[論文レビュー] Flow-based analysis of Internet traffic

F. Afanasiev, A Petrov+2 more|ArXiv.org|Jun 9, 2003

Network Traffic and Congestion Control参考文献 4被引用数 7

ひとこと要約

本稿では、Cisco NetFlowデータとキューイング理論を用いてバックボーンネットワークの品質を評価するフローベース手法を提案する。リンク利用状況をアクティブフローの関数としてモデル化し、主な貢献はリンクの動作領域と過負荷状態の特定を可能にする実用的テストの開発である。実験により、2500件を超えるアクティブフローが発生するとネットワーク性能が著しく低下し、重い負荷下では有効容量がほぼ50％まで低下することが示された。

ABSTRACT

We propose flow-based analysis to estimate quality of an Internet connection. Using results from the queuing theory we compare two expressions for backbone traffic that have different scopes of applicability. A curve that shows dependence of utilization of a link on a number of active flows in it describes different states of the network. We propose a methodology for plotting such a curve using data received from a Cisco router by NetFlow protocol, determining the working area and the overloading point of the network. Our test is an easy way to find a moment for upgrading the backbone.

研究の動機と目的

• フローレベルのデータを用いたシンプルで受動的なバックボーンネットワーク品質評価手法の開発。
• アクティブフロー数と利用状況に基づき、ネットワークリンクの動作領域と過負荷閾値を特定すること。
• 最適なバックボーンリンクアップグレードのタイミングを決定するための標準化され、解析的に裏付けられたテストの提供。
• 学術的モデリングと実際のISPネットワーク運用のギャップを埋めるために、実際のNetFlowトレースにキューイング理論を適用すること。
• 特にVoIPやビデオ会議などの高品質アプリケーションに適した、フローに基づくメトリクスを用いたネットワーク品質評価の共通フレームワークの確立。

提案手法

• ポissonフローライバルとフローサイズ・継続時間の一般分布を用いて、バックボーントラフィックを定常確率過程としてモデル化する。
• キューイング理論を適用し、2つの主要な式を導出する：期待リンク利用状況（E[R(t)] = λ·E[Sn]）とトラフィックのバースト性（VR = λ·E[Sn²/Dn]）。
• 1週間の間、30分ごとにルーターからアクティブフローとリンク利用状況のリアルタイムデータをCisco NetFlowで収集する。
• リンク利用状況とアクティブフロー数の関係をプロットし、ネットワーク状態を可視化し、臨界閾値を特定する。
• 曲線の線形領域（約45％利用状況まで）を動作領域として定義し、性能劣化が顕著に現れる変曲点（過負荷点）を過負荷状態の指標とする。
• Ciscoルーターの『sh ip cache flow』および『sh int』コマンドからデータを収集するスクリプトを自動生成し、利用状況対フロー数曲線を自動作成する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 NetFlowからのフローレベルデータは、どのようにリアルタイムでバックボーンリンク利用状況をモデル化・監視できるか？
• RQ2 アクティブフロー数とリンク利用状況の関係は何か？ そして、この関係はネットワークの過負荷状態を検出するためにどのように利用できるか？
• RQ3 通常動作から過負荷状態への遷移はどこで発生し、その遷移はどのように定量的に評価できるか？
• RQ4 高負荷下において、実際のネットワーク性能は理論的期待値からどの程度逸脱するか？
• RQ5 ネットワーク運用者が最適なアップグレードタイミングを決定するための標準化され、受動的なテストを開発できるか？

主な発見

• ネットワークの動作領域は約45％の利用状況までに及び、それ以上になると性能が急激に劣化する。
• アクティブフロー数が2500を超えると、リンク利用状況が増加にかかわらず頭打ちとなる過負荷状態に移行する。
• 重い負荷下では、有効ネットワーク容量が公表容量のおよそ半分にまで低下し、深刻な性能劣化が生じていることが示された。
• 特に品質に敏感なアプリケーションでは、定義された動作領域内でも実際のネットワーク性能が期待される挙動を満たさないことが頻発する。
• 理想化された理論的曲線（式2に基づく）は、過負荷でない状態では観測データとよく一致しており、低負荷下でのモデルの妥当性を裏付けている。
• ルーターでのNetFlow構成が不完全な場合（例：HeaNetの事例）、データの不完全性や信頼性の欠如が生じる可能性がある。