Фазульянов Сергій Валерійович

Факультет: комп'ютерних інформационних технологій і автоматики (КИТА)
Кафедра: автоматики і телекомунікацій (АТ)
Спеціальність: Телекомунікаційні системи і мережі (ТКС)
Група: ТКС-09м

Тема магістерської роботи:
«Розробка та дослідження методики пріоритезації послуг у мультисервісних телекомунікаційних мережах»

Науковий керівник: доцент, к.т.н., доцент кафедри АТ Дегтяренко Ілля Вячеславович

Автореферат
квалификаційної роботи магістра:
«Розробка та дослідження методики пріоритезації послуг у мультисервісних телекомунікаційних мережах»

Зміст

Вступ
Актуальність
Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами
Мета і задачі розробки (дослідження)
Основна частина
Огляд розробок і досліджень по темі
Розроботка критерія пріоритезації трафіку в мультисервісних мережах
Розроботка методики пріоритезації трафіку в мультисервісних мережах
Практичне застосування та особливості реалізації методики для реальних мультисервісних мереж
Моделювання процесу функціонування мультисервісних телекомунікаційних мереж із застосуванням розробленої методики пріоритезації. Аналіз ефективності прийнятих рішень.
Напрамки та об'єкти подальших досліджень
Висновки
Список використаної литератури
Примітка

Вступ

На сьогоднішній день темпи розвитку галузі телекомунікацій є одними з найбільш стрімких. Поряд зі зниженням темпів зростання клієнтської бази операторів зв'язку, спостерігається зростання трафіку за рахунок впровадження нових технологій і збільшення частки послуг на базі IP-технологій. Враховуючи зазначені тенденції, оператори зв'язку впроваджують нові послуги, що призводить до переходу телекомунікаційних мереж до мультисервісності. У свою чергу це накладає деякі обмеження на функціонування телекомунікаційних мереж. Виникає необхідність виконання вимог Quality of Service (QoS), які для різних класів трафіку часто не тільки відрізняються, але й суперечать одна одній. Для одночасного забезпечення різних вимог QoS у систему зв'язку потрібно впроваджувати системи керування трафіком, які в свою чергу повинні враховувати особливості різних класів трафіку і забезпечувати ефективний перерозподіл ресурсів мережі [1]. Одним з підходів до керування трафіком є перерозподіл ресурсів мережі на основі пріоритезації класів трафіку в залежності від їхньої важливості, чутливості або будь-якої іншої характеристики, обраної критеріальною. 

Також одним з альтернативних напрямів застосування пріоритезації є, так звані, акселератори - ущільнювачі трафіку, які підтримують алгоритм Priority Queuing, - трафіку найвищого пріоритету надається найбільша смуга пропускання, або Custom Queuing, який розподіляє смугу пропускання за певними правилами, що закладені в алгоритм керування.

Актуальність

Сучасні мережні протоколи передбачають можливість маркування пакетів за допомогою спеціальних осередків (Class of Service, Differential Service Сode Point та ін), які містять кодові комбінації відповідають певним рівням пріоритетів. 

На сьогоднішній день існує декілька рекомендацій з визначення відносного пріоритету класів трафіку запропонованих окремими виробниками телекомунікаційного обладнання [2]. Ці рішення відмінні один від одного і не тільки не дозволяють вирішити виникаючих протиріч в різних вимогах до QoS класів трафіку, а й самі рішення відрізняються один від одного можуть входити в протиріччя. Це найчастіше пов'язане з місцевими підходами до проблеми визначення значень відносного пріоритету класів трафіку, які базуються на якійсь одній чи кількох критеріальних характеристиках, не враховуючи при цьому всіх особливостей кожного окремого класу трафіку. Зараз існує необхідність у створенні комплексної формалізованої методики визначення відносного пріоритету класів трафіку мультисервісних мереж, яка б враховувала не тільки особливості забезпечення різних показників QoS для різнорідних класів трафіку, але і політику оператора з розподілу пріоритетів. У цій роботі пропонується методика, яка базується на формалізованому критерії визначення відносного пріоритету класів трафіку мультисервісних мереж, який заснований на вимогах QoS до різних мережевих програм, що формує трафік даних у мультисервісних мережах.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами

Кваліфікаційна робота магістра виконується протягом 2009-2010 рр.. згідно з науковим напрямком кафедри «Автоматики і телекомунікацій» Донецького національного технічного університету

Мета і задачі розробки(дослідження)

Метою даної кваліфікаційної роботи магістра є підвищення ефективності функціонування телекомунікаційних мереж в умовах переходу до мультисервісності; підвищення якості послуг, що надаються операторами зв'язку; зниження ризику простою бізнес-додатків, критичних до різних показників QoS; зниження потенційних збитків оператора зв'язку від простою бізнес-додатків.

Ідеєю роботи є комплексний підхід до обліку вимог до показників QoS різних класів трафіку при створенні та впровадженні системи керування трафіком мультисервісної телекомунікаційної мережі для ефективного перерозподілу ресурсів системи і забезпечення необхідного рівня якості обслуговування абонентів мультисервісних телекомунікаційних мереж.

Основними завданнями є:
- Створення комплексного формалізованого критерію визначення відносного пріоритету класів трафіку
- Розробка методики визначення відносного пріоритету класів трафіку, заснованої на використанні розробленого критерію 
- Дослідження впливу політики оператора на формування значень відносного пріоритету класів трафіку
- Дослідження результатів застосування методики визначення значень відносного пріоритету класів трафіку на ділянці мультисервісної телекомунікаційної мережі
- Дослідження можливості застосування методики в рамках вже існуючих підходів з керування трафіком на основі пріоритезації класів трафіку.

Предметом розробки є методика пріоритезації послуг у мультисервісних телекомунікаційних мережах.

Об'єктом розробки є система керування трафіком мультисервісних телекомунікаційних мереж, яка для розподілу ресурсів мережі використовує пріоритетне надання ресурсів на основі значень пріоритетів, отриманих в результаті розрахунку за пропонованою формалізованою методикою.

Основна частина

Огляд розробок і досліджень по темі

Питання створення методики пріоритезації послуг у мультисервісних телекомунікаційних мережах відноситься до галузі забезпечення вимог якості обслуговування. Це питання широко розглядається вченими і фахівцями як України і Росії, так і зарубіжжя. Надання абоненту послуг із заявленими параметрами якості розглядалися Оліфер Н. Г., Семеновим Ю. А., Вишневським В. 

Провідні компанії-виробники мережевого обладнання CISCO Systems, Motorola, Nokia Siemens Networks, Huawei Technologies та інші є піонерами в області впровадження нових методик та механізмів регулювання якості послуг у телекомунікаційних мережах. На вітчизняному просторі питаннями керування трафіку та регулювання якості обслуговування в мультисервісних мережах займаються НТЦ «Протей» та інші компанії.
Серед іноземних дослідників слід відзначити роботи з питаннь забезпечення якості в мультисервісних мережах фахівця компанії CISCO Systems Шрінівас Вагешна, П. Фергюсона, Д. Хеймана та інших. 

У Донецькому національному технічному університеті питанням забезпечення якості обслуговування в телекомунікаційних мережах присвячено роботи магістрів різних років випуску. Серед них роботи магістра А. Шепеленко щодо застосування для прогнозування стану телекомунікаційних мереж теорії самоподібності, М. Соловйова, присвячена дослідженню особливостей забезпечення показників якості в мультисервісних мережах при впровадженні нових сервісів в стандарті GSM та інші.

Розробка критерія пріоритезації трафіку у мультисервісних телекомунікаційних мережах

При виконанні магістерської роботи розробляється формалізований критерій визначення відносного пріоритету класів трафіку мультисервісних мереж заснований на вимогах QoS [3]. При його формуванні використовується підхід подібний синтезу комплексних адитивних критеріїв якості [4].

Для прикладу було виділено сім класів трафіку: голосовий, IPTV, відео-конференції, інтерактивні дані, аудіо за запитом, клас даних Best Effort, трафік сигналізації. Вимоги щодо якості обслуговування цих класів, відповідно до рекомендацій ITU-Т Y.1541 [5], зведених у табл. 1. Базуючись на даних таблиці, пропонується розрахувати загальні зважувальні коефіцієнти.

Розрахунок ведеться з використанням двох матриць А і В. Відповідні стовпчики матриці А заповнюються за формулами: (1-4)

,

(1-4)

де A_i1 - відносний узагальнюючий коефіцієнт втрат пакетів, A_i2 - відносний узагальнюючий коефіцієнт затримки, A_i3 - Відносний узагальнюючий коефіцієнт джитеру, A_i4 - відносний узагальнюючий коефіцієнт смуги пропускання. Відносні узагальнюючі коефіцієнти розраховуються для приведення існуючих даних до загальної форми, яка піддається подальшій математичній обробці.

Матриця В заповнюється числами 1, 2 і 3, які відображають, відповідно, низьку, середню і високу значимість вимог до показників QoS. Ці параметри можуть бути взяті відповідно до класичних вимог або можуть визначатися оператором. Коефіцієнти B_ij використовуються для обліку важливості кожної вимоги QoS відповідного класу трафіку при розрахунку пріоритету.

Значення пріорітетов для класів трафіку розраховується за формулою (5):

(5)

Ця формула може бути адаптована для будь-якого кількості класів трафіку і різних вимог QoS. Результатом розрахунку є десяткове число 0<Pr_i<1, яке для вищого пріоритету буде більше, ніж для меншого. Значення пріоритету може бути замінено відповідним маркером для застосування на практиці. Наприклад, пакети можуть бути промарковані шляхом визначення поля IP-пріоритету або поля коду диференційованої послуги, які розташовані в заголовках IP-пакетів.

Результати розрахунків відображені в останньому стовпчику табл. 1. У дужках вказано номер пріоритету обробки пакета даних.

Таблиця 1 - Вимоги до QoS різних класів трафіку і їх відносний пріоритет

Запропонований критерій дозволяє створити уніфікований і формалізований підхід до визначення пріоритетів обслуговування будь-яких класів трафіку мультисервісних мереж, що є необхідним при вирішенні завдань ефективного керування ресурсами мережі. 

Розробка методики пріоритезації трафіку в мультисервісних телекомунікаційних мережах

Методика пропонує маркувати пакети кодової комбінацією, отриманою в результаті попереднього розрахунку значень критерію для кожного з класів трафіку. Для цього на початковому етапі функціонування системи визначаються із вхідними даними, які формуються на основі як вимог QoS, так і політики оператора. Наступним кроком, після отримання значень пріоритетів для кожного класу трафіку, є присвоєння кожному з класів своєї кодової комбінації, яка відповідає значенню критерію саме для цього класу трафіку. Після чого отримані комбінації фіксуються у відповідних полях мережевих протоколів, які були відзначені вище.

Методика може бути використана для розмежування черговості обробки класів трафіку мультисервісних мереж з використанням різних мережевих протоколів, які пристосовані для вказівки рівня пріоритету в заголовках пакетів.

Процес визначення пріоритету може бути автоматизований за допомогою створення програмного продукту, який виконував би розрахунок значення відносного пріоритету після визначення нових значень вхідних змінних.

Порядок роботи методики наведено на малюнку.

Рисунок 1. Порядок роботи методики пріоритезації трафіку в мультисервісних телекомунікаційних мережах

Практичне застосування та особливості реалізації методики для реальних мультисервісних мереж

Однією з особливостей застосування методики є різний формат подання коду пріоритету в різних спеціалізованих полях підзаголовків пакетів різних мережевих протоколів.

У стандарті 802.1p розглянуті принципи організації пріоритетного трафіку на рівні L2, засновані на використанні полів певних стандартом 802.1Q. Стандарт 802.1p є частиною стандарту 802.1D (Мостові з'єднання). У протоколі 802.1Q визначено 4 байти мітки, яка передає інформацію про приналежність пакету до того чи іншого VLAN'у. Вона складається з двох частин - поля EtherType та групи полів, що утворюють TCI (Tagged Control Information). Поле EtherType використовується в мітці як TPID (Tagged Protocol Identifier), що містить інформацію про необхідність обробки кадру згідно IEEE 802.1Q.

Рисунок 2. Формат міток VLAN на рівні L2 (стандарт 802.1р).

Частина мітки, що складається з полів пріоритету класу трафіку (CoS, Class of Service), CFI (Canonical Format Identifier) і 12-бітового поля VID (Ідентифікатор віртуальної мережі) називається TCI (Tagged Control Information). Коди пріоритету CoS присвоюються користувачем. Після додавання мітки в кадр необхідно перерахувати контрольну суму FCS. При цьому канальний рівень повинен підтримувати множинні черги. При додаванні мітки може бути перевищена гранично допустима довжина кадру (1518 байт). У зв'язку з цим IEEE веде розробку специфікації 802.3ас, в якій максимальна довжина кадру збільшена на 4 октети.

Отримана в результаті розрахунку 3-бітова комбінація, кодує відносний пріоритет класу трафіку, розміщується в полі пріоритету без проблем і жодні додаткові операції з перетворення кодового слова не потрібні.

Керування трафіком на рівні L3 в рамках стека протоколів TCP/IP грунтується на можливостях цих транспортних протоколів (IP, UDP, TCP). Протокол IP передбачає завдання значення ToS, що визначається відповідним полем заголовка.

Поле тип сервісу (TOS - type of service) характеризує те, як повинна оброблятися дейтаграма. Формат поля TOS визначено в документі RFC-1349. Це поле ділиться на 6 субполей. Біти C, D, T і R характеризують побажання щодо способу доставки дейтаграми. D=1 вимагає мінімальної затримки, T=1 - високу пропускну здатність, R=1 - високу надійність, а C=1 - низьку вартість. Одночасно в комбінації цих чотирьох полів може містити лише один біт рівний 1. Значення всіх чотирьох біт за замовчуванням дорівнюють нулю.

Рисунок 3.Формат поля ToS (Type of Service)
(Анімація: кадрів - 10, циклів - 7, тривалість - 42 секунди)

3-бітове субполе пріоритет (IPP - IP Precedence) надає можливість присвоїти код пріоритету кожної дейтаграми. Для розміщення комбінації, визначальною значення відносного пріоритету класу трафіку, в полі IP Precedence не потрібно додаткових перетворень коду, отриманого в результаті розрахунку. Однак для встановлення значень біт D, T, R, C необхідне введення в алгоритм роботи методики додаткових операнд, які будуть формувати код типу трафіку, спираючись на максимальну чутливість конкретного класу трафіку до того чи іншого показника якості обслуговування. В даний час полі ToS не використовується.

У рекомендаціях RFC-2474 поле TOS замінено на поле DSCP (Differentiated Services Code Point), де молодші 6 біт визначають код DS (Differentiated Services), а старші два біти поки що не визначені і підлягають обнуленню.

Після початку інтенсивних розробок з забезпечення показників QoS зросла увага до можливості використання поля ToS, яке в більшості реалізацій до цього ігнорувалося. У 1998 році в RFC-2474 з'явилася пропозиція щодо заміни поля ToS на поле DSCP, яке також має довжину 8 біт, але, на відміну від поля ToS, тільки 6 біт задіяні під визначення коду послуги. 2 біти , що залишилися, в даний час не визначені. Іноді поле DSCP називають байтом DS (Differenttiated Services).

Рисунок 4.Формат поля DSCP.

Біти DS0-DS5 визначають селектор класу. Значення цього коду представлені в таблиці нижче. Стандартним значенням DSCP за замовчуванням є 000000.

Таблиця 2. Селектор класу DSCP

Крім того, на базі DSCP заснована технологія покрокової поведінки PHB (Per Hop Behavior). У рамках цієї політики визначаються коди DSCP всередині класів, що істотно розширює можливості з керування ресурсами мережі та забезпечення необхідного рівня QoS.

Для адаптації методики до використання з полем DSCP потрібно додатково ввести в алгоритм операнди, які будуть додавати в кодову комбінацію,  що визначає пріоритет класу трафіку, комбінацію з трьох біт, щоб перетворити отримані результати у формат поля DSCP. Ці біти можуть бути сформовані з урахуванням політик PHB, шляхом введення в методику відповідних операнд, або ж взяті рівними 0 для отримання шестибітної комбінації селектора класів.

Рисунок 5. Додавання до коду пріоритету класу трафіку додаткових біт для поміщення його в полі DSCP

Згідно з документом RFC-1883 в протоколі IPv6 полі пріоритету мало 4 біта. Для цього поля значення пріоритетів діляться на два піддіапазону. Коди від 0 до 7 використовуються для завдання пріоритету трафіку, для якого здійснюється контроль перевантаження, з 8 до 15 застосовуються для визначення пріоритету трафіку, для якого спостереження і обробка перевантаження не проводиться, наприклад, у випадку пакетів «Реального часу».

В даний час, відповідно до документа RFC-2460, полі «Пріоритет» замінено полем «Клас трафіку», довжиною 8 біт. За рахунок цього розмір поля «Мітка потоку» скорочений до 20 біт. Таким чином формат заголовка пакету IPv6 був приведений до вимог документа RFC-2474 "Definition of the Differentiated Services Field (DS Field) in the IPv4 and IPv6 Headers", орієнтованого на вирішення завдань керування QoS.

Моделювання процесу функціонування мультисервісних телекомунікаційних мереж із застосуванням розробленої методики пріоритезації. Аналіз ефективності прийнятих рішень.

Моделювання процесу функціонування мультисервісних телекомунікаційних мереж із застосуванням розробленої методики пріоритезації планується виконувати в пакеті Opnet. Даний програмний продукт дозволяє сформувати різнорідний потік даних, що дозволить змоделювати ділянку мультисервісної мережі, що потребує керування розподілом ресурсів між різними класами послуг. Моделювання буде складатися з декількох дослідів:
- Моделювання процесу функціонування ділянки мультисервісної мережі без застосування пріоритезації
- Моделювання процесу функціонування ділянки мультисервісної мережі із застосуванням пріоритезації, заснованої на одному з умов (смуга пропускання, затримка та ін)
- Моделювання процесу функціонування ділянки мультисервісної мережі із застосуванням розробленої методики приоритезації

На основі отриманих результатів буде зроблено висновок про ефективність прийнятих рішень.

Напрямки та об'єкти подальших досліджень

Надалі планується провести дослідження можливості адаптації методики розрахунку відносного значення пріоритету для застосування в пристроях ущільнення трафіку, визначення особливостей реалізації методики в складі систем керування трафіком мереж, побудованих за різним мережних технологій.

Також одним з напрямків дослідження може бути обрано дослідження можливості внесення до методику більш явного визначення пакетів, чутливих до певного вимогу QoS. У рамках цього напрямку дослідження планується розглянути можливість формування кодів DSCP з урахуванням політик per Hop Behavior для більш тонкого керування розподілом ресурсів мережі.

Висновки

При виконанні роботи були розглянуті принципи пріоритезації трафіку мультисервісних телекомунікаційних мереж, проведено огляд основних принципів організації пріоритетного трафіку в сучасних телекомунікаційних мережах. Зроблено обґрунтування мети роботи як створення формалізованої методики пріоритезації послуг мультисервісних телекомунікаційних мереж на основі критерію визначення відносного пріоритету класів трафіку, що базується на вимогах, що висуваються класами трафіку та операторами до якості обслуговування.

Запропоновано формалізований критерій визначення відносного пріоритету класів трафіку мультисервісних мереж, заснований на вимогах QoS, що висуваються класами трафіку та операторами зв'язку. Розроблено базовий алгоритм функціонування методики, заснований на запропонованому критерії.

Розглянуто особливості організації пріоритетного трафіку, описувані різними стандартами і рекомендаціями. Визначено напрямки подальших досліджень, спрямованих на адаптацію розробляємої методики до практичного застосування в умовах реально існуючих мультисервісних телекомунікаційних мереж.

Список використаної літератури

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.
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.[Електронний ресурс] – 2006./ - Режим доступу до статті: 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
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) [Електронний ресурс]/Ю.А.  Семенов./ - Режим доступу до статті: http://book.itep.ru
9. Type of Service in the Internet Protocol Suite; RFC-1349,  July 1992 [Електронний ресурс]/P. Almquist./ - Режим доступу к статті: 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 доступу до статті: http://www.ietf.org/rfc/rfc2474.txt
11. Internet Protocol, Version 6 (IPv6); RFC-1883, December 1995 [Електронний ресурс]/S. Deering, R. Hinden./ - Режим доступу до статті: http://www.ietf.org/rfc/rfc1883.txt
12. Internet Protocol, Version 6 (IPv6); RFC-2460, December 1998 [Електронний ресурс]/S. Deering, R. Hinden./ - Режим доступу до статті: http://www.ietf.org/rfc/rfc2460.txt

Під час написання даного автореферату кваліфікаційна робота магістра ще не завершена. Дата остаточного завершення роботи: 1 грудня 2010 року. Повний текст роботи та матеріали по темі роботи можуть бути отримані у автора або його наукового керівника після зазначеної дати.