DOI: 10.22184/2070-8963.2024.121.5.60.66

Рассмотрены аспекты натурного моделирования услуги передачи данных мультисервисной сети связи с коммутацией пакетов, приведены рекомендации по получению практических результатов и получено значение максимальной пропускной способности среды передачи для стека протоколов HTTP/TCPv4/IPv4, составляющее порядка 90% от максимальной пропуск-ной способности сетевых интерфейсов 100 Мбит/с и 1 Гбит/с. На основе результатов моделирования сформирована имитационная модель услуги передачи данных в среде моделирования дискретных событий OMNeT++ с использованием модуля INET на дескриптивном языке описания топологии сети NED, для которой выполнены многофакторные вычислительные эксперименты и получена верхняя оценка точности получаемых результатов, составляющая ±6 %. Предлагаемая модель услуги передачи данных может быть использована для оценки качества предоставления этой услуги в мультисервисной сети связи с обязательным выполнением контроля соответствия модельных значений основных характеристик услуг величинам, полученным в ходе моделирования.

sitemap
Наш сайт использует cookies. Продолжая просмотр, вы даёте согласие на обработку персональных данных и соглашаетесь с нашей Политикой Конфиденциальности
Согласен
Поиск:

Вход
Архив журнала
Журналы
Медиаданные
Редакционная политика
Реклама
Авторам
Контакты
TS_pub
technospheramag
technospheramag
ТЕХНОСФЕРА_РИЦ
© 2001-2025
РИЦ Техносфера
Все права защищены
Тел. +7 (495) 234-0110
Оферта

Яндекс.Метрика
R&W
 
 
Вход:

Ваш e-mail:
Пароль:
 
Регистрация
Забыли пароль?
Книги по связи
Другие серии книг:
Мир связи
Библиотека Института стратегий развития
Мир квантовых технологий
Мир математики
Мир физики и техники
Мир биологии и медицины
Мир химии
Мир наук о Земле
Мир материалов и технологий
Мир электроники
Мир программирования
Мир строительства
Мир цифровой обработки
Мир экономики
Мир дизайна
Мир увлечений
Мир робототехники и мехатроники
Для кофейников
Мир радиоэлектроники
Библиотечка «КВАНТ»
Умный дом
Мировые бренды
Вне серий
Библиотека климатехника
Мир транспорта
Мир фотоники
Мир станкостроения
Мир метрологии
Мир энергетики
Книги, изданные при поддержке РФФИ
Выпуск #5/2024
Е.П.Журавель, М.В.Соболев
Имитационное моделирование услуги передачи данных мультисервисной сети связи
Просмотры: 527
DOI: 10.22184/2070-8963.2024.121.5.60.66

Рассмотрены аспекты натурного моделирования услуги передачи данных мультисервисной сети связи с коммутацией пакетов, приведены рекомендации по получению практических результатов и получено значение максимальной пропускной способности среды передачи для стека протоколов HTTP/TCPv4/IPv4, составляющее порядка 90% от максимальной пропуск-ной способности сетевых интерфейсов 100 Мбит/с и 1 Гбит/с. На основе результатов моделирования сформирована имитационная модель услуги передачи данных в среде моделирования дискретных событий OMNeT++ с использованием модуля INET на дескриптивном языке описания топологии сети NED, для которой выполнены многофакторные вычислительные эксперименты и получена верхняя оценка точности получаемых результатов, составляющая ±6 %. Предлагаемая модель услуги передачи данных может быть использована для оценки качества предоставления этой услуги в мультисервисной сети связи с обязательным выполнением контроля соответствия модельных значений основных характеристик услуг величинам, полученным в ходе моделирования.
Имитационное моделирование услуги передачи данных мультисервисной сети связи

Е.П.Журавель, к.т.н., доцент СПбГУТ им. проф. М.А. Бонч-Бруевича / eshur2003@mail.ru,
М.В.Соболев, аспирант СПбГУТ им. проф. М.А.  Бонч-Бруевича / hardmstizlov@gmail.com
УДК 004.772, DOI: 10.22184/2070-8963.2024.121.5.60.66

Рассмотрены аспекты натурного моделирования услуги передачи данных мультисервисной сети связи с коммутацией пакетов, приведены рекомендации по получению практических результатов и получено значение максимальной пропускной способности среды передачи для стека протоколов HTTP/TCPv4/IPv4, составляющее порядка 90% от максимальной пропускной способности сетевых интерфейсов 100 Мбит/с и 1 Гбит/с. На основе результатов моделирования сформирована имитационная модель услуги передачи данных в среде моделирования дискретных событий OMNeT++ с использованием модуля INET на дескриптивном языке описания топологии сети NED, для которой выполнены многофакторные вычислительные эксперименты и получена верхняя оценка точности получаемых результатов, составляющая ±6 %. Предлагаемая модель услуги передачи данных может быть использована для оценки качества предоставления этой услуги в мультисервисной сети связи с обязательным выполнением контроля соответствия модельных значений основных характеристик услуг величинам, полученным в ходе моделирования.

Введение
Непрерывное развитие и повышение производительности и скорости обработки и передачи данных телекоммуникационного оборудования (ТКО) и средств вычислительной техники (СВТ), их ПО, являющихся ресурсами мультисервисной сети связи (МССС) [1], наряду с предоставляемыми услугами межмашинного взаимодействия Интернета вещей, мониторинга и управления ресурсами и имуществом умных городов (облачные вычисления) позволяет прогнозировать появление в ближайшем будущем новых услуг, например, таких как голографическая связь и тактильный Интернет, реализуемых с использованием концепции мобильных граничных вычислений (туманных вычислений) и межчипового взаимодействия [2]. Вместе с тем, так называемые базовые услуги, к которым относится услуга передачи данных, будут предоставляться и в дальнейшем, в связи с чем целесообразно рассмотреть и уточнить различные практические аспекты ее предоставления и моделирования.
В статье предложен подход к моделированию услуг МССС на основе использования совокупности существенных значений параметров, характеризующих соответствующую услугу, приведенных в [3] и/или, при необходимости, выявляемых непосредственно в ходе сбора и анализа передаваемых и принимаемых при предоставлении услуги данных, последующего учета характеризующих услугу выявленных основных значений параметров в имитационной модели и верификации получаемых модельных статистических данных по отношению к собранным ранее данным натурного моделирования соответствующей услуги.
Натурное моделирование процессов предоставления услуги передачи данных
В [3] были рассмотрены практически важные значения параметров услуг мультисервисной сети связи (МССС) с коммутацией пакетов и, на их основе, с коммутацией сообщений. Непосредственное использование приведенных в [3] свойств теоретико-множественных моделей услуг зачастую вызывает затруднения даже у искушенных в предметной области моделирования процессов функционирования сетей связи специалистов. В связи с этим далее выполняется рассмотрение и уточнение этих положений применительно к услуге передачи данных МССС, основными характеристикам которой являются время поступления запроса, минимально необходимая и максимально возможная пропускная способность среды передачи данных, фактически используемая для предоставления услуги, порты абонентского оконечного оборудования и сервера, на котором предоставляется телематическая услуга, а также приоритет услуги.
Для осуществления натурного моделирования услуги передачи данных использован стенд, сформированный на основе рекомендаций, изложенных в приложениях Б и Г ГОСТ Р53632-2009 [4]. Структурная схема стенда приведена на рис.1.
Для выполнения требований по импортозамещению [5], в соответствии с [6], сервер и клиент должны функционировать под управлением отечественных операционных систем (ОС). Вместе с тем, анализ [7] позволяет утверждать, что большинство отечественных ОС, за некоторым и весьма редким исключением (например, ОС KasperskyOS), по сути, являются доработками каких-либо ОС с открытым исходным кодом, например ОС Debian или CentOS или FreeBSD. В связи с этим, чтобы не отдавать предпочтение какому-либо отечественному разработчику, натурное моделирование услуги передачи данных выполнено с использованием свободно распространяемой ОС Debian, установленной и на клиенте, и на сервере.
Настройки сервера выполнены для ПО веб-сервера Nginx и заключались во внесении исправлений в три строки конфигурационного файла в соответствии с [8]. Отдельно следует рассмотреть требования к тестовому файлу, который использован при натурном моделировании услуги передачи данных. В соответствии с [4] содержимое данного файла должно быть таким, чтобы алгоритмы транспортного протокола TCP не могли сжать каждый соответствующий участок передаваемого тестового файла, например, в соответствии с алгоритмами, приведенными в [9]. Размер передаваемого участка определяется параметром Maximum Transmission Unit (MTU) и, в большинстве случаев, составляет 1500 байт (20 байт для учета особенностей передачи данных с использованием технологии Virtual Local Area Network во взаимодействующих сетях связи, осуществляющих перенос трафика через свою сеть). Совокупный размер файла также имеет существенное значение, поскольку необходимо выполнить измерение скорости передачи и следует получить так называемое максимальное установившееся значение скорости передачи данных. Сам размер файла измеряется в байтах, в связи с чем, оставив без рассмотрения отсутствие эталона байта в Международном бюро мер и весов (г. Севр, Франция), при расчетах использованы приведенные в [10] значения 1 байт = 8 бит. Для выполнения требования несжимаемости файла в общем случае необходимо использовать программно-технические датчики случайных чисел, имеющие соответствующие сертификат или положительное заключение регулятора [11]. Вместе с тем для практического выполнения требования несжимаемости файла на каждом соответствующем передаваемом участке достаточно использовать встроенный в ОС Debian генератор псевдослучайной последовательности /dev/urandom, с использованием которого был получен тестовый файл с помощью команды:

dd if=/dev/urandom of=/opt/file1.bin count=1000000 bs=1000

и с результатом:

1000000 records in
1000000 records out
1000000000 bytes (1.0 GB, 954 MiB) copied, 14.4081 s, 69.4 MB/s.

Настройки клиента выполнены установкой ПО анализатора трафика для компьютерных сетей Wireshark в соответствии с [12]. Для натурного моделирования услуги передачи данных на клиенте выполнен запуск ПО Wireshark, а затем выполнена команда:

wget http://192.168.100.238/file1.bin -O /dev/null

и получен следующий результат:

Connecting to 192.168.100.238:80... connected.
HTTP request sent, awaiting response... 200 OK
Length: 1000000000 (954M) [application/octet-stream]
Saving to: ‘/dev/null’
/dev/null 100% [==>] 953.67M 112MB/s in 8.5s
При выполнении натурного моделирования услуги передачи данных следует учесть, что первые два-три выполнения команды wget могут не показать приведенного выше результата по различным причинам, основными из которых могут являться особенности работы ПО веб-сервера Nginx (выполнение кэширования файла в оперативной памяти), особенности работы дисковой подсистемы сервера (скорость чтения файла с диска и записи в кэш), особенности работы ТКО (время и количество пакетов для сохранения mac-адресов клиента и сервера в таблице соответствия соответствующих портов и mac-адресов ТКО, время жизни записей в таблице соответствия и др.). В связи с этим, запись дампа натурного моделирования услуги передачи данных выполнялась на клиенте, принимаемый на клиенте файл не записывался на диск, а перенаправлялся в так называемое вир­туальное устройство /dev/null, что позволило частично снизить нагрузку на дисковую подсистему клиента.
В идеальном случае, при передаче несжимаемого файла размером 1 Гбайт со скоростью 1 Гбит/с скорость передачи составит 125 Мбайт/с, а время передачи − 8 с. Фактически скорость передачи составила 112 Мбайт/c и время передачи − 8,5 с, что соответствует приведенному на рис.2 результату, полученному в соответствии с описанным в [12] подходом к анализу дампа трафика с использованием ПО Wireshark (Capture – Options – Import, Analyse – Decode As..., Statistics – IO Graphs: Tick Interval, Unit=Bytes/Tick, Scale и др.).
Таким образом можно вычислить фактическую эффективную скорость передачи данных в 896 Мбит/с и отнести 104 Мбит/с, составляющих порядка 10% от максимальной пропускной способности порта в 1 Гбит/с на суммарные совокупные накладные расходы, приходящиеся на временные задержки непосредственной передачи информации с использованием протоколов Ethernet, IPv4, TCPv4 и HTTP, а также их микропрограммных и программных реализаций на клиенте и на сервере.
В ходе натурного моделирования услуги передачи данных оно было выполнено для скорости передачи портов ТКО 100 Мбит/с с использованием приведенной выше команды wget и получен следующий результат:

Connecting to 192.168.100.238:80... connected.
HTTP request sent, awaiting response... 200 OK
Length: 1000000000 (954M) [application/octet-stream]
Saving to: ‘/dev/null’
/dev/null 100% [==>] 953.67M 11.2MB/s in 85s
который коррелирует с рассмотренным ранее результатом для скорости передачи в 1 Гбит/с (см. рис.3).
Следует отметить, что полученные результаты являются так называемыми "синтетическими" и соответствуют фактической программно-технической реализации приведенных выше протоколов, техническому и программному обеспечению сервера и клиента, техническому и микропрограммному обеспечению ТКО, в связи с чем они могут отличаться при натурном моделировании, например, с использованием различных ОС на клиенте и на сервере, при использовании различного микропрограммного обеспечения ТКО и по другим причинам. Вместе с тем данные результаты были получены ранее в [3] для иных программно-технических реализаций ТКО и СВТ, в связи с чем можно утверждать, что при фиксации настроек и ПО сервера и клиента, получении со второго-третьего испытания приведенных выше фактических скоростей передачи данных (112 Мбайт/с для 1 Гбит/с и 11,2 Мбайт/с для 100 Мбит/с) схема, приведенная на рис.1 и изложенный выше подход могут быть использованы для проведения непосредственных испытаний (тестирования) максимальной производительности телекоммуникационного оборудования и средств вычислительной техники при предоставлении услуги передачи данных заменой только какого-либо одного элемента схемы и фиксации остальных элементов и их настроек.
Модель услуги передачи данных в среде имитационного моделирования OMNeT++
Предоставление услуг связи осуществляется с использованием активного и пассивного ТКО и СВТ, являющихся ресурсами МССС, теоретико-множественные модели которых рассмотрены в [13].
Для моделирования процессов предоставления услуги передачи данных целесообразно использовать метод имитационного моделирования, достоинствами которого является возможность учета основных факторов, определяющих время предоставления услуги в МССС, возможность получения экспериментальных данных о загрузке каждого элемента модели ресурсов МССС и комплексный учет большинства процессов МССС, происходящих при предоставлении услуг [13].
Вместе с тем, имитационное моделирование имеет ряд недостатков, основными из которых являются трудоемкость разработки модели и достаточно существенные временные затраты на проведение серий экспериментов [13]. Влияние перечисленных недостатков компенсируется использованием высокопроизводительных СВТ, а также программных систем имитационного моделирования и (или) алгоритмических языков программирования высокого уровня, одной из которых является используемая далее среда моделирования дискретных событий OMNeT++ [14]. Процесс и результаты выбора среды имитационного моделирования требуют отдельного сравнительного исследования, например, для программных продуктов, приведенных в [15], и выходят за рамки данной работы. Достоинствами системы OMNeT++ являются открытый исходный код, свободное распространение, реализация моделей на алгоритмическом языке программирования высокого уровня C++ и на дескриптивном языке описания топологии сети NEtwork Description (NED), наличие графических интерфейсов разработчика и пользователя, широкий диапазон применений, в том числе в телекоммуникационной отрасли ввиду наличия специализированного модуля INET для моделирования процессов функционирования сетей связи различных технологий и протоколов, подробная документация, приведенная в [14, 16, 17]. К плюсам надо отнести также регулярные выпуски обновлений.
Для моделирования услуги передачи данных в МССС в системе имитационного моделирования OMNeT++ сформирована структурная модель МССС, учитывающая особенности предоставления услуги передачи данных, выявленные ранее при натурном моделировании (см. рис.4).
Моделирование процессов предоставления услуги передачи данных с использованием модуля INET системы имитационного моделирования OMNeT++, соответствующих рассмотренной ранее натурной модели, реализовано в виде кода имитационной модели, описывающего передачу данных от сервера:

**.server.numApps = 1
**.server.app[*].typename = "TcpSessionApp"
**.server.app[*].sendBytes = 1GiB
**.server.app[*].active = true
**.server.app[*].localPort = 80
**.server.app[*].connectAddress = "client"
**.server.app[*].connectPort = 10020
**.server.app[*].tOpen = 0s
**.server.app[*].tSend = 0s
**.server.app[*].tClose = 0s
**.server.app[*].sendScript = ""

к клиенту:

**.client.numApps = 1
**.client.app[*].typename = "TcpSinkApp"
**.client.app[*].localPort = 10020
**.client.numPcapRecorders = 1
**.client.pcapRecorder[*].pcapFile = "results/client.pcap"

с использованием связей между сервером, ТКО и клиентом:
types:
channel ethernet extends DatarateChannel
{ datarate = 1Gbps; } // 100Mbps;

connections:
server.ethg[0] <--> ethernet <--> switch.ethg[0];
switch.ethg[1] <--> ethernet <--> client.ethg[0];

В имитационной модели, показанной на рис.4, все порты ТКО и СВТ обладают пропускной способностью только 1 Гбит/с или только 100 Мбит/с. МССС предоставляет только одну услугу передачи данных и, в терминах [1], осуществляется моделирование предоставления только одного экземпляра услуги. Результаты имитационного моделирования приведены на рис.5 и 6.
Исходя из сравнительного анализа рис.2 и 5, а также рис.3 и 6, можно сделать вывод о соответствии результатов, полученных в натурной модели, и с использованием системы имитационного моделирования OMNeT++. При этом максимальный модуль разности полученных из дампов информационного обмена точечных значений фактической и модельной максимальной установившейся скорости передачи данных по отношению к фактической максимальной установившейся скорости передачи данных составляет порядка 4,8 %, а максимальная разница в значениях фактического и модельного времени передачи данных по отношению к фактическому времени передачи данных – порядка 5,9%.
На основе полученных результатов можно сделать вывод о соответствии значений основных параметров натурной и имитационной модели процессам, протекающим в МССС при предоставлении услуги передачи данных с верхней оценкой точности результатов ± 6%. Незначительные отклонения в результатах обусловлены особенностями программной реализации алгоритмов среды имитационного моделирования, а также трудно устанавливаемыми зависимостями в сложных динамических процессах функционирования множества протоколов, используемых при передаче данных в МССС.
Заключение
Для повышения адекватности и достоверности модели услуги передачи данных МССС при оценке результатов моделирования следует выполнять контроль соответствия получаемых количественных значений основных характеристик услуги значениям, приведенным в [3], таких как среднее значение, максимальное значение и дисперсия с использованием подхода, изложенного, например в [18]. Контроль соответствия значений основных характеристик услуг следует выполнять с учетом как суммарной загрузки МССС, так и загрузки отдельных соответствующих составляющих ее элементов ТКО и СВТ.
В случае предоставления двух и более одинаковых или различных услуг, а также в случае различного времени начала предоставления этих услуг максимальные различия точечных значений соответствующих фактического и модельного дампов трафика могут весьма существенно различаться в связи с тем, что при фактическом предоставлении услуг осуществляется динамическая работа протокольных механизмов управления потоками передачи данных, таких как TCP Window Size, TCP Window Scale Option и др. [19]. Детальный и полный учет различных аспектов и особенностей работы протокольных механизмов управления потоками передачи данных при моделировании МССС нецелесообразен, поскольку приведет к утрате состава отношения "быть моделью", то есть упрощенным отображением оригинала.
Предлагаемая имитационная модель услуги передачи данных может быть использована для оценки качества предоставления этой услуги в МССС при многофакторном вычислительном эксперименте, поскольку обладает достаточной точностью получаемых значений.
В соответствии с предлагаемым в настоящей статье подходом целесообразно формирование имитационных моделей для ранее рассмотренных в [3] теоретико-множественных моделей услуг МССС, а также для новых услуг 6G по мере их появления в МССС.
ЛИТЕРАТУРА
ГОСТ Р 53633.25-2019. Расширенная схема деятельности организации связи (eTOM). Управление и эксплуатация услуг. Начисление стоимости по услугам и экземплярам услуг. М.: Стандартинформ, 2019. 8 c.
Tataria H., Shafi M., Molisch A.F., Dohler M., Sjöland H., Tufvesson F. 6G Wireless Systems: Vision, Requirements, Challenges, Insights, and Opportunities [Электронный ресурс]. URL: https://ieeexplore.ieee.org/ielaam/5/9460558/9390169-aam.pdf (дата обращения: 19.12.2023).
Журавель Е.П. Модели услуг мультисервисной сети связи // Технологии и средства связи. 2016. № 5. С. 41−46.
ГОСТ Р 53632-2009. Показатели качества услуг доступа в Интернет. Общие требования. М.: Стандартинформ, 2011. 16 c.
Указ Президента РФ от 01.05.2022 № 250 "О дополнительных мерах по обеспечению информационной безопасности Российской Федерации".
Приказ Министерства цифрового развития, связи и массовых коммуникаций России от 31.05.2023 № 496 "Об утверждении Перечня участников эксперимента по предоставлению права использования программ для электронных вычислительных машин, алгоритмов, баз данных и документации к ним, в том числе исключительное право на которые принадлежит Российской Федерации, на условиях открытой лицензии и созданию условий для использования открытого программного обеспечения".
Единый реестр российских программ для электронных вычислительных машин и баз данных [Электронный ресурс]. URL: https://reestr.digital.gov.ru/reestr (дата обращения: 16.01.2024).
ngx_http_autoindex_module [Электронный ресурс]. URL: https://nginx.org/ru/docs/http/ngx_http_autoindex_module.html (дата обращения: 18.01.2024).
Sandlund K., Pelletier G., Jonsson L-E. Request of comments No. 5795. The Robust Header Compression Framework [Электронный ресурс]. URL: https://www.rfc-editor.org/rfc/rfc 5795.txt (дата обращения: 19.01.2024).
ГОСТ 8.417-2002. Государственная система обеспечения единства измерений. Единицы величин. М.: Стандартинформ, 2002. 28 c.
Центр по лицензированию, сертификации и защите государственной тайны. Выписка из перечня средств защиты информации, сертифицированных Федеральной службой безопасности России [Электронный ресурс]. URL: http://clsz.fsb.ru/files/download/svedeniya_po_sertifikatam_100124.doc (дата обращения: 20.01.2024).
Бобровский В.И. и др. Расширенное администрирование сетевой операционной системы GNU/Linux. Администрирование сетевых служб: учебное пособие. СПб: СПбГУ. Т. 2022. 111 c.
Журавель Е.П. Модели ресурсов мультисервисной сети связи // Технологии и средства связи. 2017. № 2/3. С. 23−29.
OMNeT++ Discrete Event Simulator: [Электронный ресурс]. URL: https://omnetpp.org (дата обращения: 23.01.2024).
Некоммерческое партнерство Национальное общество имитационного моделирования. Программные продукты имитационного моделирования [Электронный ресурс]. URL: http://simulation.su/static/ru-soft.html (дата обращения: 31.01.2024).
Chamberlain T. Learning OMNet++. Packt Publishing Ltd., 2013. 91 p.
Virdis A., Kirsche M. Recent Advances in Network Simulation. The OMNeT++ Environment and its Ecosystem. Springer, 2019. 472 p.
Журавель Е.П., Копчак Я.М., Осадчий А.И., Паращук И.Б., Хасан Талал Мухсин. Устройство для параметрической оценки закона распределения потоков сообщений. Патент на изобретение № 2281548 от 14.12.2004.
Southwick P., Marschke D., Reynolds H. Junos enterprise routing. 2rd edition. Sebastopol (CA, USA): O’Reilly, 2011. 768 p.
 
 Отзывы читателей
Разработка: студия Green Art