Принципы контроля параметров NGSDH на уровне Ethernet. RFC-2544.

При рассмотрении принципов контроля работы систем NGSDH нас будет интересовать только канальный уровень. Это позволяет из всего материала, касающегося принципов измерений в сетях Ethernet выделить только небольшую часть, связанную с проблематикой NGSDH.

Рассмотрим задачу измерений в системах NGSDH со стороны сетей Ethernet. С технологией Ethernet и GE связаны точки демаркации, находящиеся на границах виртуальных коридоров, образованных в сети NGSDH.Самый общий анализ принципов измерений в этих точках приводит к выводу о том, что измерения, связанные с внешним контролем в сетях NGSDH со стороны интерфейсов Ethernet и GE, можно свести к задаче паспортизации параметров качества виртуального коридора.

Действительно, для проверки эффективности работы системы NGSDH на уровне передачи и приема пакетного трафика Ethernet достаточно измерить параметры качества образованного в рамках транспортной сети виртуального коридора (рис. 8.1).

Интерфейс Интерфейс

Ethernet/GE Ethernet/GE

Передача Прием

пакетного пакетного

трафика трафика

Рис. 8.1. Проблема паспортизации виртуальных коридоров.

Здесь нас будут интересовать только параметры качества канального уровня, измеряемые по схеме «точка – точка» от пункта передачи трафика до пункта приема. Шлейфовые измерения параметров качества в виртуальном коридоре Ethernet исключаются в силу технологических особенностей последней.

Современная методология паспортизации параметров качества проработана довольно детально и отражена в рекомендации IETF RFC-2544: «Методология эталонного тестирования для устройств, входящих в состав сети». Рассмотрим эту рекомендацию и ее применимость для решения задачи паспортизации виртуальных коридоров в сети NGSDH.

RFC-2544 определяет множество тестов, которые могут использоваться для определения производительности сетевых устройств или сегментов сетей Ethernet/IP. Все измерения по рек. RFC-2544 относятся к уровню транспортной сети и опираются на понятие тестового канала. Тестовым каналом называется

маршрут передачи пакетов от пункта передачи до пункта приема. В общем случае пакеты могут передаваться по сети по разным маршрутам, но обязательно должны собираться в пункте приема.

Для производителей оборудования Internet и Ethernet RFC-2544 стал естественной методологией испытаний. В отличие от традиционных базовых услуг TDM и ATM, Ethernet не имеет строгих требований по качеству для каждого класса обслуживания. Необходимые условия тестирования для MAN традиционно ориентировались на параметры пропускной способности, задержки и уровня потери пакетов, а не на битовые ошибки и «пять девяток» надежности. Причина здесь в том, что измерение параметров ошибок (BER) теряет смысл, если передаваемый трафик является пакетным. Коль скоро трафик передается в виде пакетов Ethernet или IP, в составе каждого пакета присутствует контрольная сумма. При идентификации ошибки пакет уничтожается, так что на сторону приемника поступает не загруженная тестовая последовательность, а лишь ее отдельные фрагменты (блоки). С точки зрения пакетной технологии одна или несколько битовых ошибок приводят к одному и тому же результату – пакет уничтожается на стороне прима. Следовательно, методика должна опираться не на количество битовых ошибок в нагрузке, а на количество пакетов, принятых с ошибками или количество потерянных пакетов. В этом коренное отличие пакетного трафика от трафика TDM с точки зрения нормирования и измерения параметров качества.

RFC-2544 имеет высокую ценность для тестирования качества обслуживания в традиционных сетях, ее значение сопоставимо со значением методик G.821/G.826/M.2100. Методика включает в себя измерения, проводящиеся в режиме имитации, т. е. с генерацией тестовой нагрузки и ее приемом. Всего в методике устанавливается семь групп параметров качества тестового потока:

· Пропускная способность (Throughput – Th)

· Задержка передачи данных (Latency – Lat) и ее производные параметры: девиация задержки (Latency Deviation – LD) и изменение задержки во времени (Latency over Time - LoT)

· Количество ошибок в потоке (Frame Errors – FE)

· Количество потерянных пакетов (Frame Loss – FL)

· Параметры качества передачи/приема берстного трафика (Back-to-back frames)

· Время восстановления канала при возникновении неисправности (System Recovery)

· Время восстановления исходного состояния системы (Reset)

Измерения перечисленных параметров, управляемые автоматически при различных размерах пакета, обеспечивают паспортизацию качества устройства или сегмента сети. Измерения могут занять от нескольких минут до нескольких часов в зависимости от производительности сети и измеряемых параметров.

Так как RFC-2544 является методикой активного тестирования, связанного с трафиковой генерацией, измерения не могут быть произведены в режиме пассивного мониторинга сети, поскольку сами параметры качества требуют использования тестовых пакетов. Для измерения параметров задержки, например, в составе пакета должна содержаться метка времени генерации пакета. Для контроля количества потерянных пакетов и пакетов с ошибками необходимо знать общее количество переданных пакетов, значит, в составе пакеты должны быть нумерованными. Чтобы поле временной метки и поле нумерации содержалось в пакете, это должен быть специализированный тестовый пакет. Следовательно, измерение перечисленных параметров качества принципиально невозможно на реальном трафике, а только на тестовом трафике, отсюда и вытекает необходимость трафиковой имитации.

Методика измерений RFC-2544 предполагает несколько методов подключения приборов:

· Использование одного прибора

· Использование двух приборов

Рассмотрим теперь несколько типовых методов организации измерений по методике RFC-2544.

Один измерительный прибор и одно испытуемое устройство.

Схема на рис. 8.2. типична для тестирования сетевого устройства в процессе его сертификации, выходного и входного контроля, а также при пуско-наладочных испытаниях. В схеме организации измерений используется один измерительный прибор, который одновременно является передатчиком и приемником тестового потока данных. Прибор посылает тестовый трафик на один порт устройства и затем анализирует параметры качества на другом порте устройства.

Рис. 8.2. схема организации измерений с одним прибором и одним тестовым устройством.

Один измерительный прибор и последовательность испытуемых устройств.

Схема использования одного измерительного прибора может быть обобщена на случай тестирования нескольких устройств или целого сегмента сети (рис. 7.3). В этом случае прибор измеряет параметры качества в канале, прошедшем через несколько устройств в сети. Примером использования такой схемы можно считать проведение измерений по рек. RFC-2544 по шлейфу. В этом случае в сети организуется логический шлейф, который позволяет сделать петлю от порта передатчика прибора к порту приемника. Получившийся составной маршрут в полной мере иллюстрируется рис. 8.3. Обычно такая методика используется в лабораторных исследованиях, где нет территориальной разнесенности портов передатчика и приемника.

Рис. 8.3. Схема организации измерений с одним прибором и несколькими тестовыми устройствами.

Два измерительных прибора и сегмент сети.

Формирование локального шлейфа в сети Ethernet представляет собой довольно сложную процедуру, требующую изменения установок по МАС-адресации потока на всех узлах, через которые проходит тестовый маршрут. В большой сети, где требуются регулярные измерении для паспортизации разных виртуальных коридоров, формировать для каждого такого измерения логический шлейф представляется очень трудоемким. По этой причине в методике рек. RFC-2544 было предложено несколько схем, использующих принципы организации измерений по схеме «точка – точка». Использование таких схем уменьшает объем необходимых подготовительных работ при проведении измерений и соответствует специфике эксплуатационного тестирования.

Рис. 8.4. Методика организации измерений по схеме «точка – точка».

Наиболее простая схема организации измерений представлена на рис. 8.4. Согласно ей используется два прибора: один выступает генератором тестового потока пакетов, другой – анализатором параметров качества. Эта методика накладывает ограничения на перечень измеряемых параметров. Например, для измерения параметра Lat передатчик и приемник тестового потока должны иметь синхронизацию по абсолютному времени не хуже 1 мкс, что в реальной практике едва ли достижимо. Поэтому при выполнении измерений в соответствии с рис. 8.4 абсолютные параметры задержки Lat не измеряются, а измеряются только относительные параметры LD и LoT.

Методика организации измерений по удаленному шлейфу.

Ограничения на перечень измеряемых параметров при выполнении тестов в режиме «точка – точка» представляют собой неприятное последствие схемы рис. 8.4. Параметр абсолютной задержки Lat является принципиальным для многих интерактивных услуг, и невозможность его измерения объективно ограничивает применение методики. Для нахождения компромисса между схемой рис. 8.4 и решением вопроса о временной синхронизации была разработана схема организации измерений с удаленным шлейфом (рис. 8.5). Согласно этой схеме, на удаленном конце приемника тестового потока устанавливается устройство, которое осуществляет логическое шлейфообразование, преобразуя поля адресации пакетов. Затем поток тестовых пакетов передается в обратном направлении на порт приемника основного анализатора. В результате измеряется полная спецификация параметров качества рек. RFC-2544. Использование одного прибора в качестве генератора и анализатора тестового потока устраняет требование временной синхронизации, так что параметр Lat может измеряться точно. Формирование шлейфа на удаленном конце за счет использования специального устройства решает вопрос об изменении установок в сети. Действительно, при формировании виртуального коридора в сети Ethernet он обычно существует в виде дуплексного канала, так что нет необходимости прописывать по сети обратный маршрут. Единственное изменение в конфигурации касается устройства удаленного шлейфа, но оно не является частью сети и обычно конфигурируется дистанционно. Следовательно, выполнение измерений не требует изменения установок сетевых элементов и в то же время решает вопрос с измерением Lat. Единственным недостатком методики рис. 8.5 является то, что параметры качества измеряются одновременно в прямом и обратном направлении. В случае, если в прямом и обратном направлении параметры качества не совпадают, т. е. существует анизотропия в параметрах, разделить полученный результат между прямым и обратным направлением не представляется возможным. Пожалуй, это единственный серьезный методический недостаток предложенной схемы. На практике его компенсируют, объединяя схемы рис. 8.4 и 8.5. Ряд приборов для паспортизации потоков Ethernet имеют функции формирования локального шлейфа. Тогда их можно использовать как по схеме рис. 8.4, так и по схеме рис. 8.5. Использование схемы рис. 8.5 позволяет

точно измерить параметр Lat и совокупные параметры качества двойного канала, а схема рис. 8.4 позволяет учесть вклад прямого и обратного канала передачи пакетов.

Рис. 8.5. Методика организации измерений с удаленным шлейфом.

Во всех перечисленных методиках используется генерация специализированных пакетов, содержащих временные метки для измерения Lat, LD, LoT, и нумерацию следования для измерения FE, FL. Поток таких пакетов можно рассматривать как тестовый канал. В общем случае тестовый поток «растекается» по сети Ethernet, чтобы потом собраться на стороне приемника. В случае NGSDH и тестирования отдельных виртуальных коридоров поток пакетов находится в определенной виртуальной трубе. Тестовый поток имеет ряд параметров:

· Уровень загрузки виртуального коридора – GAP

· Размер кадра – L

· Приоритетность кадров – Pr

· Установки – VLAN

· МАС-адресация

· Параметры полей, связанные с верхними уровнями (HTTP, SMTP, IP и пр.)

Рассмотрим перечисленные параметры тестового потока с учетом специфики измерений в системах NGSDH.

Уровень загрузки виртуального коридора GAP

Параметр GAP определяет уровень загрузки виртуального коридора. GAP представляет собой защитный интервал между пакетами. В данном случае это параметр, определяющий уровень загрузки виртуального коридора тестовым трафиком. Например, для измерений можно загрузить весь виртуальный коридор (100%), а можно использовать и часть ресурса (10 – 15%). С параметром GAP уровень загрузки ресурса связан обратным соотношением: чем больше GAP, тем меньше загружен ресурс. Можно использовать как абсолютные единицы GAP (мксек), так и относительные (%).

Размер кадра L

Размер кадра представляет собой важный параметр тестового потока. Он определяет соотношение между преамбулой (заголовком) тестового кадра и его содержимым. Кадры малого размера почти полностью состоят из заголовка,

кадры большого размера – из полезной нагрузки. Тестовый поток, состоящий из кадров малого размера, часто оказывается удобен для анализа работы системы коммутации пакетов. В случае преобладания в трафике коротких кадров центральный процессор коммутатора должен обрабатывать большое количество сигнальной информации в заголовках, а полезная нагрузка при этом будет минимальна. Поскольку многие системы коммутации проектируются в расчете на средние длины кадров, тестирование с использованием трафика коротких кадров позволяет проверить производительность центрального процессора коммутатора. На практике существует и трафик коротких кадров (приложения VoIP, трафик SMS и пр.), и трафик длинных кадров (передача видеоинформации). Обычно разные типы трафика сосуществуют в одном сегменте сети и даже в одном виртуальном коридоре. В таком случае трафик называют смешанным.

С точки зрения задачи тестирования виртуальных коридоров в NGSDH сам процесс коммутации фактически отсутствует, т. к. виртуальный коридор в системе NGSDH второго поколения существует на канальном уровне. Поэтому с точки зрения методики измерений параметр L мало сказывается на результатах тестирования. Но постепенное развитие систем NGSDH и переход к системам третьего поколения будет связан с совмещением функций системы передачи и системы коммутации. Как только процессы коммутации окажутся внутри оборудования NGSDH, роль параметра L существенно увеличиться.

Согласно классической методике RFC-2544 рекомендуется проводить измерения для нескольких значений размеров кадра L: 64, 128, 256, 512, 1024, 1280 и 1518 байтов. Каждое измерение проводится отдельно для каждого размера кадра или параллельно с использованием методики смешанного трафика. Для систем, использующих пакеты расширенного размера (Jumbo frame) 4096 или 9000 байтов, измерения проводятся по дополнительным методикам, представляющим собой модификации методики RFC-2544.

Приоритетность кадров Pr

Приоритетность тестового потока Pr определяется параметрами приоритетов отдельных кадров. Обычно приоритетность связана с тремя классификационными иерархиями: ToS (Type of Services), DiffServ и VLAN. Тип иерархии устанавливается для всей схемы формирования трафика. Приоритетность внутри VLAN представляет собой отдельную схему установления приоритетов в том случае, если передаваемый тестовый трафик поддерживает VLAN. ToS и DiffServ являются альтернативными схемами установки приоритетов, принятыми в системах адресации IPv4 и IPv6. Все приоритеты отдельных кадров используются в системе коммутации. Трафик более высокого приоритета имеет преимущества в системе коммутации и обслуживается сетевыми элементами в первую очередь. Приоритетность трафика всегда связана с типом услуг, для которых трафик передается. Примерами трафика высокого приоритета являются трафик VoIP или передачи видеоинформации.

Вполне понятно, что уровень приоритетности является важным параметром тестового трафика при измерениях в системах коммутации NGN. Применительно к задаче тестирования NGSDH параметр Pr имеет малое значение для методики измерений, поскольку в этом случае имеет место коридор, соединяющий две точки сети. Внутри его может быть установлена определенная приоритетность тестовых пакетов, но на параметры качества передачи трафика уровень приоритетности не сказывается, поскольку в системе отсутствует сам процесс коммутации. Таким образом, для случая NGSDH параметр Pr не имеет методической ценности.

Установки VLAN

Установки параметров VLAN должны соответствовать требованиям, установленным в сети NGSDH. Обычно параметры VLAN устанавливаются в полях специального заголовка кадра IP. Если в системе NGSDH принята система разделения трафика по VLAN, то тестовый трафик должен соответствовать требованиям, принятым в сети. Другого значения для тестирования виртуального коридора NGSDH параметр VLAN не имеет.

МАС-адресация

Наличие адресации канального уровня является важной особенностью технологии Ethernet, соответственно, МАС-адреса передатчика и приемника являются важными параметрами любого тестового потока. В одном виртуальном коридоре могут существовать несколько тестовых потоков кадров, отличающихся параметрами МАС-адресов передатчиков и приемников (рис. 8.6 сверху). В процессе проведения измерений параметры МАС-адресации приемника и передатчика могут быть как фиксированными, так и переменными. В качестве примера на рис. 8.6 снизу показан пример переменного значения МАС-адреса приемника. В результате тестовый поток распространяется на стороне приемника «веером». Такой режим называется режимом сканирования по МАс-адресам приемника. Существует возможность установок аналогичного режима по МАС-адресам передатчика.

Параметры полей, связанные с верхними уровнями (HTTP, SMTP, IP и пр.)

Помимо параметров канального уровня (поля VLAN и МАС-адресация) тестовый поток может содержать необходимые поля верхних уровней, к которым относятся:

· IP-адресация (адресация сетевого уровня)

· Параметры специализированных полей транспортного уровня (например, параметры MPLS)

· Параметры поддерживаемой сигнализации (HTTP, TCP, UDP, SMTP и пр.)

Несколько тестовых потоков

в составе одного

виртуального

коридора

Режим сканирования по

МАС-адресам приемника

Рис. 8.6. Некоторые варианты схем измерений виртуального коридора в случае различных установок параметров МАС-адресации.

Как и в случае с параметрами VLAN для контроля параметров виртуального коридора NGSDH перечисленные группы параметров тестового потока не имеют методического смысла. Единственное требование к тестовому потоку из перечисленной группы параметров может состоять в их соответствии с требованиями сети. Например, если тестовый поток передается в виде IP-кадров, то в кадрах должны стоять соответствующие значения IP-адресов передатчика и приемника. В противном случае МВВ NGSDH может удалить неправильные кадры. Но сами поля верхнего уровня не участвуют в методике контроля параметров виртуального коридора NGSDH. Таким образом, несмотря на то, что методика RFC-2544 была разработана для тестирования устройств и сегментов пакетных сетей уровней 2 и 3, для задачи контроля параметров виртуальных коридоров NGSDH существенными являются только параметры канального уровня (уровень 2). Подводя итог этому, перечислим параметры, существенные для измерения виртуальных коридоров:

• Уровень загрузки виртуального коридора – GAP
• Размер кадра – L
• МАС-адресация

В дальнейшем они определяются как входные параметры тестового потока.

Рассмотрим теперь детально параметры качества, предложенные в рек. RFC-2544.

Пропускная способность (Throughput)

Тест производительности определяет максимальную пропускную способность, которую обеспечивает устройство или сегмент сети без потери кадров. Обычно тесты на пропускную способность измеряются в зависимости от параметров GAP и для разных значений L.

Th = f(GAP/ при условии L)

Испытание начинается обычно с 10% загрузки канала, передачей определенного количества кадров определенной длины. Если был потерян хоть один кадр, испытание повторяется на более низкой скорости загрузки кадров, причем уменьшение скорости производится по принципу деления интервала пополам, что соответствует бинарному алгоритму поиска (5%, 2,5% и т. д.). Этот процесс продолжается, пока для данного значения GAP не будет определена максимальная производительность.

RFC-2544 определяет стандартный метод измерения Th, основанный на последовательном уменьшении производительности, с шагом 10% до тех пор, пока не будут исключены ошибки кадров. Но в большинстве своем анализаторы используют бинарный алгоритм поиска для определения производительности и по направлению вверх, т. е. при условии, что на 10% не было потерь пакетов, следующий шаг тестирования составляет 10% + (100 -.10)% = 55% и т. д. по бинарному алгоритму в сторону повышения GAP. Такой алгоритм обеспечивает лучшую сходимость, следовательно, меньшее время на одно измерение.

В результате проведения измерений для различных значений GAP и L получают зависимости f(GAP/ при заданном L) F(L/ при заданном GAP).

Время задержки (Latency)

Стандартный тест времени задержки сигнала выполняется при фиксированном уровне нагрузки канала GAP в течение нескольких минут в зависимости от внутренней методики, реализованной в приборе. В процессе теста измеряют время задержки отдельных кадров с временными метками и фиксируют минимальную задержку в течение одной минуты. Время задержки вычисляется как среднее из 20 таких испытаний. Строгое соответствие стандарту требует 280 минут – более чем 4 часа – чтобы завершить тест для всех размеров кадра. Однако на практике используются различные варианты оптимизации теста задержки, так что общее время измерения сокращается и составляет не более 15 – 30 мин.

Существует также возможность соединить измерения пропускной способности и задержки, если при тесте пропускной способности использовать тестовые пакеты с временными метками. Тогда во время теста пропускной способности измеряется и усредняется время задержки пакетов. Общее время задержки измеряется при максимальной пропускной способности, которая была достигнута во время теста. Результаты теста задержки заносятся в таблицу, как функция от размера кадра и пропускной способности Lat = f(Th/ при заданном L) или Lat = f(L/при заданном Th).

Уровень потери кадров (Frame Loss Rate)

Результатом измерения уровня потери кадров является зависимость количества потерянных кадров от загрузки канала GAP. Обычно измерение начинается со 100% загрузки канала, посылкой установленного числа кадров и регистрации процента потерянных при этом кадров. Загрузка канала уменьшается на заданное количество, 10% или меньше, и испытание повторяется. Если два следующие друг за другом результата проходят без потерь, то тесты с более низкой загрузкой канала не производятся и им присваивается нулевое значение потерянных кадров. Этот тест повторяется для каждого размера кадра L. Таким образом, результатом измерений будет ряд зависимостей FE = f(GAP/при заданном L).

Тест берстности Back-to-back

Берстный трафик представляет собой пример максимально неравномерного трафика. Он формируется кадрами, которые передаются дословно «спина-к- спине» (Back-to-back), так что начало нового кадра отстает от конца предыдущего на минимально допустимый технологией GAP. В результате трафик можно представить по схеме «максимальная интенсивность – пауза – максимальная интенсивность» (рис. 8.7).

Равномерный трафик

Реальный (статистический) трафик

Берстный трафик

Рис. 8.7. Равномерный, реальный и берстный трафик

Берстный трафик представляет собой определенную структуру тестового трафика на входе. На выходе теста измеряются те же самые параметры пропускной способности канала и задержки. Основной целью теста Back-to-back является проверка способности оборудования/сегмента обрабатывать неравномерный трафик. Реальный трафик, конечно, находится между равномерным и берстным. Поскольку обработка берстного трафика для оборудования/сегментов обычно сложнее, чем обработка равномерного трафика, параметр Throughput, измеренный в условиях теста Back-to-back, часто трактуют как максимальную пропускную способность (maximum throughput) или способность обработки берстного трафика (burstability). Поэтому важнее оказывается проверка функциональности сетевых элементов в условиях работы с берстным трафиком.

Установка параметров теста Back-to-back определяет количество кадров и повторений с большим или меньшим числом кадров N в берсте. В процессе измерения параметр N увеличивается до Nmax. Обычно тест повторяется для каждого размера кадра L. Результаты выводятся в виде таблиц зависимости {Th, Lat} = f(N/при заданном L).

Системная скорость восстановления (System Recovery)

Системная скорость восстановления – это время, которое требуется устройству/сегменту для остановки потери кадров, когда скорость передачи кадров уменьшается от стрессового (более 100%) к нормальному состоянию. В процессе измерения устройство подвергается нагрузке в течение не менее одной минуты со слишком большим уровнем трафика, обычно 110% от максимальной пропускной способности, определенной в тесте Throughput, т. е. с заведомо ожидаемой потерей кадров. Потом, трафик уменьшается до 50% от максимальной пропускной способности. Время между падением скорости передачи кадров и последним потерянным кадром усредняется для нескольких тестов, выполненных для каждого размера кадра L, и называется System Recovery.

Таким образом, System Recovery – это скорость восстановления системы после возникновения в ней перегрузки. Данные этого теста могут оказаться очень полезными при дальнейшей эксплуатации оборудования, сегмента или всей сети в целом. Также как и предыдущие тесты, измерение проводится для различных значений L. Результатом измерения является зависимость Trecovery = f(L) и могут быть оформлены в виде таблицы или графика.

Reset

Тест на сброс измеряет время, которое требуется устройству или сегменту, чтобы начать передачу кадров после аппаратного или программного сброса или прерывания подачи питания. В отличие от других тестов RFC-2544, тест проводится только для кадров минимальной длины L = 64 кбайт. Задержка между последним переданным кадром перед сбросом и первым кадром после сброса показывает время сброса. Испытание выполняется для каждого типа сброса.