Mininet. Использование netem (latency, jitter)

Mininet. Использование netem. Задержки, джтиттер.

1 Общая информация

В этом лабораторном занятии вы познакомитесь с NETEM и объясните, как его можно использовать для имитации сценариев реального мира, при этом контролируя параметры, влияющие на производительность сетей.
Сетевые параметры включают задержку, дрожание, потерю пакетов, изменение порядка и повреждение (latency, jitter, packet loss, reordering, and corruption).
Значения корреляции между сетевыми параметрами также будут установлены для обеспечения большей реалистичности сетевой среды.

1.1 Цели

Освоить моделирование задержек и джиттера в сетях.

1.2 Задачи

В ходе работы требуется освоить следующие понятия:
- что есть задержка в сетях и как ее измерить;
- что есть архитектура дисциплин очередей Linux (qdisc);
- освоить эмуляцию глобальных сети (характеризующихся большими задержками) с использованием netem и mininet;
- выполнить измерения после внесения задержек в эмулируемую глобальную сеть;
- развернуть эмулированные глобальные сети, характеризующиеся разными значениями задержки, джиттера и соответствующими значениями корреляции;
- задать разные распределения задержки эмулируемой глобальной сети.

1.3 Видео: Использование netem I. Введение

2 Теоретические сведения

2.1 Дисциплины организации очередей в Linux

NETEM — сетевой эмулятор Linux для тестирования производительности реальных приложений в виртуальной сети.
Виртуальная сеть может воспроизводить глобальные сети в лабораторной среде.
NETEM позволяет пользователю изменять такие параметры, как задержка, джиттер, потеря пакетов, дублирование и изменение порядка пакетов.
NETEM реализован в Linux и состоит из двух частей: модуля ядра для организации очередей и утилиты командной строки для его настройки.
Между протоколом IP и сетевым устройством создаётся очередь с дисциплиной обслуживания.
Дисциплина обслуживания очередей по умолчанию есть простая очередь пакетов FIFO (первым пришел — первым обслужен).
Дисциплина реализуется как объект с двумя интерфейсами.
Один интерфейс ставит пакеты в очередь для отправки, а другой интерфейс отправляет пакеты на сетевое устройство.
На основе дисциплины обслуживания очередей принимается решение о том, какие пакеты отправлять, какие пакеты задерживать и какие пакеты отбрасывать.
Классовая дисциплина организации очередей, такая как NETEM, имеет настраиваемые внутренние модули.

2.2 Глобальные сети и задержка

В сетях есть несколько процессов и устройств, которые способствуют сквозной задержке между узлом-отправителем и узлом-получателем.
Во многих случаях сквозная задержка определяется задержкой распространения в глобальной сети.
Рассмотрим два соседних коммутатора A и B, соединённых глобальной сетью.
- Как только бит передается в глобальную сеть коммутатором А, он должен пройти к коммутатору В.
- Время, необходимое для распространения от начала глобальной сети до коммутатора В, является задержкой распространения.
- Биты распространяются со скоростью канала.
- Скорость распространения зависит от физической среды (оптоволокно, медная витая пара и т. д.) и равно или немного меньше скорости света.
- Задержка распространения есть расстояние между двумя коммутатора, делённое на скорость распространения.
- Как только последний бит пакета передается на коммутатор B, он и все предыдущие биты пакета сохраняются на коммутаторе B.
Сетевые инструменты обычно оценивают задержку для устранения неполадок и измерения производительности.
Например, оценкой сквозной задержки является время двойного оборота (RTT), которое представляет собой время, необходимое пакету для прохождения от отправителя к получателю, а затем обратно к отправителю.
RTT включает задержки распространения пакетов, задержки в очереди пакетов в промежуточных маршрутизаторах и коммутаторах и обработку пакетов.
Если задержка распространения преобладает над другими компонентами задержки (как в случае глобальных сетей), то RTT является хорошей оценкой задержки распространения.

3 Подготовка стенда

3.1 Лабораторная топология

В топологии используется сеть 10.0.0.0/8, назначенная Mininet по умолчанию.
Топология представляет собой коммутатор с двумя подключёнными к нему хостами.
Для запуска топологии используем параметры командной строки:
```
sudo mn --topo=single,2 -x
```

3.2 Рабочие файлы

Подключимся к виртуальной машине:
```
ssh -Y mininet@192.168.x.y
```
Для рабочих файлов будем использовать каталог ~/work/lab_netem_i:
```
mkdir -p ~/work/lab_netem_i
```

4 Интерактивный эксперимент

4.1 Добавление/изменение задержки для эмуляции WAN

Работа с NETEM осуществляется с помощью утилиты командной строки tc.
Без дополнительных параметров NETEM ведёт себя как базовая очередь FIFO без задержек, потерь, дублирования или переупорядочения пакетов.
Основной синтаксис tc, используемый с NETEM, следующий:
```
sudo tc qdisc [add|del|replace|change|show] dev dev_id root netem opts
```
- sudo: выполнить команду с более высокими привилегиями;
- tc: команда, используемая для взаимодействия с NETEM;
- qdisc: дисциплина очереди (qdisc) представляет собой набор правил, определяющих порядок, в котором обслуживаются пакеты, поступающие по протоколу IP.
  - Дисциплина очереди применяется к очереди пакетов, чтобы решить, когда отправлять каждый пакет.
- [add|del|replace|change|show] (добавить, удалить, заменить, изменить, показать): операция над qdisc:
  - чтобы добавить задержку на определённом интерфейсе, применяется операция add;
  - чтобы изменить или удалить задержку на определённом интерфейсе, применяется операция change или del;
- dev_id: параметр указывает интерфейс, подлежащий эмуляции;
- opts: параметр указывает величину задержки, потери пакетов, дублирования, повреждения и другие.

4.2 Определение интерфейсов хостов `h1` и `h2`

Необходимо идентифицировать интерфейсы на подключенных хостах.
На хосте h1 введите команду ifconfig, чтобы отобразить информацию, относящуюся к его сетевым интерфейсам и назначенным им IP-адресам.
- Вывод команды ifconfig показывает, что хост h1 имеет два интерфейса: h1-eth0 и lo.
- Интерфейс h1-eth0 необходимо использовать в tc при эмуляции WAN.
На хосте h2 введите команду ifconfig.
Вывод команды ifconfig показывает, что хост h2 имеет два интерфейса: h2-eth0 и lo.
Интерфейс h2-eth0 необходимо использовать в tc при эмуляции WAN.

4.3 Добавка задержки для интерфейса, подключающегося к WAN

Сетевые эмуляторы задают задержки на интерфейсе.
Например, задержка, вносимая в интерфейс коммутатора A, который подключён к интерфейсу коммутатора B, может представлять собой задержку распространения WAN, соединяющей оба коммутатора.
На хосте h1 введите следующую команду:
```
sudo tc qdisc add dev h1-eth0 root netem delay 100ms
```
- sudo: выполнить команду с более высокими привилегиями;
- tc: вызвать управление трафиком Linux;
- qdisc: изменить дисциплину очередей сетевого планировщика;
- add: создать новое правило;
- dev h1-eth0: указать интерфейс, на котором будет применяться правило;
- netem: использовать эмулятор сети;
- delay 100ms: задержка ввода 100 мс.
Эта команда добавляет задержку в 100 миллисекунд (мс) только к выходному интерфейсу.
Теперь пользователь может проверить, что соединение от хоста h1 к хосту h2 имеет задержку 100 миллисекунд, используя команду ping с хоста h1:
```
ping 10.0.0.2
```
Все пакеты были получены успешно (0% потерь пакетов).
Задание: Запишите минимальное, среднее, максимальное и стандартное отклонение времени приёма-передачи (RTT).
Этот сценарий эмулирует задержку в 100 миллисекунд на интерфейсе узла h1, подключающегося к коммутатору.
Чтобы эмулировать глобальную сеть с двунаправленной задержкой, к соответствующему интерфейсу на хосте h2 также необходимо добавить задержку в 100 миллисекунд.
В терминале хоста h2 введите следующую команду:
```
sudo tc qdisc add dev h2-eth0 root netem delay 100ms
```
Проверим, что соединение между хостом h1 и хостом h2 имеет RTT 200 миллисекунд (100 мс от хоста h1 к хосту h2 плюс 100 мс от хоста h2 к хосту h1), повторив команду ping на терминале хоста h1:
```
ping 10.0.0.2
```
Все пакеты были получены успешно (0% потерь пакетов).
Задание: Запишите минимальное, среднее, максимальное и стандартное отклонение времени приёма-передачи (RTT).

4.4 Изменение задержки в эмулируемой глобальной сети

Изменим задержку со 100 миллисекунд до 50 миллисекунд как для отправителя, так и для получателя. RTT теперь будет 100 миллисекунд.
В терминале хоста h1 введите следующую команду:
```
sudo tc qdisc change dev h1-eth0 root netem delay 50ms
```
Здесь добавлен новый параметр change, который изменяет ранее установленную задержку на 50 миллисекунд.
Применим также описанный выше шаг к терминалу хоста h2, чтобы изменить задержку на 50 мс:
```
sudo tc qdisc change dev h2-eth0 root netem delay 50ms
```
Теперь можно проверить, что соединение от хоста h1 к хосту h2 имеет задержку 100 миллисекунд, используя команду ping с терминала хоста h1:
```
ping 10.0.0.2
```
Все пакеты были получены успешно (0% потерь пакетов).
Задание: Запишите минимальное, среднее, максимальное и стандартное отклонение времени приёма-передачи (RTT).

4.5 Восстановление исходных значений (удаление правил)

Восстановим конфигурацию по умолчанию как для отправителя, так и для получателя, удалив все правила, применённые к сетевому планировщику интерфейса.
В терминале хоста h1 введите следующую команду:
```
sudo tc qdisc del dev h1-eth0 root netem
```
Добавлена новая опция del, которая удаляет ранее установленные правила для данного интерфейса.
В результате tc qdisc восстановит значения по умолчанию для устройства h1-eth0.
Применим те же действия для удаления правил на хосте h2. В терминале хоста h2 введите следующую команду:
```
sudo tc qdisc del dev h2-eth0 root netem
```
В результате дисциплина организации очереди tc восстановит свои значения по умолчанию для устройства h2-eth0.
Проверим, что соединение между хостом h1 и хостом h2 не имеет явно установленной задержки, используя команду ping с терминала хоста h1:
```
ping 10.0.0.2
```
Все пакеты были получены успешно (0% потерь пакетов).
Задание: Запишите минимальное, среднее, максимальное и стандартное отклонение времени приёма-передачи (RTT).

4.6 Добавление джиттера в интерфейс подключения к WAN

В сетях нет постоянной задержки. Задержка может варьироваться в зависимости от других потоков трафика, конкурирующих за тот же путь.
Джиттер — это изменение времени задержки.
Параметры задержки описываются средним значением (\(\mu\)), стандартным отклонением (\(\sigma\)) и корреляцией.
По умолчанию NETEM использует равномерное распределение, так что задержка находится в пределах \(\mu \pm \sigma\).
Добавим задержку в 100 миллисекунд со случайным отклонением 10 миллисекунд.
Прежде чем сделать это, необходимо восстановите конфигурацию интерфейсов по умолчанию на узлах h1 и h2.
В терминале хоста h1 введите команду:
```
sudo tc qdisc add dev h1-eth0 root netem delay 100ms 10ms
```
Добавленное здесь новое значение представляет джиттер, который определяет вариацию задержки.
Все пакеты, покидающие хост h1 через интерфейс h1-eth0, будут иметь задержку 100 мс со случайным отклонением ±10 мс.
Можно проверить, что соединение от хоста h1 к хосту h2 имеет задержку 100 мс со случайным отклонением ± 10 мс, с помощью команды ping на терминале хоста h1:
```
ping 10.0.0.2
```
Все пакеты были получены успешно (0% потерь пакетов).
Задание: Запишите минимальное, среднее, максимальное и стандартное отклонение времени приёма-передачи (RTT).
В терминале хоста h1 введите следующую команду, чтобы удалить предыдущие конфигурации:
```
sudo tc qdisc del dev h1-eth0 root netem
```

4.7 Добавление значения корреляции для джиттера и задержки

Параметр корреляции управляет отношением между последовательными псевдослучайными значениями.
Добавим задержку в 100 миллисекунд с вариацией ±10 миллисекунд при добавлении значения корреляции.
Прежде чем сделать это, необходимо восстановите конфигурацию интерфейсов по умолчанию на узлах h1 и h2.
В терминале хоста h1 введите следующую команду:
```
sudo tc qdisc add dev h1-eth0 root netem delay 100ms 10ms 25%
```
Добавленное здесь новое значение представляет собой значение корреляции для джиттера и задержки.
Все пакеты, покидающие узел устройства h1 на интерфейсе h1-eth0, будут иметь время задержки 100 мс со случайным отклонением ±10 мс, при этом следующий случайный пакет зависит от предыдущего на 25%.
Можно проверить соединение между хостами h1 и h2 с помощью команды ping на терминале хоста h1:
```
ping 10.0.0.2
```
Все пакеты были получены успешно (0% потерь пакетов).
Задание: Запишите минимальное, среднее, максимальное и стандартное отклонение времени приёма-передачи (RTT).
В терминале хоста h1 введите следующую команду, чтобы удалить предыдущие конфигурации:
```
sudo tc qdisc del dev h1-eth0 root netem
```

4.8 Распределение задержки

NETEM позволяет пользователю указать распределение, которое описывает, как задержки изменяются в сети.
Обычно задержки неравномерны, поэтому может быть удобно использовать неравномерное распределение, такое как нормальное, парето или парето-нормальное.
Можно указать нормальное распределение задержки в эмулируемой сети.
Прежде чем сделать это, необходимо восстановите конфигурацию интерфейсов по умолчанию на узлах h1 и h2.
В терминале хоста h1 введите следующую команду:
```
sudo tc qdisc add dev h1-eth0 root netem delay 100ms 20ms distribution normal
```
Добавленная здесь новая опция (distribution) задаёт тип распределения задержки.
Определим задержку так, чтобы она имела нормальное распределение, что обеспечивает более реалистичную эмуляцию сетей WAN.
Все пакеты, покидающие хост h1 на интерфейсе h1-eth0, будут иметь время задержки, которое распределяется в диапазоне 100 мс ± 20 мс.
Используем команду ping на терминале хоста h1:
```
ping 10.0.0.2
```
Все пакеты были получены успешно (0% потерь пакетов).
Задание: Запишите минимальное, среднее, максимальное и стандартное отклонение времени приёма-передачи (RTT).
В терминале хоста h1 введите следующую команду, чтобы удалить предыдущие конфигурации:
```
sudo tc qdisc del dev h1-eth0 root netem
```

4.9 Видео: Использование netem I. Интерактивный эксперимент

5 Воспроизводимый эксперимент

5.1 Постановка задания

Будем исследовать задержки и построим графики для них.
Выполните все интерактивные эксперименты в виде воспроизводимых.
Для каждого эксперимента expname создайте свой каталог:
```
mkdir -p ~/work/lab_netem_i/expname
```
В него мы будем помещать файлы эксперимента.
Для каждого эксперимента создайте скрипт для проведения эксперимента lab_netem_i.py и скрипт для визуализации ping_plot.
Кроме визуализации вычислите минимальное, среднее, максимальное и стандартное отклонение времени приёма-передачи.
Для примера реализуем задание простейшей задержки.

5.2 Добавка задержки для интерфейса, подключающегося к WAN

Создадим каталог simple-delay:

mkdir -p ~/work/lab_netem_i/simple-delay
cd ~/work/lab_netem_i/simple-delay

Создадим скрипт для эксперимента lab_netem_i.py:

#!/usr/bin/env python

"""
Simple experiment.
Output: ping.dat
"""

from mininet.net import Mininet
from mininet.node import Controller
from mininet.cli import CLI
from mininet.log import setLogLevel, info
import time

def emptyNet():

    "Create an empty network and add nodes to it."

    net = Mininet( controller=Controller, waitConnected=True )

    info( '*** Adding controller\n' )
    net.addController( 'c0' )

    info( '*** Adding hosts\n' )
    h1 = net.addHost( 'h1', ip='10.0.0.1' )
    h2 = net.addHost( 'h2', ip='10.0.0.2' )

    info( '*** Adding switch\n' )
    s1 = net.addSwitch( 's1' )

    info( '*** Creating links\n' )
    net.addLink( h1, s1 )
    net.addLink( h2, s1 )

    info( '*** Starting network\n')
    net.start()

    info( '*** Set delay\n')
    h1.cmdPrint( 'tc qdisc add dev h1-eth0 root netem delay 100ms' )
    h2.cmdPrint( 'tc qdisc add dev h2-eth0 root netem delay 100ms' )

    time.sleep(10)  # Wait 10 seconds

    info( '*** Ping\n')
    h1.cmdPrint( 'ping -c 100', h2.IP(), '| grep "time=" | awk \'{print $5, $7}\' | sed -e \'s/time=//g\' -e \'s/icmp_seq=//g\' > ping.dat' )

    info( '*** Stopping network' )
    net.stop()


if __name__ == '__main__':
    setLogLevel( 'info' )
    emptyNet()

Создадим скрипт для визуализации ping_plot:

#!/usr/bin/gnuplot --persist

set terminal png crop
set output 'ping.png'
set xlabel "Sequence number"
set ylabel "Delay (ms)"
set grid
plot "ping.dat" with lines

Зададим права доступа:
```
chmod +x ping_plot
```

Создадим Makefile:

all: ping.dat ping.png

ping.dat:
        sudo python lab_netem_i.py
        sudo chown mininet:mininet ping.dat

ping.png: ping.dat
        ./ping_plot

clean:
        -rm -f *.dat *.png

Выполним эксперимент:
```
make
```
Посмотрите график.
Вычислите минимальное, среднее, максимальное и стандартное отклонение времени приёма-передачи.

Mininet. Использование netem (latency, jitter)

1 Общая информация

1.1 Цели

1.2 Задачи

1.3 Видео: Использование netem I. Введение

2 Теоретические сведения

2.1 Дисциплины организации очередей в Linux

2.2 Глобальные сети и задержка

3 Подготовка стенда

3.1 Лабораторная топология

3.2 Рабочие файлы

4 Интерактивный эксперимент

4.1 Добавление/изменение задержки для эмуляции WAN

4.2 Определение интерфейсов хостов `h1` и `h2`

4.3 Добавка задержки для интерфейса, подключающегося к WAN

4.4 Изменение задержки в эмулируемой глобальной сети

4.5 Восстановление исходных значений (удаление правил)

4.6 Добавление джиттера в интерфейс подключения к WAN

4.7 Добавление значения корреляции для джиттера и задержки

4.8 Распределение задержки

4.9 Видео: Использование netem I. Интерактивный эксперимент

5 Воспроизводимый эксперимент

5.1 Постановка задания

5.2 Добавка задержки для интерфейса, подключающегося к WAN

5.3 Видео: Использование netem I. Воспроизводимый эксперимент

Похожие

Mininet. Использование netem (latency, jitter)

1 Общая информация

1.1 Цели

1.2 Задачи

1.3 Видео: Использование netem I. Введение

2 Теоретические сведения

2.1 Дисциплины организации очередей в Linux

2.2 Глобальные сети и задержка

3 Подготовка стенда

3.1 Лабораторная топология

3.2 Рабочие файлы

4 Интерактивный эксперимент

4.1 Добавление/изменение задержки для эмуляции WAN

4.2 Определение интерфейсов хостов h1 и h2

4.3 Добавка задержки для интерфейса, подключающегося к WAN

4.4 Изменение задержки в эмулируемой глобальной сети

4.5 Восстановление исходных значений (удаление правил)

4.6 Добавление джиттера в интерфейс подключения к WAN

4.7 Добавление значения корреляции для джиттера и задержки

4.8 Распределение задержки

4.9 Видео: Использование netem I. Интерактивный эксперимент

5 Воспроизводимый эксперимент

5.1 Постановка задания

5.2 Добавка задержки для интерфейса, подключающегося к WAN

5.3 Видео: Использование netem I. Воспроизводимый эксперимент

Похожие

4.2 Определение интерфейсов хостов `h1` и `h2`