Влияние размера TCP-окна на распределение интервалов между пакетами трафика в программно-конфигурируемых сетях SDN

Концепция ПКС (программно-конфигурируе-мая сеть) заключается в разделении плоскостей данных и управления. ПКС ориентирована на взаимодействие с пользователем через открытый API. Управление данными передается контроллеру. Это позволяет упростить коммутаторы, сняв с них вычислительную нагрузку. Пересылка паке- тов осуществляется по таблице маршрутизации, получаемой с контроллера, которая создается не для конкретного пакета, а для типа пакетов – потока [1]. Таким образом, ПКС видится как решение проблем сетей с оборудованием разных производителей, когда конфигурирование сети затруднено специфичностью оборудования и разным подходом к управлению.

Протокол OpenFlow [2] на данный момент является популярным решением для построения ПКС. Но, к сожалению, его недостаточно своевременная поддержка со стороны производителей не позволяет в полной мере использовать все функции по управлению сетью.

TCP-окно

В рамках соединения правильность передачи каждого сегмента должна подтверждаться квитанцией получателя. Квитирование – это один из традиционных методов обеспечения надежной связи. Для того чтобы можно было организовать повторную передачу искаженных данных, отправитель нумерует отправляемые единицы передаваемых данных (далее кадры). Для каждого кадра отправитель ожидает от приемника так называемую положительную квитанцию – служебное сообщение, извещающее о том, что исходный кадр был получен и данные в нем оказались корректными. Время этого ожидания ограничено – при отправке каждого кадра передатчик запускает таймер, и если по его истечении положительная квитанция на получена, то кадр считается утерянным.

Для повышения нагрузки на канал связи источнику разрешается передать некоторое количество кадров в непрерывном режиме, то есть в максимально возможном для источника темпе, без получения на эти кадры ответных квитанций. Количество кадров, которые разрешается передавать таким образом, называется размером TCP окна [3].

Определение числовых характеристик временных интервалов

С использованием известных формул математической статистики определяются моментные характеристики временных интервалов [4]. В работе использованы статистики до третьего порядка, которые позволяют судить о характере распределения интервалов. Например, коэффициент вариации показывает отличие трафика от пуассоновского потока и совместно с асимметрией позволяет судить о степени весомости хвостов распределений интервалов между пакетами [5-6].

Среднее значение интервала между соседни-

1 N ми пакетами равно T — лт-S^+l ^)’ где t^ N k=o

– моменты времени поступления пакетов; N – число анализируемых интервалов. Выборочная дисперсия равна Dt т где второй началь-

—  1 N ный моментг=УУ(^)2.

Коэффициент вариации C = o6/r, где oe =7^7; коэффициент асимметрии находится по формуле 4 =(t3 -3r t + 2t3>3r, где третий начальный момент k=0

Проведение эксперимента

Необходимо определить зависимость моментных характеристик временных интервалов от размера TCP-окна как с поддержкой протокола, так и без него. Для исследования поведения пакетов было решено собрать экспериментальный сегмент сети, показанный на рис. 1.

На серверах Node развернут виртуальный кластер из 12 узлов с помощью платформы OpenNebula [7], которая установлена на Server. OpenNebula – это платформа для организации управления cloud-инфраструктурой и виртуальными окружениями, которая позволяет организовать работу локальной облачной инфраструктуры, обеспечить работу гибридной схемы, комбинируя ресурсы локального дата-центра и внешних облачных провайдеров.

Физический кластер коммутируется гигабитным коммутатором HP 3500yl, который поддерживает протокол OpenFlow. Режимы настроек потоков реактивный (Reactive), когда коммутатор принимает поток, запись о котором отсутствует в таблице, он запрашивает контроллер о правилах обработки данного потока.

Рис. 1. Экспериментальный сегмент сети

Виртуальный кластер сети (см. рис. 2) состоит из контроллера POX (сетевая операционная система), программы tcpdump (для захвата трафика) и клиентов, которые генерируют трафик (см. рис. 3).

Трафик генерируется с помощью утилиты Iperf, установленной на узлах кластера. Iperf - кросс-платформенная консольная клиент-серверная программа – генератор TCP, UDP и SCTP трафика для тестирования пропускной способности сети.

Направление трафика

Прохождение трафика

Рис. 3. Структура трафика

На каждом из клиентов запускается утилита Iperf со следующими параметрами: f – формат вывода значений, t время генерации пакетов, m – выводить максимальный размер полезного блока данных (MSS) и максимальный размер кадра (MTU), p – порт, w – размер TCP-окна. Размер генерируемых TCP пакетов по умолчанию 1500 байт. Были выбраны следующие размеры TCP-окна: 8 КБ, 16 КБ, 32 КБ, 64 КБ, 128 КБ и 256 КБ. Трафик генерируется в направление tcpdump, на котором утилита Iperf запущена с параметром сервера [7-8].

Ниже представлен скрипт, который позволяет автоматизировать процесс запуска генерации:

IP=10.0.0.{15}

SERVER_IP=[ip-адрес сервера]

killall -9 iperf killall -9 tcpdump dat=`date +’%H-%M-%S’` contr=[ip-адрес контроллера] j=1;

done;

sleep 40

Результаты эксперимента

Для анализа результатов понадобится обработать файлы логов выполнения эксперимента. Файлы располагаются на серверах tcpdump. Для расчета моментных характеристик данные из лог-файлов были импортированы в MS Excel.

В таблице 1 представлены результаты шести экспериментов с разными значениями размера TCP-окна без поддержки протокола OpenFlow, где отображены найденные характеристики, такие как первый начальный момент, второй начальный момент, дисперсия, коэффициент вариации, асимметрия, количество дошедших пакетов, время эксперимента.

В таблице 2 представлены аналогичные результаты экспериментов с поддержкой протокола OpenFlow, где отображены найденные моментные характеристики временных интервалов.

Таблица 1. Влияние размера ТСР-окна на моментные характеристики интервала между пакетами трафика в ПКС

Размер ТСР-окна	8 КБ	16 КБ	32 КБ	64 КБ	128 КБ	256 КБ
Т	1,62-10"4	2,08-10"4	2,02-10"4	2,09-10"4	2,14-10"4	1,56-10"2
De	1,32-10"7	3,54-10"7	5,61-10"7	8,44-10"7	1,01-10"6	1,70-10"2
t2	1,58-10"7	3,97-10"7	6,02-10"7	8,88-10"7	1,05-10"6	1,73-10"2
с	2,25	2,86	3,70	4,40	4,70	8,35
4	3,99	5,08	6,82	8,13	13,9	22,4
t3	2,59-10"10	1,30-10"9	3,22-10"9	6,84-10"9	1,47-10"8	5,07-10"2
Число пакетов	208342	160638	169183	167767	169700	1238
Время моделирования	33,70	33,43	34,21	35,05	36,23	19,33

Таблица 2. Влияние размера TCP-окна на моментные характеристики интервала между пакетами трафика в ПКС

Размер ТСР-окна	8 КБ	16 КБ	32 КБ	64 КБ	128 КБ	256 КБ
Т	1,33-10"3	1,40-1О"3	1,45-10"3	1,66-10"3	1,77-10"3	1,87-10"3
De	3,08-10"6	4,91-10"6	6,26-10"6	8,58-10"6	1,47-10"5	2,00-10"5
t2	4,84-10"6	6,88-10"6	8,35-10"6	1,14-10"5	1,78-10"5	2,35-10"5
с	1,32	1,58	1,72	1,76	2,16	2,38
As	2,45	3,47	4,68	4,11	6,04	7,65
t3	2,79-10"8	6,13-Ю"8	1,0410"7	1,51-Ю'7	4,23-10"7	8,01-10"7
Число пакетов	27987	28084	30036	29989	34767	36957
Время моделирования	37,15	39,38	43,46	49,92	61,60	69,13

Полученные данные свидетельствуют о том, что анализируемый трафик сильно отличается от пуассоновского (коэффициент вариации c > 1), значение асимметрии 4 >^ говорит о том, что распределение интервалов между пакетами трафика относится к распределениям, похожим на гиперэкспоненциальное, и соответствует системам массового обслуживания (СМО) Н,/М/\ [4-5], Я₂/Я₂/1 [9]. Способы аппроксимации произвольных распределений гиперэкспоненциальным подробно рассмотрены в [10-11].

Заключение

В ходе проведения экспериментов были получены моментные характеристики интервалов между пакетами трафика в сетях SDN с протоколом OpenFlow и без. Для оценки показателей эффективности функционирования сети может быть использована система массового обслуживания Н2/М/1 с гиперэкспоненциальным распределением второго порядка входящего трафика. Значения всех числовых характеристик с увеличением размера TCP-окна увеличиваются в рассматриваемых случаях. Количество пакетов для эксперимента без протокола OpenFlow увеличивается на размерах TCP-окна от 8КБ до 128КБ, потом резко падает с 169700 до 1238 при размере окна 256КБ. В случае с поддержкой протокола этого не наблюдается и количество пакетов увеличивается.

Число пакетов, дошедших до адресата без протокола OpenFlow, на порядок больше, чем с поддержкой протокола OpenFlow. Это говорит о том, что дополнительную задержку в сеть вносит контроллер OpenFlow. Этот факт следует учитывать, особенно в случае высокой нагрузки на про-граммно-конфигурируемые сети. В нашем случае эксперименты проводились для случаев невысокой нагрузки на каналы.