TANet 區網國內 ISP 訊務品質之監測與分析
The Transmission Quality Analysis of TANet ISP Traffic
楊素秋
曾黎明
Suchiu Yang ,
Liming Tseng
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
隨著 TANet 區網 routers 間訊務交 換 量 的 快 速 成 長 與 骨 幹 架 構 的 更 新 , TANet 使用者開始對區網連外 VC 的傳輸 品質產生好奇. 由於 TANet 15 個區網連 往國內各 ISP 的訊務均經由 Moe ATM Switch 節點下接之 ISP_router 交換,我們 藉由 SNMP 網管應用程式擷取各區網連 往 ISP_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 MIB.
本 MRTG Traffic Web Pages
(http://atmf.tyc.edu.tw) 顯示的: 各區網與 ISP 間訊務與傳輸封包遺失量的統計,可供 各區使用者作即時地監測其 ISP 訊務量與 傳輸封包遺失,協助使用者及網管人員較 具體地了解其連外網路的實際傳輸狀況 及推估存在的傳輸瓶頸. 我們也運用 MRTG 儲存的 Per-VC In/Out Cell, Cell Drop 記 錄 檔 , 統 計 出 Per-ISP-VC 之 單 日 CDR (Cell_Drop_Ratio); 做為衡量各區網與 ISP 間訊務傳輸的品質指標;分析各區網 ISP 訊務傳輸品質與延徑網段頻寬資源的關 係。並進一步比較 ISP_router 頻寬資源擴 增前後, 各區網 ISP 訊務量的成長與相對 的單日 CDR 傳輸品質變化狀況.
Key words: In/Out Cell MIB, Cell Drop MIB,Cell_Drop_Ratio, Transmission Quality Monitoring . 1.研究動機 廣 大 Internet 藉 由 遍 及 各 地 的 multi-link IP router 連結其眾多網段,及正 確地轉送其 Internet 訊息. 為因應 Internet 訊務的急速成長, TANet IP/ATM data 網路 骨幹以 Fully meshed SPVCCs [Tesink,1999] 連 接 分 處 不 同 地 理 區 域 之 連 網 Router (Fig 1), 藉由 PNNI Routing 及 SPVC links [Dykeman and Cherukuri,1996] ,完成動態 的 連 線 封 包 轉 送 及 EPD 管 理 [Kalampoukas L. and Varma A. ,1996],轉送 區網間之 IP 訊務.
由於 TANet 各區網連往 ISP_router 訊務的成長相當快速,且目前 TANet 區網 Router 連往國內 ISP 的訊務均經由 Moe ATM Switch 交換; 加上各分區的網路使 用習性及訊務交換量均存有大的差異,有 必要提供區網 router 間之 Per-VC 訊務量 與傳輸品質監測介面.及比較各區網 ISP 訊務的傳輸品質,協助發現各區網 VC 延 徑之瓶頸網段. 本 論 文 將 於 第 二 節 說 明 TANet IP/ATM 骨幹網路架構及 Per-VC 訊務量 及傳訊品質監測界面之實現; 第三節說明 Per-VC CDR (Cell Drop Ratio)傳輸品質之 定義，比較各區網 ISP 訊務量、CDR 傳輸 品質與實際頻寬資源間之關係. 第四節以 ISP_router 連網頻寬資源擴增為例, 比較 相 對 的各 區網 ISP 訊務 之 成長 與單 日 CDR 傳輸品質變化. 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 南北兩 star 延展開來,構成一 Fully meshed EPD SPVCs 網路(Fig 1),轉送來自 16 個區網下 接的學校及研究機構之 IP 訊務. 由於佔 TANet 訊務總量最大比例的 ISP 訊務與國 外 Internet 訊務均在 Moe ATM 節點交換, 因此南部各區網節點連往 ISP_router 的 延徑 switch 節點與實體線路頻寬瓶頸均 較北部者多. 受限於網路維運經費籌措之困窘, 目 前各區網並非如架構圖般的全以 OC-3 155 Mbps 光纖上連到南北兩 star switch. 北區的 Nccu 以 45 Mbps T3 接入 Moe Switch; 而 Ndhu-Nhltc-Ntttc 則 與 Ncu
則經由線路業者之 Switch,共接一 OC-3 連上 Moe. 而南區的 Nchu 與 Ccu, Ncku 與 Nsysu 也均經由線路業者 Switch,分別 共接 OC-3 線接入 Nchc Switch (Fig 1).
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 通訊雖可以容忍少許的延遲, 卻不允 許有傳輸封包的遺失;因此藉由 TCP 的重 送及 Slow-start 訊務調整機置,確保網路 資料之完全正確收送[Stevens, 1994]. 而 Moe ATM Switch 採 Per-Flow Queueing 傳 輸封包管理策略, 所界接的每一 router pair 均擁有各自暫存其 VC 傳輸封包的 Buffer queue 空間.我們得以統計 TANet Per-ISP-VC 的 In/Out Cell 與 Cell Drop 量 [McCloghrie,1999], 觀查其訊務量與傳訊 品質的變化. 我 們 擷 取 Moe Switch 上 之 VCC-Cross-Connection MIB 參 數 [Tesink,1999], 萃 取 得 各 區 網 連 往 ISP_router 的 15 個 VC; 並動態地產生各 區 網 與 ISP_router 間 虛 擬 連 線 的 相 對 In/Out Cell 與 Cell Drop MRTG (Multi Router Traffic Grapher) Configuration,藉以 週期性地驅動網管程式更新、顯示各區網 ISP 訊務 Per-VC 之 In/Out Cell 與 Cell Drop webpage 訊務統計圖, 供 TANet 管理 與使用者隨時 Access,觀察其 ISP 訊務的 傳輸變化量.
參照 Figs.2 and 3 以 Nsysu 節點的 ISP 訊務與封包遺失統計圖為例,我們可以 發現: 該區網 router 轉送的 ISP 訊務非常 bursty(Fig 2).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 管理性的 EPD 封包丟棄(Fig 3).
3. TANet 區網 Per-ISP-VC 傳訊品質分析
隨著國內網際網路應用的迅速擴展, TANet 與 ISP 業者間訊務交換量更是緊追 著連線頻寬成長. 本研究運用 MRTG 暫 存的 In/Out Cell,Cell Drop 記錄檔,統計各 區 網 Per-ISP-VC 之 單 日 封 包 遺 失 率 CDR (Daily_cell_drop Ratio = Daily_drop_cells/ Daily_Total_cells), 做為 衡量區網 router 間 Per-VC 傳輸品質的觀 測指標. 由 Fig 4 的各區網單日 ISP 訊務統計 圖可以看出: 北區的 Moe, Ntu 因擁有各自 的 OC-3 界接頻寬,其 ISP 訊務明顯大於其 它區網. Moe_router 由於與 ISP_router 直 接經由 Moe Switch 互連,得以最少的延遲 轉 送 封 包 ; 但 由 於 ISP_router 及 Moe_router 的 STM-1 界面頻寬均已飽和 使用, 其頻繁的 EPD 次數及 Cell Drop 便 伴隨著大量的訊務成長,因而 Moe 節點呈 現最高的 CDR (Fig 5). 同樣位於台北的 Nccu,則因 T3 頻寬上限, ISP 訊務雖然不 是最大量,卻也出現高 CDR. 而其它區網 則因 ISP 訊務量較小,未出現明顯的 CDR. 受惠於 ISP_router 連網界面頻寬由 2 * OC-3 擴增為 OC-12, 北區 Moe、 Ntu 區網節點獲相當大量的 ISP 訊務成長量 (Figs. 4 and 6). Moe 區網的 CLR 也因此 核心網段頻寬瓶頸的去除,獲得完全的改 善.同位於北區的 Nccu 節點仍因實際 T3 線路的頻寬上限, ISP 訊務雖無大幅的成 長,卻有最高的單日 CDR 增量.位於最南端 Nsysu 區網的單日 CDR,則因為核心網段 頻寬之擴充,其 ISP 訊務得以快速成長,也 相 對 地 出 現 高 CDR (Fig 7). 而 假 日 的 TANet Per-ISP-VC 訊務量明顯地較非假日 少; 也由於各區網假日 ISP 訊務量的明顯 降低, 各 ISP-VC 均未出現明顯的封包遺 失狀況. 4. TANet 區網 ISP 訊務的成長與傳輸品質 變化量 依據 Internet 訊務成長模式: 連網頻 寬一擴增, 快速成長的訊務便立刻耗盡網 路頻寬資源 [Tim, 1987]. 為舒解各區網 ISP 訊務之擁塞狀況, TANet 將 Moe Switch 下接 ISP_router 之界面頻寬由兩個 OC-3 界面 (155 * 2 Mbps)擴增為 OC-12 界面 (622 Mbps). 由於 TANet Isp_router 核心段頻寬之 提昇, 接往南部區網 VCC 的延徑頻寬並 未配合著擴增. 除了地理位置最接近 ISP router 之 Moe、 Ntu 區網節點,因具充裕 的 OC-3 頻寬而有大幅的訊務量成長(Fig 8);及完全的訊務傳輸品質改善外(Fig 9); 南區的 Nsysu、Nchu 因仍受限於延徑網段 (Moe-Nchc 2 * OC-3) 及 共 接 線 路 業 者 VCL (Virtual Connection Link)之頻寬瓶頸, 不僅訊務量的成長幅度較小,也呈現相當 程度的傳輸品質劣化情況 (Figs. 8 and 9). 高於可被一般 data 網路傳輸可接受的 10-5 [Ginsburg, 1999]. Isp_router 核心網段頻寬提昇後, 不僅 南區 Nsysu、Nchu 訊務受限於延徑網段頻 寬瓶頸;ISP 業者連網瓶頸也因外推效應而 相繼呈現, 目前 TANet 只將國內最大 ISP : HiNet 連網頻寬由 100 Mbps 提升為 200 Mbps (2 * FastEther 界面). 比較實測之訊 務量與傳訊品質數據,可發現: 此局部的 頻寬擴充,只有北部區網節點(Moe、Ntu、 Ncu)獲得完全的訊務傳輸品質改善及明 顯的訊務量成長(Figs. 10 and 11); 南區的
Nsysu 則因線路業者共接 VCL 頻寬瓶頸的 突顯,不僅訊務量未能跟著成長,傳輸品質 劣 化 情 況 也 相 繼 呈 現 (Fig 11). 中 區 Nctu 、 Nchu 、 Ccu 節 點 的 延 徑 網 段 (Moe-Nchc 2 * OC-3),及共接線路業者的 VCL 瓶頸也繼而成形,Per-VC CDR 隨著突 增 (Fig 11). 5. 結論 在寬頻網路與易用網路應用軟體的 交互影響下,網際網路的擴展更加快速. 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. 隨著 TANet 骨幹架構的更新與區網 routers 間訊務交換量的快速成長, TANet 使用者開始對區網連外 VC 的傳輸品質產 生好奇.本研究藉由 SNMP 網管協定,動態 地找出傳送各區網 ISP 訊務 VC 的 switch 辨 識 MIB 資 料 , 驅 動 MRTG 顯 示 Per-ISP-VC In/Out Cell 訊務及 Cell Drop 量, 供使用者隨時監測其連外訊務量與傳 輸品質的變化.
本研究也依據實測之 Per-VC In/Out Cell 及 Cell Drop 量,計算 Per-VC Daily Cell_Drop_Ratio, 做 為 各 區 網 router 間 的 Per-VC 傳輸品質觀測指標;分析各區網 連外訊務傳輸品質與網段頻寬資源、地理 距 離 間 之 關 係 . 我 們 也 藉 由 實 測 的 Per-ISP-VC 訊務及 CDR 變化資料,分析 TANet ISP_router 頻寬擴增工程所達成的 訊務傳輸改善.我們可以由量化的訊務資 料中發現:屢次的局部式 ISP_router 頻寬擴 充,達成的訊務傳輸改善相當有限.將頻寬 瓶頸由核心網段外推到更多週邊網段的 方法.很快會造成更擁塞的延徑 VCL 及網 路節點. References
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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
Nchc_sw
Fig 2 Nsysu-ISP In/Out Cell 訊務 webpage 統計圖
Daily Traffic of ISP_router (old) 0 2000000 4000000 6000000 8000000 10000000 12000000
Moe Internet Nchc Ntu Nctu Nthu Ncu Ncku Nsysu Nccu Nchu Ccu Nhltc Ndhu Ntttc
Traffi c (K c el ls) Sat Sun Mon Tue Wed Thu Fri
Fig 4. ISP_router Per-VC 單日傳輸訊務統計圖(2* OC-3)
Daily Cell_Drop_Ratio od ISP_Router (old)
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90
M oe Internet Nchc Ntu Nctu Nthu Ncu Ncku Nsysu Nccu Nchu Ccu Nhltc Ndhu Ntttc
C el l Dro p R at io ( *1 /10 00 ) Sat Sun M on Tue Wed Thu Fri
Fig 5. ISP_router Per-VC 單日 Cell Drop 統計圖(2*
OC-3)
Daily Traffic of ISP_router
0 2000000 4000000 6000000 8000000 10000000 12000000 14000000 Moe Intern et Nchc Ntu Nctu Nthu Ncu Ncku Nsysu Nccu Nchu Ccu Nhltc Ndhu Ntttc Traff ic ( K cel ls) Sat Sun Mon Tue Wed Thu` Fri
Fig 6. ISP_router Per-VC 單日傳輸訊務統計圖(OC-12)
D aily Cell_D rop_Ratio of ISP_router
0 5 10 15 20 25 30
M oe I nter net Nch c Ntu Nctu Nthu Ncu Ncku Nsysu Nccu Nch u Ccu Nhltc Ndhu Ntttc
C ell _Dro p_ R ati o (* 1 /10 00 ) Sat Sun M on T ue Wed T hu` Fr i
Traffic Growdth of ISP_router 0 2000000 4000000 6000000 8000000 10000000 12000000 14000000
M oe Internet Nchc Ntu Nctu Nthu Ncu Ncku Nsysu Nccu Nchu Ccu Nhltc Ndhu Ntttc
Tra ffic (K c el ls) old_isp new_isp Fig 8. 各區網 ISP_router VC 之平均訊務成長圖
cell drop im provem ent of IS P _router
0 1 0 2 0 3 0 4 0 5 0 6 0
M o e I n ter n et Nch c Ntu Nctu Nth u Ncu Nck u Nsy s u Nccu Nch u C cu Nh ltc Nd h u Ntttc
ce ll dr op ratio ( * 1/1 000 ) o ld _ isp n ew_ is p
Fig 9. ISP_router Per-VC 平均 Cell Drop Ratio 變化圖
Daily Traffic Growth of Isp_router
0 2000000 4000000 6000000 8000000 10000000 12000000 14000000
Moe Internet Nchc Ntu Nctu Nthu Ncu Ncku Nsysu Nccu Nchu Ccu Nhltc Ndhu Ntttc
D ai ly Tr aff ic ( K ce lls) old_isp extend_isp improved_isp
Fig 10. 各區網 ISP_router Per-VC 的平均單日訊務成長圖
(improved)
Daily Cell_drop_ratio of Isp_router
0 10 20 30 40 50 60
Moe Internet Nchc Ntu Nctu Nthu Ncu Ncku Nsysu Nccu Nchu Ccu Nhltc Ndhu Ntttc
C ell _drop_ra ti o (*1/1 000) old_isp extend_isp improved_isp
