Інфокомунікаційні технології та системи зв'язку
Сучасні темпи зростання обсягу трафіку телекомунікаційних мультисервісних мереж пред'являють до них жорсткі вимоги. Цей факт зачіпає як невеликі мережі, так і мережі регіонального масштабу. В першу чергу конвергенція послуг в рамках однієї мережі вимагає від каналів зв'язку забезпечення параметрів якості обслуговування (Quality of Service).
Поява технології багатопротокольної комутації по мітках (MPLS) дозволило реалізувати ряд механізмів і методів по керуванню трафіком, серед яких Traffic Engineering (TE), Traffic Engineering DiffServ та ін. Незважаючи на численні функціональні можливості, спочатку закладені в цих механізмах, вони не реалізовані повністю.
Малюнок 1 – Принцип роботи Bypass-тунелю на основi Autobandwidth.(анiмацiя: 5 кадрiв, 6 циклiв повторення, 76 кiлобайт)
Математичні моделі і методи, на яких засновані механізми забезпечення параметрів якості обслуговування при формуванні ТЕ-тунелів, недосконалі. З урахуванням вимог до параметрів існуючих каналів зв'язку, виникає необхідність в пошуку балансу між необхідними параметрами якості обслуговування і фактичними параметрами каналів зв'язку.
Тема магістерської роботи - дослідження і розробка методу підвищення якості обслуговування в телекомунікаційних мережах - є актуальною, тому що вимоги до пропускних здібностей і якості обслуговування зростає щодня.
Метою роботи є підвищення ефективності використання мережевих ресурсів із забезпеченням заданих параметрів якості обслуговування за допомогою розробки методу підвищення якості обслуговування в телекомунікаційних мережах.
Основні задачі дослідження:
Об'єкт дослідження: процес забезпечення якості обслуговування в телекомунікаційних мережах.
Предмет дослідження: моделі та методи забезпечення параметрів якості обслуговування в телекомунікаційних мережах.
Методи дослідження: математичне моделювання, теорія телетрафіка, математичне програмування, імітаційне моделювання, методи оптимізації мурашиними колоніями.
В рамках магістерської роботи планується отримання актуальних наукових результатів по наступним напрямкам:
Сучасні ІКС - складні апаратно-програмні комплекси, які повинні забезпечити задану якість обслуговування. Для цих цілей використовується управління ІКС, що представляє собою досить складну системну комплексну задачу, яка складається з ряду підзадач, що вирішуються на різних рівнях взаємодії відкритих систем.
Технологія MPLS [1] розроблена, як комбінація двох моделей щодо забезпечення якості обслуговування. У даній технології реалізована базова платформа комплексу коштів по управлінню і перерозподілу потоків трафіку (ТІ) [2-4]. Особливістю архітектури MPLS є наявність короткого заголовка фіксованої довжини, мітки, який поміщається між байтами стека протоколів другого і третього рівнів моделі взаємодії відкритих систем. Потім передача пакета по домену MPLS здійснюється відповідно до цієї міткою. Прив'язка до мітках здійснюється у відповідність з класом передачі (FEC), який по суті відображає вимоги по якості обслуговування (SLA). FEC може складатися з пакетів із загальними внутрішніми і зовнішніми вузлами або комбінаціями однакового класу обслуговування і одними і тими ж внутрішніми або зовнішніми вузлами і т.д., реалізуючи модель диференціального обслуговування.
Пакети, що належать до одного і того ж FEC, зв'язуються однієї і тієї ж міткою і передаються по одному і тому ж шляху в MPLS мережі. Шлях, по якому проходять пакети одного класу називається шляхом комутованих міток (LSP) або ТЕ-шляхом комутованих міток (TE-LSP). Для встановлення, підтримки (поновлення) і розриву шляхів LSP використовуються протокол розповсюдження влучний (LDP) [5-7] і розширення RSVP.
Технологія MPLS може надати допомогу провайдерам у вирішенні завдань пересилання пакетів з урахуванням класу обслуговування (Class of Services, CoS).
При цьому в мережі MPLS можливі два підходи. Перший підхід передбачає обробку пакетів в вихідних чергах LSR-маршрутизаторів з урахуванням значень пріоритету, зазначених в заголовку MPLS. У другому підході для кожної пари, що складається з вхідного і вихідного LSR-маршрутизаторів, визначаються кілька LSP-маршрутів з різними характеристиками продуктивності, смуги пропускання, часу затримки та інших параметрів. Після цього вхідний маршрутизатор направляє один тип трафіку по одному LSР-шляху, інший - по іншому, третій - по третьому і т. д.
Функції фільтрації трафіку згідно з класами передачі, встановлення і підтримання ТЕ-LSP, а також управління трафіком, надходять в мережу MPLS здійснюються прикордонними (LER) маршрутизаторами MPLS домену. Функції комутації по мітках, вставки і вилучення міток здійснюються маршрутизаторами по мітках (LSR). Зазначені вище дає всі підстави для формалізації механізмів щодо забезпечення параметрів QoS в технології MPLS:
- забезпечення заданої якості обслуговування для поступаючого трафіку відбувається за рахунок підтримки наскрізних параметрів «Через кінця-в-кінець» QoS поза MPLS-домену;
- забезпечення необхідних параметрів QoS в MPLS-домені реалізується за рахунок формування вимог до параметрів що встановлюються ТЕ-тунелів і резервування канальних ресурсів відповідно до поставлених до них вимог на межі MPLS-домену;
- підвищення ефективності використання мережевих ресурсів реалізується за допомогою методів управління трафіком як в межах, так і поза MPLS-домену.
Вищенаведені механізми по забезпеченню і підтримці QoS на всіх ділянках MPLS мережі дозволяють:
- поліпшити продуктивність мережі через комутації по мітці всередині MPLS-домену;
- поліпшити масштабованості мережі;
- використовувати різні засоби інжинірингу трафіку як для поліпшення параметрів QoS так і для збільшення ефективності використання мережевих ресурсів.
Виходячи з вищесказаного дана технологія набула широкого поширення при побудові транспортного рівня мереж нового покоління. Незважаючи на перераховані вище переваги, реалізація відомих засобів з управління трафіком, при побудові мережевої структури на основі MPLS, призводить до виявлення недоліків останніх. Проаналізуємо причини появи недоліків в засобах по управлінню трафіком для MPLS і висловимо припущення про можливість їх усунення.
Функції формування трафіку в прикордонному пристрої є основними при формуванні потоків трафіку одного класу. До них відносяться функції: класифікації трафіку, маркування пакетів і управління інтенсивністю трафіку.
Серед алгоритмів вимірювання і контролю навантаження відомі такі: Leaky Bucket, Tocken Bucket, trTCM [8-10]. Основним недоліком даного типу алгоритмів є великі втрати для неоднорідного трафіку. Наступний тип алгоритмів управління відносять до «внутрішніх» функцій маршрутизатора. В цьому випадку можлива підтримка необхідної якості обслуговування за деякими параметрами. Це можна реалізувати за рахунок того, що ресурси маршрутизатора, так само, як і інші ресурси мережі в цілому, поділювані.
Даний клас алгоритмів заснований на управлінні (плануванні) використання буферних ресурсів маршрутизатора і поділі процесорного часу. За рахунок основної функції планувальника, згладжування профілю (кондиціювання) трафіку, можна досягти таких цілей як: зменшення пачковим трафіку, підвищення ефективності використання канальних ресурсів, здійснення захисту від перевантаження, при забезпеченні заданих параметрів QoS.
Найбільшого поширення в телекомунікаційних мережах отримали такі алгоритми планування обслуговування черг, як DRR, PQ, CQ, LLQ, WFQ, CWFQ і ін. Всі ці алгоритми можна розділити на кілька класів:
- без пріоритетного обслуговування (RR, DRR) [11];
- пріоритетного обслуговування (CQ, PQ) [12];
- зваженого обслуговування (WFQ, PGPS, W2FQ) [13-14];
- гібридні (LLQ, CWFQ) [15-16].
На даний момент планувальники без пріоритетного обслуговування «трансформувалися» в засоби циклічного обслуговування черг в мережевому пристрої. Саме тому даний клас не представляє наукового інтересу.
В алгоритмах пріоритетного обслуговування дисципліна обслуговування черги відбувається згідно пріоритетам. Класифікація може проводитися на підставі значень поля ToS Ethernet-пакетів, поля QoS IP-пакетів, номера порту і IP-адреси відправника / одержувача та ін. Логіка роботи такого класу планувальників в наступному: якщо активна більш пріоритетна черга, то з неї обслуговуються всі пакети, потім обслуговування отримує черга, пріоритет у якої нижче і т.д.
З логіки роботи даного алгоритму, очевидно, що постійна наявність високопріоритетного трафіку в черзі призведе до значних втрат низькопріоритетного трафіку. Ослаблення даного недоліку можливо шляхом застосування алгоритмів зваженого обслуговування черг.
Алгоритми зваженого обслуговування черг на даний момент є найпоширенішим класом планувальників, реалізованих в мережевих пристроях. Логіка роботи даних планувальників зводиться до визначення так званих ваг для обслуговування пакетів. Фактично вага визначає частку пропускної здатності вихідного інтерфейсу, яку необхідно надати для обслуговування кожної з черг, які формуються згідно з відповідним SLA. У підсумку, кожен з пакетів, які перебувають в будь-який з черг, отримує обслуговування. До недоліків даного класу планувальника можна віднести низьку швидкість обробки, що є досить критичним для додатків, чутливих до тимчасових затримок. Для усунення цього недоліку розробники запропонували ряд гібридних алгоритмів.
Найбільш відомим гібридним алгоритмом, реалізованому в мережевому обладнанні більшості виробників, залишається алгоритм черг з малими затримками (LLQ). В даному алгоритмі для трафіку, чутливого до затримок, виділяється одна чергу, для обслуговування якої резервується певна пропускна здатність вихідного інтерфейсу, а всі інші черги обслуговуються відповідно до алгоритму зваженого обслуговування. У цьому випадку також налаштовуються частки пропускних спроможностей вихідного інтерфейсу для кожної черги.
Завдання підвищення показників якості обслуговування або ефективності використання канальних ресурсів, в нашому випадку каналу вихідного інтерфейсу, може бути зведена до зменшення рівня втрат або збільшення утилізації відповідно, при виконанні умов SLA по кожному з видів трафіку. Рішення даного завдання обмежено наступними факторами: параметрами якості обслуговування, зокрема затримка і джиттер, стандартизовані для умов проходження пакета «з кінця-в-кінець»; наявністю в мережевих пристроях буферів кінцевої ємності; обмеженістю знань про параметри що надходить трафіку і, отже, обмеженістю у визначенні необхідної частки пропускної спроможності; обчислювальної обмеженістю алгоритмів планувальників і складністю в технічній реалізації.
Одним з найбільших класів засобів управління трафіком є алгоритми управління чергами. У загальному випадку розмір буфера повинен бути досить великим для прийому пачки пакетів, проте його розмір не повинен бути настільки великим, щоб час обробки пакета в черзі можна було порівняти з параметром QoS [17-18]. Даний клас засобів управління трафіком підрозділяється на два типи управління: пасивне і активне. До пасивного управління відноситься група алгоритмів Drop Tail [19]. Загальний принцип даних алгоритмів полягає в примусовому обмеження довжини черги. Отже, до недоліків цієї групи алгоритмів відноситься високий рівень втрат трафіку з великою пачечністю.
Алгоритми активного управління чергами володіють рядом можливостей, в порівнянні з алгоритмами пасивного управління. До таких можливостей відносяться: обмеження ймовірності захоплення черги пакетами одного потоку; завчасне виявлення перевантаження; зменшення величини затримки пакету в буфері маршрутизатора.
Такі можливості дозволяють використовувати мережеві ресурси ефективніше. До алгоритмів активного управління чергами відносяться RED, ARED, MRED, RIO, FRED [20-22] та ін.
До недоліків даної групи алгоритмів можна віднести відсутність універсальності для різнотипного трафіку, тобто під кожен з типів трафіку існує свій «ідеальний» алгоритм, а також ускладнення технічної реалізації разом з посилюванням вимог щодо забезпечення параметрів якості обслуговування.
В технології MPLS запропонована така процедура формування вимог до атрибутів ТЕ-тунелів, які встановлюються, як Autobandwidth. Фізичний сенс цієї процедури полягає в наступному: оцінка пропускної здатності для ТЕ-тунелю на час наступного інтервалу регулювання функціонально залежить від параметрів трафіку на попередньому інтервалі регулювання, причому залежить від його пікового значення. Наочно приклад виконання такої процедури представлений на малюнку 2. З представленого графіка очевидно, що отримані, за допомогою даної процедури оцінки вимог до атрибутів ТЕ-тунелів, що не задовольняють вимогам по якості обслуговування. Ті оцінки, які задовольняють цим вимогам, показують низьку ефективність використання мережевих ресурсів.
Малюнок 2 – Робота процедури Autobandwidth
Такий вид проблеми є основоположним для телекомунікацій: величина ефективності використання канальних ресурсів, або утилізація каналу зв'язку, зворотньо пропорційна якості обслуговування, в нашому випадку, величиною втрат в каналі зв'язку. Отже, одна з основних задач даного дослідження полягає в модифікуванні процедури Autobandwidth до отримання прийнятних результатів.
При переході до концепції мереж нового покоління особливу увагу дослідники приділяють проблемам управління трафіком. Це викликано необхідністю посилення забезпечення параметрів якості обслуговування. Основним сучасним комплексом по забезпеченню якості обслуговування залишається Traffic Engeneering. Даний комплекс впроваджений в технологію многопротокольной комутації по мітках (MPLS). Аналіз складових комплексу по забезпеченню заданої якості обслуговування показав, що основними механізмами є: підтримка наскрізних параметрів QoS «Через кінця-в-кінець» при формування вимог до параметрів встановлюються ТЕ-тунелів.
До засобів, що забезпечують підтримку наскрізних параметрів QoS можна віднести кошти по управління трафіком на кордонах MPLS-доменів. Так, аналіз засобів з управління чергами та планувальників обслуговування черг виявив, що найбільш ефективними є останні в Загалом і планувальники з гібридним обслуговуванням черг, зокрема.
На даний момент основною процедурою, яка формує оцінку пропускної здатності встановлюваного ТЕ-тунелю, залишається процедура Autobandwidth. Робота даної процедури грунтується на прогнозуванні трафіку.
Згідно з вищепереліченого, тема магістерської дисертації, присвячена вирішенню завдання дослідження і розробки методу підвищення якості обслуговування в телекомунікаційних мережах є актуальною.
Метою роботи є підвищення ефективності використання мережевих ресурсів із забезпеченням заданих параметрів якості обслуговування за рахунок розробки методу підвищення якості обслуговування в телекомунікаційних мережах.
При написанні даного реферату магістерська робота ще не завершена. Повний текст роботи і матеріали по темі можуть бути отримані у автора або його керівника після зазначеної дати.