Министерство образования и науки Российской Федерации
Ярославский государственный университет им. П.Г. Демидова
И.В. Алексеев, В.А. Соколов, Д.Ю. Чалый
МОДЕЛИРОВАНИЕ И АНАЛИЗ
ТРАНСПОРТНЫХ ПРОТОКОЛОВ
В ИНФОРМАЦИОННЫХ СЕТЯХ
Под редакцией В.А. Соколова
Ярославль 2004
1
Стр.1
ББК З 973.2
А 47
УДК 004.7.057.4
Рецензенты:
кафедра прикладной математики и вычислительной техники
Ярославского государственного технического университета;
доктор технических наук, профессор В.А. Курчидис.
А 47
Алексеев И.В., Соколов В.А., Чалый Д.Ю.
Моделирование и анализ транспортных протоколов в информационных
сетях: Монография / И.В. Алексеев, В.А. Соколов,
Ю.Д. Чалый; Яросл. гос. ун-т. – Ярославль, 2004. – 262 с.
ISBN 5-8397-0358-3
В монографии представлен новый вариант транспортного протокола
TCP – протокол ARTCP, использующий темпоральные показатели потока в
качестве входного параметра для алгоритма управления потоком и сочетающий
оконный механизм контроля скорости с диспетчеризацией каждого
сегмента. Описана имитационная модель, позволяющая моделировать все
компоненты сети, влияющие на функционирование транспортного протокола.
Построена формальная расширяемая модель протоколов TCP и
ARTCP в терминах раскрашенных сетей Петри и предложены основные методы
анализа и верификации этой модели. По данным модельных экспериментов
определены важнейшие характеристики ARTCP, а также показано,
что ARTCP превосходит TCP по основным показателям.
Книга предназначена для специалистов в области информатики, интересующихся
вопросами моделирования, анализа и верификации протоколов
в телекоммуникационных сетях, а также для студентов и аспирантов
соответствующих специальностей.
ББК З 973.2
А 47
УДК 004.7.057.4
Работа поддержана грантом РФФИ № 03-01-00804.
ISBN 5-8397-0358-3
© Ярославский государственный
университет, 2004
© И.В. Алексеев, В.А. Соколов,
Д.Ю. Чалый, 2004
2
Стр.2
Предисловие
Книга посвящена построению и исследованию математических
моделей телекоммуникационных транспортных
протоколов. В ней представлен новый алгоритм работы сетевых
протоколов обмена – ARTCP, позволяющий повысить
эффективность работы транспортного протокола в условиях
большой загрузки сети с коммутацией пакетов. Это дает возможность
проводить оптимизацию, в частности, традиционного
Интернет-протокола TCP, которая существенно сглаживает
его недостатки. Оригинальность предлагаемой модификации
протокола TCP заключается в достижении логического
разделения механизмов коррекции ошибок передачи и управления
потоком. Поэтому ARTCP не интерпретирует потерю
сегмента как признак перегруженности сети. При этом модифицированный
протокол остается совместимым с исходным
протоколом TCP. Для него дано теоретическое обоснование и
проведена экспериментальная проверка. Разработанный алгоритм
управления потоком характеризуется рядом существенных
отличий от традиционных методов управления потоком
протокола TCP, а именно:
- скорость отправки ARTCP сегментов в сеть управляется
не размером окна передачи (как в TCP), а индивидуальной
задержкой каждого сегмента, при этом
изменение скорости отправки потока выражается в
изменении его скважности (межсегментного временного
интервала);
- индикатором текущего состояния сети и, соответственно,
наступления перегрузки служит не потеря пакета,
а изменение скважности потока сегментов, измеряемое
получателем, а также изменение времени транзита
сегментов, измеряемое отправителем;
- функционирование ARTCP не зависит от потока
подтверждений для синхронизации отправки новых
сегментов в сеть.
Таким образом, в ARTCP устранена логическая зависимость
алгоритмов коррекции ошибок передачи и управления
3
Стр.3
потоком. Это дает существенные преимущества протоколу
ARTCP, особенно в приложениях, где потеря пакета не является
индикатором перегрузки – например, в беспроводных сетях.
Кроме того, при работе в традиционных сетях алгоритм
ARTCP оказывается более эффективным, так как он минимизирует
среднюю длину очередей в маршрутизаторах и не доводит
сеть до состояния перегрузки в процессе определения
максимальной доступной соединению доли пропускной способности,
что особенно важно для сосуществования потоков
данных и мультимедиа. А отсутствие необходимости в синхронизации
по подтверждениям дает также возможность эффективно
применять ARTCP для систем с асимметричными
каналами.
Показано, что трафик, генерируемый протоколом TCP,
обладает свойством самоподобия, поэтому единственным
способом его исследования является модельный эксперимент,
поскольку развитого аналитического аппарата, применимого
к самоподобному процессу, на данный момент не существует.
Для проведения модельных экспериментов разработана
и реализована объектно-ориентированная программная модель
сетевой архитектуры, которая моделирует основные
свойства сети, определяющие функционирование транспортного
протокола, а именно: задержку, мультиплексирование,
потери и ошибки передачи. Построенная программная модель
позволяет конструировать любую топологию сетевых соединений.
Целью
модельного эксперимента, осуществленного в
рамках данного исследования, было определить значения таких
важнейших характеристик транспортного протокола, как
вероятность потери сегментов, средняя длина очереди, эффективность
использования пропускной способности канала,
показатель равноправия разделения ресурсов, и в сравнении с
имеющимися данными по стандартному TCP показать преимущества
нового протокола ARTCP. Результаты модельного
эксперимента позволяют сделать вывод о том, что превосходство
ARTCP по отношению к TCP наиболее очевидно для
беспроводных систем, однако и в обычных проводных сетях
применение ARTCP имеет явные преимущества: меньшая по
4
Стр.4
сравнению с TCP средняя длина очереди и полное отсутствие
потерь сегментов.
Наряду с исследованием динамических характеристик
важной задачей является обоснование корректности работы
протоколов. Решение этой задачи предполагает разработку
методов построения формальных моделей рассматриваемого
класса систем. В данной книге исследуется проблема построения
формальных моделей протоколов TCP и ARTCP на
основе раскрашенных сетей Петри и предлагается решение
задачи верификации этих моделей.
Авторы считают своим приятным долгом выразить благодарность
Е.А. Тимофееву за постоянный интерес к данной
теме, творческое сотрудничество и ценные советы. Мы благодарны
нашим коллегам из Центра Интернет Ярославского государственного
университета им. П.Г. Демидова, в частности,
директору Центра А.И. Русакову за внимание и поддержку,
руководителю проекта "Региональный кластер научных вычислений"
(грант РФФИ № 98-07-90171) М.Н. Захаровой за
предоставление возможности осуществлять разработку программной
модели и модельный эксперимент, а также всем,
кто оказывал нам моральную и техническую помощь. Исследования,
лежащие в основе этой книги, были выполнены в
рамках проектов "Развитие высокоскоростного сегмента Ярославской
региональной опорной сети на основе АТМ технологий"
(грант РФФИ № 98-07-90307) и " Разработка новых
методов и средств моделирования и анализа процессов обработки
информации в распределенных системах" (грант РФФИ
№ 03-01-00804).
5
Стр.5
Введение
Одним из важнейших направлений научнотехнического
прогресса в настоящее время являются коммуникационные
системы, представляющие собой сети передачи
информации. Координацию процессов передачи информации
в распределенной системе, каковой является сеть, осуществляют
коммуникационные протоколы.
Принято разделять коммуникационные протоколы по
степени общности задач, решаемых ими, на несколько уровней,
упорядоченный набор которых образует сетевую архитектуру.
Самой распространенной и универсальной сетевой
архитектурой является архитектура TCP/IP [1, 43]. В рамках
TCP/IP все системы в сети делятся на конечные системы, между
которыми происходит информационный обмен, и промежуточные
системы, не являющиеся конечными или исходными
точками обмена. Конечные системы называются узлами
сети, а промежуточные – маршрутизаторами.
Двусторонний поток информации между парой смежных
систем в сети обеспечивается каналом, связывающим две
системы. Каналы характеризуются скоростью информационного
потока (пропускной способностью), задержкой передачи
и вероятностью битовых ошибок. В каждой точке подключения
маршрутизатора к каналу имеется буфер, в котором организуется
очередь данных, ожидающих отправки по этому каналу.
Буферное пространство и пропускная способность (ПС)
представляют собой разделяемые ресурсы сети. Если скорость
прибытия информации в маршрутизатор превышает
максимально возможную скорость ее отправки, то происходит
перегрузка сети, выражающаяся в переполнении буферов
и потерях информации.
Протокол транспортного уровня занимает важнейшее
положение в любой сетевой архитектуре, в том числе и в
TCP/IP, поскольку он обеспечивает надежную и эффективную
передачу информации непосредственно между конечными
системами сети. Для этого транспортный протокол задает со6
Стр.6