальных данных с помощью

разработанных средств. По ним разработано два экспериментальных образца

для проведения исследований. Первый ЭО служит для измерения задержки

обработки пакетов и потерь в ПКС. Второй ЭО служит для исследования

показателей эффективности контроллера.

3. Разработано дополнительное приложение к анализатору трафика

WireShark, позволяющие рассчитывать моментные характеристики и написаны

микропрограммы для обработки лог-файлов представленные в формате Excel. С

помощью алгоритмов, позволяющих восстанавливать моменты интервала

между пакетами, получены их значения как в физическом, так и в

виртуализированном сегментах ЭО ПКС для дальнейшего использования

моделей массового обслуживания. Полученные результаты свидетельствуют о

сильном отличие потоков от пуассоновского (коэффициент вариации

интервалов между пакетами больше 10).

4. Разработан ЭО, на котором применена предложенная математическая

модель массового обслуживания Н2/М/1 с обратной связью и с

гиперэкспоненциальным распределением 2-го порядка интервалов поступления

пакетов для оценки задержки пакетов и других показателей эффективности

ПКС.

5. Показаны результаты анализа влияния на производительность ПКС

протокола OpenFlow и получены оценки для задержки пакетов в сегментах сети

как с использованием протокола OpenFlow, так и без него. Средняя задержка в

эксперименте с применением протокола OpenFlow 11 мс при нагрузке на канал

в 16%, а без него 6 мс при нагрузке на канал 21%. Эти результаты могут быть

использованы в качестве рекомендаций при проектировании университетских

сетей на основе ПКС.

6. Предложенный подход к виртуализации сетевых функций в ЭО ПКС,

заключающийся в виртуализации классов сетевых узлов может быть

использован для проведения экспериментов без дорогостоящего оборудования.

ОПУБЛИКОВАННЫЕ РАБОТЫ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

Статьи в изданиях, рекомендованных ВАК РФ 1. Малахов, С.В. Экспериментальные исследования

производительности сегмента программно-конфигурируемой сети / В.Н.

Тарасов, С.В. Малахов // Интеллект. Инновации. Инвестиции. – 2013. -№2. -С.

81-85.

2. Малахов, С.В. Исследование производительности контроллера в

программно-конфигурируемых сетях / В.Н. Тарасов, С.В Малахов // Системы

управления и информационные технологии. – 2013. -№3 (53). -С. 64-67.

3. Малахов, С.В. Анализ и расчет входящего трафика на уровне трех

моментов распределений / В.Н. Тарасов, Н.Ф. Бахарева, Г.А. Горелов, С.В.

Малахов // Информационные технологии. – 2014. -№9. -С. 54-59.

16

4. Малахов, С.В. Statistical data handling program of Wireshark analyzer

and incoming traffic research / В.Н. Тарасов, С.В. Малахов // труды Института

системного программирования РАН. – 2015. –Т. 27. -№3. –С. 303-314.

Публикации в других изданиях

1. Малахов, С.В. Сетевая операционная система NOX / С.В. Малахов,

В.Н. Тарасов // Материалы XIII международный НТК, проблемы техники и

технологий телекоммуникаций. г. Уфа. – 2012. –С. 62-63.

2. Малахов, С.В. Поддержка протокола OpenFlow на ОС Linux Ubuntu

/ С.В. Малахов, В.Н. Тарасов // Материалы XX Российской научной

конференции профессорско-преподавательского состава, научных сотрудников

и аспирантов. ПГУТИ. г. Самара. -2013. -С. 216-217.

3. Малахов, С.В. Использование виртуальной машины в качестве

контроллера для программно-конфигурируемой сети / С.В. Малахов // Сборник

материалов второй международной научно-технической конференции

"Вычислительный Интеллект-2013" (результаты, проблемы, перспективы)

(ComInt-2013). г. Черкассы. Украина. – 2013. –С. 387-388.

4. Малахов, С.В. Анализ производительности программно-

конфигурируемых сетей в системах обработки и хранения данных / В.Н.

Тарасов, С.В. Малахов // Материалы международной конференции и

молодежной школы "Информационные технологии и нанотехнологии". СГАУ.

г. Самара. -2015. -С. 517-520.

5. Малахов, С.В. OpenNebula В SDN сетях для построения IaaS

сервисов / С.В. Малахов, Т.В. Исаков // Материалы международной

конференции и молодежной школы "Информационные технологии и

нанотехнологии". СГАУ. г. Самара. -2015. -С. 512-516.

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования

“Поволжский государственный университет телекоммуникаций и информатики”

443010, г. Самара, ул. Льва Толстого 23

_____________________________________________________________

Подписано в печать 09.10.15 г. Формат 60 х 84/16

Бумага офсетная №1. Гарнитура Таймс.

Заказ ХХХХ. Печать оперативная. Усл. печ. л. 0,91. Тираж 100 экз.

_____________________________________________________________

Отпечатано в издательстве учебной и научной литературы

Поволжского государственного университета

телекоммуникаций и информатики

443090, г. Самара, Московское шоссе 77, т. (846) 228-00-44