ZESZYTY NAUKOWE POLITECHNIKI ŚLĄSKIEJ 2004 Seria: INFORMATYKA z. 35 Nr kol. 1402 Jarosław KARCEWICZ Politechnika Śląska, Katedra Informatyki i Ekonometrii ASPEKTY OBSŁUGI UŻYTKOWNIKÓW 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 użytkowników 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. Użytkownicy komputerów w sieci o takiej topologii coraz częściej korzystają ze zdalnie uruchamianych aplikacji, żądają szybkiego dostępu do olbrzymich archiwów danych, przesyłają dźwięk i obraz w czasie rzeczywistym. To wszystko sprawia, że 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, że te parametry odpowiadać będą założonym 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 użytkowników 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 już 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 użytkowników, jak również mediów i biznesu [15]. Dziś sieć Internet stała się elementem codziennego życia wszystkich ludzi na świecie. Można zauważyć jak szybki był jej rozwój od pierwszych prób wykonanych w 1969 r. Rozwój ten jest tak szybki nadal, wciąż 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 wyższej warstwy transportowej TCP, który gwarantuje przy pomocy szeregu odpowiednio następujących po sobie potwierdzeń, że dane dotrą do wyznaczonego celu. Projektując protokół TCP/IP najważniejszym 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 już niewystarczająca, i oprócz niej zaczęto wymagać także innych kryteriów jakości. W odpowiedzi na te wymagania wprowadzony został w życie QoS (Quality of Service).
Aspekty obsługi użytkowników w sieciach lokalnych korzystających 3 Uogólniając definicje zawarte w [4, 5, 6, 7, 8, 9], Quality of Service można określić jako zbiór mechanizmów, które mają zapewnić dostarczenie przewidywalnego poziomu jakości usług sieciowych, poprzez zapewnienie określonych parametrów transmisji danych, w celu osiągnięcia satysfakcji użytkownika. 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 użytkowników, 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, że pierwszeństwo do zasobów sieci ma użytkownik, który pierwszy wyśle swoje żądanie. W okresie powstawania sieci Internet i jej początkowych rozwojów, dane przesyłane przez tą sieć były nieznacznych rozmiarów. Założenie takiej metody dostępu do sieci, pozwalało na maksymalizację czasu dostarczenia informacji. Z czasem ta sytuacja zaczęła się jednak zmieniać. Użytkownicy coraz częściej korzystają ze zdalnie uruchamianych aplikacji, żądają szybkiego dostępu do olbrzymich archiwów danych, przesyłają dźwięk i obraz w czasie rzeczywistym, co oznacza, że przesyłane dane są dużych rozmiarów. Łącze z siecią rozległą stało się więc wąskim gardłem, które ma znacznie mniejsze możliwości przesyłu informacji niż zapotrzebowanie użytkowników współdzielących to łącze. Pobranie takich danych o dużych rozmiarach przez użytkownika poprzez łącze z siecią Internet wymaga pewnej ilości czasu, a co się z tym wiąże oraz zgodnie z metodą FIFO dostępu do tego łącza, powoduje to całkowite zajęcie tego łącza aż 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 użytkowników w sieci z pełną prędkością łącza, oznacza więc blokadę dostępu do tego łącza przez około 90 minut, aż do ukończenia jego ściągnięcia. W czasie tym żaden inny użytkownik nie może korzystać z zasobów sieci Internet. Należy przy tym zaznaczyć, że prędkość ściągania danych zależy jednak nie tylko od posiadanego łącza z siecią rozległą, ale od aktualnej pojemności każdego z poszczególnych łącz pośredniczących przy poborze danych. Oznacza to, że prędkość ściągania danych jest taka, jaką umożliwia jedno z łącz pośredniczących o najniższej aktualnie przepustowości. W sieciach, w których znajduje się dość duża ilość użytkowników, przy pobieraniu przez nich danych o niedużej wielkości, ale za to przy dużej intensywności pobierania tych danych, może także wystąpić sytuacja wypełnienia możliwości dostępnej przepustowości łącza z siecią Internet.
4 J. Karcewicz Zasada FIFO powoduje więc, co zostało uwidocznione na rys. 1, że im większa ilość danych będzie przepływać przez łącze z siecią rozległą (linia a), tym możliwość ilości pobrania nowych danych będzie proporcjonalnie mniejsza (linia b), aż do stanu, w którym przy 100% zajętości łącza, możliwości pobrania nowych danych nie ma. Rys. 1. Wpływ metody FIFO na żądania poboru danych z sieci Internet do użytkowników 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. Powyżej 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 użytkowników, 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 wyżej przedstawionych problemów, jedynie je ograniczając. 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 różnego rodzaju algorytmów.
Aspekty obsługi użytkowników w sieciach lokalnych korzystających 5 Do dnia dzisiejszego powstała duża ilość algorytmów kolejkowania, w zależności 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 żetonów (ang. Hierarchical Tocken Bucket) [10], 5) HFSC hierarchiczne krzywe sprawiedliwej obsługi (ang. Hierarchical Fair Service Curve) [12], 6) WRR algorytm ważony karuzelowy (ang. Weighted Round Robin) [11]. Przykładem efektów zastosowania algorytmów kolejkowania może 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 dużej przepustowości, zaczęły pojawiać się sytuacje blokowania tegoż łącza. Blokowanie to przejawiało się niemożnością dostępu do sieci Internet przez użytkowników. 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 można zauważyć zieloną linię sięgającą prędkości ponad 900 [KB/s], linia 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
6 J. Karcewicz 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 niemożnością przesłania nowych danych przez użytkowników dopóki nie zostaną obsłużone dotychczasowe żądania, czyli więc niemożność pracy w sieci Internet w tym czasie przez użytkowników 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 użytkowników 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 zapobieżenia zaś blokowania łącza zastosowano algorytm SFQ [14] dzielący przepustowość łącza pomiędzy zainicjowane przez użytkowników sesje, czyli połączenia z siecią Internet. Efekt działania zaimplementowanych algorytmów kolejkowania można zauważyć na rys. 3. Jak można zauważyć 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 już problemów dotyczących niemożności dostępu do sieci Internet przez użytkowników tej sieci. Zainicjowanie nowego połączenia przez któregoś z użytkowników skutkowało w tym czasie jedynie zmniejszeniem prędkości dla już 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 użytkowników 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, że standardowe mechanizmy obsługi ruchu sieciowego między tymi dwoma rodzajami sieci stały się dziś niewystarczające. Problem blokowania dostępu do sieci Internet powoduje wydłużenie czasu dostępu do informacji i jej uzyskania w przedsiębiorstwach, co może narażać 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 na ruterach pośredniczących w wymianie danych między siecią lokalną i rozległą. Wykazane zostały w pracy efekty zastosowania takich rozwiązań wdrożonych na Wydziale Organizacji i Zarządzania Politechniki Śląskiej, które jak zostało nakreślone, pozwoliły na sprawiedliwy dostęp do informacji wszystkim użytkownikom 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 użytkowników, czy założoną sprawiedliwość tego podziału staje się bardziej złożony 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 użytkownika 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 of 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.