Лабораторная среда для анализа работы протокола X11

Особенностью графической оконной системы X Windows является клиент-серверная архитектура, использующая для взаимодействия сетевой протокол X11. Как следствие удачно реализованной архитектуры появляется возможность запуска приложений локально на терминале клиента, так и удаленно на сервере с выводом графической информации на дисплей терминала удаленного клиента.

Однако различные варианты используемого на сервере программного обеспечения требуют различных условий по пропускной способности сети, в которой планируется использование клиентских терминалов. На текущий момент нет готовых решений, предназначенных для анализа протокола X11. В связи с этим в данной статье описан метод построения сетевой среды для анализа работы протокола X11 с целью дальнейшего изучения его работы.

Оконная система X Windows использует протокол X11 для взаимодействия графичеcкого X сервера c X клиентами. В основе алгоритма работы лежит множественный контроль этапов работы (см. рис.1).

Анализ работы протокола X11

Для сбора статистических данных была разработана лабораторная среда (рис.2):

• -    настроены виртуальные машины клиента и сервера на базе ОС GNU/Linux;

• -    установлен и настроен шлюз между клиентом и сервером (по технологии WANem);

• -    настроена система X Windows для передачи проходящего между клиентом и сервером трафика;

  - настроена система регистрации событий (170 видов) в журнал для дальнейшего анализа.

Рис.1 Пример взаимодействия клиента и сервера

Шлюз WANem используется для контроля пропускной способности сетевого подключения между клиентом и сервером.

Для качественного анализа работы протокола X11 необходима соответствующая среда, включающая в себя:

• -    виртуальную машину – сервер, с установленным оконным пакетом X Windows;

• -    виртуальную машину – клиент, с установленным оконным пакетом X Windows;

• -    виртуальную машину – шлюз, с установленным программным пакетом WANem;

• -    настроенный трассировщик пакетов на виртуальной машине клиента.

Наиболее ответственным участком лабораторной среды является трассировщик пакетов, в задачу которого входит разделение сетевого трафика на дискретные пакеты или сообщения с последующим анализом частоты появления конкретных типов сообщения и расчет суммарного объема передаваемых данных.

Рис. 2 Взаимодействие X клиента с X сервером

В модельной среде регистрировались следующие виды пакетов, посылаемых через сеть асинхронно:

• -    запрос (Request): посылается клиентом серверу для инициализации сервера на выполнение какого-либо действия, например создания окна, кнопки на форме;

• -    отклик (Reply): ответ сервера на запрос, возвращает клиенту данные, сформированные по его запросу;

• -    событие (Event): уведомление клиента о каком-либо событии на стороне сервера. Данное событие может быть результатом предыдущего запроса или таких действий, как нажатие на клавишу, мышку;

• -    сообщения об ошибках (Error): уведомление клиенту в случае возникновения ошибки на стороне сервера.

В журнале регистрировались запросы как CreateWindow, PutImage, GetImage, PolyLine и ImageText8 и т.д., контролировались важные события, такие как ButtonPress (нажатие на кнопку мыши), MotionNotify (перемещение курсора мыши). Некоторые запросы оконной системы X Windows не имели откликов, например связанные с перемещением мыши. Такие события группировались и посылались единым потоком.

Особенностью работы X клиента является взаимодействие с X сервером по протоколу TCP/ IP в асинхронном режиме. В связи с этим в системе регистрации была реализована многопоточная запись. В целях минимизации влияния жесткого диска на сбор сетевых данных разработанная программа мониторинга протокола Х11 записывала минимально необходимые сведения о проходящих сетевых пакетах в лог-файл. Запись каждого пакета сопровождалась штампом времени с точностью до 1 мс. Трассировщик, записывающий информацию обо всех пакетах, работал с заданным приоритетом –20 (nice –20) во избежание потери пакетов.

Формат записываемых в лог-файл пакетов содержит следующие данные:

• -    последовательный номер пакета;

• -    размер окна;

• -    длину пакета.

Этих данных достаточно для определения состояния соединения (активно или разорвано) в конкретный момент времени. Каждый пакет включает информацию о типе сообщения – запрос, событие или ошибка.

Построенная лабораторная среда позволяет проводить детальный анализ протокола Х11 по последовательности пакетов.

На рис. 3 приведен один из образцов пересылаемых пакетов между Х сервером и Х клиентом:

• 1)    время отправки пакета;

• 2)    порядковый номер клиент;

• 3)    тип записи (запрос, отклик, событие);

• 4)    количество байт в пакете;

• 5)    последовательность;

• 6)    длина пакета;

• 7)    маркер (функция);

• 8)    запрос;

• 9)    номер окна.

о	© ©	О	0	©	0		©
1049594552.000399459	1 Send	1448	353024	1448	1	20364	23808

Рис. 3 Формат сетевого пакета Х11

Анализ проходящих пакетов дает представление о формате протокола и активности проходящих в оконной системой X операций. Проанализировав некоторый объем собранной в результате мониторинга работы протокола X11 информации, можно сделать следующий вывод. Система X Windows использует пять основных категорий сообщений:

• -    геометрия: данный вид передает информацию о геометрических объектах – линия, полигон и их координаты в метрической системе;

• -    картинки, включая перемещения курсора на экране (используемые функции X_PutImage, X_GetImage и др.);

• -    ввод: к этой категории относятся события – нажатие клавиш клавиатуры и мыши;

• -    текст: к данной категории относятся все сообщения, содержащие текстовые данные, которые, как правило, помимо текста, также содержат информацию о положении курсора;

• -    окна: этот вид сообщений включает информацию о типе, цвете, координатах, отображаемых системой X Windows окнах.

Анализ протокола X11, помимо разделения сообщений на категории, сводится к исследованиям в следующих направлениях:

• -    относительная важность сообщения для стабильной работы системы X Windows;

• -    изменение активности передачи конкретных типов сообщений в течение работы приложения системы X Windows;

• -    использование коротких последовательностей сообщений, отражающих высокоуровневую работу приложений;

• -    зависимость размера служебной информации от типа сообщения и их группировка по типу.

Заключение

Построение лабораторной среды имеет строгую зависимость от поставленной перед иссле- дователями задачи. В данной статье рассмотрена лабораторная среда, построенная с целью исследования внутреннего устройства и работы графического протокола X11.

Основной целью исследования является разработка алгоритма эффективного сжатия протокола X11, который позволит комфортно использовать протокол в сетях с низкой пропускной способностью и высокой латентностью.