Rozdział Występowanie fluktuacji przepustowości łączy internetowych w Polsce Jarosław KARCEWICZ Politechnika Śląska, Katedra Informatyki i Ekonometrii jarkarc@woiz.polsl..pl 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 37% 1 12% Tak, kiedyś występowały takie sytuacje, po zmianie dostawcy łącza problem ustąpił Tak, zuwaŝam często 33% Tak, zauwaŝam rzadko 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? 38% 39% 19% Więcej niŝ 50% nominalnej prędkości łącza Między 30-50% nominalnej prędkości łącza Między 10-30 % nominalnej prędkości łącza 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 23% 0% 8% 65% Chyba po stronie dostawcy łącza Chyba po stronie mojej sieci lokalnej 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 1 0% Tak, miałem styczność 45% Tak, słyszałem 37% 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-O- Matic, 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. Karcewicz J., Kapczyński A., Psurek K.: Sterowanie przepływem ruchu sieciowego. Wyd. WNT: Współczesne problemy sieci komputerowych, Warszawa 2004 2. Lstat. http://lstat.sourceforge.net
Występowanie fluktuacji przepustowości łączy 7 3. Iperf. http://dast.nlanr.net/projects/iperf/. 4. Linux Kernel - http://www.kernel.org 5. Mortensen C.: WRR. http://wipl-wrr.sourceforge.net 6. Eugene Ng T. S.: HFSC. http://trash.net/~kaber/hfsc/ 7. Atanasov A.: ESFQ. http://www.ssi.bg/~alex/esfq/ 8. Iptables, Patch-O-Matic. http://www.netfilter.org/ 9. Kuzniecow A.: Iproute2. ftp://ftp.icm.edu.pl/pub/linux/iproute