TANet區網國外訊務傳輸品質之監測與分析 - 政大學術集成

TANet 區網國外訊務傳輸品質之監測與分析

The Transmission Quality Analysis of TANet’s Internet Traffic

楊素秋 曾黎明

國立中央大學 資訊工程研究所 電子計算機中心

Email:

center7@cc.ncu.edu.tw

Tel : 03-4227151 EXT 7505, Fax: 03-4252561

摘 要 TANet 於 1990 年藉由接往美國的 國外專線連上 Internet 後,其國外訊務交 換量便持續成長. 由於目前由 TANet、中 研院、國家高速電腦中心共享的 45 Mbps T3 國外頻寬已經飽和, 使用者普遍對其 區網國外連網的傳輸品質感到好奇. 由於 TANet 15 個區網的國外 Internet 訊務均經 由 Moe ATM Switch 下 接 之 Internet_router 交換, 我們藉由 SNMP 網 管應用程式擷取 Moe Switch 上各區網連 往 Internet _router 的 15 個 VC,動態地產生 相對的 MRTG 設定檔;並週期性地驅動 MRTG 萃 取 Per-VC 的 In/Out Cell 及 Cell_Drop/EPD MIB, 持 續 更 新 各 區 網 Internet 國外訊務與傳輸封包遺失的統計 WebPages,供各區使用者監測.

我 們 也 統 計 出 Per -VC 之 單 日 CDR(Cell Drop Ratio),做為衡量各區網國 外訊務的傳輸品質指標,分析各區網國外 訊務量與相對 Daily CDR 傳輸品質的變化 狀況.我們也依據 T3 國外專線 clock shift 期間實測之 Per-VC 訊務傳輸資料, 分析 劣化實體傳輸線路對各區網國外傳訊品 質 的 影 響 . 由 於 各 區 網 router statistic multiplexing 轉送的連網使用者及 IP 訊 務量均相當龐大且 bursty. Per-VC 實際發 生高 CDR 的時段相當 burst 且短暫,總體而 言,絕大部份時段的 TANet 區網國外訊務 品質尚能維持.

Key words : In/Out Cell MIB, Cell Drop MIB, Cell_Drop_Ratio , Transmission Quality Monitoring . 1.研究動機 自 1970 年代 ARPANET 的實驗性網 路,到遍及全球的 Internet; 網際網路不僅 日漸擴張,也不斷增加新的用途,為人與人 間創造新連繫.人們不僅透過 Email 電子 郵遞互通信息與廣泛交友; 散佈在網路上 的各類大型資料庫也備受歡迎.1990 年創 造的 WWW 多媒體全球網際網路更讓上 網變得非常簡單. 由於網路頻寬資源的大 量 擴 充 ; 二 十 一 世 紀 , 更 人 性 化 的 Video/Audio 網路應用必將蔚為風潮,吸引 更多的 Internet 使用群與創造更大量的網 路資訊交流. 隨著 IP 訊務量持續成長的驅勢未變, IP-only backbone 將 繼 續 轉 送 龐 大 的 Internet 訊務. Akimaru (1997) 便曾預測: 為因應 Internet 頻寬資源的大量需求，日

益延展的 Internet 資訊交流連線,將會是架 於 ATM 層上的 TCP/IP 通訊網路模式.如 今 , 這 種 非 真 正 connection-based 的 IP/ATM data 網路已廣佈世界各地. TANet ATM 骨 幹 網 路 即 是 以 Fully meshed SPVCC 連 接分 處不 同地 理區 域之 連網 Router (Fig 1), 並藉由 PNNI Routing 及 SPVC links ,完成動態的連線封包轉送及 EPD (Early Packet Discard) 管 理 [Dykeman and Cherukuri,1996].

由於目前 TANet、中研院、國家高速 電腦中心共享的國外 45 Mbps 頻寬已經 飽和, 擁塞的國外訊務自然引發使用者對 區網 國外傳訊狀況 的好奇 .本研究利 用 MRTG SNMP 網管應用,顯示各區網連往 Internet_router VC 的 In/Out Cell 及 Cell Drop 訊務統計網頁，供各區網使用者監測. 我們也運用持續更新的訊務 MIB 記錄檔, 統計 Per -VC 傳訊之單日 CDR (Cell Drop Ratio),做為衡量各區網國外訊務的傳輸品 質指標,進而比較、分析各區網國外訊務量 與相對 Daily CDR 傳輸品質的變化狀況. 本論文將於第二節說明 TANet 骨幹 連 網 架 構 及 各 區 網 國 外 訊 務 Per-VC In/Out Cell 及 Cell_Drop/EPD 監測界面之 實現方法; 第三節說明 Per-VC CDR 傳輸 品質之定義,並比較各區網國外訊務與實 際頻寬資源之關係. 第四節以 TANet 國外 ATM 實體連線時脈偏移 (Clock Shifting) 期間,系統實測之各區網國外訊務資料為 例; 分析實體連線傳訊劣化對 Per-VC 國 外訊務量與 CDR 的影響. 最後於第五節 做出結論. 2. TANet ATM 骨幹訊務與封包遺失量之 監測 TANet 骨幹以 Moe 及 Nchc 兩中心 star 延展的 Fully meshed SPVC 網路,轉送 來自 16 個區網下接學校及研究機構之 IP 訊務. 由於所有 TANet 國外 Internet 訊務 均在北部 Moe switch 交換. 而 Moe ATM Switch 採 Per-Flow Queueing 封包傳輸管 理策略, 因此,所界接的每一 router pair 均擁有各自暫存 VC 封包的 Buffer queue 空間;允許我們藉由 SNMP 網管應用程式 擷取 Per-Internet-VC 的 In_Cell / Out_Cell 與 Cell_Drop/EPD MIB [McCloghrie,1999], 顯示各區網連往 Internet_router VC 的訊 務品質統計網頁. 我 們 擷 取 Moe Switch 上 之 VCC-Cross-Connection MIB 參 數 [Tesink,1999],產生各區網與 Internet_route 間 的 動 態 虛 擬 連 線 編 號 , 並 據 以 產 生 In/Out Cell 與 Cell_Drop/ EPD 相 對之 MRTG (Multi Router Traffic Grapher) Configuration. 週期性被驅動的 MRTG 網管程式會 自動地更新、顯示: 各區網國外 Internet 訊務統計圖供 TANet 管理與使用者隨時 Access,觀察訊務的實際傳輸變化量;或做 長期 Per-VC 的訊務量成長觀測. 參照 Figs.2 & 3 以 Ntu 節點的國外訊務與封包 遺失統計圖為例,我們可以發現: 在國外 專線頻寬資源已飽和使用的狀況下,區網 router 轉送的國外訊務非常 bursty.當資訊 交換量太大時,會出現相對數量的 cell drop, 甚至引發 ATM Switch 的管理性 EPD 封包 丟棄.

3. TANet 各區網國外訊務傳輸品質分析

兩條 T1 ( 2 * 1.544 Mbps) 擴增為 T3 45 Mbps 後, 國外訊務交換量便緊追著連線 頻寬成長.巨量的訊務雖立刻佔滿了實體 T3 連線頻寬,然而專線頻寬上限並未降低 各區網國外連網的需求. 為觀查 TANet 國 外傳訊品質的變化,我們運用持續更新之 Per-VC 訊務 MIB 記錄,計算各 VC 之單 日 封 包 遺 失 率 CDR (cell_drop_ratio = drop_cells / total_cells).做為分析各區網國 外傳訊品質的觀測指標. 由 Fig 4 各區網的單日 Internet 訊務統 計圖可以看出,除了幾個 IP 訊務交換量本 就 較小 的區網 節點 (Isp, Nchc, Nhltc , Ndhu, Ntttc)外.與 Internet_ router 同接於 Moe ATM switch 上的 Moe Router,其國外 訊務明顯高於其它區網, 且因擁有足夠的 連網頻寬,並未出現 Cell Drop (Figs.4 and 5 , Table 1).而位於最南部之 Nsysu 區網的 單日 CDR 量,則因訊務量大於其他區網, 其單日 CDR 統計量則最高.高於可被一般 data 傳輸可接受的 10-5 [Ginsburg, 1999]. 由於 data 網路與 Voice/Video 網路 在傳輸本質上存在著相當大的差異: 絕大 部份的 data 通訊可以容忍少許的延遲, 卻 不允許有傳輸封包的遺失;因此 TCP/IP 會 依實際的傳輸訊務忙碌狀況, slow- start 地 控制 end-to-end 的 data stream 傳輸速率, 並重送遺失的封包[Stevens, 1994]. 加上 Internet 使用者對網路傳輸高 delay 各異 的忍受程度,也會適度地轉移找尋替代資 源.由於國外頻寬已飽和使用,多數區網的 單日訊務量差異不大,而單日 CDR 統計量 也都接近於 data 傳輸可接受的 10-5 _臨界邊 緣 ( Table 1). 由各區網一星期內的單日 訊務統計也可發現:假日與非假日之單日 國外 Internet 訊務量並無明顯的差異.

Table 1. Mean daily traffic & CDR account

Nomal With Clock_shift problem Traffic(Kcell) CDR ( *10-3 ) Trafic (K cell) CDR ( * 10-3 ) Moe 2833022.033 0 1734873.96 0 Isp 301114.307 0 692939.509 0 Nchc 34841.368 0 23842.730 0 Ntu 1488944.683 0.0151 1501184.317 1.0453 Nctu 1205844.744 0.0071 970121.096 0.0014 Nthu 370699.283 0.0003 326399.896 0.003 Ncu 1540350.554 0.1428 1190610.462 0.0603 Ncku 997807.459 0.0376 790030.205 0.0094 Nsysu 1963250.015 3.967 1519417.170 0.0859 Nccu 543194.632 0.41 537249.305 16.5244 Nchu 1314437.288 0.2331 1063964.167 0.0078 Ccu 867639.143 0.5796 586110.270 0.0404 Nhltc 171668.119 0.0206 111671.386 0.0003 Ndhu 167489.599 0.00446 104078.799 0 Ntttc 62936.471 0 70998.035 0 4.國外專線傳輸劣化對各區網傳輸品質之 影響 TANet 國外 T3 專線連接了教育部的 ATM switch/router 與 AT&T 位於舊金山 的 ATM switch/router.分別建有 TANet、國 家高速電腦中心、中研院三個單位連網國 外 Internet 的 PVC (Permanent Virtual Circuit);所有的 TANet 區網國外訊務均會 routing 到教育部電算中心之 Internet_R 出國(Fig. 6).

在我們藉由 SNMP 網管程式擷取 ATM switch In/Out Cell, Cell_Drop/EPD MIB,統計國外連網訊務品質期間; 曾因 承載國外訊務之 Switch 界面傳輸時脈偏 移(clock shift),導致連線傳輸錯誤率偏高; 我們應用實測之訊務品質資料,分析此專 線傳輸劣化對各區網國外傳訊品質的影 響.

由 Per-VC 單日 CDR 觀測得: 絕大部 份區網由於國外訊務量的明顯減少,未出 現明顯的 CDR. 而 Ntu, Nccu 節點則因 維持原有的訊務量, 其單日 CDR 統計量 則呈明顯增加 (Figs.9 and 10 ). Nccu 更因 其 T3 實體連線頻寬瓶頸而呈現最高的傳 輸品質劣化情況,明顯高於 data 傳輸可接 受的 10-5_{臨界邊緣.} 5. 結論 在寬頻網路與易用網路應用軟體的 交互影響下,網際網路的擴展相當快速. TANet IP 訊務量的急速成長,不僅快速地 耗盡一再擴充的連網頻寬; 大量的區網訊 務交換,也經常帶來網段擁塞與高延遲的 困擾. 由於目前 TANet、中研院、國家高 速電腦中心共享的國外 45 Mbps 頻寬已 經飽和, 擁塞的國外訊務自然引發使用者 對各區網國外傳訊狀況的好奇.本研究藉 由 SNMP 協 定 擷 取 VCC-Cross-Connection MIB, 動 態 地 找 出 各區網連往 Internet _router 的 VC 辨識資 訊: {Interface_id / VPI / VCI}, 動態地建 立 MRTG 設定,驅動其網管及繪圖程式顯 示 國 外 連 網 的 Per-VC In/Out Cell 及 Cell_Drop/EPD 量.供使用者監測其連線 訊務變化.

我們也依據國外連網 Per-VC 的 In/Out Cell, Cell Drop 實測記錄值,統計 IP/ATM 骨幹連網 Per-VC 之 Daily CDR, 分析各區網國外訊務傳輸品質與其網段 頻寬資源間之關係. 藉由實測之訊務傳輸 統計數據可發現: Moe 節點的國外訊務明 顯高於其它區網, 且因擁有足夠頻寬資源, 未出現 cell drop.而南部 Nsysu 區網則因 訊務量大於其他區網, 其單日 CDR 統計 量最高;高於可被一般 data 傳輸可接受的 10-5 [ Ginsburg, 1999]. 國外 T3 專線 clock shift 期間實測之 Per-VC 國外訊務量與 Daily CDR 傳輸品 質記錄則顯示: 劣化的實體線路傳輸對各 區網國外傳訊品質有明顯影響; 維持原有 訊務量的 Ntu, Nccu 節點, 其單日 CDR 統計量明顯增加. Nccu 更因其 T3 頻寬瓶 頸而呈現最高的傳輸品質劣化情況,明顯 高於 data 傳輸可接受的 10-5_{臨界邊緣.}

經持續地觀察區網國外訊務量

及 CDR 監測界面,可發現: 由於各區

網 router statistic multiplexing 轉送的

連網使用者及 IP 訊務量均相當龐大

且 bursty. 除 了 少 部 份 區 網 有 高 的

CDR 傳輸狀況(如 Nccu. Nsysu 節點),

絕大多數區網實際發生高 CDR 的時段

相當 burst 且短暫,總體而言,絕大部份

時段的 TANet 國外訊務尚能維持.

Akimaru, H. and Finley, M. R. (Jun, 1997), Elements of the Emerging Broadband Information Highway, IEEE Communication Magazine, pp 84-92. Casoni, M. and Turner J. S., On the Performance

of Early Packet Discard, IEEE Journal on Selected Areas in Communications, Vol 15, No 5, June 1997, pp 892 – 902.

Dykeman, D. and Cherukuri, R.(1996), Private Network-Network Interface Specification. Version 1.0 . AF-PNNI-0055.000, ATM Forum Technical Committee.

Ginsburg, D. (1999), ATM solutions for enterprise internetworking, Addison-Weslay

Longman.

Leinwand, A. and Conroy, K. F. (1996), Network management: a practical perspective, Addison-Weslay Longman.

McCloghrie, K., Accounting Information for ATM Networks, RFC 2512, Cisco Systems, Inc. , 1999.

Pitts ,J. M. and Schormans, J. A., Introduction to ATM Design and Performance, Wiley 1996, pp 56-58.

Tesink, K., Definitions of Managed Objects for ATM Management, RFC 2515, Bell Communications Research, 1999.

Stevens, W. R.(1994), TCP/IP illustrated volume I : the protocols, Addison-Weslay Longman

Internet Ncu_sw MOE_sw Nctu_sw oc3 oc3 oc12 oc3 PVC_2 (Internet) Router Router Router Moe_R ISP_R ISP PVC_1 (Proxy) Ccu_sw Router Internet_R Ndhu_sw Router Ntttc_sw Router Nhlttc_swRouter oc3 T3 T3 Nsysu_sw Router oc3 Ncku_swRouter Ntu_swRouter oc3 T3 Nccu_swRouter Nthu_sw Router Nchu_sw Router oc3 oc12 oc3 oc3

Fig 1. TANet Backbone Network

oc3

OC-12

Fig. 2. Ntu-Internet In_Cell/Out_Cell 訊務 webpage 統計圖

Fig. 3. Ntu-Internet EPD/Cell_Drop webpage 統計圖

Fig.4 TANet 各區網國外連網之單日訊務量統計圖

Internet_R daily traffic accounting (Normal)

0 500000 1000000 1500000 2000000 2500000 3000000 3500000

Moe Isp Nchc Ntu Nctu Nthu Ncu Ncku Nsysu N ccu Nchu Ccu Nhltc Ndhu Ntttc

T raf fi c (K cel ls) Sat Sun M on T ue Wed T hu Fri

Fig.5 TANet 各區網國外連網之單日 Cell Drop Ratio 統計圖

Internet_R daily CLR accounting (Normal)

0 2 4 6 8 10 12

Moe Isp Nchc Ntu Nctu Nthu Ncu Ncku Nsysu Nccu Nchu Ccu Nhltc Ndhu Ntttc

C LR (*1 /10 00 ) Sat Sun Mon Tue Wed Thu Fri

Fig. 6 TANet 國外連網架構圖 Internet TANET ISP network Moe ATM SW Internet_R Internet_sw oc3 oc3 at&t_sw T3 at&t_R T3 T3 oc12 Isp_R

Fig.7 TANet 各區網國外連網之單日訊務統計圖(Clock_shift) Internet_router Daily T raffic

0 500000 1000000 1500000 2000000 2500000

M oe I sp Nchc Ntu Nctu Nthu Ncu Ncku Nsysu Nccu Nchu Ccu Nhltc Ndhu Ntttc

T ra ff ic ( K c ell s) Sat Sun M on T ue Wed T hu Fr i

Fig.8 TANet 各區網國外連網之單日 CDR 統計圖 (Clock_shift) Internet_ ro uter CD R A ccounting

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45

M oe Isp Nchc Ntu Nctu Nthu Ncu Ncku Nsysu N ccu Nchu C cu Nhltc Ndhu Ntttc

C D R (* 1/1000) Sat Su n M on T ue W ed T hu Fr i

M e a n D a ily T ra ffic A c c o u n tin g

0 500000 1000000 1500000 2000000 2500000 3000000

M oe I sp N c hc N tu N c tu N thu N c u N c ku N sysu N c c u N c hu C c u N hltc N dhu N tttc

T ra ff ic ( K c el ls ) C loc k_ shift N orm a l

M e a n D a ily C D R A c c o u n tin g 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18

M oe Isp N c hc N tu N c tu N thu N c u N c ku N sysu N c c u N c hu C c u N hltc N dhu N tttc

CD R ( * 1/1 00 0) C loc k_shift N orm a l