Фазульянов Сергей Валерьевич

Факультет: компьютерных информационных технологий и автоматики (КИТА)
Кафедра: автоматики и телекоммуникаций (АТ)
Специальность: Телекоммуникационные системы и сети (ТКС)
Группа: ТКС-09м

Тема магистерской работы:
«Разработка и исследование методики приоритезации услуг в мультисервисных телекоммуникационных сетях»

Научный руководитель: доцент, к.т.н., доцент кафедры АТ Дегтяренко Илья Вячеславович

Автореферат
квалификационной работы магистра:
«Разработка и исследование методики приоритезации услуг
в мультисервисных телекоммуникационных сетях»

Содержание

Введение
Актуальность
Связь работы с научными программами, планами, темами
Цель и задачи разработки (исследования)
Основная часть
Обзор разработок и исследований по теме
Разработка критерия приоритезации трафика в мультисервисных телекоммуникационных сетях
Разработка методики приоритезации трафика в мультисервисных телекоммуникационных сетях
Практическое применение и особенности реализации методики для реальных мультисервисных сетей
Моделирование процесса функционирования мультисервисных телекоммуникационных сетей с применением разработанной методики приоритезации. Анализ эффективности принятых решений.
Направления и объекты дальнейших исследований
Выводы
Список использованной литературы
Примечание

Введение

На сегодняшний день темпы развития отрасли телекоммуникаций являются одними из самых стремительных. Наряду со снижением темпов роста клиентской базы операторов связи, наблюдается рост трафика за счет внедрения новых технологий и увеличения доли услуг на базе IP-технологий. Учитывая указанные тенденции, операторы связи внедряют новые услуги, что приводит к переходу телекоммуникационных сетей к мультисервисности. В свою очередь это накладывает некоторые ограничения на функционирование телекоммуникационных сетей. Возникает необходимость выполнения требований Quality of Service(QoS), которые для разных классов трафика зачастую не только отличаются, но и противоречат друг другу. Для одновременного обеспечения различных требований QoS в систему связи требуется внедрять системы управления трафиком, которые в свою очередь должны учитывать особенности различных классов трафика и обеспечивать эффективное перераспределение ресурсов сети[1]. Одним из подходов к управлению трафиком является перераспределение ресурсов сети на основе приоритезации классов трафика в зависимости от их важности, чувствительности или какой-либо иной характеристики, избранной в качестве критериальной.

Также одним из альтернативных направлений применения приоритезации есть, так называемые , акселераторы - уплотнители траффика, которые поддерживают алгоритм Priority Queuing, - траффику наивысшего приоритета предоставляется наибольшая полоса пропускания, или Custom Queuing, который распределяет полосу пропускания по определенным правилам, заложенным в алгоритм управления.

Актуальность

Современные сетевые протоколы предусматривают возможность маркировки пакетов с помощью специальных ячеек (Class of Service, Differential Service Сode Point и др.), которые содержат кодовые комбинации соответствующие определенным уровням приоритетов.

На сегодняшний день существует несколько рекомендаций по определению относительного приоритета классов трафика предложенных отдельными производителями телекоммуникационного оборудования [2]. Эти решения отличны друг от друга и не только не позволяют разрешить возникающих противоречий в различных требованиях к QoS классов трафика, но и сами решения отличающиеся друг от друга могут входить в противоречие. Это, зачастую, связанно с частностью подхода к проблеме определения значений относительного приоритета классов трафика, которые базируются на какой-то одной или нескольких критериальных характеристиках, не учитывая при этом всех особенностей каждого отдельного класса трафика. Сейчас существует необходимость в создании комплексной формализированной методики определения относительного приоритета классов трафика мультисервисных сетей, которая бы учитывала не только особенности обеспечения различных показателей QoS для разнородных классов трафика, но и политику оператора по распределению приоритетов. В этой работе предлагается методика, которая базируется на формализированном критерии определения относительного приоритета классов трафика мультисервисних сетей, который основан на требованиях QoS к различным сетевым приложениям, формирующим трафик данных в мультисервисных сетях.

Связь работы с научными программами, планами, темами

Квалификационная работа магистра выполняется на протяжении 2009-2010 гг. согласно с научным направлением кафедры «Автоматики и телекоммуникаций» Донецкого национального технического университета

Цель и задачи разработки (исследования)

Целью данной квалификационной работы магистра является повышение эффективности функционирования телекоммуникационных сетей в условиях перехода к мультисервисности; повышение качества предоставляемых услуг операторами связи; снижение риска простоя бизнес приложений критичных к различным показателям QoS; снижение потенциальных убытков оператора связи от простоя бизнес-приложений.

Идеей работы является комплексный подход к учету требований к показателям QoS разных классов трафика при создании и внедрении системы управления трафиком мультисервисной телекоммуникационной сети для эффективного перераспределения ресурсов системы и обеспечения необходимого уровня качества обслуживания абонентов мультисервисных телекоммуникационных сетей.

Основными задачами является:
- создание комплексного формализированного критерия определения относительного приоритета классов трафика
- разработка методики определения относительного приоритета классов трафика, основанной на использовании разработанного критерия - исследование влияния политики оператора на формирование значений относительного приоритета классов трафика
- исследование результатов применения методики определения значений относительного приоритета классов трафика на участке мультисервисной телекоммуникационной сети
- исследование возможности применения методики в рамках уже существующих подходов по управлению трафиком на основе приоритезации классов трафика.

Предметом разработки является методика приоритезации услуг в мультисервисных телекоммуникационных сетях.

Объектом разработки является система управления трафиком мультисервисных телекоммуникационных сетей, которая для распределения ресурсов сети использует приоритетное предоставление ресурсов на основе значений приоритетов, полученных в результате расчета по предлагаемой формализированной методике.

Основная часть

Обзор разработок и исследований по теме

Вопрос создания методики приоритезации услуг в мультисервисных телекоммуникационных сетях относится к области обеспечения требований качества обслуживания. Этот вопрос широко рассматривается учеными и специалистами как Украины и России, так и зарубежья. Предоставление абоненту услуг с заявленными параметрами качества рассматривались Олифер Н. Г., Семеновым Ю. А., Вишневским В.
Ведущие компании-производители сетевого оборудования CISCO Systems, Motorola, Nokia, Siemens Networks, Huawei Technologies и другие являются пионерами в области внедрения новых методик и механизмов регулирования качества услуг в телекоммуникационных сетях. На отечественном пространстве вопросами управления и регулирования качества обслуживания в мультисервисных сетях занимаются НТЦ «Протей» и другие компании 

Среди иностранных исследователей следует отметить работы по вопросом обеспечения качества в мультисервисных сетях специалиста компании CISCO Systems Шринивас Вагешна, П. Фергюсона, Д. Хеймана и других.
В Донецком национальном техническом университете вопросам обеспечения качества обслуживания в телекоммуникационных сетях посвящены работы магистров разных лет выпуска. Среди них работы магистра А.Шепеленко по применению для прогнозирования состояния телекоммуникационных сетей теории самоподобности, М. Соловьева, посвященной исследованию особенностей обеспечения показателей качества в мультисервисных сетях при внедрении новых сервисов в стандарте GSM и другие.

Разработка критерия приоритезации трафика в мультисервисных телекоммуникационных сетях

При выполнении магистерской работы разрабатывается формализированный критерий определения относительного приоритета классов трафика мультисервисных сетей основанный на требованиях QoS[3]. При его формировании используется подход подобный синтезу комплексных аддитивных критериев качества[4].

Для примера было выделено семь классов трафика: голосовой, IPTV, видео-конференции, интерактивные данные, аудио по запросу, класс данных Best Effort, трафик сигнализации. Требования относительно качества обслуживания этих классов, согласно рекомендациям ITU -Т Y.1541[5], сведенным в табл. 1. Базируясь на данных таблицы, предлагается рассчитать общие взвешивающие коэффициенты.

Расчет ведется с использованием двух матриц А и В. Соответствующие столбики матрицы А заполняются по формулам:(1-4)

,

(1-4)

где A_i1 - относительный обобщающий коэффициент потерь пакетов, A_i2 - относительный обобщающий коэффициент задержки, A_i3 - относительный обобщающий коэффициент джиттера, A_i4 - относительный обобщающий коэффициент полосы пропускания. Относительные обобщающие коэффициенты рассчитываются для приведения существующих данных к общей форме, которая поддается дальнейшей математической обработке. 

Матрица В заполняется числами 1, 2 и 3, которые отображают соответственно низкую, среднюю и высокую значимость требований к показателям QoS. Эти параметры могут быть взяты в соответствии с классическими требованиями, или могут определяться оператором. Коэффициенты B_ij используются для учета важности каждого требования QoS соответствующего класса трафика при расчете приоритета.
Значение приоритетов для классов трафика рассчитывается по формуле(5):

(5)

Эта формула может быть адаптирована для любого количества классов трафика и разных требований QoS. Результатом расчета является десятичное число 0<Pr_i<1, которое для высшего приоритета будет больше, чем для меньшего. Значение приоритета может быть заменено соответствующим маркером для применения на практике. Например, пакеты могут быть промаркировавшие путем определения поля IP -приоритета или поля кода дифференцированной услуги, которые расположены в заглавиях IP -пакетов.

Результаты расчетов отображенны в последнем столбике табл. 1. В кавычках указан номер приоритета обработки пакета данных. 

Таблица 1 - Требования к QoS разных классов траффика и их относительный приоритет  

Предложенный критерий позволяет создать унифицированный и формализированный подход к определению приоритетов обслуживания любых классов траффика мультисервисных сетей, которые являются необходимым при решении задач эффективного управления ресурсами сети.

Разработка методики приоритезации трафика в мультисервисных телекоммуникационных сетях

Методика предлагает маркировать пакеты кодовой комбинацией, полученной в результате предыдущего расчета значений критерия для каждого из классов трафика[6]. Для этого на начальном этапе функционирования системы определяются с входными данными, которые формируются на основе как требований QoS, так и политики оператора. Следующим шагом, по получению значений критерия для каждого класса трафика является присвоение каждому из классов своей кодовой комбинации, которая отвечает значению критерия именно для этого класса трафика. После чего полученные комбинации фиксируются в соответствующих полях сетевых протоколов, которые были отмечены выше. 

Методика может быть использована для разграничения очередности обработки классов трафика мультисервисных сетей с использованием разных сетевых протоколов, которые приспособлены для указания уровня приоритета в заглавиях пакетов. 

Процесс определения приоритета может быть автоматизирован с помощью создания программного продукта, который выполнял бы расчет значения относительного приоритета после определения новых значений входных переменных. 

Порядок работы методики приведен на рисунке. 

Рисунок 1. Порядок работы методики приоритезации трафика в мультисервисных телекоммуникационных сетях

Практическое применение и особенности реализации методики для реальных мультисервисных сетей

Одной из особенностей применения методики является различный формат представления кода приоритета в разных специализированных полях подзаголовков пакетов разных сетевых протоколов. 

В стандарте 802.1p рассмотрены принципы организации приоритетного трафика на уровне L2 , основанные на использовании полей определенных стандартом 802.1Q[7]. Стандарт 802.1p является частью стандарта 802.1D (мостовые соединения). В протоколе 802.1Q определены 4 байта метки, которая передает информацию о принадлежности пакета к тому или иному VLAN'у. Она состоит из двух частей - поля EtherType и группы полей образующих TCI (Tagged Control Information). Поле EtherType используется в метке как TPID (Tagged Protocol Identifier), который содержит информацию о необходимости обработки кадра согласно IEEE 802.1Q.

Рисунок 2. Формат меток VLAN на уровне L2 (стандарт 802.1р).

Часть метки, состоящая из полей приоритета класса трафика (CoS, Class of Service), CFI (Canonical Format Identifier) и 12-битового поля VID (идентификатор виртуальной сети) называется TCI (Tagged Control Information). Коды приоритета CoS присваиваются пользователем. После добавления метки в кадр необходимо пересчитать контрольную сумму FCS. При этом канальный уровень должен поддерживать множественные очереди. При добавлении метки может быть превышена предельно допустимая длина кадра (1518 байт). В связи с этим IEEE ведет разработку спецификации 802.3ас, в которой максимальная длина кадра увеличена на 4 октета[8].

Полученная в результате расчета 3-битовая комбинация, кодирующая относительный приоритет класса трафика, размещается в поле приоритета без проблем и никакие дополнительные операции по преобразованию кодирующего слова не требуются.

Управление трафиком на уровне L3 в рамках стека протоколов TCP/IP основывается на возможностях этих транспортных протоколов (IP, UDP, TCP). Протокол IP предусматривает задание значения ToS, определяемого соответствующим полем заголовка[9].

Поле тип сервиса (TOS — type of service) характеризует то, как должна обрабатываться дейтаграмма. Формат поля TOS определен в документе RFC-1349. Это поле делится на 6 субполей. Биты C, D, T и R характеризуют пожелание относительно способа доставки дейтаграммы. D=1 требует минимальной задержки, T=1 — высокую пропускную способность, R=1 — высокую надежность, а C=1 — низкую стоимость. Одновременно в комбинации этих четырех полей может содержаться только один бит равный 1. Значения всех четырех бит по умолчанию равны нулю.

Рисунок 3. Формат поля ToS (Type of Service)
(Анимация: кадров - 10, циклов - 7, длительность - 42 секунды)

3-битное субполе приоритет (IPP – IP Precedence) предоставляет возможность присвоить код приоритета каждой дейтаграмме. Для размещения комбинации, определяющей значение относительного приоритета класса трафика, в поле IP Precedence не требуется дополнительных преобразований кода, полученного в результате расчета. Однако для установления значений бит D,T,R,C необходимо введение в алгоритм работы методики дополнительных операнд, которые будут формировать код типа трафика, опираясь на максимальную чувствительность конкретного класса трафика к тому или иному показателю качества обслуживания. В настоящее время поле ToS не используется.

В рекомендациях RFC-2474 поле TOS заменено на поле DSCP (Differentiated Services Code Point), где младшие 6 бит определяют код DS (Differentiated Services), а старшие два бита пока не определены и подлежат обнулению.[10]

После начала интенсивных разработок по обеспечению показателей QoS возросло внимание к возможности использования поля ToS, которое в большинстве реализаций до этого игнорировалось. В 1998 году в RFC-2474 появилось предложение о замене поля ToS на поле DSCP, которое также имеет длину 8 бит, но, в отличие от поля ToS, только 6 бит задействованы под определение кода услуги. Оставшиеся 2 бита в настоящее время не определены. Иногда поле DSCP называют байтом DS (Differenttiated Services).

Рисунок 4. Формат поля DSCP.

Биты DS0-DS5 определяют селектор класса. Значения этого кода представлены в таблице ниже. Стандартным значением DSCP по умолчанию является 000000.

Таблица 2. Селектор класса DSCP

Кроме того, на базе DSCP основана технология пошагового поведения PHB (per Hop Behavior). В рамках этой политики определяются коды DSCP внутри классов, что существенно расширяет возможности по управлению ресурсами сети и обеспечению требуемого уровня QoS.

Для адаптации методики к использованию с полем DSCP нужно дополнительно ввести в алгоритм операнды, которые будут добавлять в кодовую комбинацию, определяющую приоритет класса трафика, комбинацию из трех бит, чтобы преобразовать полученные результаты в формат поля DSCP. Эти биты могут быть сформированы с учетом политик PHB, путем введения в методику соответствующих операнд, или же взяты равными 0 для получения шестибитной комбинации селектора классов.

Рисунок 5. Добавление к коду приоритета класса трафика дополнительных бит для помещения его в поле DSCP

Согласно документа RFC-1883 в протоколе IPv6 поле приоритета имело 4 бита[11]. Для этого поля значения приоритетов делятся на два поддиапазона. Коды от 0 до 7 используются для задания приоритета трафика, для которого осуществляется контроль перегрузки, от 8 до 15 используются для определения приоритета трафика, для которого слежение и обработка перегрузки не производится, например, в случае пакетов “реального времени”.

В настоящее время, в соответствии с документом RFC-2460, поле «Приоритет» заменено полем «Класс трафика», длинною 8 бит[12]. За счет этого размер поля «Метка потока» сокращен до 20 бит. Таким образом формат заголовка пакета IPv6 был приведен к требованиям документа RFC-2474 "Definition of the Differentiated Services Field (DS Field) in the IPv4 and IPv6 Headers", ориентированного на решение задач управления QoS.

Моделирование процесса функционирования мультисервисных телекоммуникационных сетей с применением разработанной методики приоритезации. Анализ эффективности принятых решений.

Моделирование процесса функционирования мультисервисных телекоммуникационных сетей с применением разработанной методики приоритезации планируется производить в пакете Opnet. Данный программный продукт позволяет сформировать разнородный поток данных, что позволит смоделировать участок мультисервисной сети нуждающийся в управлении распределением ресурсов между различными классами услуг. Моделирование будет состоять из нескольких опытов:
- моделирование процесса функционирования участка мультисервисной сети без применения приоритезации
- моделирование процесса функционирования участка мультисервисной сети с применением приоритезации, основанной на одном из условий (полоса пропускания, задержка и др.)
- моделирование процесса функционирования участка мультисервисной сети с применением разработанной методики приоритезации

На основе полученных результатов будет сделан вывод об эффективности и качестве принятых решений.

Направления и объекты дальнейших исследований

В дальнейшем планируется произвести исследование возможности адаптации методики расчета относительного значения приоритета для применения в устройствах уплотнения трафика, определение особенностей реализации методики в составе систем управления трафиком сетей, построенных по разным сетевым технологиям.

Также одним из направлений исследования может быть избрано исследование возможности внесения в методику более явного определения пакетов, чувствительных к определенному требованию QoS. В рамках этого направления исследования планируется рассмотреть возможность формирования кодов DSCP с учетом политик per Hop Behavior для более тонкого управления распределением ресурсов сети.

Выводы

В ходе выполнения работы были рассмотрены принципы приоритезации трафика мультисервисных телекоммуникационных сетей, проведен обзор основных принципов организации приоритетного трафика в современных телекоммуникационных сетях. Сделано обоснование цели работы как создание формализированной методики приоритезации услуг мультисервисных телекоммуникационных сетей на основе критерия расчета относительного приоритета классов трафика, базирующегося на требованиях выдвигаемых классами трафика и операторами к качеству обслуживания.

Предложен формализированный критерий определения относительного приоритета классов трафика мультисервисных сетей, основанный на требованиях QoS, выдвигаемых классами трафика и операторами связи. Разработан базовый алгоритм функционирования методики, основанный на предложенном критерии.

Рассмотрены особенности организации приоритетного трафика, описываемые различными стандартами и рекомендациями. Определены направления дальнейших исследований, направленные на адаптацию разрабатываемой методики к практическому применению в условиях реально существующих мультисервисных телекоммуникационных сетей.

Список использованной литературы

1. Крылов В.В. Теория телетрафика и ее приложения./ В.В. Крылов, С.С. Самохвалова. –  СПб.: БХВ-Петербург. –2005. – 288 c
2. Vegesna S. IP Quality of Service./ Srinivas Vegesna. –  Cisco Press. – 2001. – 368 p
3. Фазульянов С.В. Критерій визначення відносного пріоритету класів трафіку мультисервісних мереж. - Сучасні проблеми радіотехніки та телекомунікацій «РТ - 2010»: Матеріали 6-ої міжнар. молодіжної наук.-техн. конф., 19 – 24 квітня 2010 р. — Севастополь: Вид-во СевНТУ, 2010. – стор. 162. Статья в библиотеке
4. Норенков И.П. Основы автоматизированного проектирования: Учеб. для вузов./ И.П.Норенков – М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2000. –360 с.
5. ITU-T Recommendation Y.1540/Y.1541. Network perfomance objectives for IP-based services. Geneva: International Telecommunication Union.[Электронный ресурс] – 2006./ - Режим доступа к статье: http://www.itu.int/rec/dologin~type=items
6. Дегтяренко І.В., Фазульянов С.В. Методика визначення відносного пріоритету класів трафіку мультисервісних мереж. – Науково-технічна конференція «Проблеми телекомунікацій»: Збірник тез. К.: НТУУ «КПІ», 2010. – стор. 188. Статья в библиотеке
7. Олифер Н., Олифер В. Базовые технологии локальных сетей./Н.Олифер, В.Олифер –  Центр Информационных Технологий, 1999
8. Семенов Ю.А. Telecommunication technologies - телекоммуникационные технологии (v3.3, 10 мая 2010 года) [Электронный ресурс]/Ю.А.  Семенов./ - Режим доступа к статье: http://book.itep.ru
9. Type of Service in the Internet Protocol Suite; RFC-1349,  July 1992 [Электронный ресурс]/P. Almquist./ - Режим доступа к статье: http://www.ietf.org/rfc/rfc1349.txt
10. Definition of the Differentiated Services Field (DS Field)in the IPv4 and IPv6 Headers; RFC-2474, December 1998 [Электронный ресурс]/K. Nichols./ - Режим доступа к статье: http://www.ietf.org/rfc/rfc2474.txt
11. Internet Protocol, Version 6 (IPv6); RFC-1883, December 1995 [Электронный ресурс]/S. Deering, R. Hinden./ - Режим доступа к статье: http://www.ietf.org/rfc/rfc1883.txt
12. Internet Protocol, Version 6 (IPv6); RFC-2460, December 1998 [Электронный ресурс]/S. Deering, R. Hinden./ - Режим доступа к статье: http://www.ietf.org/rfc/rfc2460.txt

При написании данного автореферата квалификационная работа магистра еще не завершена. Дата окончательного завершения работы: 1 декабря 2010 г. Полный текст работы и материалы по теме работы могут быть получены у автора или его научного руководителя после указанной даты.