Эмуляция влияния глобальных сетей

В данный блог обычно пишут статьи, где Linux представляется user-friendly, ниже приведенный текст скорее относится к разделу «Linux не для всех» и будет интересен гораздо более узкому кругу хабрачитателей.

Часто возникает задача исследовать влияние задержек, потерь и джиттера на работу сетевого приложения. Подобная задача стоит в первую очередь перед специалистами, которые занимаются разработкой или внедрением решений VoIP, сетевых игр, потокового медиа контента. С большим распространением беспроводных сетей передачи данных, таких как GPRS, CDMA, спутниковых систем связи, исследования влияния параметров сетей передачи данных на работу приложений становятся особенно важными.

Рассмотрим схему, с помощью которой можно смоделировать влияние различных параметров сети передачи данных на исследуемое приложение. Для моделирование очень удобно использовать операционную систему GNU/Linux, в которой существуют все необходимые инструменты. В ядро ОС linux входит модуль netem, который предоставляет функционал для эмуляции WAN. Текущая версия модуля имеет следующие функции:

эмуляция задержки, с различной функцией распределения
эмуляция потерь
эмуляция повтора пакетов
эмуляция перемешивания пакетов
эмуляция искажения пакетов

Этот модуль включен по умолчанию в большинство современных дистрибутивов, основанных на ядре операционной системы Linux 2.6(Fedora, OpenSuse, Gentoo, Debian, Mandriva, Ubuntu) и управляется при помощи команды tc из пакета iproute2. Если ваш дистрибутив не включает в себя этот модуль, то его можно включить самостоятельно:

Networking -->
Networking Options -->
QoS and/or fair queuing -->
Network emulator

Для изучения влияния параметров транспортной сети на приложение, проще всего использовать выделенный компьютер, который работает по схеме изображенной на рис. 1. На выделенном компьютере порты объедены в мост(ethernet bridge), что позволяет прозрачно перебрасывать пакеты с одного интерфейса на другой и выполнять роль коммутатора. Такое решение является оптимальным, тк теперь мы можем фильтровать трафик, а также изменять требуемые параметры транспортного потока.



Для того, чтобы настроить мост, в системе должен быть установлен пакет bridge-utils. Для создания предложенной конфигурации нужно создать мост:

#brctl add br0

Добавить к нему нужные интерфейсы:

#brctl addif br0 eth0
#brctl addif br0 eth1

Настроить адрес на интерфейсе br0 для доступа к компьютеру по сети:

#ifconfig br0 <адрес>

После этого ethernet фреймы приходящие в один интерфейс, будут пересылаться в другой. Стоит отметить, что пересылаемые пакеты проходят через netfilter, таким образом фильтрацией трафика можно управлять по средствам iptables на сетевом уровне и ebtables на канальном уровне модели OSI.

Эмуляция задержки пакетов

Самым простым примером добавлением корневого qdisc, эмулирующего задержку.

# tc qdisc add dev eth1 root netem delay 800ms

Стоит запомнить, что мы можем контролировать только исходящий трафик, поэтому данная команда в нашей схеме установит задержку данных, которые идут в направлении от сервер-клиент, равной 800мс. Чтобы сделать наш сценарий более реалистичным можно, добавить стандартной отклонение. В дальнейшем мы будем изменять корневой qdisc.

# tc qdisc change dev eth0 root netem delay 800ms 100ms

Теперь задержка будет изменяться с отклонением 100мс.

В модуле netem существует возможность задавать неравномерное распределение задержки. Например, чтобы задать нормальную функцию распределения, нужно сделать следующие:

# tc qdisc change dev eth0 root netem delay 100ms 20ms distribution normal

Другие таблицы распределения(normal, pareto, paretonormal) устанавливаются вместе с iproute2 в каталог /usr/lib/tc. Не составит большого труда сгенерировать свою таблицу распределения, отражающую задержки канала связи, основанную на экспериментальных данных.

Эмуляция изменений потока пакетов

Случайная потеря пакетов задается в процентах.

# tc qdisc change dev eth0 root netem loss 0.1%

Это приведет к потере 1 из 1000 пакетов. В качестве опции можно добавить корреляцию потери пакетов. Это приведет к тому, что генератор случайных чисел будет «менее случайно». Это можно использовать с целью эмулировать packet burst.

# tc qdisc change dev eth0 root netem loss 0.5% 25%

В этом примере будет теряться 0.5% пакетов, при чем вероятность потери пакета вырастает на четверть, если предыдущий был потерян.

Дублирование пакетов задается таким же образом, как и потеря.

# tc qdisc change dev eth0 root netem duplicate 1%

В новых ядрах(2.6.16 и старше) возможно добавления белого шума в пакеты. Такая возможность задается также как и потеря пакетов:

# tc qdisc change dev eth0 root netem corrupt 0.1%

Другая ситуация, случающаяся в сетях с задержками это перемешивание пакетов, когда отправленный ранее пакет приходит позже пакета отправленного после него. В модуле netem существует две методики перемешивания. Самым простым является метод gap. Этод метод перемешивает каждый N-ый пакет.

# tc qdisc change dev eth0 root netem gap 5 delay 10ms

В данном примере каждый 5-й пакет будет отправлен немедленно, тогда как остальные будут задержаны на 10мс. Это приведет к тому, что пакеты придут в порядке отличном от того, как они были посланы. Такое поведение полезно при простой отладке транспортного протокола.
Следующий метод reoder гораздо больше приближен к реальной жизни. С помощью него можно указывать какой процент пакетов можно перемешать.

# tc qdisc change dev eth0 root netem delay 10ms reorder 25% 50%

В данном примере 25% пакетов( с корреляцией 50%) будут посланы немедленно, тогда как остальные будут задержаны на 10мс.

Третий возможный вариант перемешивания.

# tc qdisc change dev eth0 root netem delay 100ms 75ms

Если один пакет получит задержку 100мс, а следующий пакет посланный 1мс позже получит задержку 50мс(100мс — 50мс джиттер), то второй пакет будет послан раньше.

Стоит отметить, что для реализации любого из методов нужно использовать задержку.

Модуль netem является дисциплиной управления трафиком, поэтому его можно использовать в связках с другими дисциплинами, такими как TBF,CBQ и пр. Также можно строить цепочки дисциплин и применять к ним различные фильтры.


# tc qdisc add dev eth0 root handle 1: prio
# tc qdisc add dev eth0 parent 1:3 handle 30: netem \
delay 200ms 10ms distribution normal
# tc qdisc add dev eth0 parent 30:1 tbf rate 20kbit buffer 1600 limit 3000
# tc filter add dev eth0 protocol ip parent 1:0 prio 3 u32 \
match ip dst 65.172.181.4/32 flowid 1:3

В этом примере мы создаем корневую дисциплину приоритетов, присоединяем к третьему приоритету дисциплину netem, а потом добавляем шейпинг скорости.

Как мы видим, инструментальные средства ОС Linux позволяют нам произвести моделирование любых аномалий, которые могут произойти в сети. Таким образом, любой системный администратор может произвести необходимое тестирование при разворачивании распределенных сервисов и внедрения новых протоколов.

Используемый источник http://www.linux-foundation.org/en/Net:Netem

Кросспост из моего блога: m0sia.ru/node/67

Если вы укажете на мои ошибки, буду благодарен.