Mininet. Использование netem (потери пакетов)

Использование netem. Потери пакетов, дублирование пакетов, изменение порядка, повреждение пакетов.

1 Общая информация

1.1 Цели

Освоить моделирование следующих параметров сети: потеря пакетов, дублирование пакетов, изменение порядка и повреждение пакетов.

1.2 Задачи

В ходе работы требуется освоить следующие умения:
- эмуляция сети, характеризующихся такими параметрами, как задержка, потеря пакетов, повреждение пакетов, переупорядочивание пакетов и дублирование пакетов;
- измерение производительности глобальных сетей, характеризующихся различными значениями параметров.

1.3 Видео: Использование netem II. Введение

2 Теоретические сведения

2.1 Проблемы с передачей пакетов

Потеря пакета
- Пакет, проходящий через сеть, не достигает пункта назначения.
- Распространённой причиной потери пакетов является неспособность маршрутизаторов удерживать пакеты, поступающие со скоростью, превышающей скорость отправления.
- Маршрутизатор ограничен объёмом буферной памяти, используемой для мгновенного хранения пакетов.
- Когда происходит потеря пакетов, TCP уменьшает окно перегрузки и, следовательно, пропускную способность вдвое.
Переупорядочивание пакетов
- Пакеты принимаются в порядке, отличном от того, в котором они были отправлены.
- Переупорядочивание пакетов (неупорядоченная доставка пакетов) обычно является результатом того, что пакеты следуют по разным маршрутам для достижения пункта назначения.
- Переупорядочивание пакетов может ухудшить пропускную способность TCP-соединений в сетях с высокой пропускной способностью и высокой задержкой.
- Для каждого сегмента, полученного не по порядку, получатель TCP отправляет подтверждение (ACK) для последнего правильно принятого сегмента.
- Как только отправитель TCP получает три подтверждения для одного и того же сегмента (тройной дубликат ACK), отправитель считает, что получатель неправильно принял пакет, следующий за пакетом, который подтверждается три раза.
- Тогда отправитель уменьшает окно перегрузки и пропускную способность в два раза.
Повреждение пакета
- Повреждение битов, составляющих пакет.
- Обычно происходит на физическом уровне.
- В случае повреждения некоторые биты могут иметь значения, отличные от первоначально отправленных узлом-отправителем.
- Узел получателя отбрасывает такие пакеты.
- Процесс-отправитель TCP не получит подтверждения для соответствующего сегмента и будет считать его потерянным сегментом.
- Отправитель уменьшает окно перегрузки и пропускную способность в два раза.
Дублирование пакетов
- Несколько копий пакета присутствуют в сети и принимаются пунктом назначения.
- Дублирование пакетов является результатом повторных передач, когда узел-отправитель повторно передает неподтвержденные (NACK) пакеты.

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 (рис. 1) используем параметры командной строки:
```
1sudo mn --topo=single,2 -x
```
Рис. 1.: Лабораторная топология

3.2 Рабочие файлы

Подключимся к виртуальной машине:
```
1ssh -Y mininet@192.168.x.y
```
Для рабочих файлов будем использовать каталог ~/work/lab_netem_ii:
```
1mkdir -p ~/work/lab_netem_ii
```

4 Интерактивный эксперимент

4.1 Добавление/изменение потери пакетов

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:
```
1sudo 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 потери пакетов на интерфейс, подключённый к глобальной сети

Пакеты могут быть потеряны во время передачи из-за таких факторов, как битовые ошибки и перегрузка сети.
Скорость потерянных пакетов часто измеряется как процентная доля потерянных пакетов по отношению к количеству отправленных пакетов.
В терминале хоста h1 введите следующую команду:
```
1tc qdisc add dev h1-eth0 root netem loss 10%
```
Эта команда добавляет 10% потери пакетов к интерфейсу h1-eth0 хоста h1.
Теперь можно проверить наличие потерь пакетов, используя команду ping с терминала хоста h1. Параметр -c указывает общее количество пакетов для отправки:
```
1ping 10.0.0.2 -c 200
```
Обратите внимание на значения icmp_seq. Некоторые номера последовательности отсутствуют из-за потери пакетов.
В сводном отчёте ping сообщает о проценте потерянных пакетов после завершения передачи.
Данный сценарий эмулирует 10% потери пакетов в однонаправленном канале от хоста h1 к хосту h2.
Если мы хотим эмулировать потерю пакетов в обоих направлениях, к хосту h2 также необходимо добавить потерю пакетов в размере 10%.
В терминале хоста h2 введите следующую команду:
```
1tc qdisc add dev h2-eth0 root netem loss 10%
```
Можно убедиться, что соединение между хостом h1 и хостом h2 имеет больше потерь пакетов (10% от хоста h1 + 10% от хоста h2), повторив команду ping на терминале хоста h1:
```
1ping 10.0.0.2 -c 200
```
Обратите внимание на значения icmp_seq. Некоторые номера последовательности отсутствуют из-за потери пакетов.
В сводном отчёте ping сообщает о проценте потерянных пакетов после завершения передачи.
Чтобы удалить добавленную потерю пакетов и восстановить конфигурацию по умолчанию, необходимо удалить правила интерфейсов на хосте h1 и хосте h2.
В терминале хоста h1 введите следующую команду:
```
1tc qdisc del dev h1-eth0 root netem
```
Примените те же действия для удаления правил на хосте h2. В терминале хоста h2 введите следующую команду:
```
1tc qdisc del dev h2-eth0 root netem
```
В результате дисциплина организации очереди tc восстановит свои значения по умолчанию.
Теперь можно убедиться, что соединение от хоста h1 к хосту h2 не имеет явной потери пакетов.
Запустите команду ping с терминала хоста h1:
```
1ping 10.0.0.2
```
Нажмите Ctrl+c, чтобы остановить тест.

4.4 Добавка значения корреляции для потери пакетов

Можно добавить необязательную корреляцию.
В терминале хоста h1 введите следующую команду:
```
1tc qdisc add dev h1-eth0 root netem loss 50% 50%
```
Команда вводит коэффициент потери пакетов 50% (такой высокий уровень потери пакетов маловероятен), и каждая последующая вероятность зависит на 50% от последней.
Теперь пользователь может проверить, что между хостом h1 и хостом h2 теряются пакеты, используя команду ping с терминала хоста h1:
```
1ping 10.0.0.2 -c 50
```
Обратите внимание на значения icmp_seq. Некоторые номера последовательности отсутствуют из-за потери пакетов.
В сводном отчёте ping сообщает о проценте потерянных пакетов после завершения передачи.
В терминале хоста h1 введите следующую команду, чтобы удалить предыдущие конфигурации:
```
1tc qdisc del dev h1-eth0 root netem
```

4.5 Добавка повреждения пакетов

Помимо потери пакетов, с помощью NETEM можно эмулировать повреждение пакетов.
В терминале хоста h1 введите следующую команду:
```
1tc qdisc add dev h1-eth0 root netem corrupt 0.01%
```
Добавленное здесь новое значение представляет собой процент повреждения пакетов (0,01%).
Теперь пользователь может проверить предыдущую конфигурацию с помощью инструмента iperf3 для проверки повторных передач.
Запустите iPerf3 в режиме сервера в терминале хоста h2:
```
1iperf3 -s
```
Запустите iPerf3 в клиентском режиме в терминале хоста h1:
```
1iperf3 -c 10.0.0.2
```
Посмотрите значения повторной передачи на каждом временном интервале и общее количество повторно переданных пакетов.
В терминале хоста h1 введите следующую команду, чтобы удалить предыдущие конфигурации:
```
1tc qdisc del dev h1-eth0 root netem
```
Чтобы остановить сервер, нажмите Ctrl+c в терминале хоста h2.

4.6 Добавка переупорядочивание пакетов

Иногда пакеты доставляются не в том порядке, в котором они были отправлены.
Для эмуляции переупорядочивания в NETEM используется опция переупорядочивания.
Посмотрим поведение трафика без переупорядочивания пакетов.
В терминале хоста h1 введём:
```
1ping 10.0.0.2
```
Нажмите Ctrl+c, чтобы остановить тест.
В терминале хоста h1 введите следующую команду:
```
1tc qdisc add dev h1-eth0 root netem delay 10ms reorder 25% 50%
```
В этой команде 25% пакетов (со значением корреляции 50%) будут отправлены немедленно, а остальные 75% будут задержаны на 10 мс.
Пользователь может проверить эффект переупорядочивания пакетов с помощью команды ping на терминале хоста h1 (нажмите Ctrl+c, чтобы остановить тест):
```
1ping 10.0.0.2
```
Первый и второй пакеты не будут иметь задержки (один из четырех, или 25%), а следующие три пакета будут иметь задержку около 10 миллисекунд (три из четырех, или 75%).
В терминале хоста h1 введите следующую команду, чтобы удалить предыдущие конфигурации:
```
1tc qdisc del dev h1-eth0 root netem
```

4.7 Добавка дублирования пакетов

Дублированные пакеты могут присутствовать в сетях в результате повторных передач.
NETEM предоставляет возможность эмуляции дублирования пакетов.
В терминале хоста h1 введите следующую команду:
```
1tc qdisc add dev h1-eth0 root netem duplicate 50%
```
Команда создаст дублирование 50% (т. е. 50% пакетов будут получены дважды).
Пользователь может проверить эффект дублирования пакетов с помощью команды ping на терминале хоста h1 (нажмите Ctrl+c, чтобы остановить тест):
```
1ping 10.0.0.2
```
Дубликаты пакетов помечаются как DUP!.
Измеренная скорость дублирования пакетов будет приближаться к настроенной скорости по мере выполнения большего количества попыток.
В терминале хоста h1 введите следующую команду, чтобы удалить предыдущие конфигурации:
```
1tc qdisc del dev h1-eth0 root netem
```

4.8 Видео: Использование netem II. 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:
```
1mkdir -p ~/work/lab_netem_ii/expname
```
В него мы будем помещать файлы эксперимента.
Здесь expname может принимать значения simple-drop, correlation-drop и т.п.
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 Добавление потери пакетов на интерфейс, подключённый к эмулируемой глобальной сети

В качестве примера исследуем

Создадим каталог simple-drop:

1mkdir -p ~/work/lab_netem_ii/simple-drop
2cd ~/work/lab_netem_ii/simple-drop

Создадим скрипт для эксперимента lab_netem_ii.py:

 1#!/usr/bin/env python
 2
 3"""
 4Simple experiment.
 5Output: ping.dat
 6"""
 7
 8from mininet.net import Mininet
 9from mininet.node import Controller
10from mininet.cli import CLI
11from mininet.log import setLogLevel, info
12import time
13
14def emptyNet():
15
16    "Create an empty network and add nodes to it."
17
18    net = Mininet( controller=Controller, waitConnected=True )
19
20    info( '*** Adding controller\n' )
21    net.addController( 'c0' )
22
23    info( '*** Adding hosts\n' )
24    h1 = net.addHost( 'h1', ip='10.0.0.1' )
25    h2 = net.addHost( 'h2', ip='10.0.0.2' )
26
27    info( '*** Adding switch\n' )
28    s1 = net.addSwitch( 's1' )
29
30    info( '*** Creating links\n' )
31    net.addLink( h1, s1 )
32    net.addLink( h2, s1 )
33
34    info( '*** Starting network\n')
35    net.start()
36
37    info( '*** Set loss\n')
38    h1.cmdPrint( 'tc qdisc add dev h1-eth0 root netem loss 10%' )
39    h2.cmdPrint( 'tc qdisc add dev h2-eth0 root netem loss 10%' )
40
41    time.sleep(10)  # Wait 10 seconds
42
43    info( '*** Ping\n')
44    h1.cmdPrint( 'ping -c 200', h2.IP(), '| grep "time=" | awk \'{print $5, $7}\' | sed -e \'s/time=//g\' -e \'s/icmp_seq=//g\' > ping.dat' )
45
46    info( '*** Stopping network' )
47    net.stop()
48
49
50if __name__ == '__main__':
51    setLogLevel( 'info' )
52    emptyNet()

Создадим скрипт для визуализации ping_plot:

1#!/usr/bin/gnuplot --persist
2
3set terminal png crop
4set output 'ping.png'
5set xlabel "Sequence number"
6set ylabel "Delay (ms)"
7set grid
8plot "ping.dat" with lines

Зададим права доступа:
```
1chmod +x ping_plot
```

Создадим Makefile:

 1all: ping.dat ping.png
 2
 3ping.dat:
 4        sudo python lab_netem_i.py
 5        sudo chown mininet:mininet ping.dat
 6
 7ping.png: ping.dat
 8        ./ping_plot
 9
10clean:
11        -rm -f *.dat *.png

Выполним эксперимент:
```
1make
```
Посмотрите график.
Вычислите минимальное, среднее, максимальное и стандартное отклонение времени приёма-передачи.
Очистите каталог от результатов проведения экспериментов:
```
1make clean
```