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

1. 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.
2. 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.
3. 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.
4. 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:

  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_ii:

  mkdir -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:

  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 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:

  tc 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:

  ping 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:

  tc 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:

  ping 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:

  tc qdisc del dev h1-eth0 root netem
  

• Примените те же действия для удаления правил на хосте h2. В терминале хоста h2 введите следующую команду:

  tc 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:

  ping 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:

  tc 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:

  ping 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:

  tc 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:

  tc 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:

  iperf3 -s
  

• Запустите iPerf3 в клиентском режиме в терминале хоста h1:

  iperf3 -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:

  tc 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:

  ping 10.0.0.2
  

• Нажмите Ctrl+c, чтобы остановить тест.
• В терминале хоста h1 введите следующую команду:

  tc 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):

  ping 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:

  tc 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:

  tc 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):

  ping 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:

  tc 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:

  mkdir -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:

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

• Создадим скрипт для эксперимента lab_netem_ii.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 loss\n')
      h1.cmdPrint( 'tc qdisc add dev h1-eth0 root netem loss 10%' )
      h2.cmdPrint( 'tc qdisc add dev h2-eth0 root netem loss 10%' )
  
      time.sleep(10)  # Wait 10 seconds
  
      info( '*** Ping\n')
      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' )
  
      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.
• Очистите каталог от результатов проведения экспериментов:

  make clean