Ваши комментарииОбратная связь
![[ICT SBRAS]](/picture/copan/ict-logo.gif){kind=logo}
[Головная страница]
[Конференции]
1. Введение
Транспортные протоколы играют важную роль в управлении трафиком как в глобальных сетях, таких как Интернет, так и в локальных и корпоративных сетях. Так, согласно [1], около 95% всех переданных байтов и 85-95% всех переданных пакетов в Интернете передаются с помощью протокола TCP (Transmission Control Protocol). Этот протокол является основным протоколом транспортного уровня в архитектуре TCP/IP. Главной задачей этого протокола является обеспечение надежной передачи данных через ненадёжную среду передачи. В данной работе исследуется поведение сетевого трафика, генерируемого протоколами TCP и ARTCP.
2. Основные определения
2.1. Транспортные протоколы TCP и ARTCP
С точки зрения архитектуры TCP/IP все узлы сети можно разделить на два класса. Первый класс составляют конечные системы, которые генерируют информационный трафик либо являются его потребителями. Например, такими системами могут быть Web- или ftp- серверы, а также компьютеры пользователей, которые запрашивают с этих серверов информацию. Второй класс составляют системы, которые являются посредниками в передаче информационного трафика. В роли таких систем чаще всего выступает различное сетевое оборудование, например, маршрутизаторы. Транспортные протоколы, такие как TCP, работают только на конечных системах. Главной задачей транспортных протоколов является обеспечение надежной и эффективной передачи информационного трафика через ненадежную среду передачи. Так, пакеты информации могут быть потеряны при передаче. Причем потеря пакета может быть либо следствием перегрузки сети, либо тем, что ненадежен канал связи, через который осуществлялась передача. Надежность обеспечивается с помощью стратегии подтверждений - получатель должен подтвердить прием данных путем передачи подтверждения отправителю. Если же сегмент был потерян, то он передается заново с помощью механизма повторной передачи. Протокол TCP обеспечивает управление потоком между конечными системами. С момента своей начальной публикации [16] протокол претерпел ряд изменений, целью большинства которых являлось улучшение механизма управления потоком (см., например, [6], [7], [8]). С одной стороны, протокол использует алгоритм управления потоком для наиболее эффективного использования сетевых ресурсов, с другой стороны, протокол использует ал-горитм скользящего окна для предотвращения перегрузки получателя данных. Реализуется это с помощью двух переменных, SNDWND и CWND, первая из которых содержит оценку свободного места в буфере получателя, а вторая содержит оценку свободной емкости сети (количество байтов данных, которое может передать сеть, не подвергаясь перегрузке). Отправитель может отправить объем данных, который равен минимуму из этих двух переменных. При установке соединения, SNDWND устанавливается равной количеству свободного места в буфере получателя, а CWND устанавливается равной одному или двум сегментам. При получении каждого нового подтверждения отправитель увеличивает значение CWND в зависимости от состояния, в котором находится алгоритм управления потоком. В состоянии быстрого старта CWND увеличивается на размер одного сегмента при получении каждого нового подтверждения. В состоянии избегания перегрузки CWND линейно увеличивается на один сегмент за время возврата (время передачи сегмента от отправителя получателю и подтверждения обратно). Исследование поведения протокола, оценка его производительности являются актуальной задачей. Так, известно, что стандартный алгоритм управления потоком TCP имеет следующие недостатки: - Потеря сегмента расценивается протоколом как наступление перегрузки сети, что в общем случае неверно, т.к. пакет с данными может быть потерян вследствие помех в канале. Это снижает эффективность работы протокола, например, на беспроводных каналах связи. - Для оценки свободных ресурсов сети стандартный алгоритм управления потоком искусственно создает состояние перегрузки сети. Задача построения более эффективного алгоритма управления потоком актуальна и на сегодняшний день. Одной из работ в этом направлении является, например, [5]. Нами предлагается алгоритм управления потоком ARTCP (Adaptive Rate TCP) [17, 18]. В отличие от стандартного алгоритма управления потоком TCP, определяющего количество информации, которое может передать сеть, алгоритм ARTCP управляет скоростью передачи информации. В работах были показаны преимущества работы алгоритма ARTCP над стандартным алгоритмом управления потоком протокола TCP. Однако, поведение в "стрессовых" условиях, при высокой загрузке каналов связи оставалось мало изученным. В нашей работе мы рассматриваем именно такой сценарий.
2.2. Моделирование сетевого трафика
Ряд работ по исследованию сетевого трафика показывают, что этот трафик более качественно моделируется с помощью статистически самоподобных процессов, чем с помощью традиционной Пуассоновской модели. В работе [3] приводится доказательство фундаментального свойства самоподобия сетевого трафика. В этой работе трафик рассматривается как комбинация источников, которые его генерируют. Каждый источник имеет следующую структуру. Некоторый период времени они могут генерировать пакеты информации (так называемые ON-периоды), при этом внутри одного периода пакеты приходят с одинаковыми интервалами между ними. После ON-периода следует OFF-период, когда источник не генерирует пакеты. Размер ON- и OFF-периодов является случайной величиной, которая, как показано в работе [2], должна иметь конечное математическое ожидание и бесконечную дисперсию. В нашей работе длительность ON- и OFF-периодов является случайной величиной, распределённой по Парето по формуле F(x)=exp(K,a).exp(x,-a), где a принадлежит интервалу (1,2). Элементами трасс самоподобного сетевого трафика являются время прихода пакета и его размер. В нашей работе мы использовали программу [15], доступную в Интернете, для генерации самоподобных трасс трафика. Для генерации трасс самоподобного трафика мы выбрали параметр a=1,4, что, согласно работе [2], соответствует реальному трафику в сетях Ethernet.
Цель работы
Наша работа посвящена моделированию и анализу транспортных протоколов с помощью раскрашенных сетей Петри. Основные принципы и обзор построенной модели протоколов были даны в работах [13, 14]. Наш подход состоит в моделировании с помощью этого формализма транспортных протоколов, а также элементов сетевой структуры с целью выполнения (симуляции) и прове-дения количественного анализа эффективности работы протоколов. Анализ различных характеристик производительности транспортных протоколов в разных режимах работы является актуальной задачей (см. напр. [9], [10], [11]). Мы выбрали в качестве средства моделирования раскрашенные сети Петри, так как этот формализм является универсальным средством для моделирования и анализа свойств различных систем. Основной подход работы состоит в создании некой тестовой сетевой инфраструктуры, на-хождения в этой инфраструктуре "узких" мест и использовании самоподобных трасс для моделирования передачи трафика по этим каналам. Кроме самоподобного трафика, в моделируемой системе могут существовать и потоки, генерируемые с помощью стандартного алгоритма TCP (и/или ARTCP). Нашей целью является сравненительный анализ различных параметров производительности этих протоколов (например, размер средних длин очередей маршрутизаторов, справедливость и эффективность распределения сетевых ресурсов).
Литература
1. K. Thompson, G.J. Miller, R. Wilder. "Wide-Area Internet Traffic Patterns and Characteristics". In IEEE Networks, November, 1997.
2. Leland W., Taqqu M., Willinger W., Wilson D. "On the self-similar nature of Ethernet traf-fic". IEEE/ACM Transactions on Networking, 2(1), pp. 1-15, February, 1994.
3. Taqqu M., Willinger W., Sherman R. "Proof of a fundamental Result in self-similar traffic modeling". Computer Communication Review, #4, 1997.
4. Floyd S., Handley M., Padhye J. "A comparison of equation-based and AIMD Congestion Control", February 2000, http://www.aciri.org/tfrc.
5. Floyd S., Handley M., Padhye J, Widmer J. "TCP Friendly Rate Control (TFRC): Protocol Specification", RFC3448, January 2003.
6. Allman M., Balakrishnan H., Floyd S. "Enhancing TCP's Loss Recovery Using Limited Transmit". RFC3042, January 2001.
7. Paxson V., Allman M. "Computing TCP's Retransmission Timer". RFC2988, November 2000.
8. Floyd S., Mahdavi J., Mathis M., Podolsky M. "An Extension to the Selective Acknowledgement (SACK) Option for TCP". RFC2883, July 2000.
9. Youngmi Joo, Ribeiro V., Feldmann A., Gilbert A., Willinger W. "TCP/IP traffic dynamics and network performance: A lesson in workload modeling, flow control, and trace-driven simu-lations", ACM Computer Communication Review, April, 2001.
10. Rosolen V., Bonaventure O., Leduc G. "A RED discard strategy for ATM networks and its performance evaluation with TCP/IP traffic", ACM Computer Commnucation Review, July, 1999.
11. Mathis M., Semke J., Mahdavi J., Ott T. "The Macroscopic behaviour of the TCP Conges-tion Control Algorithm", ACM Computer Communication Review, July, 1997.
12. Ludwig R., Katz R. "The Eifel Algorithm: Making TCP Robust Against Spurious Retrans-missions", ACM Computer Communication Review, January, 2000.
13. Dmitry Ju. Chaly, Valery A. Sokolov. "An Extensible Coloured Petri Net Model of a Transport Protocol for Packet Switched Networks". In V.Malyshkin (ed.): Proceedings of PaCT'2003. Lecture Notes in Computer Science. Springer-Verlag. 2003.
14. Соколов В.А., Тимофеев Е.А., Чалый Д.Ю. "Моделирование, оптимизация и верификация транспортных протоколов". Труды первой Всероссийской научной конференции/ Под ред. Л.Н. Королева. - М.: 2003.
15. Generator of Self-Similar Network Traffic. WWW: wwwcsif.cs.ucdavis.edu/~kramer/code/traffic_gen2.
16. Postel J. "Transmission Control Protocol". RFC793, 1980.
17. Alekseev I.V., Sokolov V.A. "Modeling and Traffic Analysis of the Adaptive Rate Trans-port Protocol". Future Generation Computer Systems, Number 6, Vol 18. NH Elsevier (2002), 813-827.
18. Alekseev I.V., Sokolov V.A. "ARTCP: Efficient Algorithm for Transport Protocol for Packet Switched Networks". In: Malyshkin, V (ed.): Proceedings of PaCT'2001. Lecture Notes in Computer Scien
| Дополнительные материалы: | PDF (253 kb) |
|
Ваши комментарии Обратная связь |
[Головная страница] [Конференции] |
© 1996-2004, Институт вычислительных технологий СО РАН, Новосибирск
© 1996-2004, Сибирское отделение Российской академии наук, Новосибирск