Транспортные сети следующего поколения

Г.Г. ЯНОВСКИЙ, заведующий кафедрой СПбГУТ, А.А. РУИН, инженер I категории ОАО "Гипросвзяь"

Вестник связи №2 2004

В последние несколько лет в связи с конвергенцией телефонных сетей общего пользования и Интернет возникла концепция построения сетей следующего поколения (NGN), в которых на сетевом и транспортном уровнях предполагается применять IP-ориентированные протоколы. Однако при использовании популярных сегодня кольцевых топологий, протоколы которых выбирались с учетом специфики сетей с коммутацией каналов, могут возникнуть проблемы, связанные с трудностями оптимизации и масштабирования кольцевых структур для пакетных сетей следующего поколения.

С развитием IP-сетей требования к ресурсам, необходимым для доставки новых услуг, непрерывно растут. Продвижение на рынок услуг, для реализации которых требуются различные значения выделяемых сетевых ресурсов, приводит к необходимости создания новых технологий доступа к разделяемой среде. Они должны учитывать особенности структуры трафика, быть отказоустойчивыми, обеспечивать возможность динамического управления сетевыми ресурсами и быть экономически эффективными.

В конце 2000 г. в IEEE была создана рабочая группа 802.17, которая начала разработку спецификации технологии для кольцевых структур в пакетных сетях. Эта технология получила название технологии устойчивых пакетных колец (Resilient Packet Ring, RPR). Основной целью ее разработки было создание отказоустойчивых пакетно-ориентированных сетей класса Metro, которые могут обеспечить экономически эффективную транспортировку пачечного трафика, в первую очередь, Ethernet, через SDH-кольцевые топологии.

Сегодня технология RPR позиционируется в качестве нового стандарта уровня МАС (управление доступом к среде) для волоконно-оптических колец в магистральных сетях. Первый вариант стандарта 1.0 был представлен на обсуждение в августе 2001 г.; сегодня рассматривается вариант 2.0, публикация окончательной версии стандарта RPR ожидается в 2003 г.

В [5] были описаны архитектура и основные свойства колец RPR, в том числе механизмы обеспечения отказоустойчивого функционирования сетей, классы обслуживания, поддерживаемые технологией RPR, механизмы управления доступом к ресурсу, определены основные достоинства и недостатки технологии. Несмотря на относительно высокий уровень разработки технических спецификаций технологии RPR, публикации, посвященные анализу вероятностно-временных характеристик кольцевых структур на базе RPR, практически отсутствуют. В данной работе предлагается аналитическая модель и представлены результаты исследования характеристик основного элемента кольца RPR - коммутатора

Постановка задачи

Во многих реальных системах, поступающие запросы являются неоднородными как по распределению времени обслуживания, так и по их ценности для системы и, следовательно, праву претендовать на первоочередное обслуживание в момент освобождения прибора. Такие модели исследуются в рамках приоритетных СМО. Эта теория довольно хорошо развита и ее изложению посвящено немало монографий.

В соответствии со спецификацией Darwin 1.0 [11] представим коммутатор как однолинейную СМО с ожиданием, на вход которой поступают потоки с различными приоритетами. В целях упрощения дальнейшего анализа будем рассматривать только два типа потоков на входе коммутатора - транзитные и исходящие.

С целью упрощения анализа входящие потоки (потоки, которые терминируются в данном коммутаторе) в нашем анализе рассматриваться не будут. Транзитным потокам присваивается более высокие приоритеты, исходящим - более низкие.

Обобщенная функциональная модель коммутатора RPR с учетом приоритетов для транзитных и исходящих потоков представлена на рис. 1. Для транзитного трафика различных приоритетов может применяться как общий ("однобуферная схема" в соответствии со спецификацией [11]), так и раздельные ("двухбуферная схема") накопители. Для исходящего трафика в коммутаторах RPR всегда используются раздельные буферы для трафика с различными приоритетами. В данной работе мы рассматриваем однобуферную схему применительно к транзитному трафику.

Приоритетная модель коммутатора RPR

Входной поток и дисциплина обслуживания. На вход системы обслуживания (см. рис. 1) поступают r независимых простейших потоков. При этом k-й поток имеет интенсивность lk, k = 1,....,r . Обозначим интенсивность суммарного потока как

Пусть времена обслуживания запросов k-го потока характеризуются функцией распределения Bk(t) с преобразованием Лапласа-Стилтьеса bk(s) и конечными начальными моментами Запросы на обслуживание от k-го потока будем назовать запросами приоритета k.

Положим, что запросы от i-го потока имеют более высокий приоритет, чем от j-го, если i < j. Приоритет учитывается тем, что в момент окончания обслуживания следующим на обслуживание из очередей выбирается запрос, имеющий максимальный приоритет. Запросы, имеющие один и тот же приоритет, выбираются согласно установленной дисциплине обслуживания, в данном случае соглано дисциплине FIFO.

Данная система относится к СМО с относительным приоритетом, так как поступление запроса более высокого приоритета не прерывает обслуживания запроса более низкого приоритета.

Исследуем систему с относительным приоритетом методом введения дополнительного события. Найдем стационарное распределение времени wk(t) ожидания обслуживания запроса приоритета k, k = 1,...,r если бы он поступил в систему в момент времени t.

Среднее время нахождения в очереди для различных типов трафика. В работах [1] и [4] показано, что преобразование Лапласа-Стилтьеса wk(s) стационарного распределения виртуального времени ожидания запроса приоритета k определяется следующим образом:

Результаты моделирования и заключительные замечания

На рис. 2 и 3 представлены зависимости среднего времени ожидания от загрузки системы для транзитного и исходящего трафиков при различных приоритетах, рассчитанные в соответствии с формулой (3). Здесь же приведены результаты имитационного моделирования коммутатора RPR с приоритетами, полученные с помощью программы Qnat v. 2.0 [14].

Для обеих моделей - аналитической и имитационной - использовались параметры таблицы. Можно сделать вывод, что разработанная аналитическая модель коммутатора RPR с приоритетами и имитационная модель такого коммутатора адекватны.

В данной работе исследовалось поведение коммутатора RPR. Анализ кольца RPR как сетевого объекта является предметом дальнейших исследований.

Литература

1. Вишневский В.М. "Теоретические основы проектирования компьютерных сетей", Москва, Техносфера, 2003, 512 с.

2. Клейнрок Л. "Теория массового обслуживания", Москва, Машиностроение, 1989, 600 с.

3. Лившиц Б.С., Пшеничников А.П., Харкевич А.Д. "Теория телетрафика", Москва, Связь, 1979, 224 с.

4. Руин А. А. "Исследование вероятностно-временных характеристик региональных сетей, построенных на базе технологии RPR". Диссертация на соискание степени кандидат технических наук, ГУТ имени проф. М. А. Бонч-Бруевича, Санкт-Петербург, 2003, с. 37-47.

5. Яновский Г. Г., Руин А. А. "Применение устойчивых пакетных колец в сетях связи следующего поколения", Вестник связи №7, 2003, с. 53-55.

6. De Jaegher J., Fan J., Lemon J., Peng H., Thepot F., "Topology Discovery Proposal To IEEE 802.17", v. 0.9, 2001, p. 14.

7. Fan J., Lemon J., Mascolo V., Peng H., Thepot F., "Protection proposal to IEEE 802. 17, v. 0.7, p. 8.

8. IEEE 802. 17, " Media Access Control (Bandwidth Management and Transit-Path)", 2001, p. 24.

9. Lemon J., "IEEE 802.17 Draft Proposal MAC Frame Format Revision 1.0", 2001, p. 13.

10. Lemon J., "RPR MAC Service Model Proposal To IEEE 802.17", 2001, p. 14.

11. Proposed Draft Standard for Information Technology - Telecommunications and information exchange between systems - Local and metropolitan area networks - Specific requirements - Part 17: Resilient packet ring access method and physical layer Specifications. Submitted to IEEE 802.17 as the Proposal - Darwin. Draft 1.0, 2002, 198 p.

12. Proposed Draft Standard for Information Technology - Telecommunications and information exchange between systems - Local and metropolitan area networks - Specific requirements - Part 17: Resilient packet ring access method and physical layer Specifications. Submitted to IEEE 802.17 as the Proposal - Gandalf. Draft 0.4, 2001, 82 p.

13. Proposed Draft Standard for Information Technology - Telecommunications and information exchange between systems - Local and metropolitan area networks - Specific requirements - Part 17: Resilient packet ring access method and physical layer Specifications. Submitted to IEEE 802.17 as the Proposal - i DVJ Proposali. Draft 0.27:8, 2001, 129 p.

14. Sanjay K. Bose, Hema Tahilraman, D. M. Bhsskar, D. Manjnafh, M. N. Umesh, Qnat v. 2. 0, 1998, http://www.catt.rmit.edu.au/catt/download-qnat.html.

15. White Paper "Dynamic Packet Transport Technology and Performance", Cisco sys., 2002, p. 12.