ДонНТУ   Портал магистров

Реферат по теме выпускной работы

Содержание

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 качества обслуживания – 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. Актуальность темы

В настоящее время для пользователей мультисервисных сетей все больший интерес представляют такие службы, как видеоконференц-связь, доступ к web-службам. Но методология обеспечения требований по качеству обслуживания разнородного трафика не является до конца разрешенной.

Для решения этой проблемы необходимо внедрение классов обслуживания для различных видов трафиков, а также систему управления трафиком, которая будет обеспечивать заданные классы обслуживания для различных видов трафика путем перераспределения сетевого ресурса. В настоящий момент тема управления трафиком является очень актуальной, т.к пока что нет единого подхода к решению этой проблемы.

Одним из вариантов обеспечения эффективной передачи трафика с поддержкой параметров QoS (Quality of Service) является использование технологии многопротокольной коммутации меток MPLS (MultiProtocol Label Switching). Это реализуется с помощью технологий трафика инжиниринга Traffic Engineering (TE) за счет использования механизмов сбалансированной загрузки ресурсов сети, выбора оптимального маршрута прохождения трафика, использования процедур резервирования и распределения загрузки сети, балансировки трафика и механизмов предотвращения перегрузок.

2. Цель и задачи исследования, планируемые результаты

Целью работы является повышение производительности IP-сети за счет более эффективного распределения ресурсов пропускной способности каналов связи.

Основные задачи исследования:

  1. Рассмотреть принцип работы технологии MPLS;
  2. Проанализировать системы управления MPLS сетью;
  3. Рассмотреть модель балансировки очередей с поддержкой Traffic Engineering Queues;
  4. Проанализировать работу модели балансировки очередей.

Объект исследования: IP-сеть

Предмет исследования: Метод управления трафиком в IP-сети

В рамках магистерского исследования запланировано разработать методику балансировки трафика в IP-сетях с использованием технологии MPLS-TE и моделей балансировки очередей. Такая методика позволит эффективно использовать ресурсы сети.

3. Обзор исследований и разработок

Вопросами управления трафиком и обеспечения качества обслуживания в мультисервисных сетях занимались магистры Донецкого национального технического университета разных годов выпуска, а именно:

  1. Гаськова Ирина Александровна. Исследование и разработка методики моделирования процессов в мультисервисных телекоммуникационных системах.
  2. Тищенко Александр Владимирович. Исследование процессов управления в мультисервисных телекоммуникационных сетях с использованием прогнозных моделей.
  3. Фазульянов Сергей Валерьевич. Разработка и исследование методики приоритезации услуг в мультисервисных телекоммуникационных сетях.
  4. Щитникова Анастасия Николаевна. Разработка методов оценки параметра трафика мультисервисной сети.
  5. Шахов Дмитрий Сергеевич.Исследование и разработка алгоритмов балансировки нагрузки в подвижных и стационарных системах связи.
  6. Шепеленко Сергей Геннадьевич. Разработка и исследование систем управления трафиком в сетях MPLS.

В настоящее время все больше внимания уделяется вопросам управления трафиком в сетях [1, 2, 3].

На тему управления трафиком в мультисервисных сетях хочется отметить публикации:

  1. Алиев Р.Т. Методы управления трафиком в мультисервисных сетях, в которой предлагается модель приоритетного управления в канале связи мультисервисной сети, которая позволяет определить пропускную способность канала и оценить эффект, достигаемый за счет использования приоритетного управления трафиком.
  2. Евсеева О.Ю. Методика экспериментального исследования методов управления трафиком в сети. Описаны основные проблемы и методика экспериментального исследования методов управления трафиком в телекоммуникационных сетях.
  3. Олифер Н. А., В. Г. Олифер. Использование моделирования для оптимизации производительности сети.
  4. Беркман Л. Н. Методы и способы повышения показателей качества системы управления телекоммуникационными системами: диссертация.
  5. Д.В. Бельков, Е.Н. Едемская, Т.А. Едемская Система управления трафиком информационной сети. Здесь представлен анализ структуры системы управления трафиком и методов контроля качества услуг современных компьютерных сетей. А также рассматриваются задачи управления трафиком.

Существует множество публикаций на тему оптимизации трафика с помощью технологий MPLS. Эта технология постоянно совершенствуется в направлении адаптации к условиям передачи трафика в сетях, обеспечивая поддержку QoS. В решении этих задач неоценимый вклад внесли такие исследователи как Вишневский В.М., Awduche D.О., Malcolm J.,Agogbua J., McManus J., M.S.Garey, D.S.Johnson, G.Cornuejols, M.L.Fisher, B.Fortz. R.Widyono,и др. В статье [4] рассмотрены проблемы управления трафиком в IP-сетях и средства технологии MPLS, их решают.

Существующие публикации, посвященные оптимизации сетей IP / MPLS [5, 6] имеют сложную практическую реализацию и обычно предназначены для сетей на этапе проектирования. В работе [7] представлен вариант оптимизации сети с применением имитационного моделирования.

Также хочется отметить публикацию Стрелковской И. В., Соловской И.Н., Смаглюка Г.Г. из Одесской национальной академии связи им. А.С. Попова на тему: Решение задач управления трафиком в сетях MPLS-TE с использованием тензорных моделей. В ней предложено решение задачи управления трафиком в сетях MPLS-TE с применением тензорных моделей. На конкретном примере показано решение задачи маршрутизации трафика в сети MPLS-ТЕ/FRR, получены результаты эффективного использования сетевых ресурсов с помощью организации TE-tunnel быстрой перемаршрутизации FRR при гарантированном минимальном времени доставки пакетов.

На более высоком уровне ведутся следующие исследования: Гольдштейн Александр Борисович, тема диссертации: Исследование механизма туннелирования мультимедийного трафика в сети MPLS. В своей работе автор разработал аналитическую модель последовательных очередей, описывающая механизм туннелирования в сети MPLS, а также исследовал эффекты сцепления пакетов в пачки, сцепления пачек между собой, а также фрагментации пачек пакетов в LSP-туннеле.

4.Принцип работы технологии MPLS

MPLS (MultiProtocol Label Switching) – это технология быстрой коммутации пакетов в многопротокольных сетях, основанная на использовании меток. MPLS разрабатывается и позиционируется как способ построения высокоскоростных IP-магистралей, однако область ее применения не ограничивается протоколом IP, а распространяется на трафик любого маршрутизируемого сетевого протокола.

В основе MPLS лежит принцип обмена меток [8]. Любой передаваемый пакет ассоциируется с тем или иным классом сетевого уровня (Forwarding Equivalence Class, FEC), каждый из которых идентифицируется определенной меткой. Значение метки уникально лишь для участка пути между соседними узлами сети MPLS, которые называются маршрутизаторами, коммутирующими по меткам (Label Switching Router, LSR). Метка передается в составе любого пакета, причем способ ее привязки к пакету зависит от используемой технологии канального уровня.

Маршрутизатор LSR получает топологическую информацию о сети, участвуя в работе алгоритма маршрутизации – OSPF, BGP, IS-IS. Затем он начинает взаимодействовать с соседними маршрутизаторами, распределяя метки, которые в дальнейшем будут применяться для коммутации.

Распределение меток между LSR приводит к установлению внутри домена MPLS путей с коммутацией по меткам (Label Switching Path, LSP). Каждый маршрутизатор LSR содержит таблицу, которая ставит в соответствие паре «входной интерфейс, входная метка» тройку «префикс адреса получателя, выходной интерфейс, выходная метка». Получая пакет, LSR по номеру интерфейса, на который пришел пакет, и по значению привязанной к пакету метки определяет для него выходной интерфейс. Старое значение метки заменяется новым, содержавшимся в поле «выходная метка» таблицы, и пакет отправляется к следующему устройству на пути LSP.

Вся операция требует лишь одноразовой идентификации значений полей в одной строке таблицы. Это занимает гораздо меньше времени, чем сравнение IP-адреса отправителя с наиболее длинным адресным префиксом в таблице маршрутизации, которое используется при традиционной маршрутизации.

Схема коммутации MPLS

Рисунок 1 – Схема коммутации MPLS

Сеть MPLS делится на две функционально различные области – ядро и граничную область (рис. 1). Ядро образуют устройства, минимальным требованием к которым является поддержка MPLS и участие в процессе маршрутизации трафика для того протокола, который коммутируется с помощью MPLS. Маршрутизаторы ядра занимаются только коммутацией.

Все функции классификации пакетов по различным FEC, а также реализацию таких дополнительных сервисов, как фильтрация, явная маршрутизация, выравнивание нагрузки и управление трафиком, берут на себя граничные LSR. В результате интенсивные вычисления приходятся на граничную область, а высокопроизводительная коммутация выполняется в ядре, что позволяет оптимизировать конфигурацию устройств MPLS в зависимости от их местоположения в сети.

Таким образом, главная особенность MPLS – отделение процесса коммутации пакета от анализа IP-адресов в его заголовке, что открывает ряд привлекательных возможностей. Очевидным следствием описанного подхода является тот факт, что очередной сегмент LSP может не совпадать с очередным сегментом маршрута, который был бы выбран при традиционной маршрутизации [9].

Поскольку на установление соответствия пакетов определенным классам FEC могут влиять не только IP-адреса, но и другие параметры, нетрудно реализовать, например, назначение различных LSP пакетам, относящимся к различным потокам RSVP или имеющим разные приоритеты обслуживания.

Каждый из классов FEC обрабатывается отдельно от остальных – не только потому, что для него строится свой путь LSP, но и в смысле доступа к общим ресурсам (полосе пропускания канала и буферному пространству). В результате технология MPLS позволяет очень эффективно поддерживать требуемое качество обслуживания, не нарушая предоставленных пользователю гарантий. Применение в LSR таких механизмов управления буферизацией и очередями, как WRED, WFQ или CBWFQ, дает возможность оператору сети MPLS контролировать распределение ресурсов и изолировать трафик отдельных пользователей. Т.к для разных классов строится свой путь в зависимости от полосы пропускания и загрузки канала, то пакеты приходящие на один маршрутизатор, но имеющие разный класс обслуживания пойдут по разному пути.

Использование явно задаваемого маршрута в сети MPLS свободно от недостатков стандартной IP-маршрутизации от источника, поскольку вся информация о маршруте содержится в метке и пакету не требуется нести адреса промежуточных узлов, что улучшает управление распределением нагрузки в сети. На граничном маршрутизаторе происходит определение класса обслуживания для пришедшего на него пакета. В соответствии с этим классом обслуживания, пакету назначается метка. И в соответствии с этой меткой определяется следующий маршрутизатор, на котороый пойдет этот пакет. Там метка переназначится и пойдет на следующий маршрутизатор. Так будет происходит до тех пор, пока пакет не придет на граничный маршрутизатор назначения. Там метка удалится и пойдет к пользователю (рис.2).

Построение пути для пакета в сети MPLS

Рисунок 2 – Путь прохождения пакета в сети MPLS
(анимация: 5 кадров, 5 циклов повторения, 151 килобайт)
(CE1,CE2 – маршрутизаторы источника и назначения, P1,P2,PE1,PE2 – транзитные маршрутизаторы)

5.Управление трафиком в MPLS-сети

При оптимизации управления трафиком в сетях MPLS (MultiProtocol Label Switching), важную роль играет технология инжиниринга трафика (Traffic Engineering, TE). В основу технологии инжиниринга трафика положены идеи балансировки использования разнородных сетевых ресурсов – информационных, буферных и канальных. Эффективность технологии Traffic Engineering подтверждается тем, что многие сетевые средства управления трафиком совершенствуются на ее принципах, подтверждением тому являются протоколы резервирования ресурсов RSVP-TE и LDP-TE, протоколы маршрутизации IS-IS-TE, OSPF-TE. Одним из самых эффективных является подход, основанный на балансировке очередей на принципах технологии инжиниринга трафика (Traffic Engineering Queues) [10, 11], предложенного для управления очередями в MPLS-сетях.

6.Модель балансировки очередей с поддержкой Traffic Engineering Queues

Считается, что число отдельных трафиков или агрегированных по классам или приоритетам потоков известно и равно M. Максимальное число очередей на сетевом узле также фиксировано и равно N [9, 12].

Кроме того, ai (i = 1, M) – интенсивность трафика i -го класса, поступающего на обслуживание сетевым узлом; bj (j = 1, N) – часть пропускной способности исходящего КС, которая выделена j -й очереди (j = 1, N).

В ходе управления очередями необходимо выполнить условие отсутствия перегрузки канала связи:

где b – пропускная способность исходящего КС.

Кроме того, с целью предотвращения перегрузки сетевого узла необходимо обеспечить выполнение следующего условия:

Выполнение условия (2) определяет необходимость превентивного ограничения интенсивности суммарного (агрегированного) потока пакетов, поступающих на сетевой узел, чтобы она не превышала пропускную способность исходящего канала связи. Придать динамический характер процессу обслуживания очередей в рамках предлагаемой модели можно путем введения управляющей переменной xij, под которой подразумевалась доля i-го трафика, поступающего для обслуживания в j-ю очередь. Согласно физическому смыслу xij имеют место следующие условия:

Выполнение условия (4) гарантирует отсутствие потерь пакетов на рассматриваемом сетевом узле.

Условие (5) вводится для предотвращения перегрузки пропускной способности КС, выделяемой для передачи пакетов той или иной очереди сетевого узла в процессе управления. По аналогии с моделью, рассмотренной в работах [13, 14], в качестве искомого вектора выберем вектор

в ходе расчета которого удается обеспечить согласованность в решении задач обслуживания очередей и динамического распределения за ними пропускной способности исходящего канала связи.

6.1 Условия предотвращения перегрузки очередей на узле MPLS-сети

В ходе выполнения условий (5) ввиду случайного и нестационарного характера сетевого трафика на узле возникают очереди и связанные с ними задержки пакетов. Для каждой очереди определяется ее текущая загруженность и максимальная емкость. Также условие (5) дополняется условиями предотвращения перегрузки очередей по их длине.

В общем виде искомые условия будут иметь вид:

и задача теперь сводится лишь к выбору (обоснованию) аналитического выражения для расчета средней длины очереди в процессе обслуживания.

6.2. Формулировка оптимизационной задачи по обслуживанию очередей на узле MPLS-сети с поддержкой Traffic Engineering Queues

В связи с тем, что, в общем случае, выбор управляющих переменных xij и bj в рамках ограничений (1), (3), (4) и (7) можно произвести множеством случаев, то целесообразно задачу, связанную с расчетом вектора (6), сформулировать в виде оптимизационной. Основным требованием к целевой функции является учет физики протекающих на узле процессов обслуживания пакетов (1) – (7), а также соответствие получаемых решений принципам концепции Traffic Engineering Queues, касающихся обеспечения сбалансированной загрузки буферных ресурсов. С этой целью выше изложенную модель важно дополнить следующими условиями:

где α – верхний динамически управляемый предел загруженности очередей на узле ТКС, f (pj) – некоторая функция от характеристик j-го потока.

Как правило, чем меньше длина пакета, тем «качественней» обслуживается поток, т.к. небольшими пакетами передается трафик реального времени, который очень чувствителен к задержкам. Поток с более высоким приоритетом должен традиционно [12] обслуживаться лучше, чем трафик с низким приоритетом. В качестве функции характеристик потока можно использовать следующее выражение:

где v – некоторый нормировочный коэффициент, который должен сглаживать различие в порядке значений приоритета и длины пакета в байтах [9].

Если в одной очереди обслуживаются потоки с различными значениями длины и (или) приоритета пакета, то в этом выражении целесообразно использовать их усредненные значения.

В случае, если количество формируемых очередей превосходит число потоков трафика, то задача распределения потоков по очередям становится тривиальной, ввиду отсутствия дефицита очередей. Поэтому размерность искомого вектора (6) можно значительно снизить, т.к. переменные xij (i = 1, M ; j = 1, N) рассчитывать нет необходимости, а требуемую балансировку очередей можно будет обеспечивать за счет вычисления лишь переменных bj (j = 1, N).

Выводы

Была предложена модель балансировки очередей на узлах MPLS-сети. Новизна модели состоит в том, что она в отличие от ранее известных моделей учитывает особенности технологии Traffic Engineering Queues, нацеленной на обеспечение сбалансированной загруженности буферного ресурса – очередей сетевого узла. Важной особенностью предлагаемого решения является то, что балансировку в рамках предлагаемой модели планируется осуществлять с учетом приоритета и длины образующих ту или иную очередь пакетов. Задача обслуживания очередей в общем случае была сведена к оптимизационной задаче смешанного математического программирования, связанной с минимизацией линейной функции при наличии в т.ч. нелинейных ограничений. Решение данной задачи предполагает использование хорошо апробированных методов решения – округления (Rounding-off), последовательной линеаризации (SLP), штрафных функций (Penalty function), множителей Лагранжа (Lagrangian relaxation), а также генетического алгоритма (Genetic algorithm) и различных смешанных методов. Если же недостатка в очередях нет, то размерность искомого вектора (6) существенно снижается, а сама задача может решаться классическими методами нелинейного программирования.

Дальнейшие исследования направлены на разработку методики балансировки трафика с учетом использования технологии MPLS и моделей оптимизации.

При написании данного реферата магистерская работа еще не завершена. Окончательное завершение: декабрь 2013 года. Полный текст работы и материалы по теме могут быть получены у автора или его руководителя после указанной даты.

Список источников

  1. Семенов Ю. А. Телекоммуникационные технологии. Интернет-университет информационных технологий [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://book.itep.ru/
  2. Бакланов И. Г. NGN: Принципы построения и реализации / И. Г. Бакланов // – М: Эко-Трендз, 2008.
  3. Олифер В. Г. Компьютерные сети. Принципы, технологии, протоколы: учебник для вузов: 3-е изд./ В. Г Олифер., Н. А. Олифер // – СПб.: Питер, 2006.
  4. Олифер В. Г. Искусство оптимизации трафика / В. Г. Олифер, Н. А Олифер // Журнал сетевых решений LAN. – № 12.– 2001.
  5. Зайченко Ю. П. Анализ и оптимизация характеристик сетей MPLS по заданным показателям качества / Ю. П. Зайченко, Ахмед А. М. Шарадка // Вісник національного технічного університету України КПІ сер. Інформатика управління та обчислювальна техніка. Вип. 43, с. 113–123
  6. Будылдина Н. В. Разработка программного обеспечения для оптимизации мультисервисных сетей / Н. В. Будылдина., П. А. Коновалов // Открытое образование, июнь 2006.
  7. Зайцев Д. А. Моделирование телекоммуникационных сетей в системе NS. / Д. А. Зайцев, Т. Н. Шинкарчук // Наукові праці ОНАЗ ім. О. С. Попова. – 2006.– № 2.
  8. Кучерявый Е.А. Управление трафиком и качество обслуживания в сети Интернет / Е.А. Кучерявый // – М.: Наука и Техника. – 2007. – 336 с.
  9. Вегешна Ш. Качество обслуживания в сетях IP / Пер.с англ./ Ш. Вегешна // – М.: Издательский дом «Вильямс». – 2006. – 386 с
  10. Li Y. Panwar S. Liu C.J. On the Performance of MPLS TE Queues for QoS Routing // Simulation series. – 2004. – Vol. 36; part 3. – P. 170–174.
  11. Huerta, M., Padilla, J. J., Hesselbach, X., Fabregat, Ramon, Ravelo O. Buffer Capacity Allocation: A method to QoS support on MPLS networks // Proc. EATIS2006 – Euro American Conference on Telematics and Information Systems, 2006. – P. 14–28.
  12. Справочник по телекоммуникационным технологиям: Пер. с англ. – М.: Издательский дом «Вильямс», 2004. – 640 с.
  13. Лемешко А.В. Потоковая модель управления очередями с динамическим распределением пропускной способности исходящего канала связи / А.В.Лемешко, А.В. Симоненко, Махмуд Ватти // Наукові записки УНДІЗ. – 2008. – №3(5). – С. 34–39.
  14. Симоненко А.В. Модель динамического управления очередями и пропускной способностью канала связи на маршрутизаторах мультисервисной сети / А.В. Симоненко, Хайлан Ахмад, Али Али // Радиотехника: Всеукр. межвед. науч.-техн. сб. – 2008. – Вып. 155. – С. 164–168.