Diagnostika přenosových systémů a sítí využívajících technologii Ethernet Petr Jareš.
Autor: Petr Jareš. Název díla: Diagnostika přenosových systémů a sítí využívajících technologii Ethernet Zpracoval(a): České vysoké učení technické v Praze Fakulta elektrotechnická Kontaktní adresa: Technická 2, Praha 6
Inovace předmětů a studijních materiálů pro e-learningovou výuku v prezenční a kombinované formě studia
Evropský sociální fond Praha & EU: Investujeme do vaší budoucnosti
VYSVĚTLIVKY
Definice
Zajímavost
Poznámka
Příklad
Shrnutí
Výhody
Nevýhody
ANOTACE Ověření přenosových parametrů telekomunikačních sítí je v dnešní době důležitou otázkou pro všechny poskytovatele připojení a pro jejich klienty. Metodika uvedená v novém doporučení ITU-T Y.1564, které navazuje na starší doporučení organizace IETF RFC 2544, přináší inovované metody a postupy pro diagnostiku síťových prvků i celé sítě. Dominantní technologií, která je využívána v těchto sítích pro přenos dat účastníků, je technologie Ethernet. Obě doporučení jsou proto na tuto technologii zaměřeny.
CÍLE Cílem modulu je seznámit se s možnostmi měření a klasifikace přenosových parametrů datových prvků a sítí, které jsou založeny na technologii Ethernet. Postupně jsou v modulu rozebrány principy a jednotlivé testy z doporučení RFC 2544 a Y. 1564.
LITERATURA [1]
IETF. Benchmarking Methodology for Network Interconnect Devices: RFC 2544. Network Working Group, 1999. Dostupné z: http://www.ietf.org/rfc/rfc2544.txt
[2]
ITU-T. Y.1564 : Ethernet service activation test methodology. Geneva, 2011. Dostupné z: http://www.itu.int/rec/T-REC-Y.1564/en.
[3]
Boháč,L., Bezpalec, P: Datové sítě. Přednášky. Vydavatelství ČVUT, 1. Vydání, Praha 2011.
[4]
ŤUPA, M. KOCIAN. R.: PROFIBER NETWORKING CZ S.R.O. Zkušební jízdy EtherSAM [PDF]. 2012, 15 s. Dostupné z: http://www.profiber.eu/files/Workshop_EtherSAM_a_mereni_strukturovane_kabelaze. pdf.
Obsah 1 Doporučení RFC 2544.......................................................................................................... 6 1.1
Co přináší doporučení RFC 2544 ............................................................................... 6
1.2
Výhody testů dle RFC 2544 ....................................................................................... 7
1.3
Nevýhody tesů dle RFC 2544 .................................................................................... 8
1.4
Základní metodika testů ............................................................................................. 9
1.5
Další nastavení testů ................................................................................................. 10
1.6
Typy a velikosti rámců ............................................................................................. 11
1.7
Průběh měření........................................................................................................... 13
1.8
Test modelového přenosového řetězce..................................................................... 14
1.9
Parametry fyzické a spojové vrstvy pro ukázkový test ............................................ 16
1.10
Test propustnosti ...................................................................................................... 18
1.11
Test zpoždění ............................................................................................................ 20
1.12
Test ztrátovosti rámců .............................................................................................. 22
1.13
Test zatížitelnosti ...................................................................................................... 24
1.14
Test zotavení po přetížení......................................................................................... 25
1.15
Test zotavení po restartu........................................................................................... 26
1.16
Závěr k RFC2544 ..................................................................................................... 27
2 Doporučení ITU-T Y.1564 ................................................................................................. 28 2.1
ITU-T Y.1564 Ethernet service activation test methodology .................................. 28
2.2
Kvalita služby a smlouva SLA ................................................................................. 29
2.3
Nová metodika dle Y.1564 ....................................................................................... 30
2.4
Kontrola nastavení síťové konfigurace služeb ......................................................... 31
2.5
Výsledky kontroly nastavení síťové konfigurace služeb.......................................... 33
2.6
Kontrola nastavení parametrů kvality služby QoS ................................................... 35
2.7
Závěr k Y.1564 ......................................................................................................... 37
2.8
Testování datových sítí s technologií Ethernet......................................................... 38
2.9
Měření bitové chybovosti na Ethernetu.................................................................... 39
2.10
Test ........................................................................................................................... 40
1 Doporučení RFC 2544 1.1 Co přináší doporučení RFC 2544 Doporučení RFC 2544 (Request For Comment) vytvořila v roce 1999 organizace IETF (Internet Engineering Task Force). Obsahem doporučení je zaprvé soubor testů, které umožňují ověřit přenosové parametry síťového prvku, a zadruhé doporučené formáty pro prezentování výsledků jednotlivých testů. V dnešní době se prostřednictvím toho doporučení ověřují i některé přenosové parametry datových okruhů, které vzniknou vzájemným propojením několika síťových prvků. Celý název doporučení RFC 2544 zní „Benchmarking Methodology for Network Interconnect Devices“. RFC 2544 bylo původně vyvinuto pro potřeby testů v laboratorních podmínkách. S ohledem na dobu svého vzniku pak doporučení RFC 2544 neobsahuje testy parametrů, které je potřeba sledovat u moderních datových okruhů a prvků. Postupem času totiž přicházely nové služby pro uspokojení nových potřeb účastníků, a s nimi zákonitě přicházely i jiné nároky na přenosové parametry okruhů. I přes své nedostatky, jsou testy RFC 2544 základními testy pro ověření přenosových parametrů síťových prvků a sítí. Na RFC 2544 v dnešní době navazují novější doporučení, například Y.1564. Dokumenty RFC vydávané IETF se zabývají technickými principy pro fungování datové sítě a potažmo tak i celosvětové sítě Internet. Dokumenty IETF nemají status závazných norem. Jsou tedy opravdu pouze doporučeními. Nicméně jsou v praxi tak široce respektovány, že se normou ve své podstatě staly.
Datový kanál je soubor technických prostředků umožňující dálkový přenos číslicového signálu v jednom směru. Datový okruh je tvořen dvěma protisměrnými datovými kanály.
1.2 Výhody testů dle RFC 2544 K vytvoření dokumentu RFC 2544, a předchozích dokumentů jako RFC 1944, přispěla nejednotnost v metodice měření a udávání výsledků. Pokud neexistuje jednotný způsob ověřování parametrů (metodika měření), má pochopitelně každý výrobce síťových prvků tendenci zavádět si vlastní definice a vlastní způsoby měření tak, aby právě jeho výrobek vynikl a kvalitativně převýšil výrobky konkurenční. Metodika měření definuje jednotlivé parametry, které je třeba sledovat, definuje i postup, jak tyto parametry měřit. Ve stanovených postupech jsou uvedeny počáteční podmínky, podmínky pro průběh měření a jednotlivé na sebe navazující kroky měření. Důležitou součástí RFC 2544 je i způsob, jakým mají být formátovány výsledky jednotlivých měření. Obdobně, jako u metodiky měření, si každý výrobce z naměřených hodnot vybíral pouze ty hodnoty, které vrhaly na jeho výrobek dobré světlo. Pro relevantní vzájemné srovnání jednotlivých síťových prvků různých výrobců, je tedy v RFC 2544 předepsáno, jakou podobu mají mít výsledky (formát grafu, tabulky, atd.) a jaké naměřené parametry mají být obsahem takovéhoto výstupu.
7
1.3 Nevýhody tesů dle RFC 2544 Jak již bylo zmíněno, jsou testy popsané v RFC 2544 koncipovány především pro laboratorní prostředí. Z tohoto faktu plyne řada nevýhod. Nevýhodou je, že je testy možné jen obtížně spouštět na síťovém prvku nebo síti, která přenáší data platících účastníků. Je nepřípustné, abychom například testem propustnosti zatížili daný síťový prvek na 100% a tedy na přenos účastnických dat by nezbyla volná přenosová kapacita. Další nevýhodou je, časová náročnost v provádění některých testů v délce desítek minut nebo hodin. Absence měření některých, z dnešního pohledu důležitých, parametrů. Příkladem může být kolísání ve zpoždění jednotlivých datových jednotek. Doporučení RFC 2544 nepočítá s testováním paralelních datových přenosů. V dnešní době je zcela obvyklá situace s přenosy tzv. Triple-play služeb (přenos videa, hlasových služeb, datových služeb). Telekomunikační operátor tak musí ve své síti zajistit správné zacházení s tím kterým datovým tokem. Musí zajistit správnou prioritizaci nebo omezování toku v síťových prvcích v závislosti na aktuálních podmínkách přenosu.
8
1.4 Základní metodika testů Konkrétní způsob zapojení testované jednotky DUT (Device Under Test) vyplývá, jednak z vlastností DUT, tedy například z typů rozhraní pro jednotlivá přenosová media, a také z vlastností analyzátoru. Základní schémata pro zapojení při realizaci testů jsou uvedena na obrázku.
Způsoby zapojení při testech DUT.
Pokud je použit pouze jeden analyzátor s vysílacími i přijímacími porty, je situace značně zjednodušená (varianta a). Je zřejmé, že informace o parametrech vysílaného datového toku jsou k dispozici i přijímací straně, a proto lze snadno analyzovat výsledky. Uvedená konfigurace měření je vhodná při proměřování parametrů jednoho nebo i více prvků ve stejné lokalitě. Pokud máme pouze jeden analyzátor, ale měření probíhá v geograficky rozlehlé oblasti (varianta b), je možné zakončit datový okruh pomocí hardwarového zařízení ve funkci smyčky, která příchozí datový tok odešle zpět do směru k původnímu zdroji dat. V tomto měření můžeme využívat výhody zdroje a analyzátoru dat v jednom místě. Nevýhodou je fakt, že k ovlivnění datového toku dochází v obou směrech okruhu a můžeme tedy obdržet zkreslené výsledky (například chybovost). V případě (varianta c), že potřebujeme proměřit pouze jeden směr (datový kanál) nezbude, než realizovat zdroj dat a analyzátor dvěma odlišnými zařízeními a také přenášet doplňkové informace o datovém toku ze zdroje dat do analyzátoru. Vzhledem k uspořádání přístrojů získáváme v tomto zapojení nepřesnější výsledky. Tímto způsobem měříme především datové okruhy s asymetrickými přenosovými parametry v obou směrech.
9
1.5 Další nastavení testů Před započetím jakéhokoliv měření se předpokládá, že testované zařízení DUT, případně celý datový kanál či okruh, bude správně nakonfigurován pro podporu všech požadovaných protokolů. Také se předpokládá, že v průběhu všech měření nebude měněna konfigurace DUT, pakliže to nevyžaduje samo měření (například nebude měněna velikost vyrovnávací paměti). Tester (analyzátor) by měl během měření ignorovat jakékoliv rámce, které nejsou testovacími rámci (např. rámce obsahující směrovací informace). Je doporučeno sekvenční číslování jednotlivých testovacích rámců tak, aby se na přijímací straně snadno získávala informace o přenesený či ztracených rámcích. Na přijímací straně se také musí kontrolovat správná velikost a integrita přijatých rámců. RFC 2544 uvádí i řadu dalších doporučených nastavení a postupů. Příkladem může být i vkládání rámců pro všesměrové vysílání (broadcast) tak, aby se řádně ověřila činnost síťového prvku. Přenos rámců typu broadcast, totiž vyžaduje v síťovém prvku odlišný postup ve zpracování. Je uvedeno, že testovací datový tok by měl být rozšířen o 1 % datových rámců broadcast. Například každý 100. rámec by měl být typu broadcast. Obdobně by se mělo pracovat s rámci nesoucími informace o managementu SNMP (Simple Network Management Protocol) apod. Protokol SNMP patří do protokolů aplikační vrstvy RM-OSI. Vzhledem k postupnému vývoji existují dnes tři verze tohoto protokolu, které se označují SNMPv1, SNMPv2, SNMPv3. Komunikace v SNMP funguje na principu správce – agent. Správce náleží do programového vybavení dohledového centra sítě a zasílá jednotlivým agentům požadavky na poskytnutí informací (SNMP Request). Agent náleží do programového vybavení monitorovaných a spravovaných síťových prvků. Jeho úkolem je shromažďovat informace v síťovém prvku a poskytovat je centru sítě. Agent poskytuje požadované informace (SNMP Respond) nejen na vyžádání z centra sítě, ale dle nastavených podmínek je schopen i sám zaslat nevyžádanou informaci (SNMP Trap) do centra, například při mimořádných či poruchových stavech síťového prvku.
10
1.6 Typy a velikosti rámců Formát datových jednotek na spojové vrstvě (druhá vrstva RM-OSI) se nazývá rámec. V doporučení RFC 2544 jsou specifikovány v příloze C rámce pro přenos protokolu TCP/IP přes Ethernet. V případě, že je pro měření zvolen jiný formát rámce nesoucí jiný protokol vyšší vrstvy, musí být přesný popis součástí výsledků měření. Velikost datového rámce, s tím související objem přenášených dat účastníka, může mít výrazný vliv na výsledné parametry přenosu. Proto je pro všechna měření nutné velikost rámců přesně specifikovat. Během měření se mají použít velikosti rámců odpovídající maximu a minimu, které daná technologie či rozhraní dovoluje. A mezi těmito mezními případy by se měl stanovit adekvátní počet hodnot tak, aby měření mělo správnou vypovídací hodnotu. Doporučení specifikuje velikosti datových rámců například pro technologii Token ring nebo FDDI (Fiber Distributed Data Interface). S ohledem na rozšířenost technologie Ethernet si zde uvedeme doporučené velikosti rámců a přenosové rychlosti FPS (Frame Per Second, počet rámců za sekundu), právě pro tuto technologii. Doporučené velikosti rámců pro technologii Ethernet.
Velikost [B]
Rychlost FPS [FPS]
64
14880
128
8445
256
4528
512
2349
768
1586
1024
1197
1280
961
1518
812
U technologie Ethernet je nutné při výpočtu FPS uvažovat další faktory, které souvisejí s reálnou implementací. Přenos jednoho rámce v sobě zahrnuje: •
8 Bytes – preambule rámce,
•
N Bytes – rámec (N je mezi 64 až 1518),
•
12 Bytes – mezi rámcová mezera.
Preambule datového rámce je v moderních technologiích Ethernet spíše z historických důvodů. Používala se pro potřeby synchronizace přijímače na přijímaný datový rámec. Mezi rámcová mezera se využívala jako časový úsek
11
potřebný pro regeneraci elektronických obvodů před příjmem dalšího datového rámce.
12
1.7 Průběh měření V rámci metodiky jsou stanoveny jednotlivé kroky: •
Pokud je DUT síťový prvek ve funkci směrovače, vyšlou se před započetím vlastní sekvence měření na jeho vstupní rozhraní příslušné informace pro nastavení směrovací tabulky.
•
Následuje vyčkání po dobu 2 sekund. Tuto dobu má DUT na správné nastavení na základě přijatých informací.
•
Následuje vyslání „učícího“ rámce (Learning frame) na výstupní port DUT pro zajištění správného nastavení CAM (Content Addressable Memory) tabulky.
•
Poté následuje spuštění a sledování průběhu sekvence měření po dobu 60 s.
•
Následuje vyčkání po dobu 2 sekund na poslední testovací rámec.
•
Na závěr se vyčká po dobu 5 sekund pro ustálení stavu DUT.
CAM tabulka obsahuje přiřazení konkrétního portu síťového prvku a seznamu MAC adres jiných síťových prvků, které jsou dostupné prostřednictvím tohoto portu. Délka sekvence měření (například pro jednu velikost rámce) je doporučením stanovena na hodnotu alespoň 60 s. S ohledem a to, že některá měření vyžadují několikanásobné opakování jednotlivých sekvencí (pro jednu velikost rámce se měření několikrát opakuje), je možné délku sekvence adekvátním způsobem zkrátit. Bylo zmíněno, že RFC 2544 je určeno pro testy v laboratorních podmínkách. Přesto jsou pro potřeby měření na živé síti vyčleněny organizací IANA (Internet Assigned Numbers Authority) adresy protokolu IPv4 v rozsahu od 198.18.0.0 do 198.19.255.255. Cílem tohoto opatření je umožnit reálná měření s minimalizací rizika, že test ovlivní ostatní toky v reálné síti operátora. Jednotlivé testy specifikované v RFC 2544 jsou: •
Throughput (propustnost).
•
Latency (zpoždění).
•
Frame Loss Rate (ztrátovost rámců).
•
Back-to-Back frames (zatížitelnost).
•
System Recovery (zotavení po přetížení).
•
Reset (zotavení po restartu).
13
1.8 Test modelového přenosového řetězce Pro názornost a oživení výkladu budou do následujících kapitol přidávány výsledky reálného testu přenosu dat dle RFC 2544, který proběhl v Laboratoři přenosových systémů Katedry telekomunikační techniky FEL, ČVUT v Praze. Testu byla podrobena dvojice přepínačů Dell PowerConnect 5524. Test byl proveden dvojicí analyzátorů JDSU SmatClass Ethernet. Jeden ve funkci generátoru a analyzátoru, druhý ve funkci L2 smyčky na vzdálené straně. Proměřován byl tedy celý datový okruh. Pracoviště bylo zapojeno dle schématu.
Výsledný protokol z měření obsahuje nejprve identifikační údaje o zákazníkovi a zhotoviteli měření. Pro potřeby tohoto textu jsou některé údaje uvedeny zjednodušeně. Test probíhal přibližně pouze hodinu a deset minut. Některé sekvence měření byly záměrně zkráceny. Na názornosti pro potřeby tohoto textu se však nic nemění.
14
Výsledný protokol z měření obsahuje nejprve identifikační údaje o zákazníkovi a zhotoviteli měření. Pro potřeby tohoto textu jsou některé údaje uvedeny zjednodušeně. Test probíhal přibližně pouze hodinu a deset minut. Některé sekvence měření byly záměrně zkráceny. Na názornosti pro potřeby tohoto textu se však nic nemění.
15
1.9 Parametry fyzické a spojové vrstvy pro ukázkový test Na obrázku je uvedena část výsledného protokolu z měření s nastavením fyzické a spojové vrstvy dle modelu RM-OSI v laboratorním testu RFC 2544.
Na obrázku je uvedena část výsledného protokolu z měření s nastavením fyzické a spojové vrstvy dle modelu RM-OSI v laboratorním testu RFC 2544.
Z tabulky „Negotiation Status“ je zřejmé, že pro test bylo použito metalické ethernetové rozhraní analyzátoru 1000Base-T s plně obousměrným provozem (FDX, Full Duplex). Tabulka také zobrazuje i výsledky ze vzájemné komunikace mezi analyzátorem a přepínačem, o všech možných režimech daného rozhraní. Tabulka „Test Configuration“ zobrazuje základní parametry spojové vrstvy, tedy MAC adresy zdroje a cíle, typ rámců a to, že nebylo použito značkování rámců dle IEEE 802.1Q (tzv. virtuální sítě VLAN). Kompletní informace o nastavení testů udává tabulka „RFC 2544 Setup“. Je z ní možné například vyčíst, které typy testů se prováděly, jaké velikosti rámců se použily, do jaké maximální rychlosti byly datové toky generovány (souvisí s informace z tabulky „Negotiation Status“), jaká byla požadovaná přesnost testů, délka testů atd.
16
Kompletní informace o nastavení testů udává tabulka „RFC 2544 Setup“. Je z ní možné například vyčíst, které typy testů se prováděly, jaké velikosti rámců se použily, do jaké maximální rychlosti byly datové toky generovány (souvisí s informace z tabulky „Negotiation Status“), jaká byla požadovaná přesnost testů, délka testů atd.
17
1.10 Test propustnosti Cílem měření je zjistit maximální možnou rychlost přenášení datových rámců prostřednictvím DUT, aniž by docházelo k jejich ztrátě. Propustnost je definována jako maximální rychlost vysílaných rámců FPS, při které nedochází ke ztrátě rámců při přenosu. Pro zjištění maximální propustnosti se zahájí přenos určitého počtu datových rámců prostřednictvím DUT k přijímací straně s největší rychlostí FPS, kterou dané rozhraní (přenosové medium) podporuje. Na přijímací straně se kontroluje počet a integrita přijatých rámců. V případě, že při přenosu došlo ke ztrátě nebo chybě, sníží se rychlost vysílaní. V praxi se rychlost sníží obvykle o 1/2. V případě, že se na přijímací straně zjistí, že datový přenos proběhl bez chyby, zvýší se vysílací rychlost. Opět obvykle o 1/2. Celý proces iteračně pokračuje, dokud není nalezena nejvyšší přenosová rychlost FPS bez výskytu chyby (ztráty rámce) za dobu minimálně 60 s. Měření musí proběhnout pro všechny velikosti rámců. Výsledek měření má být prezentován ve formě grafu se závislostí výsledné FPS na velikosti rámce. Graf by měl obsahovat alespoň dva průběhy. První znázorňuje naměřenou FPS a druhý teoretickou FPS pro dané rozhraní. Dále výsledek musí přesně specifikovat použitý protokol a formát datového toku.
18
Měření musí proběhnout pro všechny velikosti rámců. Výsledek měření má být prezentován ve formě grafu se závislostí výsledné FPS na velikosti rámce. Graf by měl obsahovat alespoň dva průběhy. První znázorňuje naměřenou FPS a druhý teoretickou FPS pro dané rozhraní. Dále výsledek musí přesně specifikovat použitý protokol a formát datového toku.
V tabulce a grafu „Throughput Test Results“ jsou shrnuty výsledky měření propustnosti. Vidíme, že náš přenosový řetězec se chová očekávaným způsobem. Pouze u sekvence s rámci o délce 64 B jsme oproti teorii trochu pomalejší, nicméně stále v normě pro technologii Ethernet. Alternativně je možné uvádět propustnost klasicky v bitech za sekundu. Nicméně tento údaj může být, bez uvedení dodatečných informací, zavádějící.
19
1.11 Test zpoždění Cílem měření je určení doby, po kterou trvá přenos datového rámce prostřednictvím DUT. Při měření zpoždění se v prvním kroku určí propustnost. Samotné následující měření zpoždění by mělo trvat alespoň 120 sekund. Po 60 sekundách vysílání datového toku s maximální propustností, má být do datového toku vložen zvláštní datový rámec obsahující časovou značku svého vyslání. Na přijímací straně musí být tento rámec rozpoznán a musí být zaznamenán čas jeho přijetí. Rozdílem mezi časem přijetí a vyslání je doba zpoždění při přenosu. Způsob vytvoření časové značky i celého zvláštního rámce není podrobně specifikován a záleží tak na každém výrobci. Měření při maximální propustnosti datového okruhu (případně kanálu) má zajistit zaplnění vyrovnávacích pamětí síťového prvku (prvků) a simulovat tak nejhorší možný případ přenosu. Měření, tak jak je výše uvedeno, se musí opakovat 20x. Výsledná hodnota zpoždění se určí jako průměr z dvaceti měření. Test zpoždění se musí provádět pro všechny velikosti rámců. Při měření je nutné znát i režim zpracování rámců v síťovém prvku (prvcích). Zdali se jedná o metodu Store-and-forward (směrovač, přepínač) nebo Bitforwarding (rozbočovač). Výsledky musí obsahovat plnou konfiguraci měření. Výsledek by měl mít formu tabulky, která bude mít na pozicích řádků velikost rámce. Sloupce pak budou tvořit naměřené hodnoty propustnosti, výsledná hodnota zpoždění, formát datového toku a typ rozhraní. S ohledem na dříve uvedená schémata zapojení testů je zřejmé, že při měření zpoždění můžeme získat různé hodnoty v závislosti na konkrétním zapojení měřícího pracoviště. Pokud budeme proměřovat pouze datový kanál, získáme hodnoty zpoždění při přenosu dat v jednom směru. Pokud budeme proměřovat celý datový okruh, na vzdáleném konci vzájemně propojené datové kanály, získáme dvojnásobné zpoždění při přenosu. Toto zpoždění se většinou označuje jako Round Trip Delay (RTD) nebo Round Trip Time (RTT). V tomto zpoždění je navíc zahrnut i čas na zpracování a zpětného vyslání datového toku v zařízení, které realizuje smyčku na vzdáleném konci okruhu.
20
Výsledky uvedené v tabulce „Latency (RTD) Results“ udávají hodnoty zpoždění při přenosu datovým okruhem. Tedy hodnoty RTD. Z grafu je názorně vidět, že se vzrůstající délkou rámce roste zpoždění při přenosu, neboť je nutné delší dobu čekat na naplnění rámce daty účastníka. S rostoucí dobou zpoždění roste ale i efektivnost přenosu. Neboť pro přenos určitého objemu účastnických dat vystačí nižší množství služebních dat (menší počet záhlaví datových rámců).
21
1.12 Test ztrátovosti rámců Cílem měření je zjistit počet ztracených datových rámců při přenosu prostřednictvím DUT v konkrétních podmínkách. Ztrátovost může být důležitým parametrem při zajištění přenosu dat pro služby v reálném čase. U tohoto typu služeb, totiž není možné opakovat vyslání dat, pokud při přenosu dochází k jejich ztrátám. Ztrátovost rámců FLR (Frame Loss Ratio) je definována klasickým vzorcem počtu vyslaných (Ntx) a přijatých (Nrx) rámců:
FLR =
( N tx − N rx ) ⋅ 100% N tx
Měření ztrátovosti rámců by mělo začít vysíláním posloupnosti datových rámců prostřednictvím DUT k přijímací straně o rychlosti FPS rovnající se 100 % rychlosti rozhraní (media). Po skončení měření dojde k vyhodnocení. Zkoumá se, zdali počet přijatých rámců odpovídá počtu vyslaných rámců. V dalším kroku se sníží FPS na 90 % rychlosti maximální a měření se opakuje. Následující měření pak probíhá s 80 % rychlosti vzhledem k maximální FPS. Celý proces se tak iteračně opakuje až do doby, kdy se zjistí dvě po sobě jdoucí hodnoty FPS, u kterých nedošlo ke ztrátě rámce. Velikost kroku, kterým se postupně snižuje rychlost vysílání rámců, musí být nejvýše 10 % z hodnoty maximální FPS rozhraní. Pro praxi se ale doporučuje krok jemnější. Výsledky by měly být prezentovány formou grafu se závislostí ztrátovosti rámců (v procentech) na rychlosti FPS (v procentech). Osy grafů musejí být od 0 % do 100 %. Specifikována musí být délka rámce, pro kterou uvedený graf platí.
22
Výsledky by měly být prezentovány formou grafu se závislostí ztrátovosti rámců (v procentech) na rychlosti FPS (v procentech). Osy grafů musejí být od 0 % do 100 %. Specifikována musí být délka rámce, pro kterou uvedený graf platí.
Pro názornost je uveden výsledek měření ztrátovosti pouze pro velikost rámce 1518 B. Z tabulky je vidět, že krok při testu byl zvolen 5 %, což reálně odpovídá 50 Mbit/s. Ve dvou po sobě jdoucích krocích nebyla zjištěna chyba (pro 100 % a 95 %) a proto byl test ukončen.
23
1.13 Test zatížitelnosti Cílem měření je zjištění schopnosti vyrovnávací paměti DUT zpracovat příchozí datové rámce, které jsou vysílány kontinuálně za sebou s minimálními mezirámcovými mezerami. Měření začíná vysíláním sekvence datových rámců, s minimálními mezerami mezi rámci, prostřednictvím DUT k přijímací straně. V případě, že se počet vyslaných a přijatých rámců rovná, zvýší se počet datových rámců ve vysílací sekvenci a měření se opakuje. V případě, že se počet vyslaných a přijatých rámců nerovná, sníží se počet datových rámců v sekvenci a měření se opakuje. Za výsledek se považuje nejvyšší hodnota počtu datových rámců v sekvenci, při jejichž přenosu nedošlo ke ztrátě rámce. Měření by mělo být opakováno nejméně 50x pro každou velikost rámce a výsledek je udáván jako průměrná hodnota z měření. Doba trvání nejkratší povolené sekvence rámců jsou 2 s. Výsledky tohoto testu by měly být formátovány do tabulky, ve které řádky budou tvořit velikosti datových rámců. Sloupce pak naměřené hodnoty zatížitelnosti.
Výsledky tohoto testu by měly být formátovány do tabulky, ve které řádky budou tvořit velikosti datových rámců. Sloupce pak naměřené hodnoty zatížitelnosti.
Výsledek testu zobrazuje maximální počet odeslaných rámců, aniž by docházelo ke ztrátám nebo chybám. Stejně jako v předešlých testech, i tento skončil kladným vyhodnocením.
24
1.14 Test zotavení po přetížení Cílem měření je zjistit jak dlouho DUT nepřeposílá datové rámce v případě, že dojde k jeho přetížení s následnou obnovou stavu pro normální provoz. Pro toto měření je nutné zjistit propustnost DUT. Následně se z vysílací strany bude generovat datový tok s rychlostí o 10 % větší, než je rychlost odpovídající maximální propustnost. V konkrétní známý časový okamžik je snížena rychlost datového toku na 50 % a je zahájeno měření času, po který dochází na DUT ke ztrátám rámců. Doba zotavení je určena jako rozdíl mezi časovým okamžikem, ve kterém již nedocházelo ke ztrátám rámců, a časovým okamžikem snížení rychlosti datového toku na 50 %. Měření by se mělo vícekrát opakovat a výsledek by měl být průměr z jednotlivých měření. Měření by se mělo provádět pro všechny velikosti datových rámců. Výsledky tohoto testu by měly být formátovány do tabulky, ve které řádky budou tvořit velikosti datových rámců. Sloupce pak hodnota propustnosti, při které probíhalo měření, a naměřená hodnota zotavení.
25
1.15 Test zotavení po restartu Cílem měření je určení doby potřebné k zahájení přenosu rámců o minimální velikosti zařízením DUT, po provedení hardwarového nebo softwarového restartu, popřípadě po výpadku napájení. Výsledkem měření je čas mezi posledním přeneseným rámcem a prvním přeneseným rámcem při restartu DUT. Měření je doporučeno provádět pro všechny druhy restartů. Na rozdíl od ostatních testů definovaných v RFC 2544 je tento test proveden jen s rámci o velikosti 64 B. Měření restartu po přerušení napájení probíhá výše popsaným způsobem. Napájení pro DUT by mělo být přerušeno v délce 10 s.
26
1.16 Závěr k RFC2544 Původním záměrem RFC 2544 bylo vytvořit metodiku pro ověření parametrů síťových prvků a umožnit tak vzájemné porovnávání a ověřování parametrů síťových prvků. Testy dle RFC 2544 jsou v dnešní době nahrazovány modernějšími testy, které jsou zakotveny v nových standardizačních dokumentech. Metodika uvedená v RFC 2544 však tvoří jejich nedílnou součástí.
27
2 Doporučení ITU-T Y.1564 2.1 ITU-T Y.1564 Ethernet service activation test methodology Již byly zmíněny nedostatky testů dle doporučení RFC 2544. Tyto nedostatky se objevily s příchodem nových služeb, pro které je nutné v přenosových sítích operátorů zajistit u datových přenosů příslušné parametry. U nové testovací metodiky bylo nutno doplnit a zlepšit především o měření některých časových závislostí a umožnit testování paralelních datových toků či okruhů. V březnu roku 2011 byl přijat nový standard ITU-T Y.1564 Ethernet service activation test methodology. Doporučeni ITU-T Y.1564 definuje metodiku pro posuzování správné konfigurace telekomunikační sítě využívající technologii Ethernet a definuje metodiku pro posuzování parametrů přenosu služeb, jenž takovýto typ sítě využívají. Definovaná metodika byla vytvořena tak, aby i poskytovatelé služeb (nejen poskytovatelé připojení) měli standardizován způsob ověření přenosových parametrů svých služeb. V mezidobí, před přijetím výsledné podoby metodiky formou nového standardu ITU-T Y.1564, se řada výrobců snažila ve svých analyzátorech vylepšit stávající RFC 2544, například pro generování a analýzu více paralelních datových toků. Pro odlišení od standardního RFC 2544 se využívají marketingově upravené názvy jako „Enhanced RFC 2544“. Reálné implementace metodiky dle Y.1564 jsou u jednotlivých výrobců měřících přístrojů odlišně pojmenovány. Příkladem jsou implementace SAMcomplete, VSAM, EtherSAM. Metodika dle Y.1564 je určena pro měření sítí bez provozu (Out-of-Service), kdy v měřené síti nebude přenášen datový provoz platících účastníků. Opakem jsou tzv. In-Service měření, tedy za provozu. Přenosové parametry, například chybovost, se v tomto případě musejí zjišťovat nepřímo, například pomocí sledování detekčních kódů.
28
2.2 Kvalita služby a smlouva SLA S novými službami přišel také odlišný způsob realizace vztahu mezi poskytovatelem připojení, který vlastní síťovou infrastrukturu, a poskytovatelem služeb – zákazníkem, který požaduje po poskytovateli připojení datové přenosy. Vztah mezi těmito dvěma subjekty je upraven prostřednictvím smlouvy SLA (Service Level Agreement) neboli Smlouvy o garantované úrovni služeb. Tento dokument pak obsahuje všechny podmínky, za jakých se uskutečňují datové přenosy. Tedy konkrétní kvalitativní parametry přenosů, sankce při nedodržení, reakční doby pro případné opravy atd. Metodika popsaná v Y.1564 je de facto technickým arbitrem smluv SLA. Souhrnně se schopnost poskytovat služby na určité úrovni pomocí komunikační sítě posuzuje pomocí parametrů kvality služby QoS (Quality of Service). Kvalita služby je soubor opatření, které zajistí určitý stupeň uspokojení uživatele s danou službou. Parametry QoS může monitorovat provozovatel i uživatel sítě v rámci průběžného sledování síťového provozu. Smlouva SLA obvykle obsahuje tyto části (zakotveno v doporučení ITU-T M.3342): •
část obchodní – popis vztahů dodavatel – odběratel,
•
část služeb – specifikace služeb,
•
část technická – výčet parametrů a jejich limitů,
•
část procesní (reporty) – způsob vykazování parametrů a související procesy.
Měření a průběžné monitorování kvalitativních parametrů je nutné při klasifikaci použitelnosti sítě pro požadovaný rozsah kvalitativních parametrů i pro reportování dodržování parametrů definovaných v SLA.
29
2.3 Nová metodika dle Y.1564 Z předchozího textu je zřejmé, že nová metodika se už primárně nezaměřuje na ověřování parametrů síťových prvků, ale obecně je koncipována na ověření parametrů datových toků služeb. Nová metodika se také zabývá ověřením parametrů od spojové až po transportní vrstvu RM-OSI. Sledují se nejen parametry typu ztrátovost a zpoždění dle konkrétní služby a vrstvy, ale také například kolísání velikosti zpoždění a nám již známá propustnost, ta je ovšem definována odlišným způsobem než v RFC 2544. Metodika také nově zavádí podmínky pro testování paralelních datových toků, testování prioritizace mezi těmito toky a především zrychluje vlastní měření tím, že jednotlivá měření se už neprovádí pouze sekvenčně za sebou. Doba měření je typicky 2 hodiny, může být však zkrácena až na 2 minuty nebo naopak rozšířena na 24 hod. Obdobně jako u RFC 2544 probíhá měření pro oba směry zároveň (tzv. Round Trip s uzavřenou smyčkou na vzdáleném konci), nebo pro každý směr samostatně. Ověřování přenosových parametrů probíhá ve dvou základních fázích: •
Kontrola nastavení síťové konfigurace služeb (Service Configuration Test).
•
Kontrola nastavení parametrů kvality služby QoS (Service Performance Test).
30
2.4 Kontrola nastavení síťové konfigurace služeb Při kontrole nastavení síťové konfigurace služeb se postupně měří parametry každé služby a ověřuje se správnost všech parametrů SLA. Přenosová rychlost (propustnost) se nastavuje pomocí tzv. Ramp testu. Během tohoto testu stupňovitě narůstá přenosová rychlost (provoz). Každý krok Ramp testu trvá 1 až 10 s. V každém kroku jsou ověřovány všechny parametry SLA.
Při kontrole nastavení síťové konfigurace služeb se postupně měří parametry každé služby a ověřuje se správnost všech parametrů SLA. Přenosová rychlost (propustnost) se nastavuje pomocí tzv. Ramp testu. Během tohoto testu stupňovitě narůstá přenosová rychlost (provoz). Každý krok Ramp testu trvá 1 až 10 s. V každém kroku jsou ověřovány všechny parametry SLA.
Definují se dvě důležité hraniční hodnoty přenosové rychlosti – CIR, EIR. Volitelně je proměřován dávkový režim (burst). CIR (Committed Information Rate) je maximální přenosová rychlost datového toku služby. Do hodnoty CIR jsou přenosové parametry datového toku (zpoždění, kolísání zpoždění, atd.) garantovány v definovaných mezích. EIR (Excess Information Rate) je maximální přenosová rychlost datového toku, kde již nejsou garantovány všechny parametry přenosu. Pomocí těchto dvou hraničních rychlostí je možné definovat celkem tři oblasti.
31
•
Garantované pásmo – v tomto pásmu jsou data přenášena vždy za dodržení SLA parametrů.
•
Best Effort pásmo – v tomto pásmu jsou přenášena data v případě, že existuje v síti volná přenosová kapacita. Parametry SLA nemusejí být dodržovány.
•
Dropped pásmo – v tomto pásmu nejsou data nikdy přenášena. Testuje se do hranice CIR+EIR+25 %.
Dropped pásmo – v tomto pásmu nejsou data nikdy přenášena. Testuje se do hranice CIR+EIR+25 %.
32
2.5 Výsledky kontroly nastavení síťové konfigurace služeb V předchozí kapitole jsme si krátce přiblížili možnosti v nastavení pro test konfigurace služeb. Dodejme, že délka testu každé služby by měla být od 1 s do přibližně 1 minuty. Ve výchozím nastavení by měl tento test proběhnout pro velikost rámce 512 B. Ostatní velikosti rámců jsou volitelné. Příklad nastavení měřených parametrů datového toku služby.
V předchozí kapitole jsme si krátce přiblížili možnosti v nastavení pro test konfigurace služeb. Dodejme, že délka testu každé služby by měla být od 1 s do přibližně 1 minuty. Ve výchozím nastavení by měl tento test proběhnout pro velikost rámce 512 B. Ostatní velikosti rámců jsou volitelné. Příklad nastavení měřených parametrů datového toku služby.
Při nastavení parametrů služby se tedy určuje cíl datového toku (MAC adresa cíle), hodnoty CIR a případně i EIR a parametry pro měření časových závislostí. Výsledky měření pak mohou mít následující podobu. Tabulka v okně „Test1/EtherSAM Result“ přehledně zobrazuje jednotlivé kroky při měření propustnosti do hranic CIR a CIR+EIR. Je vidět, že test odhalil chybu v konfiguraci v přenosovém řetězci, protože rychlost koncového účastníka by měla být omezena na hodnotu CIR = 25 Mbit/s (viz. předchozí obrázek). Měření však prokazuje, že data účastníka mohou být přenášena rychlostí až 30 Mbit/s. Hodnoty časových závislostí při přenosu datového toku (zpoždění, kolísání zpoždění) a ztrátovost, se nacházejí v požadovaných mezích.
33
Výsledky měření pak mohou mít následující podobu. Tabulka v okně „Test1/EtherSAM Result“ přehledně zobrazuje jednotlivé kroky při měření propustnosti do hranic CIR a CIR+EIR. Je vidět, že test odhalil chybu v konfiguraci v přenosovém řetězci, protože rychlost koncového účastníka by měla být omezena na hodnotu CIR = 25 Mbit/s (viz. předchozí obrázek). Měření však prokazuje, že data účastníka mohou být přenášena rychlostí až 30 Mbit/s. Hodnoty časových závislostí při přenosu datového toku (zpoždění, kolísání zpoždění) a ztrátovost, se nacházejí v požadovaných mezích. Použití Ramp testu do hodnoty CIR nebo EIR má výhodu v tom, že během testu nemůže dojít k nechtěnému vytížení přenosové sítě v případě špatné konfigurace některého ze síťových prvků (např. při ověření omezování datového přenosu). Samozřejmě za předpokladu, že CIR nebo EIR je nastaveno s ohledem na reálnou situaci v síti. Během Ramp testu se totiž negeneruje datový tok s rychlostí rovnající se teoretickému maximu na rozhraní, ale s rychlostí nižší, která odpovídá CIR nebo EIR.
34
2.6 Kontrola nastavení parametrů kvality služby QoS V druhé fázi se na sítí přenášené datové toky služeb díváme jako na jeden celek. Při této fázi se opět ověřují parametry jednotlivých služeb. Služby však už nejsou generovány sekvenčně, ale generují se paralelně. Tímto způsobem je možné ověřit parametry v prostředí, které se bude blížit běžnému provozu. Všechny služby jsou generovány současně do jejich hodnoty přenosové rychlosti CIR a současně jsou ověřovány parametry všech služeb.
V druhé fázi se na sítí přenášené datové toky služeb díváme jako na jeden celek. Při této fázi se opět ověřují parametry jednotlivých služeb. Služby však už nejsou generovány sekvenčně, ale generují se paralelně. Tímto způsobem je možné ověřit parametry v prostředí, které se bude blížit běžnému provozu. Všechny služby jsou generovány současně do jejich hodnoty přenosové rychlosti CIR a současně jsou ověřovány parametry všech služeb.
Cílem této fáze měření je například ověření mechanismů pro prioritizaci nebo omezování konkrétních datových toků v síťových prvcích při jejich paralelním přenosu. Tato fáze v dříve probraných testech dle RFC 2544 úplně chyběla. Délku tohoto testu je možné nastavit od 30 s do 24 hodin. S ohledem na typ služby a na počet proměřovaných vzájemně propojených sítí, které data dané služby transportují, by měření mělo proběhnout v časových intervalech 15 minut, 2 hodiny, 24 hodin. Výsledek měření parametrů kvality služby může mít následující podobu.
35
Výsledek měření parametrů kvality služby může mít následující podobu.
36
2.7 Závěr k Y.1564 Ověření přenosových parametrů datových toků služeb je v dnešní době důležitou otázkou pro všechny poskytovatele připojení i pro jejich klienty. Metodika uvedená v doporučení Y.1564 navazuje na starší doporučení RFC 2544, ale přináší nové metody a postupy pro diagnostiku konfigurace síťových prvků i celé sítě.
37
2.8 Testování datových sítí s technologií Ethernet Technologie Ethernet byla původně určena pouze pro lokální sítě LAN (Local Area Network). S postupem doby se díky své flexibilitě, jednoduchosti a relativní levnosti, stala technologií, která se využívá i pro páteřní spoje a sítě WAN (Wide Area Network). Z tohoto důvodu vyvstal problém s ověřováním jejich přenosových parametrů. Problematice způsobu ověřování přenosových parametrů se věnovaly dříve uvedené kapitoly. Potřeba testovat datovou síť může být dvojí: •
Testy během výstavby, zprovozňování a předávání sítě.
•
Testy provozní pro správu a řešení problémů.
Testy předávací Cílem těchto testů je ověření přenosových parametrů sítě během anebo po dokončení výstavby pro ověření dosažitelné maximální přenosové kapacity a ověření konfigurace celé sítě. Testovací zařízení generují datové toky na plné rychlosti jednotlivých rozhraní. Ověřuje se správná konfigurace přepínačů, směrovačů a celková transparentnost sítě. Pokud se ověří funkčnost a konfigurace sítě jako celku, je možné podrobněji měřit další parametry datových okruhů, které budou použity pro SLA smlouvy. Tyto testy jsou aktivní, u kterých se cíleně generuje datový provoz pro zatížení sítě.
Testy provozní Pokud je již datová síť předána do provozu, je samozřejmě možné používat pro ověření aktuálních provozních parametrů stejné typy testů, jako u předávacích testů. Nicméně to není příliš vhodné řešení, protože se generováním dalších testovacích datových toků síť dodatečně zatěžuje. Což může problémy pouze prohloubit v případě, že se síť nachází v poruchovém nebo abnormálním stavu. Podstatně vhodnější je pouze pasivní sledování parametrů stavu sítě, síťových prvků a datových toků. Jedná se tak o kolektování jednotlivých statistik.
38
2.9 Měření bitové chybovosti na Ethernetu Technologie Ethernet formátuje přenášená data to tzv. datových rámců. Standardní ethernetový rámec obsahuje preambuli, adresu cíle a zdroje, vlastní přenášená data a zabezpečení pro rozpoznání chyb při přenosu. Přenášená data se zabezpečují sekvencí kontrolního součtu (FCS, Frame Check Sequence). Reálně se využívá cyklický kód o délce 32 b (CRC, Cyclic Redundancy Check). Důležitou skutečností je, že v technologii Ethernet má tento způsob zabezpečení pouze detekční funkci. V případě, že je v přijatém rámci detekována chyba, je rámec síťovým prvkem automaticky zahozen. Chybu se síťový prvek nesnaží opravit a o zahození rámce ani neinformuje protistranu. Je až na koncových bodech komunikace, aby detekovaly chybu při přenosu a zajistily její nápravu. Z uvedeného vyplývá, že měřit bitovou chybovost BER (Bit Error Rate) tak, jak jsme zvyklí například z plesiochronní digitální hierarchie, není možné. V případě, že při přenosu dojde k bitové chybě a tato chyba je detekována CRC, zahazuje se celý rámec. Chyba jednoho bitu může tedy způsobit ztrátu od 46 x 8 = 368 až po 1500 x 8 = 12000 bitů, v závislosti na použité velikosti rámce. Proto měřit chybovost BER je v ethernetových sítích nevhodné. Pro stanovení chybovosti – počtu ztracených rámců – v ethernetové síti se využívají měření dle RFC 2544 a Y.1564. Obvyklá chybovost ethernetového datového okruhu by měla být v rozmezí 10E15 až 10E-12. Co tato čísla znamenají, si blíže můžeme přiblížit následujícím přirovnáním. V případě chybovosti 10E-12 detekujeme několik chyb za jediný den. V případě chybovosti 10E-15 detekujeme jednu chybu za týden. I když jsme si vysvětlili, že měření chybovosti BER není na Ethernetu vypovídající, výrobci toto měření do svých analyzátorů implementují. Protože tento typ měření je nutný například pro ověření bitové chybovosti na fyzické vrstvě, která má být využita k přenosu ethernetových rámců. Typicky u transparentních okruhů DWDM bez mezilehlých ethernetových prvků.
39
2.10 Test 1. Obsahem doporučení RFC 2544 je: a) soubor postupů pro instalaci síťových prvků b) soubor testů pro ověření přenosových parametrů síťového prvku c) metodika pro instalaci síťových prvků d) souhrn právních doporučení pro ověření provozních parametrů síťových prvků správné řešení: b
2. Jsou dokumenty IETF opravdu závaznými normami? a) ano b) ne správné řešení: b
3. Datový kanál je: a) je soubor technických prostředků umožňující dálkový přenos číslicového signálu v obou směrech b) je soubor technických prostředků pro kódování lidského hlasu do digitální formy c) je soubor technických prostředků pro dekódování lidského hlasu z digitální formy d) je soubor technických prostředků umožňující dálkový přenos číslicového signálu v jednom směru správné řešení: d
4. Může být síťový prvek při testu dle RFC 2544 zatěžován i datovým tokem jiného typu (např. všesměrovým vysíláním)? a) ano b) ne správné řešení: a
40
5. Kolik fází má metodika měření přenosových parametrů podle doporučení Y.1564? a) 1 b) 2 c) 3 d) 4 správné řešení: b
6. V jakém pásmu jsou garantovány přenosové parametry smlouvou SLA? a) Garantovaném pásmu b) Best Effort pásmu c) Dropped pásmu d) Free pásmo správné řešení: a
7. Má měření chybovosti BER u technologie Ethernet stěžejní význam? a) ano b) ne c) záleží na výrobci měřícího přístroje d) záleží výrobci síťového prvku správné řešení: b
8. Za velmi dobrou chybovost se na Ethernetu považuje hodnota: a) 1E-6 b) 1E-9 c) 1E-12 d) 1E-15 správné řešení: d
41
9. Za relativně dobrou chybovost se na Ethernetu považuje hodnota: a) 1E-6 b) 1E-9 c) 1E-12 d) 1E-15 správné řešení: c
10. Součástí doporučení RFC 2544 je: a) metodika pro provádění testů b) obecný postup pro nastavení síťového prvku typu přepínač c) způsob jakým mají být prezentovány výsledky d) obecný postup pro nastavení síťového prvku typu směrovač správné řešení: a, c
11. Testy dle RFC 2544 dovolují určit: a) propustnost b) zpoždění c) kolísání zpoždění d) ztrátovost datových rámců správné řešení: a, b, d
12. Jaké velikosti rámců v bytech jsou pro technologii Ethernet typické? a) 20 b) 64 c) 512 d) 1500 správné řešení: b, c, d
42
13. Jaká pásma zavádí přenosových rychlostí zavádí metodika dle Y.1564 ? a) Garantované pásmo b) Best Effort pásmo c) Dropped pásmo d) Free pásmo správné řešení: a, b, c
43
