42
Сигнализация должна быть промаркирована как CS3, в соответствии с
"Базовыми Основами QoS" (во время миграции можно использовать
AF31).
Потери пакетов в магистралях спроектированных для предоставления
VoIP сервиса высокого качества не должны превышать 0.25 процентов.
Односторонняя задержка не должна превышать 150ms, в соответствии
со International Telecommunication Union (ITU) G.114.
Колебания задержки (jitter) должны быть менее 10 мсек.
Максимальный jitter должен быть менее чем бюджет по задержке в сети
минус минимальная сетевая задержка.
Это типовое значение колебания задержки для VoIP обусловлено
бюджетом по задержке, так называемым mouth-to-ear, в 100 мсек. (Это
достаточно консервативный бюджет по сравнению с G.114, в котором
рекомендуется jitter менее 150 мсек). Из этого значения мы вычитаем
время распространения по магистрали (30 мсек) и задержку кодека (35
мсек), что дает нам бюджет для jitter в 35 мсек. Эти 35 мсек разбиваются
на 30 мсек на доступе (15 мсек вход/выход) и 5 мсек на магистрали. То
есть в худшем варианте, для адаптивных jitter-буферов, колебания
задержки должны быть менее 10 мсек.
Для каждого разговора (в зависимости от частоты квантирования,
кодека и заголовка второго уровня) требуется 21-106 kbps
гарантированной приоритетной полосы пропускания.
Для трафика сигнализации требуется 150 bps (плюс заголовок второго
уровня) гарантированной полосы пропускания.
На качество голосовой связи напрямую влияют все три фактора качества
QoS: потери пакетов, задержка и вариации задержки.
Потери пакетов вызывают кратковременные пробелы в разговоре.
Стандартные алгоритмы кодирования используемые в Cisco Digital Signal
Processor (DSP) с помощью алгоритмов маскирования могут восстановить
43
потери до 30 мсек. Таким образом, потери двух и более последовательных 20
мсек сэмплов приведут к заметной деградации качества голоса. Предположив
случайное распределение сбросов пакетов в одном речевом потоке, сброс 1-го
процента в голосовом потоке привела бы в среднем к потери, которую нельзя
было бы восстановить каждые 3 минуты. Аналогично, уровень сброса 0,25
процента привел бы в среднем к потери, которую нельзя было бы восстановить
каждые 53 минуты.
Задержка более 200 мсек может вызвать деградацию качества голосовой
связи. Если общая задержка в канале становится слишком большой, разговор по
телефону начинает напоминать переговоры по спутниковому каналу связи или
по симплексному радиоканалу. В стандарте Международного Союза
Электросвязи для технологии VoIP (G.114) говорится, что задержка величиной
в 150 мсек в одном направлении является приемлемой для качество голосовой
связи. Было продемонстрировано, что разница в качестве голоса между сетями
с задержкой в 150 мсек и 200 мсек является незначительной и практически
незаметной для пользователя. Cisco рекомендует ориентироваться на ITU
стандарт 150 мсек, но если существуют ограничения не позволяющие добиться
такого бюджета, то размер задержки может быть увеличен до 200 мсек без
значительной деградации качества связи.
Что же касается колебаний задержки, то для их выравнивания в
устройствах Cisco для IP-телефонии используются адаптивные буферы. Однако
они могут компенсировать колебания задержки лишь в пределах от 20 до 50
мсек. При централизованной обработке вызовов IP-телефоны используют
контрольные каналы TCP для связи с Cisco CallManager. Если эти весьма
небольшие каналы не получат достаточной полосы пропускания, качество
обслуживания абонентов будет ухудшаться. Давайте для примера рассмотрим
время, которое проходит с момента поднятия трубки до момента, когда абонент
слышит гудок. Когда абонент поднимает трубку IP-телефона, телефон
"спрашивает" CallManager, что делать дальше. CallManager, в свою очередь,
44
говорит IP-телефону, чтобы тот начал воспроизведение гудка в поднятой
трубке. Если контрольный трафик будет потерян или задержан в сети,
пользователь не услышит гудка и решит, что телефон не работает. Та же логика
применима к любому сигнальному трафику, которым обмениваются шлюзы и
телефоны.
При настройке интерактивного видео (видео конференций)
рекомендуется следующее:
Интерактивный видео трафик, в соответствии с "Базовыми основами
QoS", должен быть промаркирован AF41.
Потери должны быть не более одного процента.
Однонаправленная задержка должна быть не более 150 мсек.
Колебания задержки должны быть не более 30 мсек.
Минимально гарантированная полоса пропускания (LLQ) должна быть
равна размеру сессии видео конференции плюс 20 процентов. (Например,
сессия видео конференции в 384 kbps требует настройки 460 kbps полосы
трафика гарантированного приоритета.)
Так как видео конференция включает аудио кодек G.711 для речи, то у
нее и соответствующие голосовому трафику требования к потерям, задержке и
колебаниям задержки. Однако трафик видео конференции радикально
отличается от трафика голоса. Например, трафик видео конференций
использует переменные размеры пакетов и переменные скорости передачи
пакетов. Скорость видео конференции - это скорость сэмплирования видео
потока, но не реальная полоса пропускания, которую требует видео вызов.
Иными словами, полезная нагрузка пакетов видео конференции заполняется
384 kbps потока видео сэмплов. IP, UDP и RTP заголовки (40 байт на пакет)
должны быть дополнительно включены в требования по полосе пропускания
(также как и заголовки второго уровня). Так как используются переменные
размеры пакетов и скорости генерации пакетов, то достаточно трудно точно
подсчитать абсолютное значение накладных расходов. Тестирование, однако,
45
показало, что для расчета можно использовать скорость видео конференции
плюс 20 процентов. Замечание: Алгоритм LLQ Cisco по умолчанию
поддерживает всплески до 200 мсек трафика. Тестирование показало, что этой
настройки достаточно для видео конференций. Для поддержки большего
количества потоков можно по потребности увеличить этот параметр.
Тестирование качества обслуживания QoS
Для измерения базовой производительности и доли потерянных пакетов
использовались карты 1600/1600T компании Ixia и SmartBits 2000 и 6000B
фирмы Spirent. Каждая из них была настроена на дуплексную передачу кадров
Ethernet (размером от 64 до 1518 байт) со скоростью 100 Мбит/с. Плата
SmartBits 2000 применялась также для имитации атаки DoS, во время которой в
сеть поступало огромное число пакетов ICMP и UDP.
Для генерации Web-трафика использовались продукты IxWeb фирмы Ixia
и WebAvalanche компании Caw Networks. Они выдавали HTTP-запросы к Web-
серверу Apache, инсталлированному на одном из серверов под Linux в
головном офисе. Мы интересовались параметрами функционирования сети до и
после атаки типа DoS, которая оказывала влияние на скорость обработки HTTP-
запросов. Результаты сравнивались с аналогичными данными, полученными до
и после активизации правил QoS.
Последующие тесты включали в себя создание перегрузки в «облаке»
frame relay при помощи нескольких типичных приложений, например загрузки
Web-страниц, передачи файлов по протоколу FTP и Windows-файлов, а также
транспортировки трафика между одноранговыми узлами с использованием
Kazaa. Степень перегрузки была настолько высокой, что приложения VoIP и
видеоконференц-связи по стандарту H.323 просто не могли передать трафик в
сеть филиала по каналу T1. Качество воспроизведения голоса и видео до и
после активизации правил оценивались субъективно. Распределение сетевых
ресурсов между отдельными потоками в сети TCP анализировалось с помощью
46
приложения Iperf.
В ЕВСПД ПАО «Газпром» реализована модель приоритетных очередей с
маркировкой трафика. На данный момент времени такая модель (Тип –
Приоритетных очередей - Priority Queueing) успешно справляется с задачей
сохранения важнейшего типа трафика по сравнению с моделью (Доставка по
возможности - «Best Effort»). Возможно в будущем, когда доля
мультимедийного трафика вырастет еще больше, потребуется ввести
приоритеты непосредственно на него. Т.е. возникнет необходимость внедрения
другой, более гибкой модели управления очередями с другой сеткой
приоритетов. На данный момент времени потребность в этом отсутствует.
В главе 2, мы в качестве примера рассмотрели корпоративную Единую
ведомственную сеть передачи данных ПАО «Газпром» (ЕВСПД). Кратко
рассказали об истории ее создания, развития, структуре и функциональных
особенностях.
Также были рассмотрены возможности применении в рамках ЕВСПД
технологии QoS (Quality of Service) позволяющей присвоить
специализированному трафику более высокий приоритет в сети и тем самым
защитить его от потерь, искажений и запаздываний, путем организации
приоритетных очередей.
47
ГЛАВА 3. АНАЛИЗ СЕТЕВОЙ СТРУКТУРЫ И СПОСОБЫ
ПОВЫШЕНИЯ ОТКЗОУСТОЙЧИВОСТИ СЕТИ
3.1. Выбор системы мониторинга сети
Постоянный контроль за работой локальной сети, составляющей основу
любой корпоративной сети, необходим для поддержания ее в работоспособном
состоянии. Контроль — это необходимый первый этап, который должен
выполняться при управлении сетью. Ввиду важности этой функции ее часто
отделяют от других функций систем управления и реализуют специальными
средствами. Такое разделение функций контроля и собственно управления
полезно для небольших и средних сетей, для которых установка
интегрированной системы управления экономически нецелесообразна.
Использование автономных средств контроля помогает администратору сети
выявить проблемные участки и устройства сети, а их отключение или
реконфигурацию он может выполнять в этом случае вручную. Процесс
контроля работы сети обычно делят на два этапа — мониторинг и анализ.
На этапе мониторинга выполняется более простая процедура —
процедура сбора первичных данных о работе сети: статистики о количестве
циркулирующих в сети кадров и пакетов различных протоколов, состоянии
портов концентраторов, коммутаторов и маршрутизаторов и т. п.
Далее выполняется этап анализа, под которым понимается более сложный
и интеллектуальный процесс осмысления собранной на этапе мониторинга
информации, сопоставления ее с данными, полученными ранее, и выработки
предположений о возможных причинах замедленной или ненадежной работы
сети.
Задачи мониторинга решаются программными и аппаратными
измерителями, тестерами, сетевыми анализаторами, встроенными средствами
мониторинга коммуникационных устройств, а также агентами систем
управления. Задача анализа требует более активного участия человека и
использования таких сложных средств, как экспертные системы,
48
аккумулирующие практический опыт многих сетевых специалистов.
Классификация средств мониторинга и анализа
Все многообразие средств, применяемых для анализа и диагностики
вычислительных сетей, можно разделить на несколько крупных классов.
Агенты систем управления, поддерживающие функции одной из
стандартных MIB (MIB (Management Information Base) — база данных
информации управления, используемая в процессе управления сетью в качестве
модели управляемого объекта в архитектуре агент-менеджер) и поставляющие
информацию по протоколу SNMP или CMIP. Для получения данных от агентов
обычно требуется наличие системы управления, собирающей данные от агентов
в автоматическом режиме.
Встроенные системы диагностики и управления (Embedded
systems). Эти системы выполняются в виде программно-аппаратных модулей,
устанавливаемых в коммуникационное оборудование, а также в виде
программных модулей, встроенных в операционные системы. Они выполняют
функции диагностики и управления только одним устройством, и в этом их
основное отличие от централизованных систем управления. Примером средств
этого класса может служить модуль управления многосегментным
повторителем Ethernet, реализующий функции автосегментации портов при
обнаружении неисправностей, приписывания портов внутренним сегментам
повторителя и некоторые другие. Как правило, встроенные модули управления
«по совместительству» выполняют роль SNMP-агентов, поставляющих данные
о состоянии устройства для систем управления.
Анализаторы протоколов (Protocol analyzers). Представляют собой
программные или аппаратно-программные системы, которые ограничиваются в
отличие от систем управления лишь функциями мониторинга и анализа
трафика в сетях. Хороший анализатор протоколов может захватывать и
декодировать пакеты большого количества протоколов, применяемых в сетях,
— обычно несколько десятков. Анализаторы протоколов позволяют установить
49
некоторые логические условия для захвата отдельных пакетов и выполняют
полное декодирование захваченных пакетов, то есть показывают в удобной для
специалиста форме вложенность пакетов протоколов разных уровней друг в
друга с расшифровкой содержания отдельных полей каждого пакета.
Экспертные системы. Этот вид систем аккумулирует знания
технических специалистов о выявлении причин аномальной работы сетей и
возможных способах приведения сети в работоспособное состояние.
Экспертные системы часто реализуются в виде отдельных подсистем
различных средств мониторинга и анализа сетей: систем управления сетями,
анализаторов протоколов, сетевых анализаторов. Простейшим вариантом
экспертной системы является контекстно-зависимая система помощи. Более
сложные экспертные системы представляют собой, так называемые базы
знаний, обладающие элементами искусственного интеллекта. Примерами таких
систем являются экспертные системы, встроенные в систему управления
Spectrum компании Cabletron и анализатора протоколов Sniffer компании
Network General. Работа экспертных систем состоит в анализе большого числа
событий для выдачи пользователю краткого диагноза о причине неисправности
сети.
Анализаторы протоколов
Анализатор протоколов представляет собой либо специализированное
устройство, либо персональный компьютер, обычно переносной, класса
Notebook, оснащенный специальной сетевой картой и соответствующим
программным обеспечением.
Применяемые сетевая карта и программное обеспечение должны
соответствовать технологии сети (Ethernet, Token Ring, FDDI, Fast Ethernet).
Анализатор подключается к сети точно так же, как и обычный узел. Отличие
состоит в том, что анализатор может принимать все пакеты данных,
передаваемые по сети, в то время как обычная станция — только адресованные
ей. Для этого сетевой адаптер анализатора протоколов переводится в режим
50
«беспорядочного» захвата —promiscuousmode.
Анализаторы протоколов имеют некоторые общие свойства.
Возможность (кроме захвата пакетов) измерения
среднестатистических показателей трафика в сегменте локальной сети, в
котором установлен сетевой адаптер анализатора.
Обычно измеряется коэффициент использования сегмента, матрицы
перекрестного трафика узлов, количество хороших и плохих кадров,
прошедших через сегмент.
Возможность работы с несколькими агентами, поставляющими
захваченные пакеты из разных сегментов локальной сети. Эти агенты чаще
всего взаимодействуют с анализатором протоколов по собственному протоколу
прикладного уровня, отличному от SNMP или CMIP.
Наличие развитого графического интерфейса, позволяющего
представить результаты декодирования пакетов с разной степенью
детализации.
Фильтрация захватываемых и отображаемых пакетов. Условия
фильтрации задаются в зависимости от значения адресов назначения и
источника, типа протокола или значения определенных полей пакета. Пакет
либо игнорируется, либо записывается в буфер захвата. Использование
фильтров значительно ускоряет и упрощает анализ, так как исключает захват
или просмотр ненужных в данный момент пакетов.
Использование триггеров. Триггеры — это задаваемые
администратором некоторые условия начала и прекращения процесса захвата
данных из сети. Такими условиями могут быть: время суток,
продолжительность процесса захвата, появление определенных значений в
кадрах данных. Триггеры могут использоваться совместно с фильтрами,
позволяя более детально и тонко проводить анализ, а также продуктивнее
расходовать ограниченный объем буфера захвата.
51
Многоканальность. Некоторые анализаторы протоколов позволяют
проводить одновременную запись пакетов от нескольких сетевых адаптеров,
что удобно для сопоставления процессов, происходящих в разных сегментах
сети.
Возможности анализа проблем сети на физическом уровне у анализаторов
протоколов минимальные, поскольку всю информацию они получают от
стандартных сетевых адаптеров.
Поэтому они передают и обобщают информацию физического уровня,
которую сообщает им сетевой адаптер, а она во многом зависит от типа
сетевого адаптера.
Некоторые сетевые адаптеры сообщают более детальные данные об
ошибках кадров и интенсивности коллизий в сегменте, а некоторые вообще не
передают такую информацию верхним уровням протоколов, на которых
работает анализатор протоколов.
Сетевые анализаторы
Сетевые анализаторы представляют собой эталонные измерительные
приборы для диагностики и сертификации кабелей и кабельных систем. Они
могут с высокой точностью измерить все электрические параметры кабельных
систем, а также работают на более высоких уровнях стека протоколов. Сетевые
анализаторы генерируют синусоидальные сигналы в широком диапазоне
частот, что позволяет измерять на приемной паре амплитудно-частотную
характеристику и перекрестные наводки, затухание и суммарное затухание.
Сетевой анализатор представляет собой лабораторный прибор больших
размеров, достаточно сложный в обращении.
Многие производители дополняют сетевые анализаторы функциями
статистического анализа трафика — коэффициента использования сегмента,
уровня широковещательного трафика, процента ошибочных кадров, а также
функциями анализатора протоколов, которые обеспечивают захват пакетов