Моделирование методов буферизации в коммутаторах с поддержкой QoS
Исследование алгоритмов буферизации и разработки их моделей, позволяющих оценить вероятностно-временные характеристики передачи разнородного трафика. Тензорный анализ исследования сложных сетевых структур, представляющих модель вычислительной системы.
Рубрика | Программирование, компьютеры и кибернетика |
Вид | диссертация |
Язык | русский |
Дата добавления | 22.02.2019 |
Размер файла | 3,4 M |
Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже
Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.
Размещено на http://www.allbest.ru/
Министерство образования и науки РФ
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования
"Пензенский государственный университет"
По направлению 09.04.01 "Информатика и вычислительная техника"
Диссертация
на соискание степени магистра техники и технологии на тему:
Моделирование методов буферизации в коммутаторах с поддержкой QoS
Автор работы Грязнов Е.А.
Руководитель работы профессор Н.Н. Коннов
Нормоконтроль к.т.н., доцент А.В. Кучин
Заведующий кафедрой профессор Д.В. Пащенко
Пенза 2017
Реферат
Пояснительная записка содержит 65 листов, 43 рисунка, 26 источников, 14 таблиц.
Ключевые слова: КОММУТАТОР ETHERNET, КАЧЕСТВО ОБСЛУЖИВАНИЯ, АЛГОРИТМЫ ОБСЛУЖИВАНИЯ ОЧЕРЕДЕЙ, БУФЕРИЗАЦИЯ, ДЖИТТЕР.
Магистерская диссертация посвящена моделированию методов буферизации в коммутаторах с поддержкой QoS.
Объектом исследования являются коммутаторы с поддержкой QoS.
Предметом исследования является методы буферизации данных в коммутаторах с поддержкой QoS.
Цель данной работы состоит в исследовании алгоритмов буферизации и разработке их моделей, позволяющих оценить вероятностно-временные характеристики передачи разнородного трафика.
В результате проделанной работы были разработаны модели модифицированных версий алгоритмов обработки очередей.
Научная новизна состоит в разработке нового способа синтеза сетевых моделей, который позволил использовать метод тензорного анализа для исследования сложных сетевых структур, представляющих модель вычислительной системы. буферизация трафик сетевой
В работе проведено моделирование алгоритмов WRR, DRR и DTSS управления очередями с последующим анализом распределения трафика с приоритетом, с использованием аппарата иерархических, цветных, временных сетей Петри.
Созданы, промоделированы и проанализированы модифицированные версии алгоритмов управления очередями. Произведено сравнение промоделированных алгоритмов по распределению трафика с приоритетом и джиттеру.
Содержание
Введение
Глава 1. Обзор технологии Quality of Service (QoS)
1.1 Сервисные модели QoS
1.2 Обзор механизмов, реализующих качество обслуживания
1.3 Способы диспетчеризации
Глава 2. Моделирование алгоритмов управления очередями
2.1 Модели
2.2 Модифицированные версии алгоритмов
Глава 3. Моделирование и анализ алгоритмов
3.1 Результаты моделирования
3.2 Сравнительный анализ результатов моделирования
Выводы
Список использованных источников
Введение
В настоящее время телекоммуникационные технологии используются повсеместно. Разнообразные коммутационные устройства применяются для создания информационных связей и в локальных масштабах, например, в пределах одного здания, так и в глобальных, в том числе для сети Интернет.
В настоящее время в подобных устройствах реализованы различные алгоритмы передачи данных, в том числе для данных с разным приоритетом. Для таких данных необходимы алгоритмы, основанные на Quality of Service (QoS) - наборе методов для управления ресурсами пакетных сетей.
В работе представлены стандартные и модифицированные версии алгоритмов Deficite Round Robin (DRR), Weighted Round Robin (WRR) и Distributed TDMA SlotScheduling (DTSS). Вышеуказанные алгоритмы предназначены для устранения перегрузок линии передачи между трафиками с различным приоритетом
Задачей магистерской диссертации является разработка моделей алгоритмов управления очередями и анализ показателей качества обслуживания трафика, передаваемого с использованием данных алгоритмов, а также разработка модифицированных версий данных алгоритмов.
Целью магистерской диссертации исследование алгоритмов и разработка их моделей для анализа передачи трафика с использованием данных алгоритмов.
Для достижения поставленной цели следует выполнить следующие задачи:
1) анализ технологии Quality of Service;
2) анализ используемых алгоритмов управления очередями;
3) разработка имитационной модели алгоритмов на основе сетей Петри в системе CPNTools;
4) исследование на имитационной модели эффективности работы алгоритмов.
Научная новизна магистерской диссертации заключается:
1) в анализе характеристик качества обслуживания при использовании различных алгоритмов и их модифицированных версий;
2) в разработке моделей модифицированных алгоритмов управления очередями;
3) в анализе работы алгоритмов управления очередями, влияющих на качество обслуживания трафика.
Полученные результаты анализа и разработанные модели алгоритмов управления очередями позволят проводить оценку показателей качества обслуживания всех видов передаваемого трафика.
Глава 1. Обзор технологии Quality of Service (QoS)
Существует большое количество определений термина Quality of Service. Одно из них: "Quality of Service - способность сети обеспечить необходимый сервис заданному трафику в определенных технологических рамках".
При разработке протоколов TCP/IP одной из основных целей являлось обеспечение надежной передачи трафика с помощью TCP. Для медленных линий передачи в IP-маршрутизаторы со временем были встроены многие механизмы QoS, например, механизмы приоритетных и взвешенных очередей, профилирования трафика и обратной связи. Однако данные механизмы изначально использовались бессистемно.
В 90-е годы появились первые стандарты Quality of Service для IP-сетей, на основе которых уже создавалась системы поддержки параметров QoS в больших сетях.
В результате были разработаны две системы стандартов QoS для IP-сетей:
- система интегрированного обслуживания (Integrated Services, IntServ). Она была ориентирована на предоставление гарантий QoS для потоков конечных пользователей;
- система дифференцированного обслуживания (Differentiated Services, DiffServ). Данная система предназначена для выполнения аналогичных задач, но для классов трафика.
Обе системы состоят из всех базовых элементов схемы поддержания параметров QoS, к которым относятся:
- кондиционирование трафика;
- сигнализация, обеспечивающая координацию маршрутизаторов;
- резервирование пропускной способности интерфейсов маршрутизато-ров для потоков и классов;
- приоритетные и взвешенные очереди.
Тем не менее использование этих технологий не решает проблемы инжиниринга трафика. Это связано с тем, что пакеты направляются вдоль пути с наилучшей метрикой, выбираемому стандартным протоколом маршрутизации без учета реальной загрузки каналов передачи данных.
Необходимый сервис описывается многими параметрами, самыми важными являются следующие:
Bandwidth (BW) - полоса пропускания, описывает номинальную пропускную способность среды передачи информации, определяет ширину канала. Измеряется в bit/s (bps), kbit/s (kbps), mbit/s (mbps).
Delay - задержка при передаче пакета.
Jitter - колебание (вариация) задержки при передаче пакетов.
PacketLoss - потери пакетов. Определяет количество пакетов, отбрасываемых сетью во время передачи.
Время передачи пакета через канал Transmit time [s] = packet size [bytes] / bw [bytes/s].
1.1 Сервисные модели QoS
Best Effort Service.
Так называемая негарантированная доставка. Абсолютное отсутствие механизмов QoS. Используются все доступные ресурсы сети без какого-либо выделения отдельных классов трафика и регулирования. Считается, что лучшим механизмом обеспечения QoS является увеличение пропускной способности. Но при этом существуют некоторые виды трафика (например, голосовой), которые очень чувствительны к задержкам пакетов и вариации скорости их прохождения. Модель BestEffortService даже при наличии больших резервов допускает возникновение перегрузок в случае резких всплесков трафика, что негативно влияет на передаваемую информацию. Поэтому были разработаны и другие подходы к обеспечению QoS.
Integrated Service (IntServ).
Integrated Service - модель интегрированного обслуживания. Может обеспечить сквозное (End-to-End) качество обслуживания, гарантируя необходимую пропускную способность. IntServ использует для своих целей протокол сигнализации RSVP. Позволяет приложениям выражать сквозные требования к ресурсам и содержит механизмы обеспечения данных требований. IntServ можно кратко охарактеризовать как резервирование ресурсов (Resource reservation).
IntServ было первым направлением, в котором было предложено систематическое решение проблемы обеспечения параметров QoS в сетях TCP/IP. Соответствующее решение включает в себя интегрированное взаимодействие маршрутизаторов сети по обеспечению требуемого качества обслуживания вдоль всего пути микропотока между конечными компьютерами.
Ресурсы маршрутизаторов (пропускная способность интерфейсов, размеры буферов) распределяются в соответствии с QoS-запросами приложений в пределах, разрешенных политикой QoS для данной сети. Эти запросы распространяются по сети с помощью протокола резервирования ресурсов (Resource reSerVation Protocol, RSVP), позволяющего резервировать ресурсы для потоков данных.
Тем не менее у IntServ существуют и отрицательные стороны. При интегрированном обслуживании магистральные ISP-маршрутизаторы должны обрабатывать информацию о состоянии очень большого количества проходящих через ISP-сети микропотоков, исчисляющихся тысячами. При таком уровне нагрузки на маршрутизаторы требуется полная переделка архитектуры последних, что приводит к повышению стоимости использования IP-сетей и предоставляемых ими услуг.
Differentiated Service (DiffServ).
Также была создана другая технология QoS в IP-сетях, отличающаяся сниженной стоимостью реализации, получившая название дифференцированного обслуживания (DiffServ).
Differentiated Service - модель дифференцированного обслуживания. Определяет обеспечение QoS на основе четко определенных компонентов, комбинируемых с целью предоставления требуемых услуг. Архитектура DiffServ предполагает наличие классификаторов и формирователей трафика на границе сети, а также поддержку функции распределения ресурсов в ядре сети в целях обеспечения требуемой политики пошагового обслуживания (Per-HopBehavior - PHB) и разделяет трафик на классы, вводя несколько уровней QoS. DiffServ состоит из следующих функциональных блоков: граничные формирователи трафика (классификация пакетов, маркировка, управление интенсивностью) и реализаторы PHB политики (распределение ресурсов, политика отбрасывания пакетов). DiffServ можно кратко охарактеризовать как приоритезацию трафика (Prioritization).
Изначально данная технология ориентирована на применение в пределах ISP-сетей. Для DiffServ поддержка параметров QoS начинается на пограничном маршрутизаторе ISP-сети, принимающем множество микропотоков из пользовательских сетей. Каждый пограничный маршрутизатор классифицирует и маркирует входящий трафик, разделяя его на некоторое количество классов. Обычно используются три-четыре класса, максимально допустимо использование восьми. После этого каждый маршрутизатор сети обслуживает классы трафика согласно маркировке, выделяя каждому классу определенное количество ресурсов. Резервирование ресурсов маршрутизаторов обычно задаётся вручную, статически. Роль сигнального протокола отведена метка принадлежности пакетов к тому или иному классу. Ответственность за согласованное обслуживание трафика всеми маршрутизаторами сети лежит на администраторе сети, так как пропускная способность и величина буфера, выделяемых каждому классу на каждом интерфейсе каждого маршрутизатора, также задаётся вручную.
Применение технологии DiffServ снижает нагрузку на маршрутизаторы ISP-сети. Это связано с тем, что требуется хранить информацию о состоянии только небольшого количества классов. Эта модель также включает в себя возможность поддерживать параметры QoS автономно, только в пределах своих сетей.
Но и у данной технологии есть минусы. Один из них - отказ от гарантии сквозной поддержки параметров QoS. Так как каждая сеть будет дифференцированно обслуживаться своим администратором, в целом общая работа не будет согласована либо будет согласована бессистемно, без поддержки какими-то ни было протоколами.
1.2 Обзор механизмов, реализующих качество обслуживания
Существуют следующие механизмы обеспечения заданного качества сервиса в сетях передачи данных:
- маркирование трафика;
- классификация трафика;
- обслуживание очередей;
- управление очередями;
- управления полосой пропускания.
В сетевом оборудовании одновременно используются все механизмы для обеспечения заданного уровня QoS. Исключение представляют из себя только механизмы управления полосой и маркирования, в связи с тем, что данные механизмы работают на границах сети и могут быть представлены в маршрутизаторах.
В зависимости от типа трафика необходимо комбинировать различные механизмы для обеспечения наилучшей производительности телекоммуникационного оборудования. В связи с этим любой показатель характеризующий производительность, зависит от используемых механизмов.
Маркирование
Принцип работы механизма маркирования представляет из себя следующее:
Граничные маршрутизаторы сети, поддерживающей качество сервиса, классифицируют входной трафик согласно правилам, а также выполняют нормализацию и профилирование трафика, что представляет из себя следующие шаги
- измерение параметров трафика;
- проверка соответствия заданным в SLA с отсеиванием пакетов, не подходящих под заданные правила;
- маркировка трафика;
- передача трафика транзитным устройствам для дальнейшего продвижения по сети.
В результате приложениям одного типа соответствует одинаковый приоритет, и пакеты, соответствующие их трафику, будут обрабатываться одинаково. Для маркировки пакетов используется поле типа сервиса. Базируясь на значении поля типа сервиса, транзитный коммутатор помещает пакет в очередь, соответствующую заданному приоритету.
Достоинства механизма маркирования:
- единое понимание того, как должен обрабатываться трафик определенного класса;
- разделение всего трафика на относительно небольшое число классов для упрощения анализа информационных потоков;
- отсутствие необходимости в организации предварительного соединения и в резервировании ресурсов;
- использование небольшого, фиксированного количество классов;
- распределение трафика абонентов по общим очередям, из-за чего снижены требования к производительности сетевого оборудования.
Данный механизм предлагает базовый уровень, обеспечивающий поддержку качества обслуживания, является гибким механизмом для разработчиков активного сетевого оборудования. Однако при использовании данной архитектуры возникают определенные сложности.
Каждый поставщик сетевых услуг обеспечивает качество сервиса в своей "зоне ответственности", однако нет гарантии, что поддержка окажется сквозной.
Приоритизация пакетов
Для обеспечения QoS на канальном уровне модели OSI в коммутаторах применяется стандарт IEEE 802.1р. Стандарт IEEE 802.1р позволяет задать до 8 уровней приоритетов (от 0 до 7, где 7 - наивысший), определяющих способ обработки кадра, используя 3 бита поля приоритета тега IEEE 802.1Q.
Рисунок 1.1 - Формат кадра с битами приоритета.
Для обеспечения QoS на сетевом уровне модели OSI в заголовке пакета протокола IPv4 предусмотрено 8-битное поле ToS (Type ofService). Этот байт может быть заполнен, в зависимости от решаемой задачи, либо значением приоритета IP Precedence, либо значением DSCP (Differentiated ServicesCode Point).
Поле IP Precedence имеет размерность 3 бита и может принимать значения от 0 до 7. Данное поле используется для указания уровня относительного приоритета при обработке пакета на сетевом уровне.
Рисунок 1.2 - Байт ToS.
Поле DSCP было стандартизировано IETF с появлением модели DiffServ. Оно занимает 6 старших бит байта ToS, изображённого на рисунке 1.2, и позволяют задать до 64 уровней приоритетов (от 0 до 63).
Классификация трафика
Классификация трафика представляет собой отдельную задачу по разбиению трафика на приоритетные классы на основании следующих признаков: адреса назначения, адреса источника, идентификатора приложения, генерирующего этот трафик, любых других комбинаций признаков, которые содержатся в заголовках пакетов. Правила классификации являются частью политики администрирования сети.
Функции классификации трафика могут размещаться в каждом коммуникационном устройстве. Другой вариант - размещение функций классификации трафика в одном или нескольких устройствах, расположенных на границе сети (например во входных маршрутизаторах сети поставщика услуг или в коммутаторах корпоративных сетей, к которым подключаются компьютеры пользователей). Для такого варианта необходимо специальное поле в пакете, в котором можно запомнить присвоенное значение приоритета, чтобы им могли воспользоваться прочие сетевые устройства, обрабатывающие трафик после классифицирующего устройства. Такое поле имеется в заголовке многих протоколов (в Ethernet кадре это поле QoS, а в IP пакете сетевого уровня это поте ToS.). При отсутствии специального поля приоритета разрабатывается дополнительный протокол, который вводит новый заголовок с таким полем.
Приоритеты могут назначаться не только коммутатором или маршрутизатором, но и приложением на узле-отправителе. Необходимо также учитывать, что каждое сетевое устройство может не согласиться с приоритетом, назначенным данному пакету в другой точке сети, если в сети отсутствует центральная политика назначения приоритетов. При таком варианте соответствующее устройство перепишет значение приоритета согласно локальной политике, принятой на данном устройстве.
В сетевом устройстве, поддерживающем обслуживание очередей, имеется несколько очередей (буферов), по одной для каждого приоритетного класса. Пакет, поступивший при перегрузке устройства, помещается в очередь, соответствующую его приоритетному классу.
Диспетчеризация очередей
Механизмы обслуживания очередей при наличии нескольких очередей отвечают за формирование выходного трафика.
Существует несколько основных механизмов обслуживания очередей, эффективное применение которых обусловлено характером входного трафика. Используются следующие механизмы обслуживания очередей:
- приоритетный (SPQ);
- циклический (RR);
- взвешенные справедливый (WFQ).
Рисунок 1.4 - Разновидности механизмов обслуживания очередей.
В случае использования приоритетного механизма обслуживания каждой очереди присваивается значение приоритета. Сначала обслуживается очередь с наибольшим приоритетом, затем с меньшим и так до тех пор, пока не будут обслужены все очереди. При этом приоритетная очередь блокирует выходной порт телекоммуникационного оборудования для всех, кроме себя. Использование данного механизма предпочтительно при передаче трафика реального времени.
Рисунок 1.4 - Взвешенное циклическое обслуживание очередей
На рисунке 1.1. изображена схема циклического обслуживания. Циклическое обслуживание очередей гарантирует обслуживание каждой очереди в определенном объеме. Объем зависит от полосы, выделенной для передачи трафика определенного класса.
Взвешенное справедливое обслуживание нужно для обеспечения равномерного распределения полосы пропускания между всеми очередями. Отличием данного механизма от циклического обслуживания очередей является то, что взвешенное справедливое обслуживание не зависит от распределения полосы пропускания, в связи с чем без применения механизмов управления полосой пропускания все очереди передают равное количество трафика.
Производительность телекоммуникационной аппаратуры зависит именно от выбора механизма обслуживания очередей. Это связано с тем, что выбор механизма обслуживания очередей, несоответствующего типу входного трафика, приводит к увеличению джиттера задержки траффика, что снижает производительность всей системы.
Управление очередью
Механизмы управления очередью отвечают за выполнение следующих действий:
- выбор пакета из очереди для обработки;
- выбор пакета для удаления из очереди при переполнении последней.
Использование управления очередями взаимосвязано с обслуживанием очередей, вследствие чего механизмы управления очередями часто рассматривают как подмножество механизмов обслуживания очередей. В связи с тем, что обслуживание очередей определяет порядок обслуживания нескольких очередей, а управление очередью связано с работой одной очереди, определение механизмов управления очередями как части механизмов обслуживания очередей не является правильным. При одном и том же входном трафике разные комбинации различных алгоритмов этих двух механизмов дают различный результат.
Управление полосой пропускания.
Данные механизмы требуются для резервирования определенной доли сетевых ресурсов, необходимой информационному потоку обмена данными. Наличие управления полосой пропускания наиболее критично при передаче трафика реального времени.
Появление данных механизмов связано с необходимостью передаче трафика, генерируемого приложениями реального времени. Соответствующим приложениям реального времени в сетях с коммутацией пакетов нужен свой механизм обеспечения качества передачи. В такой структуре сети обработка пакетов, чувствительных к задержке, должна отличаться от обработки пакетов данных, не требующих срочной обработки, что должно фиксироваться узлами сети.
1.3 Способы диспетчеризации
Дефицитное циклическое обслуживание очередей (DRR).
В алгоритме DRR каждая очередь характеризуется связанным с ней значением - средним числом байт, задаваемых на каждом цикле - и счетчиком дефицита, начальное значение которого устанавливается равным указанному значению. Каждая очередь, содержащая в себе пакеты, обрабатывается по круговому принципу. Сумма размеров обслуживаемых за один цикл пакетов не превышает указанное значение очереди. Обработка пакетов очереди производится до тех пор, пока значение счетчика дефицита остается больше нуля. После выхода каждого пакета из очереди значение счетчика дефицита уменьшается на размер пакета в байтах. Когда значение счетчика дефицита достигает нуля, планировщик переходит к обработке следующей очереди. В каждом цикле значение счетчика дефицита увеличивается на величину, равную квантовому значению.
Для увеличения эффективности алгоритма дефицитного циклического обслуживания очередей значение должно равняться размеру пакета максимального объема в байтах. Это гарантирует обслуживание по крайней мере одного пакета из каждой очереди.
Взвешенное циклическое обслуживание очередей (WRR)
Алгоритм WRR разработан предоставления всем классам трафика определенного минимума пропускной способности, а также для установки определённых требований к задержкам. Вес данного класса - это процент предоставляемой классу трафика пропускной способности от полной пропускной способности выходного интерфейса.
Трафик делится на несколько классов, для каждого класса заводится отдельная очередь.
Алгоритм TSS
В Ethernet коммутаторах с поддержкой QoS для обслуживания очередей применяются циклические алгоритмы, обеспечивающие приоритизацию трафика и выделение гарантированной полосы его отдельным классам: взвешенное циклическое обслуживание (WRR) и дефицитное циклическое обслуживание (DRR).
Работа алгоритма TSS:
? кадр, направляемый в соответствующую его классу QoS очередь, снабжается атрибутом времени постановки в очередь;
? после окончания обслуживания очереди, диспетчер коммутатора анализирует атрибуты кадров в начале очередей и выбирает очередь с его наименьшим значением (кадром, пришедшим раньше прочих) для дальнейшего обслуживания;
? из анализа очередей исключается последняя обслуженная очередь, если только остальные очереди не пустые;
? для регулирования полосы пропускания каждого класса трафика используется стандартные методы взвешивания (WTSS) или дефицита (DTSS).
Анализ оценки эффективности и вероятностно-временных характеристик алгоритма обслуживания очередей с временной селекцией кадров в коммутаторах Ethernet с поддержкой QoS необходим для практической реализации системы.
Глава 2. Моделирование алгоритмов управления очередями
Для удобства проектирования и анализа работы модели сети, в настоящей работе реализуется подход к построению сети Петри, аналогичный известному в вычислительной технике принципу разделения цифрового устройства на операционные и управляющие блоки, взаимодействующие посредством управляющих и осведомительных сигналов.
Для создания моделей в данной работе применяются сети Петри. Среда - CPNTools, инструмент для реализации цветных сетей Петри.
2.1 Модели
В работе моделируются три различных алгоритма управления очередями - DRR, WRR и DTSS.
Общий алгоритм работы моделей.
При поступлении пакета в модель, этот пакет попадает в позицию "Buffer in", являющуюся входом. После этого происходит распределение пакета по очередям в зависимости от его приоритета. Когда освобождается выходной порт и, соответственно, поступает маркер в позицию "OutPortFree", запускается механизм сканирования очередей "scan", в котором определяется, какая очередь будет следующей передавать пакет. В позицию "start selection", привязанную к соответствующей очереди, помещается маркер, который инициирует считывание кадра из очереди. Из очереди пакет передается в подсеть "bend" в которой определяется объем использования выделенной для данной очереди полосы передачи. После этого происходит передача кадра.
DRR.
Deficite Round Robin - один из рассматриваемых алгоритмов. Он представляет из себя алгоритм с частичной буферизацией. В данном алгоритме реализовано распределение трафика по очередям с приоритетом. На рисунке 2.1 изображена схема буфера очередей данного алгоритма.
Рисунок 2.1. - схема буфера очередей алгоритма DRR.
В процессе работы модели производится проверка доступности выходного канала. На рисунке 2.2 изображён блок проверки доступности выходного канала данного алгоритма. В том случае, если через канал не передаётся трафик с более высоким приоритетом, чем приоритет очереди, на него поступают кадры из этой очереди.
Рисунок 2.2 - блок проверки доступности выходного канала алгоритма DRR.
Пакеты продолжают поступать до тех пор, пока не будет заполнен дефицит - определённый заданный размер передаваемой информации, установленный для того, чтобы была возможна передача трафика из всех очередей в случае высокой загрузки более приоритетной. В том случае, если размер пакета не превышает размер дефицита, пакет передаётся, а дефицит уменьшается на размер пакета. В том случае, если размер пакета больше дефицита, происходит переход к следующей очереди.
Рисунок 2.3 - очередь алгоритма DRR.
Загрузка буфера проверяется по размеру пакетов, размещённых в буфере. На рисунке 2.3 изображена очередь алгоритма DRR с соответствующим механизмом. В том случае, если буфер пуст и выходной канал не занят более приоритетным трафиком, передача пакета на выходной канал производится без использования буфера.
Если буфер полон и нет возможности поместить пакет в буфер, пакет отбрасывается (потеря пакета).
WRR
Второй рассматриваемый алгоритм - Weighted Round Robin. Он основывается на т.н. "взвешенном" циклическом распределении трафика, при котором предоставление выходного канала очередям зависит от количества кадров. На рисунке 2.4 изображена схема буфера очередей алгоритма.
Рисунок 2.4 - схема буфера очередей алгоритма WRR.
В процессе работы, как и в DRR, производится проверка доступности выходного канала. На рисунке 2.5 изображён блок проверки доступности выходного канала. Доступность выходного канала для очередей также задаётся циклически.
Рисунок 2.5 - блок проверки доступности выходного канала алгоритма WRR.
В отличие от DRR, загруженность буфера проверяется с учётом не объёма, а количества пакетов. В том случае, если буфер пуст, происходит передача выходного канала следующей очереди.
Рисунок 2.6 - очередь алгоритма WRR.
Загрузка буфера проверяется по количеству пакетов, размещённых в буфере. В том случае, если буфер пуст и выходной канал не занят более приоритетным трафиком, передача пакета на выходной канал производится без использования буфера. На рисунке 2.6 изображена очередь алгоритма WRR.
Если буфер полон и нет возможности поместить пакет в буфер, пакет отбрасывается (потеря пакета).
2.1.3 DTSS
Третий рассматриваемый алгоритм - Deficit Time Distributed TDMA Slot Scheduling. В алгоритме DTSS реализовано распределение времени работы выходного канала по времени и по дефициту с целью распределить нагрузку более равномерно, чем в предыдущих алгоритмах. На рисунке 2.7 изображена схема буфера очередей данного алгоритма.
Рисунок 2.7 - схема буфера очередей алгоритма DTSS.
В процессе работы, как и в DRR, производится проверка доступности выходного канала. На рисунке 2.8 изображён блок проверки доступности выходного канала. Доступность выходного канала для очередей также задаётся циклически.
Рисунок 2.8 - блок проверки доступности выходного канала алгоритма DTSS.
Рисунок 2.9 - очередь алгоритма DTSS.
На рисунке 2.9 отображена очередь алгоритма DTSS. При передаче выходного канала определённой очереди сбрасываются дефицит и таймер. При поступлении пакета в очередь происходит увеличение счётчика размера буфера. При передаче пакета происходит уменьшение дефицита; сразу после завершения передачи пакета уменьшается таймер. В том случае, если дефицит меньше размера следующего пакета либо если таймер достиг нуля, происходит передача выходного канала следующей очереди.
2.2 Модифицированные версии алгоритмов
После моделирования существующих версий алгоритмов были разработаны модифицированные версии алгоритмов DRR и WRR с полной буферизацией трафика.
Модифицированный WRR.
В качестве модификации используется альтернативное отслеживание пакетов. На рисунке 2.10 изображена схема модифицированного алгоритма. На рисунке 2.11 представлен блок проверки доступности выходного канала модифицированного алгоритма WRR. На рисунке 2.12 - очередь модифицированного алгоритма WRR.
Рисунок 2.10 - схема буфера очередей модифицированного алгоритма WRR.
Рисунок 2.11 - блок проверки доступности выходного канала модифицированного алгоритма WRR.
Также был изменён блок проверки доступности выходного канала.
Рисунок 2.12 - очередь модифицированного алгоритма WRR.
В модифицированной модели алгоритма WRR изменён механизм проверки занятости канала. В нём производится более точное отслеживание времени начала и завершения передачи пакета путём добавления датчика занятости очереди. Когда в очередь приходит пакет, датчик сообщает об этом распределителю нагрузки. При передаче кадра датчик обнуляется.
Модифицированный DTSS.
В модифицированной версии алгоритма DTSS реализовано альтернативное распределение времени работы выходного канала по времени и по дефициту с целью распределить нагрузку более равномерно, чем в предыдущих алгоритмах. На рисунке 2.13 изображена схема буфера очередей данного алгоритма.
Рисунок 2.13 - схема буфера очередей модифицированного алгоритма DTSS.
В процессе работы, как и в DRR, производится проверка доступности выходного канала. На рисунке 2.14 изображён блок проверки доступности выходного канала. Доступность выходного канала для очередей также задаётся циклически.
Рисунок 2.14 - блок проверки доступности выходного канала модифицированного алгоритма DTSS.
Рисунок 2.15 - очередь модифицированного алгоритма DTSS.
На рисунке 2.15 отображена очередь модифицированного алгоритма DTSS. При передаче выходного канала определённой очереди сбрасываются дефицит и таймер. При поступлении пакета в очередь происходит увеличение счётчика размера буфера. При передаче пакета происходит уменьшение дефицита; сразу после завершения передачи пакета уменьшается таймер. В том случае, если дефицит меньше размера следующего пакета либо если таймер достиг нуля, происходит передача выходного канала следующей очереди.
Глава 3. Моделирование и анализ алгоритмов
Была проведена симуляция работы алгоритмов с двумя видами трафика: согласованным (с равномерной нагрузкой на очереди) и несогласованным (с увеличенной нагрузкой на более приоритетный трафик).
Моделирование было проведено с использованием системы CPNTools.
Через модель посылаются токены-пакеты с содержимым вида a`(b,c,d,e,f, g,h), где:
a - количество пересылаемых пакетов;
b - номер пакета;
с - адрес источника;
d - адрес назначения;
e - приоритет пакета;
f - размер пакета;
g - время прихода пакета
h - поле времени пребывания пакета внутри модели.
В ходе моделирования пересылается два вида трафика - согласованный и несогласованный.
Общая схема модели представлена на рисунке 3.1.
Рисунок 3.1 - общая схема моделей.
Трафик считывается в блоке SetTrafGenerator, изображенном на рисунке 3.2.
Рисунок 3.2 - блок считывания трафика.
Затем пакеты трафика попадают в блок Classifier, в котором происходит распределение по очередям в зависимости от приоритета трафика. Блок Classifier изображён на рисунке 3.3.
Рисунок 3.3 - блок распределения трафика по очередям.
После прохождения очереди и разрешения на передачу трафик выходит из модели через блок OutPort. Данный блок изображён на рисунке 3.4.
Рисунок 3.4 - блок выхода трафика.
3.1 Результаты моделирования
Для алгоритма DRR:
Таблица 3.1
Delay |
QoS(0-1) |
QoS(2-3) |
QoS(4-5) |
QoS(6-7) |
|
Среднее |
38519,79976 |
23460,58383 |
18953,63377 |
18972,26617 |
|
Стандартная ошибка |
1858,683412 |
977,5025345 |
666,9684861 |
635,5379545 |
|
Медиана |
18983 |
12882 |
13663 |
15409,5 |
|
Мода |
0 |
0 |
0 |
0 |
|
Стандартное отклонение |
54157,58227 |
28347,5735 |
19342,0861 |
18020,61118 |
|
Дисперсия выборки |
2933043717 |
803584923,4 |
374116294,6 |
324742427,3 |
|
Эксцесс |
12,6585426 |
3,558772247 |
1,779151818 |
0,766454328 |
|
Асимметричность |
2,906301851 |
1,813893131 |
1,317427534 |
1,024488994 |
|
Интервал |
446705 |
166584 |
107521 |
89353 |
|
Минимум |
0 |
0 |
0 |
0 |
|
Максимум |
446705 |
166584 |
107521 |
89353 |
|
Сумма |
32703310 |
19730351 |
15940006 |
15253702 |
|
Счет |
849 |
841 |
841 |
804 |
В таблице 3.1 приводится распределение несогласованного трафика алгоритма DRR. Графические результаты представлены на рисунке 3.5 в виде среднеквадратичных отклонений задержек и на рисунке 3.6 в виде гистограммы распределения задержек.
Рисунок 3.5 - среднеквадратичные отклонения задержек несогласованного трафика при использовании алгоритма DRR.
Рисунок. 3.6 - гистограмма распределения задержек несогласованного трафика модицифированного алгоритма DRR.
Таблица 3.2
Delay |
QoS(0-1) |
QoS(2-3) |
QoS(4-5) |
QoS(6-7) |
|
Среднее |
28997,87537 |
29119,12407 |
22478,27833 |
23291,22525 |
|
Стандартная ошибка |
2147,470066 |
1531,148813 |
754,399639 |
691,4046059 |
|
Медиана |
14666 |
14282 |
15303,5 |
15888 |
|
Мода |
0 |
0 |
0 |
0 |
|
Стандартное отклонение |
39422,31006 |
39603,21658 |
23927,67285 |
25148,50602 |
|
Дисперсия выборки |
1554118530 |
1568414763 |
572533528,2 |
632447355,3 |
|
Эксцесс |
9,782132288 |
6,707817609 |
3,014299009 |
3,355333686 |
|
Асимметричность |
2,642230387 |
2,394388921 |
1,510032897 |
1,633804382 |
|
Интервал |
274113 |
235586 |
160710 |
157244 |
|
Минимум |
0 |
0 |
0 |
0 |
|
Максимум |
274113 |
235586 |
160710 |
157244 |
|
Сумма |
9772284 |
19480694 |
22613148 |
30814291 |
|
Счет |
337 |
669 |
1006 |
1323 |
В таблице 3.2 приводится распределение согласованного трафика алгоритма DRR. Графические результаты представлены на рисунке 3.7 в виде среднеквадратичных отклонений задержек и на рисунке 3.8 в виде гистограммы распределения задержек.
Рисунок 3.7 - среднеквадратичные отклонения задержек согласованного трафика при использовании алгоритма DRR.
Рисунок. 3.8 - гистограмма распределения задержек согласованного трафика модицифированного алгоритма DRR.
Для алгоритма WRR:
Таблица 3.3
Delay |
QoS(0-1) |
QoS(2-3) |
QoS(4-5) |
QoS(6-7) |
|
Среднее |
42137,03416 |
20823,63734 |
18287,3698 |
18305,60945 |
|
Стандартная ошибка |
2005,320584 |
817,0806232 |
648,3613557 |
619,6723264 |
|
Медиана |
22784 |
12160 |
12730 |
14216 |
|
Мода |
0 |
0 |
0 |
0 |
|
Стандартное отклонение |
58430,2382 |
23695,33807 |
18802,47932 |
17570,74298 |
|
Дисперсия выборки |
3414092736 |
561469046,4 |
353533228,4 |
308731008,8 |
|
Эксцесс |
13,01202338 |
3,360174314 |
2,627710256 |
0,991913352 |
|
Асимметричность |
2,944406579 |
1,65175775 |
1,404161835 |
1,052956699 |
|
Интервал |
446705 |
150085 |
123292 |
94169 |
|
Минимум |
0 |
0 |
0 |
0 |
|
Максимум |
446705 |
150085 |
123292 |
94169 |
|
Сумма |
35774342 |
17512679 |
15379678 |
14717710 |
|
Счет |
849 |
841 |
841 |
804 |
В таблице 3.3 приводится распределение несогласованного трафика алгоритма WRR. Графические результаты представлены на рисунке 3.9 в виде среднеквадратичных отклонений задержек и на рисунке 3.10 в виде гистограммы распределения задержек.
Рисунок 3.9 - среднеквадратичные отклонения задержек несогласованного трафика при использовании алгоритма WRR.
Рисунок. 3.10 - гистограмма распределения задержек несогласованного трафика модицифированного алгоритма WRR.
Таблица 3.4
Delay |
QoS(0-1) |
QoS(2-3) |
QoS(4-5) |
QoS(6-7) |
|
Среднее |
26710,76261 |
27295,29148 |
21601,76493 |
25475,44898 |
|
Стандартная ошибка |
1558,798316 |
1437,767716 |
830,9833763 |
739,0781803 |
|
Медиана |
15472 |
13534 |
14151,5 |
18746 |
|
Мода |
512 |
0 |
0 |
0 |
|
Стандартное отклонение |
28615,73322 |
37187,91132 |
23562,44535 |
26882,54014 |
|
Дисперсия выборки |
818860187,7 |
1382940748 |
555188830,8 |
722670964,3 |
|
Эксцесс |
8,44212715 |
8,319793447 |
2,644503908 |
3,164363913 |
|
Асимметричность |
2,373746971 |
2,526265702 |
1,486671823 |
1,572493712 |
|
Интервал |
200763 |
257699 |
146872 |
158886 |
|
Минимум |
512 |
0 |
0 |
0 |
|
Максимум |
201275 |
257699 |
146872 |
158886 |
|
Сумма |
9001527 |
18260550 |
17367819 |
33704019 |
|
Счет |
337 |
669 |
804 |
1323 |
В таблице 3.4 приводится распределение согласованного трафика алгоритма WRR. Графические результаты представлены на рисунке 3.11 в виде среднеквадратичных отклонений задержек и на рисунке 3.12 в виде гистограммы распределения задержек.
Рисунок 3.11 - среднеквадратичные отклонения задержек согласованного трафика при использовании алгоритма WRR.
Рисунок. 3.12 - гистограмма распределения задержек согласованного трафика модицифированного алгоритма WRR.
Для алгоритма DTSS:
Таблица 3.5
Delay |
QoS(0-1) |
QoS(2-3) |
QoS(4-5) |
QoS(6-7) |
|
Среднее |
27696,6384 |
24431,95125 |
23908,61118 |
23551,28109 |
|
Стандартная ошибка |
1095,443639 |
977,1021893 |
869,127779 |
853,9069842 |
|
Медиана |
16278 |
14501 |
16979 |
16699 |
|
Мода |
0 |
0 |
0 |
0 |
|
Стандартное отклонение |
31918,60359 |
28335,96349 |
25204,70559 |
24212,44182 |
|
Дисперсия выборки |
1018797255 |
802926827 |
635277183,9 |
586242338,7 |
|
Эксцесс |
3,612973784 |
3,495380385 |
2,765054807 |
3,121516801 |
|
Асимметричность |
1,670675831 |
1,76439146 |
1,536319187 |
1,506579196 |
|
Интервал |
229351 |
157608 |
158598 |
156494 |
|
Минимум |
0 |
0 |
0 |
0 |
|
Максимум |
229351 |
157608 |
158598 |
156494 |
|
Сумма |
23514446 |
20547271 |
20107142 |
18935230 |
|
Счет |
849 |
841 |
841 |
804 |
В таблице 3.5 приводится распределение несогласованного трафика алгоритма DTSS. Графические результаты представлены на рисунке 3.13 в виде среднеквадратичных отклонений задержек и на рисунке 3.14 в виде гистограммы распределения задержек.
Рисунок 3.13 - среднеквадратичные отклонения задержек несогласованного трафика при использовании алгоритма DTSS.
Рисунок. 3.14 - гистограмма распределения задержек несогласованного трафика модицифированного алгоритма DTSS.
Таблица 3.6
Delay |
QoS(0-1) |
QoS(2-3) |
QoS(4-5) |
QoS(6-7) |
|
Среднее |
26710,76261 |
28177,2272 |
27024,09046 |
29089,55253 |
|
Стандартная ошибка |
1558,798316 |
956,7168991 |
708,8080078 |
650,9723915 |
|
Медиана |
15472 |
20165 |
21262 |
23503 |
|
Мода |
512 |
12176 |
512 |
512 |
|
Стандартное отклонение |
28615,73322 |
24745,51542 |
22481,62015 |
23677,86238 |
|
Дисперсия выборки |
818860187,7 |
612340533,6 |
505423244,7 |
560641167 |
|
Эксцесс |
8,44212715 |
2,5281839 |
1,43454111 |
1,923145569 |
|
Асимметричность |
2,373746971 |
1,494241235 |
1,206914126 |
1,270765516 |
|
Интервал |
200763 |
147896 |
126197 |
144351 |
|
Минимум |
512 |
512 |
512 |
512 |
|
Максимум |
201275 |
148408 |
126709 |
144863 |
|
Сумма |
9001527 |
18850565 |
27186235 |
38485478 |
|
Счет |
337 |
669 |
1006 |
1323 |
В таблице 3.6 приводится распределение согласованного трафика алгоритма DTSS. Графические результаты представлены на рисунке 3.15 в виде среднеквадратичных отклонений задержек и на рисунке 3.16 в виде гистограммы распределения задержек.
Рисунок 3.15 - среднеквадратичные отклонения задержек согласованного трафика при использовании алгоритма DTSS.
Рисунок. 3.16 - гистограмма распределения задержек согласованного трафика модицифированного алгоритма DTSS.
Для модифицированного алгоритма WRR:
Таблица 3.7
Delay |
QoS(0-1) |
QoS(2-3) |
QoS(4-5) |
QoS(6-7) |
|
Среднее |
38400,05889 |
24774,38526 |
23326,26397 |
23740,35697 |
|
Стандартная ошибка |
1419,316043 |
735,4926866 |
643,7338333 |
637,1674052 |
|
Медиана |
23330 |
18220 |
18182 |
18952 |
|
Мода |
12176 |
12176 |
512 |
512 |
|
Стандартное отклонение |
41355,46961 |
21329,28791 |
18668,28117 |
18066,81408 |
|
Дисперсия выборки |
1710274867 |
454938522,9 |
348504721,7 |
326409771,1 |
|
Эксцесс |
4,392791031 |
2,074990368 |
2,822661107 |
1,095073598 |
|
Асимметричность |
1,941716437 |
1,395001453 |
1,360159099 |
1,036422541 |
|
Интервал |
244028 |
134163 |
128025 |
98902 |
|
Минимум |
512 |
512 |
512 |
512 |
|
Максимум |
244540 |
134675 |
128537 |
99414 |
|
Сумма |
32601650 |
20835258 |
19617388 |
19087247 |
|
Счет |
849 |
841 |
841 |
804 |
В таблице 3.7 приводится распределение несогласованного трафика модифицированного алгоритма WRR. Графические результаты представлены на рисунке 3.17 в виде среднеквадратичных отклонений задержек и на рисунке 3.18 в виде гистограммы распределения задержек.
Рисунок 3.17 - среднеквадратичные отклонения задержек несогласованного трафика при использовании модифицированного алгоритма WRR.
Рисунок. 3.18 - гистограмма распределения задержек несогласованного трафика модицифированного алгоритма WRR.
Таблица 3.8
Delay |
QoS(0-1) |
QoS(2-3) |
QoS(4-5) |
QoS(6-7) |
|
Среднее |
26710,76261 |
28177,2272 |
27024,09046 |
29089,55253 |
|
Стандартная ошибка |
1558,798316 |
956,7168991 |
708,8080078 |
650,9723915 |
|
Медиана |
15472 |
20165 |
21262 |
23503 |
|
Мода |
512 |
12176 |
512 |
512 |
|
Стандартное отклонение |
28615,73322 |
24745,51542 |
22481,62015 |
23677,86238 |
|
Дисперсия выборки |
818860187,7 |
612340533,6 |
505423244,7 |
560641167 |
|
Эксцесс |
8,44212715 |
2,5281839 |
1,43454111 |
1,923145569 |
|
Асимметричность |
Подобные документы
Сравнение результатов имитационного моделирования и аналитического расчета характеристик. Исследование узла коммутации пакетов данных, обработки пакетов в процессоре, буферизации и передачи по выходной линии. Определение коэффициента загрузки процессора.
курсовая работа [59,7 K], добавлен 29.06.2011Разработка программы для изображения в графическом режиме на экране структуры модели вычислительной машины и демонстрация функционирования при выполнении программы вычисления. Описание процесса разработки, обоснование структур данных и их форматов.
курсовая работа [170,3 K], добавлен 07.06.2019Понятие асинхронного процесса. Выделение множеств ситуаций, инициаторов, результантов, составление отношений непосредственного следования. Технология коммутации сегментов Ethernet. Способ передачи кадра без его полной буферизации. Построение сети Петри.
контрольная работа [169,6 K], добавлен 06.09.2011Разработка структуры локально-вычислительной сети ГБОУ СПО "ВПТ". Обоснование топологии, выбор аппаратного обеспечения для коммутации и сегментации. Установка и настройка сетевых протоколов и служб. Система мониторинга сетевых узлов и сетевого трафика.
дипломная работа [1,8 M], добавлен 25.10.2013Разработка системы расчета характеристик разомкнутых экспоненциальных сетевых моделей, выполняющая имитационное моделирование заданной сетевой модели. Построение модели на языке GPSS, анализ эффективности аналитической модели, выполняющей роль эталона.
курсовая работа [483,6 K], добавлен 01.12.2010Моделирование, анализ и исследование характеристик локальной вычислительной сети кольцевой структуры. Составление отчета о количестве необработанных заявок, особенности обработки всех данных, результаты отчета проиллюстрированы в виде гистограммы.
курсовая работа [54,4 K], добавлен 25.11.2010Обзор области генерации сетевого трафика. Описание выбранных методов, моделей, алгоритмов решения задач. Создание модели поведения пользователя, распределение количества посещённых страниц сайта. Выбор средств реализации программного продукта (проекта).
курсовая работа [1,3 M], добавлен 30.06.2017Разработка программы, имитирующей работу системы массового обслуживания. Методы и средства решения задачи. Создание концептуальной и структурной моделей системы. Анализ и оценка результатов моделирования, определение достоинств и недостатков системы.
курсовая работа [469,5 K], добавлен 03.03.2015Имитационное моделирование как один из наиболее широко используемых методов при решении задач анализа и синтеза сложных систем. Особенности имитационного моделирования систем массового обслуживания. Анализ структурной схемы системы передачи пакетов.
курсовая работа [1,2 M], добавлен 28.05.2013Исследование структуры типовой вычислительной сети. Модель процесса вскрытия вычислительной сети и взаимосвязь основных его этапов. Конфликт в информационной сфере между субъектом и объектом познания. Описания алгоритмов динамического масштабирования.
дипломная работа [2,9 M], добавлен 21.12.2012Способ моделирования сетевого трафика случайным точечным процессом. Ступени разработки моделей процессов в сети. Определение статистик числа отсчетов на интервалах. Принятое в теории фрактальных процессов обозначение интенсивности точечного процесса.
контрольная работа [5,6 M], добавлен 14.12.2015Основные характеристики и алгоритмы настройки виртуальной локальной вычислительной сети VLAN, протоколов маршрутизации, системы доменных имен и трансляции сетевых адресов с целью разработки корпоративной сети в среде имитационного моделирования.
курсовая работа [556,1 K], добавлен 23.04.2011Моделирование работы вычислительной системы из двух процессоров и общей оперативной памяти. Структурная схема модели системы. Укрупненная схема моделирующего алгоритма. Результаты моделирования и их анализ. Машинная программа объекта исследования.
курсовая работа [1,0 M], добавлен 21.06.2011Трехмерное моделирование: улучшение алгоритмов рендеринга и просчета трехмерных изображений. Обоснование выбора алгоритмов. Выбор языка программирования и среды разработки. Структура данных и программного комплекса. Системные требования для работы.
курсовая работа [263,8 K], добавлен 24.06.2009Основные понятия: модель, моделирование, виды моделей. Пути и способы изучения темы "Моделирование и формализация" в курсе информатики в 8 классе. Создание табличной информационной модели. Понятие информационной модели, системы и структуры системы.
методичка [1,8 M], добавлен 30.05.2013Характеристика электрических систем в установившихся режимах. Классификация кибернетических систем. Развитие методов моделирования сложных систем и оптимизация на электронных вычислительных машинах моделей в алгоритмическом и программном аспекте.
реферат [27,3 K], добавлен 18.01.2015Современные подходы к организации транспортных сетей, принцип передачи потока данных, технология и механизм работы VPLS. Сравнительный анализ туннелей MPLS и обычных туннелей VPN. Анализ распределения трафика на основе методов трафика инжиниринга.
курсовая работа [1,0 M], добавлен 12.11.2011Моделирование системы, состоящей из ЭВМ (BLK1, BLK2, BLK3) и передающей пакеты данных на обслуживание; распределение вероятностей передачи пакетов. Имитационное моделирование GPSS/PC; математическая модель, машинная программа, оценка и анализ результатов.
курсовая работа [69,1 K], добавлен 28.06.2011Понятие и основные характеристики локальной вычислительной сети. Описание типологии "Шина", "Кольцо", "Звезда". Изучение этапов проектирования сети. Анализ трафика, создание виртуальных локальных компьютерных сетей. Оценка общих экономических затрат.
дипломная работа [990,2 K], добавлен 01.07.2015Понятие компьютерной и информационной модели. Задачи компьютерного моделирования. Дедуктивный и индуктивный принципы построения моделей, технология их построения. Этапы разработки и исследования моделей на компьютере. Метод имитационного моделирования.
реферат [29,6 K], добавлен 23.03.2010