ЛЕКЦИЯ 17: «Сетевые характеристики» 1. Требования, предъявляемые к

ЛЕКЦИЯ 17: «Сетевые характеристики» 1. Требования, предъявляемые к сетям. 2. Идеальная и реальная сети передачи данных. 3. Характеристики потерь пакетов. 4. Статистическая оценка потери пакетов.

1. Требования, предъявляемые к сетям. Субъективные оценки качества сетевых услуг отражают пожелания пользователей, клиентов сети, например, «сеть работает хорошо», «трафик передается надежно» и т.п. Поставщик услуг (коммерческий, если сеть публичная и некоммерческий, если сеть корпоративная) организационно и технически должен удовлетворить пожелания клиентов. Для того, чтобы клиенты и поставщики услуг могли обоснованно судить о качестве сетей существуют формализованные характеристики сетевых услуг. При организации и эксплуатации сети важными требованиями (формализованными характеристиками) являются следующие: 1 - производительность; 2 - надежность и безопасность; 3 - расширяемость и масштабируемость; 4 - прозрачность; 5 - поддержка разных видов трафика; 6 - управляемость; 7 - совместимость. Производительность – это характеристика сети, позволяющая оценить, насколько быстро информация передающей рабочей станции достигнет приемной рабочей станции. Для поставщика услуг она характеризуется пропускной способностью каналов, производительностью коммутаторов и маршрутизаторов. Однако, клиента интересуют другие характеристики производительности, которые позволяют ему судить о том, насколько быстро и качественно сеть передает его трафик. Для того, чтобы определить эти характеристики следует воспользоваться моделью идеальной сети и дать сравнительную количественную (формализованную) оценку характеристикам реальной сети в соответствии с требованиями клиента.

2. Идеальная и реальная сети передачи данных. Будем считать, что сеть работает идеально, если каждый бит информации передается от источника получателю с постоянной задержкой, равной времени распространения света (электромагнитной волны) в физической среде. Каналы передачи идеальной сети обладают конечной пропускной способностью, поскольку источник информации передает в сеть пакет (кадр), а приемник принимает его не мгновенно, а за некоторое конечное время, в транзитных узлах сети также наблюдаются задержки передачи. Результат передачи пакетов идеальной сетью проиллюстрирован на рисунке (Рис.1) Как видно из рисунка, идеальная сеть передает пакеты от источника получателю со следующими важными для клиента показателями качества: 1. Без потерь пакетов; 2. Без изменения порядка следования; 3. Без изменения задержки передачи и минимальном ее значении dmin= d1 = d2 = d3 …; 4. Без изменения интервалов между пакетами на приемной и передающей сторонах. Надежная доставка всех пакетов с минимально возможной задержкой и сохранением временных интервалов между ними удовлетворяет любого пользователя сети независимо от того трафик какого приложения (программы пользователя) передается – IP-телефонии, веб-сервиса, базы данных и пр. В реальной сети наблюдаются отклонения от идеальной работы (Рис.2) и эти отклонения характеризуются следующими важными для клиента показателями качества: 1. Характеристиками потерь пакетов, изменениями порядка их доставки; 2. Характеристиками задержек пакетов; 3. Характеристиками скорости передачи пакетов; 4. Доступностью и отказоустойчивостью; 5. Методами и характеристиками повторной передачи пакетов; 6.Безопаснстью: конфиденциальностью, целостностью, доступностью данных.

Как видно из рисунка, идеальная сеть передает пакеты от источника получателю со следующими важными для клиента показателями качества: 1. Без потерь пакетов; 2. Без изменения порядка следования; 3. Без изменения задержки передачи и минимальном ее значении dmin= d1 = d2 = d3 …; 4. Без изменения интервалов между пакетами на приемной и передающей сторонах. Задержки продвижения d1 = d2 = d3 … Интервалы между пакетами на приемной стороне не изменяются. Предложенная нагрузка Принятые данные

Характеристики сети, которыми оперирует поставщик услуг, оценивая эффективность своей сети: 1. Расширяемость и масштабируемость; 2. Управляемость; 3. Совместимость (интегрируемость). Расширяемость – возможность добавления элементов сети и замены аппаратуры. Масштабируемость – возможность наращивания числа узлов и линий передачи без потери производительности сети. Управляемость – возможность наблюдения, контроля и изменения параметров сети с целью адаптации к условиям передачи. Совместимость – возможность соединять в сети разнородные программные и аппаратные средства. Задержки продвижения d1 ≠ d2 ≠ d3 … Интервалы между пакетами при передаче и приеме изменяются. Порядок следования пакетов изменяется. Отдельные пакеты теряются. Предложенная нагрузка Принятые данные

3. Характеристики потерь пакетов. В качестве характеристики потерь пакетов используется доля потерянных пакетов, которая опредется отношением количества потерянных пакетов NП к общему количеству переданных пакетов N. В простейшем случае при дейтаграммной передаче пакетов отказ от приема пакета обусловлен наличием хотя бы одного ошибочно принятого бита. В таком случае пакет (кадр) считается потерянным. В других случаях применяются более сложные методы обеспечения надежности, например, коды с исправлением ошибок, однако совсем их исключить нельзя. Если в системе передачи данных предусмотрена повторная передача при обнаружении потери пакета или группы пакетов, то принимающая сторона сообщает о потере передающей стороне путем отправки специального пакета-сообщения, называемого «отрицательной квитанцией», что является явным указанием на повторную передачу пакета. В системах ориентированных на соединение отправитель сообщений нумерует отправляемые кадры и для каждого кадра ожидает от приемника подтверждения правильности приема данных. Такое подтверждение передается посредством специального пакета, получившего название «положительная квитанция». Различают два метода организации процесса обмена квитанциями: метод простоя источника (останова с ожиданием) и метод скользящего окна. Время ожидания положительной квитанции ограничено – при оправке каждого пакета передатчик запускает таймер, и, если по истечении заданного времени (тайм-аута) положительная квитанция не получена, пакет (кадр) считается утерянным. Метод простоя источника требует, чтобы источник посылал очередной кадр только после получения положительной или повторения кадра после получения отрицательной квитанции. Если квитанция в течение времени тайм-аута не получена, то пакет и (или) квитанция считаются утерянными и передача этого пакета повторяется (Рис. 2 а).

Интервал отправки 1 1 1 n n w 1 ACK 1 2 2 2 n+1 w+1 2 3 3 t t t Отправленные кадры Положительная квитанция Полученные кадры а). Простой источника б). Скользящее окно передачи пакетов m w+n w 0 w 0 w 1 w 1 w n w n t 0 t 0 t 1 t 1 t n t n t Номера кадров 1 2 3 n+1 w w+1 w+n Направление скольжения окна w = w = w 0 1 n Рис. 2. Методы восстановления искаженных и потерянных кадров. c). Перемещение скользящего окна

Недостатки метода простоя источника особенно заметны на низкоскоростных каналах связи с относительно высоким уровнем помех, т.е. в территориальных сетях доступа к высокоскоростным магистральным сетям. По методу скользящего окна для повышения скорости передачи данных источник может передавать некоторое количество пакетов в непрерывном режиме с максимальной скоростью без получения на них квитанций. Количество пакетов , передаваемых таким образом, называется размером окна (Рис. 2 б). В начальный момент времени передачи окно определяет диапазон пакетов с номерами от 1 до включительно. При получении в момент t1 первой квитанции окно сдвигается на одну позицию, определяя новый диапазон окна от 2 до ( +1). Процессы отправки пакетов и получения квитанций идут достаточно независимо друг от друга. Пусть в процессе передачи источник получает квитанцию на пакет с номером n. Окно сдвигается вправо и определяет диапазон разрешенных к передаче пакетов от (n+1) до ( + n). Пакеты передаваемые источником можно разделить на следующие группы: 1. – Пакеты с номерами от 1 до n уже были оправлены, на них получены положительные квитанции и они находятся за пределами окна слева. 2. – Пакеты, начиная с номера (n+1) до ( + n) находятся в пределах окна и могут быть оправлены без получения квитанций. Этот диапазон можно разделить на два поддиапазона: а). Пакеты с номерами от (n+1) до m уже оправлены, но квитанции на них еще не получены; б). Пакеты с номерами от m до ( + n) не оправлены, но запрета на их передачу нет. 3. Все пакеты с номерами ( +n+1) находятся за пределами окна справа и пока не могут быть оправлены. Перемещение окна вдоль последовательности номеров пакетов показано на рисунке (Рис. 2 в). Всякий раз, когда приходит положительная квитанция окно сдвигается на один номер вправо, но его размер не меняется. При оправке очередного пакета устанавливается тайм-аут, и если квитанция за это время не придет, пакет передается снова.

Если квитанции приходят регулярно, то скорость передачи будет максимальна. В некоторых реализациях алгоритма скользящего окна не требуется посылать на каждый корректно принятый пакет положительную квитанцию. Она посылается только на последний корректно принятый пакет и означает, что все предыдущие были приняты благополучно. Если квитанция не получена, то все пакеты передаются заново. При использовании метода с отрицательными квитанциями существует два варианта: групповые и избирательные квитанции. В первом случае квитанция содержит номер пакета, начиная с которого следует повторить передачу всех пакетов, оправленных в сеть. Во втором случае квитанция содержит номер единственного пакета, который следует передать повторно. В общем случае метод скользящего окна более сложен в реализации, чем метод простоя источника, поскольку передатчик должен хранить в буфере все пакеты, на которые не получены положительные квитанции, следить за порядком номеров пакетов, которые еще можно передавать, определять потерянные и др. 3. Статистическая оценка потери пакетов. Случайный характер потери пакетов (кадров) обусловлен действием помех в канале передачи, а различного рода искажения сигналов увеличивают негативные последствия действия этих помех. Количественная оценка случайных потерь кадров может быть дана статистическими методами по результатам наблюдений процесса их передачи или с использованием оценок вероятностей не обнаружения символа или ложного его обнаружения. При установлении порога принятия решений на приемной стороне системы передачи согласно критерию идеального наблюдателя эти вероятности равны и можно говорить, что их значения являются вероятностями потери символа и называются коэффициентами ошибок. При гипотезе об одинаковой вероятности появления на выходе двоичного источника информации логического нуля или единицы на интервале наблюдения количество

информации определяется выражением: Необходимая скорость передачи информации дискретного источника по дискретному каналу связи определяется количеством информации, в среднем приходящейся на символ сообщения в единицу времени. Если интервалы появления нулей или единиц следуют регулярно с частотой 1/Т, то производительность источника (передатчика в сети на канальном уровне) определяется как Для передачи информации без потерь пропускная способность канала связи должна быть больше или равна производительности источника: На приемной стороне сигнал пришедший из сети искажен помехами и задача обнаружения его на фоне помех является статистической. На практике, для определения оценки вероятности потери одного бита информации при передаче по реальному каналу с помехами можно провести статистические испытания, состоящие в том, что в канал передачи вводится сигнал промодулированный меандровой последовательностью нулей и единиц. На приемной стороне наблюдаются ошибки обнаружения единиц и нулей путем синхронного детектирования (сопоставления) их с исходной (опорной) последовательностью и сравнения результата с пороговой величиной (испытания «на порог»). Опорная (исходная) последовательность восстанавливается на приемной стороне системой синхронизации, например, на базе следящей системы ФАПЧ, выполненной по схеме Костаса. Подсчет пропущенных единиц на приемной стороне и деление их числа на число поступивших в канал определяет частость пропусков, т.е. дает оценку вероятности ошибки при приеме единицы. Это число тем меньше отличается от истинной величины вероятности, чем больше число испытаний – число интервалов передачи единиц. . . .

Аналогичным образом определяется вероятность пропущенных нулей (нулей, принятых за единицу). Если порог принятия решений на приеме устанавливается в соответствии с критерием идеального наблюдателя, то вероятности пропуска единицы и пропуска нуля будут равны и называются вероятностью ошибки приема символа . В зависимости от качества канала передачи эта вероятность может принимать значения ≈ 10-3 ÷ 10-15. На практике в соответствии с методами передачи данных в сетях биты передаются группами (пакетами, кадрами) и сетевое оборудование (например, коммутаторы и маршрутизаторы) отказывается от дальнейшего продвижения пакетов при обнаружении ошибок в отдельных битах. В таком случае наблюдается потеря пакета (кадра). Для пояснения методики оценки вероятности потери пакета рассмотрим прием пакета, состоящего из двух двоичных символов, которые передаются в двух тактовых интервалах. Пусть из-за помех вероятность ошибки приема символа (коэффициент ошибки) На приемной стороне возможны четыре варианта принятия решений при поступлении на вход пакета, который на передающей стороне состоял из двух единиц - «1 1»: 1 1 - соответствует правильному приему пакета; 0 1 - соответствует ошибке в принятом пакете - потери пакета; 1 0 - также соответствует потере пакета; 0 0 - также соответствует потере пакета; Вероятность правильного приема одной единицы . Поскольку предполагается, что ошибки в соседних тактовых интервалах взаимно независимы, вероятность правильного приема пакета определяется произведением вероятностей правильного приема каждого символа Так как рассмотренные выше все возможные варианты принятия решений при поступлении пакета в приемник представляют полную группу событий, то сумма их вероятностей равна единице. Из них единственный вариант имеет благополучный исход. . . . .

Все остальные исходы характеризуют вероятность потери кадра (пакета), следовательно, вероятность этого события – потери кадра: Ошибочно считать, что вероятность потери кадра (пакета) определяется как Канал с будет не пригодным для практической реализации сети передачи. Более характерным является пример сети с такими параметрами канала передачи: 1. Размер поля данных информационного пакета ; 2. Размер заголовка пакета ; 3. Размер пакета положительной квитанции ; 4. Суммарная задержка обработки и распространения кадра в сети ; 5. Тайм-аут времени ожидания положительной квитанции ; 6. Коэффициент ошибки в канале (вероятность ошибки приема символа) ; 7. Номинальная битовая скорость передачи в сети . Вероятность правильного приема пакета в такой сети определяется выражением: Вероятность потери пакета: Вероятность правильного приема пакета положительной квитанции: . Более того, для данной сети при ! ! ! ; ; . . ; ; (или 0,44%)

Вероятность правильной передачи пакета с получением положительной квитанции определяется выражением: Время поступления пакета в канал передачи данных: Время поступления положительной квитанции в канал передачи данных: Время передачи пакета с получением положительной квитанции в системе с простоем источника: Пропускная способность канала без помех по отношению к пользовательским данным: Пропускная способность канала с помехами по отношению к пользовательским данным – среднее значение (математическое ожидание): Из проведенного анализа следует, что наличие в канале помех низкого уровня ( ) несущественно сказывается на снижении скорости передачи ( ), что характерно для проводных систем передачи. В радиосистеме, с незащищенным от помех каналом коэффициент ошибок выше - и скорость передачи будет ниже. С целью повышения скорости передачи применяется помехоустойчивое кодирование сигналов. ; ; ; ; ; .