Forgalmi méretezés, forgalom mérés és megbízhatósági analízis az IP hálózatban Konkoly Lászlóné PKI Fejlesztési Igazgatóság IP forgalmi és architektúrális tervezés osztály konkoly.laszlone@telekom.hu

Forgalmi méretezés Konkoly Lászlóné/ Forgalmi méretezés, forgalom mérés és megbízhatósági analízis az IP hálózatban 2009.05.19.

Forgalmi méretezés helye a hálózattervezésben Forgalom mérés a meglévő hálózaton Forgalom elemzés Forgalom prognózis Hálózati topológia, forgalomirányítási struktúra, hálózati redundancia, új funkciók, QoS tervezés stb Forgalmi méretezés H Á L Ó Z A T T E R V E Z É S A tervezett hálózat kialakításához szükséges tervezési feladatok Forgalomelmélet Szimulációs és egyéb tervező eszközök Hálózat menedzselés, hálózat üzemeltetés tervezés Valószínűségszámítás Sztochasztikus folyamatok Konkoly Lászlóné/ Forgalmi méretezés, forgalom mérés és megbízhatósági analízis az IP hálózatban 2009.05.19.

Forgalmi méretezés feladata és célja PROGNOSZTIZÁLT FORGALOM HÁLÓZAT ELEMEK mennyisége szervezése ELŐÍRT SZOLGÁLTATÁSI MINŐSÉG Szervezés: Topológia (pl.gyűrűs, szövevényes) Forgalomirányítás (pl. OSPF) Átviteltechnika (pl. optika, WDM ) Célja: gazdaságosság Kiindulási adatok: új szolgáltatások (üzleti, lakossági) előfizető darabszám előrejelzések (régi és új szolgáltatásokra) használat várható megváltozása (pl. uplink terhelés változása) meglévő hálózat képességei, eszközei tervezési elképzelések adatai Konkoly Lászlóné/ Forgalmi méretezés, forgalom mérés és megbízhatósági analízis az IP hálózatban 2009.05.19.

Méretezési feladatok a PSTN hálózatban Haránt áramkör tervezéshez: Erlang 1.(B) formulája (veszteséges rendszerekre, nagyszámú (végtelen) sok forrás, véletlen bemenet, exponenciális kiszolgálási idők,teljes elérhetőségű nyaláb) Erlang 2. formulája a várakozásos rendszerekre Engset képlet (véges számú források esetére) Kerülőutas áramkörök tervezése: ERT (Equivalent Random Theory) módszer M=∑Mi Mi=Ai* ENi(Ai) V=∑Vi Vi=Mi(1-Mi+Ai/(Ni+1+Mi-Ai)) Tandem központ T Második-választású nyaláb M1,V1 Előfizetők V/M > 1 A túlcsorduló forgalom már börsztös! Előfizetők C D1 Előfizetők Első választású (haránt) nyaláb D2 Előfizetők Helyi központ D3 Helyi központok Előfizetők Dn Konkoly Lászlóné/ Forgalmi méretezés, forgalom mérés és megbízhatósági analízis az IP hálózatban 2009.05.19.

Méretezési feladatok az ISDN hálózatban PSTN: 1-1 időrést igénylő telefon hívások 64 kbit/sec felhasználónként (homogén források) ISDN: 1 vagy több időrést igénylő szolgáltatások (telefon, videotelefon, adatátvitel, videokonferencia) n*64 kbit/sec felhasználónként n=1, 2, 6, 12, … (többféle forrás –szolgálat osztályok) Konkoly Lászlóné/ Forgalmi méretezés, forgalom mérés és megbízhatósági analízis az IP hálózatban 2009.05.19.

Többdimenziós Erlang képlet/1 Jelölések: N : áramkörnyaláb mérete M : szolgáltatás osztályok száma ai : i. szolgáltatás osztály felajánlott forgalma (hívásdarabszámban) di : sávszélesség faktor az i. osztályra (időrés darabszám) Állapotvalószínűségek számítása: Az i. forgalom osztályra vonatkozó torlódási valószínűség: Konkoly Lászlóné/ Forgalmi méretezés, forgalom mérés és megbízhatósági analízis az IP hálózatban 2009.05.19.

Többdimenziós Erlang képlet/2 a1=1→35 erlang d2=16 a2=64 erlang (időrés db egységben) Erlang B formula Többdimenziós Erlang képlet Erlang-B formula alábecsüli a torlódásokat a nagyobb sávszélességű hívások torlódása nagyobb lesz az 1 időrést használó hívások torlódási görbéje “hullámzó“ Megoldás: veszteségkiegyenlítő áramkör tartalékolás (pl. ha csak 16 időrés szabad, akkor nem engedünk be telefonhívásokat a rendszerbe) Konkoly Lászlóné/ Forgalmi méretezés, forgalom mérés és megbízhatósági analízis az IP hálózatban 2009.05.19.

A távbeszélő (áramkörkapcsolt) és IP (csomagkapcsolt) forgalom összehasonlítása Konkoly Lászlóné/ Forgalmi méretezés, forgalom mérés és megbízhatósági analízis az IP hálózatban 2009.05.19.

Az IP forgalom osztályozása – stream és elasztikus forgalom Konkoly Lászlóné/ Forgalmi méretezés, forgalom mérés és megbízhatósági analízis az IP hálózatban 2009.05.19.

A távbeszélő és IP forgalom tervezési módszertanának összehasonlítása [5] Konkoly Lászlóné/ Forgalmi méretezés, forgalom mérés és megbízhatósági analízis az IP hálózatban 2009.05.19.

Az IP hálózat felépítése IP maghálózat (core) 10GE PE(Provider Edge) Aggregáló hálózat n*GE, 10 GE Elérési hálózat 1- 8 Mbps Konkoly Lászlóné/ Forgalmi méretezés, forgalom mérés és megbízhatósági analízis az IP hálózatban 2009.05.19.

Egyszerűsített 3-play rendszertechnika 3-play: hang (VoIP=Voice over IP) adat (internet) videó (IPTV=TV+VoD) VoD=Video on Demand Konkoly Lászlóné/ Forgalmi méretezés, forgalom mérés és megbízhatósági analízis az IP hálózatban 2009.05.19.

IP méretezési feladatok Linkek méretezése (példák): 1. feladat: adott hozzáférési sebességű (adott (m, σ) forgalmú) ADSL felhasználóból mennyinek a forgalma aggregálható egy adott linken LAN IP maghálózat LAN Internet ? ISP1 ? ISP2 ISP3 Aggregáló hálózat LAN 2.feladat: adott (m, σ,H) forgalmi jellemzőjű LAN hálózatból mennyinek a forgalma aggregálható egy adott linken 3.feladat: Lehet-e sávszélesség nyereséget elérni (és mekkorát), ha nagyobb sávszélességű linkeket használunk a kisebbek helyett? Konkoly Lászlóné/ Forgalmi méretezés, forgalom mérés és megbízhatósági analízis az IP hálózatban 2009.05.19.

Csúcssebességre történő méretezés ?? Méretezési elvek/1: Csúcssebességre történő méretezés ?? Vigyázat! Pazarló a sávszélességgel ! Konkoly Lászlóné/ Forgalmi méretezés, forgalom mérés és megbízhatósági analízis az IP hálózatban 2009.05.19.

Átlagsebességre történő méretezés ?? Méretezési elvek/2: Átlagsebességre történő méretezés ?? Vigyázat! Nem biztonságos! Előfordulhatnak egybeeső forgalmi csúcsok! Következmény: csomagvesztés,nagy késleltetés (lassú letöltés, gyenge minőség) Konkoly Lászlóné/ Forgalmi méretezés, forgalom mérés és megbízhatósági analízis az IP hálózatban 2009.05.19.

Méretezési elvek/3: Konkoly Lászlóné/ Forgalmi méretezés, forgalom mérés és megbízhatósági analízis az IP hálózatban 2009.05.19.

Effektív (ekvivalens) sávszélesség fogalma: Méretezési elvek/4: Effektív (ekvivalens) sávszélesség fogalma: Adott C sebességű linken adott (m, σ, H) forgalom forrásnak ennyi sávszélességet „biztosítunk” (foglalunk le) az elvárt szolgáltatási minőség (ε) teljesüléséhez. Eeff = f (C, m, σ, H, ε) ε : követelmény pl. csomagvesztésre, késleltetésre n= C/ Eeff (C linken ennyi db felhasználó forgalma aggregálható) Konkoly Lászlóné/ Forgalmi méretezés, forgalom mérés és megbízhatósági analízis az IP hálózatban 2009.05.19.

Statisztikus multiplexálási módszerek Tároló nélküli multiplexálás (kis tároló kapacitás esetén alkalmazható) A kis puffer eleve biztosítja a kicsi késleltetést elve: aggregált forgalom kis valószínűséggel haladhatja meg a kapacitást célja: elvárt kis csomagvesztés legyen előnye: egyszerű módszerek méretezés nem függ a forgalom korrelációitól Tárolós multiplexálás (ha jelentős méretű puffer van az eszközökben) elve: a tárolóban ne haladjuk meg az előírt sorhosszat A maximális késleltetés a tároló méretével változtatható előnye: a tároló nélküli esetnél nagyobb multiplexálási nyereség hátránya: forgalmi jellemzőktől (korrelációktól) erősen függ, bonyolultabb méretezési eljárások szükségesek Konkoly Lászlóné/ Forgalmi méretezés, forgalom mérés és megbízhatósági analízis az IP hálózatban 2009.05.19.

Lindberger formula (Tidblom formula) [2, 6] Tároló nélküli multiplexálás d: ekvivalens sávszélesség m: a forgalom átlagértéke : a forgalom szórása C: a link sebessége d=1.2m+602 /C A képlet 10-9 veszteségi valószínűség (IP csomag vesztés) és kicsi (100-as nagyságrendű) puffer esetén érvényes. ON-OFF (Ki-Be-kapcsolású) forrásokra: 2=m*(h-m) d=1.2m+60m(h-m)/C h m Konkoly Lászlóné/ Forgalmi méretezés, forgalom mérés és megbízhatósági analízis az IP hálózatban 2009.05.19.

Tidblom képlet alkalmazása (Lindberger általánosítása) d=am[1+3y(1-m/h)] ha 3y   min(3,h/m) d=am[1+3y2(1-m/h)] ha 3 < 3y2   h/m d=ah egyébként, ahol y=(-2log Pveszteség)/(C/h) és a=1-(2log Pveszteség / 100) Effektív sávszélesség függése a linksebességtől Konkoly Lászlóné/ Forgalmi méretezés, forgalom mérés és megbízhatósági analízis az IP hálózatban 2009.05.19.

Effektív sávszélesség önhasonló forgalom források esetén [3,4] Tárolós multiplexálás esetére: Ilkka Norros formulája: c(m,a) = m + B -(1-H)/H (m*a) 1/(2H) H: Hurst paraméter (önhasonlósági mérce értéke: 0.5-1) κ(H) : HH(1-H)1-H m: források átlagos forgalma a: források forgalmának variációs együtthatója (σ2/m) B: tároló-helyek száma (puffer mérete) ε : csomagvesztés valószínűsége C linkre beengedhető források száma: C/c(m,a) Konkoly Lászlóné/ Forgalmi méretezés, forgalom mérés és megbízhatósági analízis az IP hálózatban 2009.05.19.

1 Gbps link terhelhetősége 10 Mbps csúcssebességű LAN forgalom folyamokkal puffer : 1.336 MByte Variációs együttható=90000 M=2.5Mbps Util=25% M=5Mbps Util=50% M=7.5Mbps Util=75% Kihasználtság: 73-89 % Konkoly Lászlóné/ Forgalmi méretezés, forgalom mérés és megbízhatósági analízis az IP hálózatban 2009.05.19.

Késleltetés alakulása az 1 Gb/s linkeken - M/M/1 modell Kérdés: a link meddig terhelhető Poisson forgalom mellett? M/M/1 modell: Várakozási sor Kiszolgáló Átlagos csomagméret: 1500 Byte Link sebesség: 1Gb/s Ténylegesen várakozó hívásokra: P(várakozási idő > t) =e –t(1-A)/s A: link kihasználtsága Átlagos kiszolgálási idő (s) az átlagos csomagméret és link sebesség függvénye: s = 1500 byte/1 Gb/s=0.012 msec Alkalmazhatóság: csak ha elég „sima” a forgalom! Konkoly Lászlóné/ Forgalmi méretezés, forgalom mérés és megbízhatósági analízis az IP hálózatban 2009.05.19.

Processzor osztásos sorbanállási modell bemutatása/1 Processzor osztásos sorbanállási modell bemutatása/1 (legegyszerűbb eset) TCP fairness modellezésére: végtelen sok forrás igazságosan (fair módon) osztozkodik az éppen rendelkezésre álló sávszélességen Konkoly Lászlóné/ Forgalmi méretezés, forgalom mérés és megbízhatósági analízis az IP hálózatban 2009.05.19.

Processzor osztásos sorbanállási modell bemutatása/2 Processzor osztásos sorbanállási modell bemutatása/2 [1] (legegyszerűbb eset) Alapötlet: a link a usereket azok hozzáférési sebességével szolgálja ki , nem mindet egyszerre! a többi igény egy sorban várakozik - file letöltési ideje=linken való átvitel ideje+várakozási idő Ideális letöltési idő Erlang 2.képlete tört áramkörszámra Késleltetési tényező (>1) Reciproka : Fun faktor (<1) X: a letöltendő file mérete KByte-ban T(X): X méretű file letöltési ideje, E(T(x)) ennek várható értéke RO: a link kihasználtsága Cfelh : ADSL felhasználók download irányú hozzáférési sebessége R=C/ Cfelh : a modell fontos paramétere, ennyi felhasználó szolgálható ki a C linken egyidejűleg a hozzáférési sávszélességének megfelelő sebességgel E2(R,R*RO) : Erlang 2. formulája Előnye: nem igényel információt a forgalom összetételéről, jellemzőiről csak a link átlagos terhelését veszi figyelembe Konkoly Lászlóné/ Forgalmi méretezés, forgalom mérés és megbízhatósági analízis az IP hálózatban 2009.05.19.

Processzor osztásos sorbanállási modell eredményei Késleltetési tényező változása a link kihasználtságának függvényében (C=1Mbps – 10 Mbps), Cfelh=512 Kbps Konkoly Lászlóné/ Forgalmi méretezés, forgalom mérés és megbízhatósági analízis az IP hálózatban 2009.05.19.

Az IP hálózat forgalmának elemzése csomagszintű mérések alapján

IP forgalommérés típusai Passzív mérés Aktív mérés (hálózati terhelés mérés) (teszt forgalom generálás) link terhelés, kapcsolatok darabszáma fajlagos felhasználói forgalom csomag- és folyamszintű adatok processzor terhelés stb. RTT (Round Trip Time) Késleltetés Késleltetés ingadozás (jitter) Csomagvesztés Hálózattervezéshez (passzív mérésre) használt eszközök: MRTG (Multi-Router Traffic Grapher) - aggregált forgalom mérésére Netflow - kapcsolatok forgalmának mérésére Nem adnak információt a: csomagszintű forgalmi jellemzőkről (csomagméret eloszlás, csomagbeérkezési folyamat jellemzői, kapcsolat-szintű információk stb) forgalom típusonkénti csomagszintű jellemzőkről forgalom pillanatnyi ingadozásáról, börsztösségéről (önhasonlóságáról) forgalom belső korrelációiról (autokorreláció) speciális forgalmak volumenéről (pl. Skype, egyéb P2P) Protokoll analizátoros mérések szükségesek a csomagszintű elemzésekhez Konkoly Lászlóné/ Forgalmi méretezés, forgalom mérés és megbízhatósági analízis az IP hálózatban 2009.05.19.

MRTG-MultiRouter Traffic Grapher - Tobias Oetiker A routerekből gyűjthetünk statisztikákat a belső számlálók (MIB- Management Information Base) kiolvasásával Alkalmas eszközzel (SNMP=Simple Network Management Protocol) lekérdezhetjük, majd elemezhetjük és grafikonon megjelentethetjük az adatokat MRTG gyűjti, tárolja és megjeleníti a mérési adatsorokat Ciklikus adatbázist használ (Round Robin Database) Aggregálja az adatokat napi adatok → heti adatok → havi adatok → éves adatok Hatékony tárkihasználás Heti adatok Havi Éves Napi Konkoly Lászlóné/ Forgalmi méretezés, forgalom mérés és megbízhatósági analízis az IP hálózatban 2009.05.19.

Példa MRTG mérésre: Budapest Internet Exchange (www.bix.hu)/1 Napi forgalmi profil 5 perces átlagok Heti forgalmi profil 30 perces átlagok Konkoly Lászlóné/ Forgalmi méretezés, forgalom mérés és megbízhatósági analízis az IP hálózatban 2009.05.19.

Példa MRTG mérésre: Budapest Internet Exchange (www.bix.hu)/2 Havi forgalmi profil 2 órás átlagok Éves forgalmi profil Napi átlagok Konkoly Lászlóné/ Forgalmi méretezés, forgalom mérés és megbízhatósági analízis az IP hálózatban 2009.05.19.

NetFlow - folyamszintű adatok mérése Flow: valamilyen tulajdonság alapján összesített (aggregált) csomagok halmaza Különféle aggregációs sémák (pl. Callrecord, ASrecord) A flow-kban tárolt alapinformációk: forrás és cél IP cím forrás és cél port IP protokoll (TCP, UDP, egyéb) type of service (TOS=Type of Service bit) AS=Autonomous System szám stb. Kapott információk: átvitt byte-ok száma átvitt csomagok száma flow-k időtartama használt protokollok Konkoly Lászlóné/ Forgalmi méretezés, forgalom mérés és megbízhatósági analízis az IP hálózatban 2009.05.19.

Példa NetFlow mérésre (ADSL felhasználók egy csoportjára) Konkoly Lászlóné/ Forgalmi méretezés, forgalom mérés és megbízhatósági analízis az IP hálózatban 2009.05.19.

Forgalom megoszlás alkalmazások szerint (2006.évi adat) Konkoly Lászlóné/ Forgalmi méretezés, forgalom mérés és megbízhatósági analízis az IP hálózatban 2009.05.19.

Csomagszintű mérési módszer Cél: Csomagok fejlécének mentése, majd a fejléc információk feldolgozása GE interfész (port monitorozás) PC+ mérőkártya Közvetlenül merev lemezre (640 GB) írhatók az adatok, több napos mérés, csomagvesztés 0 % SnifferBook Ultra 256 MB memória gyakori mentések, csomagvesztés PC + szoftver (Sniffer portable) Eredmények: Hálózat szűk keresztmetszetének felderítése Speciális forgalmak (P2P, Skype) detektálása, elemzése Hálózati performancia mérések (csomagvesztés, késleltetés, késleltetés ingadozás, börsztösség stb) Csomagméret eloszlás meghatározás Konkoly Lászlóné/ Forgalmi méretezés, forgalom mérés és megbízhatósági analízis az IP hálózatban 2009.05.19.

Az IP hálózat szűk keresztmetszetének felderítése/1 Cél: a mérési ponttól távolabbi linken kialakult torlódásra következtetni egy adott linken gyűjtött csomagfejléc sokaság statisztikai jellemzőiből X-mérce – TCP folyamok throughputjának csúcsossága ( V/M) „szűk keresztmetszetű linken relatíve kis érték” Konkoly Lászlóné/ Forgalmi méretezés, forgalom mérés és megbízhatósági analízis az IP hálózatban 2009.05.19.

Az IP hálózat szűk keresztmetszetének felderítése/2 Késleltetési tényező (delay faktor) – az ideálishoz (=1) képest „szűk keresztmetszet esetén az értéke >3” Csomagbeérkezési időközök eloszlása (4.momentum=PIT-kurtosis) „ha a szűk keresztmetszet a mérési pont előtt van” Csomagvesztés „TCP forgalom esetén nagysága nem utal szűk keresztmetszetre” : szűk linken hasonló nagyságrendű lehet, mint torlódásmentes esetben Kapcsolatok sávszélessége – számos tényezőtől függ, nem feltétlenül utal szűk keresztmetszetre! Konkoly Lászlóné/ Forgalmi méretezés, forgalom mérés és megbízhatósági analízis az IP hálózatban 2009.05.19.

A forgalom mikroszerkezetének vizsgálata Börsztösségi vizsgálatok (msec) – kapacitás tervezéshez Önhasonlóság - Hurst paraméter (H=0.5 - 0,7) Véletlen (Poisson típusú) csomagbeérkezés vizsgálatok Konkoly Lászlóné/ Forgalmi méretezés, forgalom mérés és megbízhatósági analízis az IP hálózatban 2009.05.19.

Csomagméret statisztikai adatai/1 Konkoly Lászlóné/ Forgalmi méretezés, forgalom mérés és megbízhatósági analízis az IP hálózatban 2009.05.19.

Csomagméret statisztikai adatai/2 Csomagméret sűrűség- és eloszlásfüggvénye Konkoly Lászlóné/ Forgalmi méretezés, forgalom mérés és megbízhatósági analízis az IP hálózatban 2009.05.19.

P2P forgalom azonosítás Főbb alkalmazás jellemzők: Folyamatosan változó és gyakran titkos protokollok Véletlenszerű, fix, default és 80-as (HTTP) port használat Nagyméretű csomagok Főbb heurisztikák: 1. Ismert nem P2P alkalmazások forgalma (a http kivételével) kiszűrhető (source_port /destination_port) pl. FTP:21, telnet:23,ssh:22, http, web:80 2. Default P2P portok beazonosítása pl. gnutella:6346, Kazaa:1214 3. HTTP portokat használó alkalmazások elkülönítése, WEB és P2P szétválasztása WEB: source és destination között több párhuzamos kapcsolat, web szerver beazonosítás P2P: kapcsolat több különböző IP címmel 4. IP párok, melyek egyidejűleg létesítenek TCP és UDP kapcsolatokat (ez P2P forgalom) 5. Ha egy IP cím egy adott portot (fix port) sokszor használ → P2P folyam 6. Átvitt adat > 1 MByte és/vagy időtartam > 10 perc Konkoly Lászlóné/ Forgalmi méretezés, forgalom mérés és megbízhatósági analízis az IP hálózatban 2009.05.19.

Skype forgalom azonosítása Mire használható: internetes telefonhívásra videó-telefonálásra konferencia beszélgetésre üzenet küldésre (chat,csevegés) file-ok átvitelére Skype In Skype Out Előnyei: •képes címfordítókon (NAT) és tűzfalakon átjutni • hangminőség alacsony átviteli sebesség esetén is elfogadható (VBR codek) • nagyobb csomagvesztést is elvisel • Skype hálózaton belül ingyenes Konkoly Lászlóné/ Forgalmi méretezés, forgalom mérés és megbízhatósági analízis az IP hálózatban 2009.05.19.

Skype tulajdonságai Csomagméret Sávszélesség Alkalmazás-szintű protokollja titkosított, gyakorlatilag visszafejthetetlen Csak az átviteli réteg protokollok analizálhatók (IP címek, TCP/UDP portok) Sávszélesség és csomagméret alapján nem azonosítható egyértelműen, mert más alkalmazásokra is jellemzőek lehetnek a megfigyelt karakterisztikák. Csomagméret Sávszélesség 20-80 Kbit/sec Átlag 38 -45 Kbit/sec Konkoly Lászlóné/ Forgalmi méretezés, forgalom mérés és megbízhatósági analízis az IP hálózatban 2009.05.19.

Skype azonosítási algoritmus lépései/1 1. Kapcsolat szerverekkel (port és cím-alapú azonosítás) Akkor használható, ha a mérés kezdete után jelentkezett be a felhasználó. – Login Szerver (LS) - felhasználói azonosítás Közvetlen: kliens→LS közvetett: kliens→SN→LS Ha ilyen kapcsolat megfigyelhető → potenciális Skype felhasználó Konkoly Lászlóné/ Forgalmi méretezés, forgalom mérés és megbízhatósági analízis az IP hálózatban 2009.05.19.

Skype azonosítási algoritmus lépései/2 – Bootstrap Super Node – első indításkor mindenképpen van kapcsolódás – Update Szerver – újabb szoftver verzió kiderítése – Buddy-list Szerver – partner- lista frissítés Ritkán kapcsolódik ezekhez a kliens, emiatt az ezekkel való kapcsolat hiánya nem egyértelmű cáfolata az alkalmazás használatának. 2.SC ↔ SN jelzéskapcsolat Ha a mérés kezdete előtt jelentkezett be a felhasználó, akkor is jó. Jelzésforgalomban jellegzetes forgalmi minta Kimenő irányban (SC→SN) bizonyos csomagméret tartományba eső csomagoknál 1 perces periodicitás tapasztalható (periódikus „szívhang” -keep alive- üzenetek) „szívhang” csomagok Konkoly Lászlóné/ Forgalmi méretezés, forgalom mérés és megbízhatósági analízis az IP hálózatban 2009.05.19.

Az IP hálózat forgalmi modellezése és megbízhatósági vizsgálata

Célkitűzések Az IP hálózat kapacitásának tervezéséhez szükséges, hogy meg tudjuk határozni a várható forgalmi terheléseket hibamentes esetben és hibás állapotok esetén is. a hibák hatásának pontos modellezéséhez ne csak az IP réteget, hanem az azt kiszolgáló transzport hálózati rétegeket is modellezzük számításokkal meghatározzuk az aktuális és tervezett IP hálózat, valamint a hálózaton nyújtandó szolgáltatások várható rendelkezésre állását. Erre az IP hálózaton a Best Effort (BE) forgalom mellett megjelenő real-time és üzleti adat forgalmak által igényelt garantált átviteli minőség és magas rendelkezésre állás miatt van szükség. Konkoly Lászlóné/ Forgalmi méretezés, forgalom mérés és megbízhatósági analízis az IP hálózatban 2009.05.19.

Hibaokok megoszlása az IP hálózatban - University of Michigan [ 7] 7% Felhasználói berendezés hibája (CPE) 36% Router üzemeltetési hibák Software/hardware frissítés Konfigurálási hibák 21% Router hibák Hardware hibák Software minőségi problémák Fizikai linkek 27% Hálózatvédelem Torlódás 5% Hálózatvezérlés Rossz szándékú 2% Ismeretlen hibaok 2% Forrás: University of Michigan MPLS Traffic Engineering Független optikai utak Gyors helyreállítás SW-folyamatok elkülönítése és redundanciája 99.999 %-os HW rendelkezésre állás Üzem közbeni SW frissítés Üzem közbeni HW csere Egy órányi hálózati kiesés okozta veszteség az értékpapír kiskereskedelemben $6.45 M A hálózati hibák jelentős gazdasági károkat okozhatnak (felhasználónak, szolgáltatónak) Védelmi megoldások alkalmazása elsődleges célja a szolgáltatóknak. Konkoly Lászlóné/ Forgalmi méretezés, forgalom mérés és megbízhatósági analízis az IP hálózatban 2009.05.19.

A megbízhatósági elemzés főbb típusai A hálózatban bekövetkezett hibák hatásának elemzését különböző mélységben és részletezettséggel végezhetjük el: A legegyszerűbb módszerrel megvizsgálhatjuk, hogy a domináns hibák milyen hatást gyakorolhatnak az alapvető hálózati jellemzőkre és hálózati képességekre. (pl. az optikai kábelek elvágásának milyen hatása van a hálózat fizikai és logikai összefüggőségére) Összetettebb vizsgálatokkal a hibás hálózat terhelési viszonyai és a megmaradt kapacitások is elemezhetők. (pl. az optikai kábelek elvágásának milyen hatása van böngészéskor a letöltések időtartamának növekedésére) Ennél még bonyolultabb módszereket igényel a szolgáltatások minőségi jellemzőinek vizsgálata. (pl. egy optikai kábel elvágásának milyen hatása van a hang és képminőségre) Konkoly Lászlóné/ Forgalmi méretezés, forgalom mérés és megbízhatósági analízis az IP hálózatban 2009.05.19.

Rendelkezésre állási alapfogalmak/1 MTBF (Mean Time Between Failures) A meghibásodások közötti időtartam várható értéke. Általában az eszközök gyártója adja meg. Új fejlesztésű eszközök esetében tesztelési adatok, régebbi fejlesztések esetén az üzemelő eszközökben előfordult hiba- statisztikák szolgálnak alapul a megadásához. MTTR (Mean Time To Repair) A meghibásodás időpontjától a rendszer működésének helyreállításáig tartó időtartam várható értéke. Nagyrészt az üzemeltetési gyakorlattól, ezen belül főleg a tartalék alkatrészek elérhetőségétől függ. DTR - Kiesési időarány (Down Time Ratio) A hibás időszakok aránya a teljes megfigyelési időhöz képest. Komplementere a rendelkezésre állás (vagy használhatóság). Konkoly Lászlóné/ Forgalmi méretezés, forgalom mérés és megbízhatósági analízis az IP hálózatban 2009.05.19.

Rendelkezésre állási alapfogalmak/2 Rendelkezésre állás (használhatóság) (Availability, A(t)) A rendelkezésre állás az üzemképes állapotban töltött idő és az összes megfigyelési idő hányadosa valamely kezdőponttól (0) egy adott t időpontig. Alternatív definíció szerint a rendelkezésre állás annak a valószínűsége, hogy a megfigyelt rendszer üzemképes a [0,t] intervallumban. Vizsgálataink tárgyát ez az érték képezi, amely az MTBF és MTTR segítségével a következőképpen fejezhető ki: A = MTBF / (MTBF + MTTR). Ennek analógiájára megadható a DTR számítási képlete is: DTR=1-A = MTTR / (MTBF + MTTR). Konkoly Lászlóné/ Forgalmi méretezés, forgalom mérés és megbízhatósági analízis az IP hálózatban 2009.05.19.

Soros kapcsolás, párhuzamos kapcsolás DTR=1-(1-DTR1)*(1-DTR2) ≈ DTR1+DTR2 AVAIL=AVAIL1*AVAIL2 1. 2. DTR1 AVAIL1 DTR2 AVAIL2 Párhuzamos kapcsolás DTR=DTR1*DTR2 AVAIL=1-(1-AVAIL1)*(1-AVAIL2) ≈ AVAIL1+ AVAIL2 1. 2. Konkoly Lászlóné/ Forgalmi méretezés, forgalom mérés és megbízhatósági analízis az IP hálózatban 2009.05.19.

Rétegelt (többrétegű) hálózati modell/1 Napjaink távközlő hálózataiban általában többféle hálózati technológiát alkalmaznak egymás mellett. A különböző technológiák eltérő hálózati funkciókat valósítanak meg a teljes rendszer számára. Az ilyen hálózatok az egyes technológiák szerint rétegekre bonthatók, és a szomszédos rétegek kliens-szerver kapcsolatban vannak egymással. Az egyes rétegek meghibásodási jellemzői eltérőek, és ezek a rétegek együttesen határozzák meg a hálózat megbízhatóságát. A valós hálózatok nagy méretűek, rengeteg berendezésből állnak, és ezek bármelyike meghibásodhat (2n összefüggés). Ezért a vizsgálandó állapottér nagyon nagy lehet, és az állapotok számítógépes kiértékelése akár több napot is igénybe vehet. Ezért fontos az, hogy körültekintően határozzuk meg a vizsgálatok célját, az alkalmazott modelleket és módszereket. Konkoly Lászlóné/ Forgalmi méretezés, forgalom mérés és megbízhatósági analízis az IP hálózatban 2009.05.19.

Rétegelt (többrétegű) hálózati modell/2 Hiba hatás tovább terjedése a magasabb szintű rétegek felé: Például, ha a fizikai rétegben történt egy hiba (pl. kábel elvágás), és nincs a fizikai rétegben védelem megvalósítva, akkor a hibás kábelen áthaladó összes magasabb rétegbeli összeköttetést meg fogja szakítani ennek az egy kábelnek a hibája. Fizikai hálózat Hibaesemények Adaptáció/védelem Védelmi mechanizmusok Alkalmazások forgalma Logikai hálózat Forgalmi viszonyok Hibahatások továbbterjedése Kiesések Kiszolgálandó forgalom Konkoly Lászlóné/ Forgalmi méretezés, forgalom mérés és megbízhatósági analízis az IP hálózatban 2009.05.19.

Router megbízhatósági modellje ház (chassis) ventillátorral: MTBF~400 000 óra route processzor (GRP): ált. duplázott redundáns elem, MTBF ~ 200 000 óra tápegység (PS): ált. duplázott, redundáns elem, MTBF ~ 400 000 óra clock scheduler kártya (CSC): a kapcsolómátrix komponense, ált. duplázott, redundáns elem, MTBF ~ 250 000 óra switch fabric kártya (SFC): a kapcsolómátrix komponense, gyakorta háromszorozott, redundáns elem, MTBF ~ 500 000 óra GigabitEthernet (GE): interfész kártya, MTBF=100 000 óra operációs rendszer (SW): MTBF ~ 100 000 óra Konkoly Lászlóné/ Forgalmi méretezés, forgalom mérés és megbízhatósági analízis az IP hálózatban 2009.05.19.

IP hálózatmodell előállítása IP hálózat modell elkészítése: Csomópontok, linkek Routing (OSPF) – forgalom elvezetés Eszközök: FLEXPLANET (BME) /OPNET SPGURU (OPNET) Fizikai réteg modellezése: Kábelszakadások vizsgálata, átviteli eszközök hibáinak modellezése Eszköz: FLEXPLANET (BME) Konkoly Lászlóné/ Forgalmi méretezés, forgalom mérés és megbízhatósági analízis az IP hálózatban 2009.05.19.

Service Provider GURU tervező eszköz OPNET Technologies, Inc. Hálózat analízis NetDoctor Konfiguráció helyességének ellenőrzése FlowAnalysis Reachability Analysis Failure Analysis Routing szimulátor - útvonalválasztás modellezé- se, elemzése, link terhelések meghatározása gyors - nagy hálózatok vizsgálata Discrete Event Simulation (DES) Teljesítőképességi elemzések alkalmazásokra, erőforrásokra hosszú futási idők - pontos rövidebb futási idők - kevésbé pontos Hybrid Simulation Tervezés MPLS Traffic Engineering design Hálózat optimalizálás (optimális forgalom elvezetések meghatározása Konkoly Lászlóné/ Forgalmi méretezés, forgalom mérés és megbízhatósági analízis az IP hálózatban 2009.05.19.

FLEXPLANET tervező eszköz Kapcsolat hálózati adatbázisokkal, nyilvántartó rendszerekkel Tervezési segéd adatok: koordináták, hierarchia stb FLEXPLANET (rétegelt hálózat modell felépítése) listák Hálózatok: IP, Ethernet, SDH/PDH, WDM, optikai hálózat Forgalmi és megbízhatósági analízis grafikus megjelenítés Hálózat tervező Konkoly Lászlóné/ Forgalmi méretezés, forgalom mérés és megbízhatósági analízis az IP hálózatban 2009.05.19.

Irodalom [1] J. Charzinski:Fun factor for dimensioning elastic traffic http://www.jcho.de/jc/Pubs/itc2000-col.pdf [2] Lindberger, K.: Dimensioning and Design methods for Integrated ATM Networks Proceedings of ITC 14. Antibes Juan-les-Pins, France [3] A. Patel: Statistical Multiplexing of Self-Similar Traffic: Theoretical and Simulation Results http://www.cs.usask.ca/faculty/carey/papers/statmuxing.ps [4]: S. Bodamer, J. Charzinsky: Evaluation of Effective Bandwidth Schemes for self-Similar traffic http://www.ikr.uni-stuttgart.de/Content/Publications/Archive/Bo_IP00_32462.pdf [5] W. Paxson, S. Floyd: Wide-Area traffic: The failure of Poisson modeling http://www.cs.berkeley.edu/~istoica/classes/cs268/05/papers/paxson95widearea.pdf [6] Cost-257, Final Riport http://www3.informatik.uni-wuerzburg.de/cost/FinalReport/report_web.pdf [7] Converged networks and services. Internal lecture presentation material of Norwegian University of Science and Technology http://www.item.ntnu.no/fag/ttm7/Lectures/4_1_Convergence_Fix_Net.ppt Konkoly Lászlóné/ Forgalmi méretezés, forgalom mérés és megbízhatósági analízis az IP hálózatban 2009.05.19.

Köszönöm a figyelmet! Konkoly Lászlóné/ Forgalmi méretezés, forgalom mérés és megbízhatósági analízis az IP hálózatban 2009.05.19.