Инфокоммуникационные технологии и системы связи
Современные темпы роста объема трафика телекоммуникационных мультисервисных сетей предъявляют к ним жесткие требования. Этот факт затрагивает как небольшие сети, так и сети регионального масштаба. В первую очередь конвергенция услуг в рамках одной сети требует от каналов связи обеспечения параметров качества обслуживания (Quality of Service).
Появление технологии многопротокольной коммутации по меткам (MPLS) позволило реализовать ряд механизмов и методов по управлению трафиком, среди которых Traffic Engineering (TE), Traffic Engineering DiffServ и др. Несмотря на многочисленные функциональные возможности, изначально заложенные в этих механизмах, они не реализованы в полной мере. Ниже приведен принцип работы Bypass-туннелей.
Рисунок 1 – Принцип работы Bypass-тунелей на основе Autobandwidth.(анимация: 5 кадров, 6 циклов повторения, 76 килобайт)
Математические модели и методы, на которых основаны механизмы обеспечения параметров качества обслуживания при формировании ТЕ-туннелей, несовершенны. С учетом требований к параметрам существующих каналов связи, возникает необходимость в нахождении баланса между требуемыми параметрами качества обслуживания и фактическими параметрами каналов связи.
Тема магистерской работы — исследование и разработка метода повышения качества обслуживания в телекоммуникационных сетях — является актуальной, так как требования к пропускным способностям и качеству обслуживания растет ежедневно.
Целью работы является повышение эффективности использования сетевых ресурсов с обеспечением заданных параметров качества обслуживания за счет разработки метода повышения качества обслуживания в телекоммуникационных сетях.
Основные задачи исследования:
Объект исследования: процесс обеспечения качества обслуживания в телекоммуникационных сетях.
Предмет исследования: модели и методы обеспечения параметров качества обслуживания в телекоммуникационных сетях.
Методы исследовани: математическое моделирование, теория телетрафика, математическое программирование, имитационное моделирование, методы оптимизации муравьиными колониями.
В рамках магистерской работы планируется получение актуальных научных результатов по следующим направлениям:
Современные ИКС – сложные аппаратно-программные комплексы, которые должны обеспечить заданное качество обслуживания. Для этих целей используется управление ИКС, представляющее собой достаточно сложную системную комплексную задачу, которая состоит из ряда подзадач, решаемых на различных уровнях взаимодействия открытых систем.
Технология MPLS [1] разработана, как комбинация двух моделей по обеспечению качества обслуживания. В данной технологии реализована базовая платформа комплекса средств по управлению и перераспределению потоков трафика (ТЕ) [2-4]. Особенностью архитектуры MPLS является наличие короткого заголовка фиксированной длины, метки, который помещается между байтами стека протоколов второго и третьего уровней модели взаимодействия открытых систем. Затем передача пакета по домену MPLS осуществляется в соответствии с этой меткой. Привязка к меткам осуществляется в соответствие с классом передачи (FEC), который по сути отображает требования по качеству обслуживания (SLA). FEC может состоять из пакетов с общими внутренними и внешними узлами или комбинациями одинакового класса обслуживания и одними и теми же внутренними или внешними узлами и т.д., реализуя модель дифференциального обслуживания.
Пакеты, принадлежащие к одному и тому же FEC, связываются одной и той же меткой и передаются по одному и тому же пути в MPLS сети. Путь, по которому проходят пакеты одного класса называется путем коммутированных меток (LSP) или ТЕ-путем коммутированных меток (TE-LSP). Для установления, поддержки (обновления) и разрыва путей LSP используются протокол распространения меток (LDP) [5-7] и расширения RSVP.
Технология MPLS может оказать помощь провайдерам в решении задач пересылки пакетов с учетом класса обслуживания (Class of Services, CoS).
При этом в сети MPLS возможны два подхода. Первый подход предусматривает обработку пакетов в выходных очередях LSR-маршрутизаторов с учетом значений приоритета, указанных в заголовке MPLS. Во втором подходе для каждой пары, состоящей из входного и выходного LSR-маршрутизаторов, определяются несколько LSP-маршрутов с различными характеристиками производительности, полосы пропускания, времени задержки и других параметров. После этого входной маршрутизатор направляет один тип трафика по одному LSР-пути, другой – по другому, третий – по третьему и т. д.
Функции фильтрации трафика согласно классам передачи, установление и поддержание ТЕ-LSP, а также управление трафиком, поступающим в сеть MPLS осуществляются пограничными (LER) маршрутизаторами MPLS домена. Функции коммутации по меткам, вставки и изъятия меток осуществляются маршрутизаторами по меткам (LSR). Вышеперечисленное дает все основания для формализации механизмов по обеспечения параметров QoS в технологии MPLS:
Исходя из вышесказанного данная технология получила широкое распространение при построении транспортного уровня сетей нового поколения. Несмотря на вышеперечисленные достоинства, реализация известных средств по управлению трафиком, при построении сетевой структуры на основе MPLS, приводит к выявлению недостатков последних. Проанализируем причины появления недостатков в средствах по управлению трафиком для MPLS и выскажем предположение о возможности их устранения.
Функции формирования трафика в пограничном устройстве являются основными при формировании потоков трафика одного класса. К ним относятся функции: классификации трафика, маркировки пакетов и управления интенсивностью трафика.
Среди алгоритмов измерения и контроля нагрузки известны следующие: Leaky Bucket, Tocken Bucket, trTCM [8-10]. Основным недостатком данного типа алгоритмов являются большие потери для неоднородного трафика. Следующий тип алгоритмов управления относят к «внутренним» функциям маршрутизатора. В этом случае возможна поддержка требуемого качества обслуживания по некоторым параметрам. Это реализуемо за счет того, что ресурсы маршрутизатора, так же, как и остальные ресурсы сети в целом, разделяемые.
Данный класс алгоритмов основан на управлении (планировании) использования буферных ресурсов маршрутизатора и разделении процессорного времени. За счет основной функции планировщика, сглаживания профиля (кондиционирования) трафика, можно достичь таких целей как: уменьшение пачечности трафика, повышение эффективности использования канальных ресурсов, осуществление защиты от перегрузки, при обеспечении заданных параметров QoS.
Наибольшее распространение в телекоммуникационных сетях получили следующие алгоритмы планирования обслуживания очередей, как DRR, PQ, CQ, LLQ, WFQ, CWFQ и др. Все эти алгоритмы можно разделить на несколько классов:
На данный момент планировщики без приоритетного обслуживания «трансформировались» в средства циклического обслуживания очередей в сетевом устройстве. Именно поэтому данный класс не представляет научного интереса.
В алгоритмах приоритетного обслуживания дисциплина обслуживания очереди происходит согласно приоритетам. Классификация может проводиться на основании значений поля ToS Ethernet-пакетов, поля QoS IP-пакетов, номера порта и IP-адреса отправителя/получателя и пр. Логика работы такого класса планировщиков в следующем: если активна более приоритетная очередь, то из нее обслуживаются все пакеты, затем обслуживание получает очередь, приоритет у которой ниже и т.д.
Из логики работы данного алгоритма, очевидно, что постоянное наличие высокоприоритетного трафика в очереди приведет к значительным потерям низкоприоритетного трафика. Ослабление данного недостатка возможно путем применения алгоритмов взвешенного обслуживания очередей.
Алгоритмы взвешенного обслуживания очередей на данный момент является самым распространенным классом планировщиков, реализованных в сетевых устройствах. Логика работы данных планировщиков сводится к определению так называемых весов для обслуживания пакетов. Фактически вес определяет долю пропускной способности выходного интерфейса, которую необходимо предоставить для обслуживания каждой из очередей, формируемых согласно соответствующему SLA. В итоге, каждый из пакетов, находящихся в любой из очередей, получает обслуживание. К недостаткам данного класса планировщика можно отнести низкую скорость обработки, что является достаточно критичным для приложений, чувствительных к временным задержкам. Для устранения этого недостатка разработчики предложили ряд гибридных алгоритмов.
Наиболее известным гибридным алгоритмом, реализованном в сетевом оборудовании большинства производителей, остается алгоритм очередей с малыми задержками (LLQ). В данном алгоритме для трафика, чувствительного к задержкам, выделяется одна очередь, для обслуживания которой резервируется определенная пропускная способность исходящего интерфейса, а все остальные очереди обслуживаются в соответствии с алгоритмом взвешенного обслуживания. В этом случае также настраиваются доли пропускных способностей исходящего интерфейса для каждой очереди.
Задача повышения показателей качества обслуживания или эффективности использования канальных ресурсов, в нашем случае канала исходящего интерфейса, может быть сведена к уменьшению уровня потерь или увеличению утилизации соответственно, при выполнении условий SLA по каждому из видов трафика. Решения данной задачи ограниченно следующими факторами: параметрами качества обслуживания, в частности задержка и джиттер, стандартизированы для условий прохождения пакета «из конца-в-конец»; наличием в сетевых устройствах буферов конечной емкости; ограниченностью знаний о параметрах поступающего трафика и, следовательно, ограниченностью в определении необходимой доли пропускной способности; вычислительной ограниченностью алгоритмов планировщиков и сложностью в технической реализации.
Одним из самых больших классов средств управления трафиком являются алгоритмы управления очередями. В общем случае размер буфера должен быть достаточно большим для приема пачки пакетов, однако его размер не должен быть настолько большим, чтобы время обработки пакета в очереди было сопоставимо с параметром QoS [17-18]. Данный класс средств управления трафиком подразделяется на два типа управления: пассивное и активное. К пассивному управлению относится группа алгоритмов Drop Tail [19]. Общий принцип данных алгоритмов заключается в принудительном ограничении длины очереди. Следовательно, к недостаткам этой группы алгоритмов относится высокий уровень потерь трафика с большой пачечностью.
Алгоритмы активного управления очередями обладают рядом возможностей, по сравнению с алгоритмами пассивного управления. К таким возможностям относятся: ограничение вероятности захвата очереди пакетами одного потока; заблаговременное обнаружение перегрузки; уменьшение величины задержки пакета в буфере маршрутизатора.
Такие возможности позволяют использовать сетевые ресурсы эффективнее. К алгоритмам активного управления очередями относятся RED, ARED, MRED, RIO, FRED [20-22] и пр.
К недостаткам данной группы алгоритмов можно отнести отсутствие универсальности для разнотипного трафика, т.е. под каждый из типов трафика существует свой «идеальный» алгоритм, а также усложнение технической реализации вместе с ужесточением требований по обеспечению параметров качества обслуживания.
В технологии MPLS предложена такая процедура формирования требований к атрибутам устанавливаемых ТЕ-туннелей как Autobandwidth. Физический смысл этой процедуры состоит в следующем: оценка пропускной способности для ТЕ-туннеля на время последующего интервала регулирования функционально зависит от параметров трафика на предыдущем интервале регулирования, причем зависит от его пикового значения. Наглядно пример выполнения такой процедуры представлен на рисунке 1. Из представленного графика очевидно, что полученные, с помощью данной процедуры оценки требований к атрибутам ТЕ-туннелей, не удовлетворяют требованиям по качеству обслуживания. Те оценки, которые удовлетворяют этим требованиям, показывают низкую эффективность использования сетевых ресурсов.
Рисунок 2 – Работа процедуры Autobandwidth
Такой вид проблемы является основополагающим для телекоммуникаций: величина эффективности использования канальных ресурсов, либо утилизация канала связи, обратно пропорциональна качеству обслуживания, в нашем случае, величине потерь в канале связи. Итак, одна из основных задач данного исследования заключается в модифицировании процедуры Autobandwidth до получения приемлемых результатов.
При переходе к концепции сетей нового поколения особое внимание исследователи уделяют проблемам управления трафиком. Это вызвано необходимостью ужесточения обеспечения параметров качества обслуживания. Основным современным комплексом по обеспечению качества обслуживания остается Traffic Engeneering. Данный комплекс внедрен в технологию многопротокольной коммутации по меткам (MPLS). Анализ составляющих комплекса по обеспечению заданного качества обслуживания показал, что основными механизмами являются: поддержка сквозных параметров QoS «из-конца-в-конец» при формирование требований к параметрам устанавливаемых ТЕ-туннелей.
К средствам, обеспечивающим поддержку сквозных параметров QoS можно отнести средства по управлению трафиком на границах MPLS-доменов. Так, анализ средств по управлению очередями и планировщиков обслуживания очередей выявил, что наиболее эффективными являются последние в общем и планировщики с гибридным обслуживанием очередей, в частности.
На данный момент основной процедурой, формирующей оценку пропускной способности устанавливаемого ТЕ-туннеля, остается процедура Autobandwidth. Работа данной процедуры основывается на прогнозировании трафика.
Согласно вышеперечисленному, тема магистерской диссертации, посвященная решению задачи исследования и разработки метода повышения качества обслуживания в телекоммуникационных сетях является актуальной.
Целью работы является повышение эффективности использования сетевых ресурсов с обеспечением заданных параметров качества обслуживания за счет разработки метода повышения качества обслуживания в телекоммуникационных сетях.
При написании данного реферата магистерская работа еще не завершена. Полный текст работы и материалы по теме могут быть получены у автора или его руководителя после указанной даты.