INFORMIKA. RU Скуратов Алексей Константинович Заместитель директора Государственный НИИ информационных технологий и телекоммуникаций (ГНИИ ИТТ «Информика») International Symposium Quality, Innovation, Education and CALS technology 8-15 мая 2005 г.г. Шибеник, Хорватия Управление качеством телекоммуникационных сетей на основе анализа и мониторинга их функционирования с использованием статистических методов

INFORMIKA. RU Существенной реальностью настоящего времени, определяющей развитие страны, является активное использование инфокоммуникационных технологий во всех сферах человеческой жизнедеятельности. Высокими темпами создаются и развиваются международные, национальные, региональные, ведомственные и корпоративные телекоммуника- ционные сети, ориентированные как на решение важных народно-хозяйственных задач, так на развитие отдельной личности, определенных социальных групп и всего общества в целом.

INFORMIKA. RU Узлы сети RUNNet Москва – ГНИИ ИТТ «Информика» - наземная компонента, общее администрирование. Адыгейский ГУ, Алтайский ГУ Белгородский ГТУ Брянский ГУ Волгоградский ГТУ Восточно-Сибирский ГТУ Дагестанский ГУ Дальневосточный ГУ Иркутский ГУ Калининградский ГУ Кемеровский ГУ Красноярский ГУ Санкт-Петербург – «Вузтелекомцентр» – спутниковая компонента Кубанский ГУ Нижегородский ГУ Новгородский ГУ Новосибирский ГТУ Омский ГУ Оренбургский ГУ Пермский ГТУ Петрозаводский ГУ Ростовский ГУ Саратовский ГСЭУ Самарский ГУ Северо-Кавказский ГТУ Таганрогский ГРТУ Тамбовский ГУ Тверской ГУ Томский ГУ Тульский ГУ Удмуртский ГУ Ульяновский ГУ Уральский ГУ Хабаровский ГТУ Южно-Уральский ГУ Якутский ГУ Ярославский ГУ и др.

INFORMIKA. RU Пользователи сети Федеральные сети НОС: Региональные НОС: Университетские сети Общее количество пользователей – более 200 – более 800 тыс. – всего 54 RBNet, RUHEP,FreeNet RAS, RelarnIP, Rokson, MSUNet UMOS, Rusnet,

INFORMIKA. RU

Международная связность INFORMIKA. RU

Международная связность

INFORMIKA. RU Москва – Санкт-Петербург - Стокгольм – STM-16 Стокгольм – Амстердам – STM-4 Стокгольм – Вена – STM-1 Международная связность

INFORMIKA. RU Самара – Москва - 34 Н.Новгород – Москва - 26 Казань – Н.Новгород - 6 Связность с магистральными узлами в России (Мб/с) Хабаровск – Москва – 2 Тамбов – Москва – 2 Ярославль – Москва - 4 Ростов-на-Дону – Москва – 14 Ростов-на-Дону – Краснодар - 2 Екатеринбург – Москва – 14 Новосибирск – Москва – 20 Новосибирск – Иркутск – 2 Новосибирск – Хабаровск - 2

INFORMIKA. RU IP-связность

INFORMIKA. RU Сервисы Классические (sec. DNS, Usenet, ftp, http proxi, hosting,…) Администрирование edu.ru, run.net, mon.gov.ru, ed.gov.ru, fasi.gov.ru Связность с Internet2 IPv6 MBone IP телефония, видеоконференцсвязь Организация независимого транспорта с использованием (VPN VLAN, MPLS)

INFORMIKA. RU Вышеуказанные факторы осложняют объективный анализ и мониторинг телекоммуникационных ресурсов. Поэтому представляется очевидным, что при эксплуатации телекоммуникационных сетей должен быть использован достаточно широкий спектр современных технологий мониторинга и анализа. Сервисы Учитывая объективно сложившуюся неоднородность, как телекоммуника- ционных сетей, сетевых информационных ресурсов, так и аудитории, которой данная информация адресована, необходимо созда- ние и надежное функционирование доста- точно большого набора инфоком- муникационных сервисов, обеспечи- вающих эффективную работу пользователя с разнородной информацией в гетерогенной телекоммуникационной сети.

INFORMIKA. RU В результате обработки статистической информации о функционировании телекоммуникационной сети можно определить нормальный профиль сети (этап анализа). Выявление и предсказание отклонений от нормального профиля сети (этап мониторинга) проводится системным администратором с целью определения возникновении нештатной ситуации и принятии соответствующего решения об изменении конфигурации сети. Практика использования и эксплуатации гетерогенных телеком- муникационных сетей, связанная с недостаточной их прозрачностью, сложностью, организационными ограничениями и спецификой определяет спецификой определяет необходимость более широкого и научно обоснованного внедрения статистических методов их анализа и мониторинга на основе открытой потоковой информации, которую можно легко получить использую доступные методы и средства.

INFORMIKA. RU Для решения поставленной проблемы предлагается: 1.Разработка научных основ исследования статистических принципов функционирования телекоммуникационных систем и компьютерных сетей. 2.Теоретический анализ на основе обработки статистической информации и экспериментальное исследование функционирования научно- образовательных телекоммуникационных сетей. 3.Разработка научных подходов, практических методов, алгоритмов и программ, обеспечивающих контроль и диагностику функционирования телекоммуникационных систем и компьютерных сетей.

INFORMIKA. RU Поставленные цели достигаются решением следующих основных задач: Определение методов и средств сбора первичной информации из информационных потоков телекоммуникационной сети для статистической обработки. Определение основных характеристик функционирования телекоммуникационных сетей для целей анализа и мониторинга. Выбор и модификация методов теории статистики с целью разработки научных основ исследования статистических принципов функционирования телекоммуникационных систем и компьютерных сетей. Разработка методов и алгоритмов реализации научных основ исследования статистических принципов функционирования телекоммуникационных систем и компьютерных сетей. Создание программ реализации разработанных алгоритмов и встраивание их в систему администрирования телекоммуникационных сетей.

INFORMIKA. RU Решение вышеуказанных задач позволяет практически осуществлять: 1.Предсказание изменения параметров телекоммуникационного трафика на основе обработки статистической информации о работе элементов сети. Эта информация носит статистический характер и представляет собой временные последовательности. В этом случае речь идет о статистическом анализе сетевого трафика как анализе временных рядов, а анализируемая статистика может быть как текущей (с интервалом от одной до десятков секунд), так и долговременной (с интервалом от одной минуты до нескольких часов или суток).

INFORMIKA. RU Решение вышеуказанных задач позволяет практически осуществлять: 2.Интеллектуальное управление телекоммуникационными сетями для перераспределения сетевых ресурсов, в частности, пропускной способности виртуальных каналов. Это достигается за счет разделения пропускной способности между различными информационными приложениями. При этом учитываются ограничения на доступную пропускную способность и уровень показателей качества. Указанные методы представляют собой симбиоз алгоритмов резервирования пропускной способности виртуальных каналов и статистического мультиплексирования ресурсов. 3.Исследование временных задержек вдоль маршрута прохождения пакета, снижение которых повышает качество работы сети. В соответствии с протоколом TCP/IP пропускная способность со стороны источника пакетов определяется текущим окном перегрузки, равным числу разрешенных к передаче пакетов до прихода пакета подтверждения.

INFORMIKA. RU Решение вышеуказанных задач позволяет практически осуществлять: 4.Формировать прогноз времени появления перегрузки и ее величины. Задержка и потеря пакетов в пути может происходить из-за очередей в промежуточных узлах - маршрутизаторах, в компьютерах - источниках и приемниках пакетов, а также из-за переполнения буферов в этих узлах. Интервал между моментами отсылки пакета из источника и получения пакета подтверждения называется RTT-задержкой [англ. round-trip time - задержка]. Пакеты считаются потерянными, если RTT превышает заданный порог. По величине спрогнозированной RTT-задержки можно судить об уровне перегрузки и перенастроить величину окна, т.е. определить закон изменения окна перегрузки. INFORMIKA. RU

Решение вышеуказанных задач позволяет практически осуществлять: 5.Контроль и прогнозирование переполнения системных буферов телекоммуникационной сети. На пропускную способность участка сети между i-м и j-м узлами влияет очередь в узле j. Эта очередь может возникнуть из-за ограниченного объема памяти данного буфера, низкой интенсивности разгрузки этого буфера, чрезмерно больших объемов информации, поступивших на него. В связи с этим интенсивность потока информации от узла i к узлу j понижается, а в случае переполнения буфера в узле j передача информации прекращается и часть пакетов теряется. Для предотвращения потери пропускной способности узла необходимо регулировать уровень загрузки буфера на основе прогноза его переполнения.

INFORMIKA. RU Решение вышеуказанных задач позволяет практически осуществлять: 6.Сравнение наблюдаемого поведения телекоммуникационной сети с определенным ранее нормальным профилем и выявление сетевых аномалий. Нормальным профилем, или шаблоном работы сети, называется совокупность ее характеристик в течение некоторого промежутка времени, которая соответствует работе всей системы без каких-либо существенных отклонений. Однако вопрос о системе характеристик качества сети, на основе которых можно описать нормальный профиль, является весьма неординарным и представляет собой отдельную научную задачу. Постановка и решение каждой задачи связаны с представлением информации, которой располагает исследователь.

INFORMIKA. RU Данные в режиме реального времени собирались в файле /usr/local/MRTG/m_stat/file_stat.log с трех интерфейсов для роутера spb- gw.runnet.ru с интерфейсами: ATM 1/0 FastEthernet 0/0 FastEthernet 4/0 Данные записывались в ASCI-кодах в текстовом виде в таблицу по столбцам. Всего исследовалось 25 параметров, длина столбца при этом была не ограничена. В настоящее время имеются сотни тысяч данных в каждом столбце. Экспериментальная информация для использования в статистической системе исследования и анализа телекоммуникационных сетей на основе описанных далее моделей временных рядов собиралась следующим образом. На сервере spb.runnet.ru: /usr/local/MRTG/m_stat/time_mrtg1.pl было установлено программное обеспечение для сбора статистической информации по ряду параметров, которые будут перечислены ниже. Система сбора статистических данных

INFORMIKA. RU 1. Время регистрации информации, в секундах с интервалом 5 мин Загрузка канала на входе (IN) в байтах для 1, 2 и 3-го интерфейсов соответственно. В этом поле подсчитывается число прошедших через соответствующий интерфейс байт информации с момента последнего принудительного обнуления счетчика после его переполнения Загрузка канала на выходе (OUT) в байтах, для 1, 2 и 3-го интерфейсов соответственно. В данном поле подсчитывается число посланных с этого интерфейса байт информации с момента последнего принудительного обнуления счетчика после его переполнения Ошибки IN, количество потерянных пакетов, для 1, 2 и 3-го интерфейсов соответственно Ошибки OUT, количество потерянных пакетов, для 1, 2 и 3–го интерфейсов соответственно Количество пакетов IN для 1, 2 и 3-го интерфейсов соответственно. Счетчик количества пакетов, вошедших через этот интерфейс Количество пакетов OUT для 1, 2 и 3 интерфейсов соответственно. 20. Загрузка процессора за 5 мин (в процентах от 100) Счетчик бродкастовых (системных) пакетов, вошедших через интерфейс 1, 2 и Свободная память процессора роутера в байтах. 25. Свободная память системы ввода вывода буфера роутера, в байтах. Ниже приводится расшифровка значений столбцов в таблице данных.

INFORMIKA. RU С целью выбора наиболее адекватной модели для анализа и мониторинга телекоммуникационных сетей были рассмотрены наиболее распространенные модели системы: Выбор математической модели Марковская модель системы Моделирование сетевого трафика фрактальным броуновским движением Моделирование временных рядов.

INFORMIKA. RU Моделирование различных составляющих, характеризующих работу сети, таких, как объем трафика, количество потерянных пакетов и другое в виде временных рядов имеет ряд очевидных преимуществ по сравнению с вышеописанными способами. При построении модели временных рядов используется экспериментальная информация (полученная в реально функционирующей сети), требуется меньше допущений и, следовательно, более адекватно отражается реальный объект, т.е. телекоммуникационная сеть. При статистическом анализе временных потоков информации необходимо осуществить выделение тренда; выделение периодических составляющих - колебаний относительно тренда с некоторой регулярностью; анализ случайной компоненты.

INFORMIKA. RU Y(t) = f(t)+g(T)+ε(t), Y(t) = f(t)+g(T)+ε(t), где f(t) - тренд, медленно меняющаяся во времени функция, описывающая изменения среднесуточных (средненедельных) загрузок за интервалы времени большие, чем суточная периодичность; g(T) - периодическая составляющая, которая может быть описана конечным рядом Фурье, построенным по экспериментальным данным величин загрузок телекоммуникационного канала; ε(t) - случайная последовательность, относительно которой делается предположение о равенстве нулю ее математического ожидания М[ε(t)]=0. Математическая модель Для такого показателя работы сети, как загрузка каналов предложена следующая модель, включающая три составляющие:

INFORMIKA. RU Методы исследования данной модели предлагаются следующие. Моделирование тренда может проводиться с помощью хорошо разработанных методов регрессионного анализа. Для построения ряда Фурье следует применять методы анализа периодограмм и спектрального анализа случайных процессов. Свойства и характеристики случайной последовательности ε(t) изучаются с помощью классических методов математической статистики и методов анализа случайных последовательностей. Вывод: Статистические модели телекоммуника- ционных сетей в виде временных рядов, на наш взгляд, наиболее достоверны, так как основаны на большом числе экспериментальных данных, а, следовательно, являются и наиболее информативными для прогноза состояния сети.

INFORMIKA. RU Для облегчения задачи сетевого администрирования с целью статистического анализа и мониторинга телекоммуникационной системы (сети) были разработаны теоретические подходы и реализована программа «Анализатор трафика». В функции этой программы входят: непрерывный мониторинг трафика сети; сравнение текущих параметров с нормальными; выдача системному администратору предупреждений и рекомендаций, в случае возникновения отклонений. Программная реализация

INFORMIKA. RU У программы есть два режима работы: режим обучения и режим анализа. После установки программа запускается в режиме обучения. В этом режиме программа собирает информацию о трафике, воспринимая его как нормальный режим работы сети. Длительность обучения, которая может настраиваться пользователем, равна по умолчанию двум неделям. В течение срока программа раз в пять минут фиксирует количество информации, прошедшей через канал и запоминает его в файле в текстовом формате. По истечению времени обучения программа обрабатывает накопленные данные и переключается в режим анализа. Обработка накопленной информации заключается во-первых, в спектральном анализе, во вторых, в вычислении тренда, и в третьих в определении частоты появления выбросов. INFORMIKA. RU

Для спектрального анализа используется представление данных в виде ряда Фурье. Полученные гармоники покрывают 95% дисперсии ряда, и они запоминаются в отдельном файле как спектральная характеристика нормального режима функционирования сети. Для вычисления тренда используется метод скользящего среднего. Обработка выбросов заключается в том, что вычисляется среднее количество их появления в течение одной недели. Все эти параметры сохраняются в отдельном файле и программа начинает работать в режиме анализа. В этом режиме программа раз в 5 минут фиксирует загрузку сети и сравнивает это значение с модельным значением, вычисленным с помощью спектра нормального режима.

INFORMIKA. RU В случае отклонения полученного значения от эталона на протяжении 6 измерений (т.е. в течение часа) программа фиксирует серьёзное отклонение и начинает определять его причину. Для этого производится спектральный анализ, вычисление тренда и количества выбросов за последние две недели. Соответственно, может возникнуть одна или несколько из следующих ситуаций: изменился тренд; изменилась частота появления выбросов; изменилась спектральная характеристика ряда; изменилось среднее значение ряда.

INFORMIKA. RU Самый низкий уровень опасности имеет увеличение количества выбросов. Если это зафиксировано, то администратору будет выдано предупреждение и рекомендация проверить сеть на появление вирусов, т.к. велика вероятность того, что выбросы связаны с деятельностью сетевых «червей». Рекомендации системному администратору Более высокий уровень опасности представляет изменение спектральной характеристики ряда. Очевидно, что в нормальном режиме работы сеть подчиняется суточным и недельным колебаниям загрузки. Если же произошли отклонения, значит один или несколько пользователей перешли на круглосуточный (и/или без выходных) режим работы и администратору будет предложено уделить этим пользователям внимание.

INFORMIKA. RU Ещё более высокий уровень опасности представляет изменение тренда. Оно означает, что происходит медленный, но верный рост загрузки сети и в не очень отдалённом будущем возможно переполнение её пропускной способности. Самым опасным вариантом является скачкообразное увеличение среднего значения ряда. Это означает, что сеть работает в режиме, близком к предельному, и может начать не справляться с загрузкой. Администратору выдаётся предупреждение и рекомендация срочно обратить внимание на загрузку сети для определения причины её увеличения и исправления ситуации. Рекомендации системному администратору

INFORMIKA. RU Помимо случаев отклонения от эталона, программа проводит регулярные проверки параметров сети (по умолчанию раз в неделю). Это необходимо, так как изменения могут происходить настолько медленно, что не будут фиксироваться описанным выше критерием, но реакция на них всё равно необходима. В случае проведения работ по реконструкции или модернизации сети, её нормальные параметры функционирования изменятся. Поэтому в программе предусмотрена возможность переобучения по новым данным. При её активации программа переходит в режим обучения и фиксации данных для создания нового эталона, отвечающего текущему состоянию сети.

INFORMIKA. RU В результате обработки статистической информации о функционировании телекоммуникационной сети можно определить нормальный профиль сети (этап анализа). Выявление и предсказание отклонений от нормального профиля сети (этап мониторинга) проводится системным администратором с целью определения возникновении нештатной ситуации и принятии соответствующего решения об изменении конфигурации сети. Программа будет предоставлена для свободного использования на сайте управления сетью RUNNet в ближайшее время. В докладе представлены отдельные результаты научно- исследовательской работы в этой области, выполняемой в рамках гранта РФФИ Заключение i

INFORMIKA. RU Скуратов Алексей Константинович Заместитель директора Государственный НИИ информационных технологий и телекоммуникаций (ГНИИ ИТТ «Информика») International Symposium Quality, Innovation, Education and CALS technology 8-15 мая 2005 г.г. Шибеник, Хорватия Благодарю за внимание!