Шепеленко Сергей Геннадьевич

Факультет: компьютерные информационные технологии и автоматика (КИТА)

Кафедра: автоматики и телекоммуникаций (АТ)

Специальность: телекоммуникационные системы и сети (ТКС)

Тема выпускной работы:

Разработка и исследование систем управления трафиком в сетях MPLS

Научный руководитель: доцент, к.т.н., завкафедры АТ Бессараб Владимир Иванович

Реферат по теме выпускной работы

Разработка и исследование систем управления трафиком в сетях MPLS

Актуальность

На сегодняшний день развитие отрасли телекоммуникаций является одной из самых стремительных в мире. На ряду со стремительным ростом телекоммуникационных сетей развивается новые IP – услуги, такие как IPTV, VoIP и другие. В связи с этим за последнее время значительно возрос IP - трафик . Поэтому внедрение классов обслуживания для различных видов трафиков является необходимой задачей. Также необходимо внедрять систему управления трафиком, которая будет обеспечивать заданные классы обслуживания для различных видов трафика путем перераспределения сетевого ресурса. Использование на транспортном уровне технологии многопротокольной коммутации меток MPLS (MultiProtocol Label Switching) позволяет обеспечить эффективную передачу трафика с поддержкой параметров QoS (Quality of Service). Возможности управления трафиком, направленные на обеспечение сбалансированного использования ресурсов сети MPLS с поддержкой QoS реализовываются с помощью технологий инжиниринга трафика 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.

Связь работы с научными программами, планами, темами

Квалификационная работа магистра выполняется на протяжении 2010-2011 г.г. согласно с научным направлением кафедры «Автоматики и телекоммуникаций» Донецкого национального технического университета.

Цель работы

Целью работы является повышение производительности MPLS сети за счет более эффективного распределения ресурсов пропускной способности магистральных каналов связи между набором заданных путей, перераспределения нагрузки между LSP в условиях изменения трафика в сети

Идея работы

Перераспределение ресурсов в магистральных каналах связи с помощью моделей прогнозирования.

Задачи

- проанализировать системы управления MPLS сетью

- Разработать систему управления трафиком в MPLS с использованием нейросетевых моделей

- Разработать систему предикативного управления

- исследовать требования QoS, которые предъявляются к MPLS туннелям.

Научная новизна

Новизна магистерской работы заключается в получении дальнейшего развития применения систем с использованием алгоритмов прогнозирования на основе нейросетевых моделей.

Предмет исследования

Предметом исследования является система управления трафиком в MPLS сетях.

Обзор разработок и исследований по теме

В Донецком национальном техническом университете вопросами управления трафиком и обеспечения качества обслуживания в мультисервисных сетях занимались магистры разных годов выпуска, а именно:

Гаськова Ирина Александровна: Исследование и разработка методики моделирования процессов в мультисервисных телекоммуникационных системах.

Тищенко Александр Владимирович: Исследование процессов управления в мультисервисных телекоммуникационных сетях с использованием прогнозных моделей

Лозинская Виктория Николаевна: Разработка системы управления телекоммуникационными сетями с использованием теории нейросетей.

Фазульянов Сергей Валерьевич: Разработка и исследование методики приоритезации услуг в мультисервисных телекоммуникационных сетях.

За пределами ДонНТУ можно 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.

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.

Основная часть

Архитектура сети MPLS, базирующаяся на LSR (Label Switching Router), обеспечивает быструю коммутацию пакетов за счет использования меток в заголовке пакета, хранящих адрес доставки и класс сетевого уровня (Forwarding Equivalence Class, FEC). Механизмом задания пути прохождения трафика в сети MPLS-TE является использование однонаправленных туннелей TE-tunnel, которые объединяют последовательность LSR, выбранную с учетом максимальной загрузки ресурсов сети и выполнения требований QoS. С целью обеспечения отказоустойчивой маршрутизации в сети MPLS-TE используется технология быстрой перемаршрутизации пакетов Fast ReRoute (FRR), которая позволяет временно направить трафик по запасному, предварительно сконфигурированному TE-тунелю. Запасной туннель конфигурируется для возможностей перемаршрутизации трафика в случае отказа маршрута. Выбор TE-тунеля определяется по заданным критериям, например, таким как минимальное значение задержки пакетов [1,2].

На входе в сеть MPLS IP-адресу ставится в соответствие короткий идентификатор определенного формата, которым и оперируют маршрутизаторы MPLS, так что им не нужно тратить время на разбор заголовков пакетов, благодаря чему существенно сокращается общее время передачи.

В обычных IP-сетях любой маршрутизатор, находящийся на пути следования пакетов, анализирует заголовок каждого пакета, чтобы определить, к какому потоку этот пакет относится, и выбрать направление для его пересылки к следующему маршрутизатору. При использовании технологии MPLS соответствие между пакетом и потоком устанавливается один раз на входе в сеть MPLS. Более точно соответствие устанавливается между пакетом и так называемым “классом эквивалентности пересылки” FEC (Forwarding Equivalence Class). К одному FEC относятся пакеты всех потоков, пути следования которых через сеть MPLS (или через часть этой сети) совпадают в том смысле, что с точки зрения выбора очередного маршрутизатора пакеты этих потоков неразличимы. Пакеты снабжаются метками – идентификаторами небольшой и фиксированной длины, которые определяют принадлежность каждого пакета тому или иному FEC. [3]

Входной LER анализирует заголовок пришедшего извне пакета, устанавливает, какому FEC он принадлежит, снабжает этот пакет меткой, которая присвоена данному FEC, и пересылает пакет к соответствующему LSR. Далее, пройдя в общем случае через несколько LSR, пакет попадает к выходному LER, который удаляет из пакета метку, анализирует заголовок пакета и направляет его к адресату, находящемуся вне MPLS-сети. Последовательность LER маршрутизаторов, через которые проходят пакеты, принадлежащие одному FEC, образует виртуальный коммутируемый по меткам тракт LSP (Label Switched Path). Так как один и тот же LER для одних потоков является входным, а для других — выходным, в сети, содержащей N LER, в простейшем случае может существовать N(N-1) FEC и, соответственно, N(N-1) LSP. [4]

Существует еще одно весьма важное достоинство MPLS, заслуживающее отдельного упоминания именно в контексте привлекательности этой технологии, уже упоминаемой в начале статьи. Это возможность в рамках архитектуры MPLS вместе с пакетом передавать не одну метку, а целый стек меток.

Операции добавления/изъятия метки определены как операции на стеке (push/pop).

Результат коммутации задает лишь верхняя метка стека, нижние же передаются прозрачно до операции изъятия верхней. Такой подход позволяет создавать иерархию потоков в сети MPLS и организовывать туннельные передачи.

Таким образом, главная особенность MPLS — отделение процесса коммутации пакета от анализа IP-адресов в его заголовке, что открывает ряд привлекательных возможностей.[5]

Управление трафиком

В настоящее время используется несколько методов управления трафиком:

1.Динамическая маршрутизация (RIP, OSPF, IGRP, BGP) и т.д.). Здесь нет средства резервирования полосы, но имеется механизм изменения маршрута при изменении значений метрики или из-за выхода из строя узла или обрыва канала. Некоторые из таких протоколов (OSPF, IGRP) могут строить отдельные таблицы маршрутизации для каждого уровня QoS , но метрики для каждого уровня задаются сетевым администратором.

2.Формирование виртуальных сетей на уровнях L2 и L3. Протоколы VLAN обеспечивают повышенный уровень безопасности, но не способны резервировать полосу. К этому типу относится и протокол MPLS.

3.Резервирование полосы в имеющемся виртуальном канале (протокол RSVP). RSVP может работать с протоколами IPv4 и IPv6. Протокол достаточно сложен для параметризации, по этой причине для решения этой задачи был разработан протокол COPS, который существенно облегчает параметризацию. Функция COPS сходна с задачей языка RPSL для маршрутизации.[6]

Traffic Engineering (TE)

Traffic Engineering (TE) – это возможность управления направлением прохождения трафика с целью выполнения определенных условий (резервирование каналов, распределение загрузки сети, балансировка и предотвращение перегрузок).

Обычные протоколы маршрутизации (IGP протоколы IS-IS, OSPF) предоставляют ограниченные возможности по управлению трафиком на основе метрик составляющих сеть линков.

Основной механизм TE в MPLS – использование однонаправленных туннелей (MPLS TE tunnel) для задания пути прохождения определенного трафика. Например, для одного вида трафика, например высокоприоритетного голосового можно проложить один путь через сеть, а для низкоприоритетного – другой. Так как туннели – однонаправленные, то обратный путь может быть совершенно другим.

Технологически MPLS TE основывается на формировании маршрутов прохождения пакетов (LSP) через сеть с помощью механизма создания туннелей (MPLS Tunnel), который в свою очередь базируется на стекировании меток (Labels Stack).

Примитивный MPLS TE можно обеспечить, вручную установив туннели, соответствующие требуемым направлениям прохождения трафика.

Однако полный комплекс мероприятий MPLS TE выглядит несколько сложнее и условно разбивается на следующие стадии (этапы).

1.Организация MPLS домена.

2.Наложение ограничений.

В MPLS домене включается механизм TE и описываются минимальные требования к сети: начальные и конечные точки прохождения трафика, графы путей между ними (не обязательно все) и методы вычисления маршрутов по ним (явный или динамический), требуемая полоса пропускания.

3.Изучение параметров сетевой среды.

Для распространения информации о каналах используется механизм расширения протоколов маршрутизации (Link State Protocols: IS-IS, OSPF).

4. Вычисление путей прохождения трафика в соответсвии с административными требованиями и возможностями сети.

Награничных входных (по отношению к потоку трафика) маршрутизаторах выполняется специальный алгоритм Constrained Base Algorithm, учитывающий политику выбора лучшего пути для LSP туннеля (то есть набор роутеров, через которые передавать трафик): как возможности каналов, так и административные требования (границы MPLS домена, полоса пропускания). Алгоритм перебирает линки (их свойства) и в итоге по мерикам вычисляет маршруты (пути) прохождения трафика с учетом накладываемых ограничений. То есть в итоге на входном маршрутизаторе (head-end) конструируются требуемые LSP до выходного маршрутизатора (head-tail) в соответствии с наложенными требованиями на прохождение трафика между ними.

5.Установление путей.

Просчитанные пути устанавливается в сети с помощью специального протокола сигнализации, который умеет распространять информацию о явном (explicit) маршруте.

Сегодня известно два таких протокола: RSVP-ext и CR-LDP.

С помощью RSVP ext устанавливается LSP (TE Tunnel) вдоль вычисленного пути. Это автоматическая установка. RSVP использует PATH и RESV сообщения для проброса LSP вдоль рассчитанного пути. При этом согласуются еще и параметры полосы пропускания (Admission Control).

6.Установка маршрутов с учетом туннелей TE.

IGP устанавливает маршрут с учетом наличия туннелей В итоге процесс маршрутизации на входном маршрутизаторе (head-end) просто оперирует LSP туннелями как интерфейсами. А в таблице маршрутов head-end будет маршрут к head-tail с next-hop – TE tunnel.

7. Продвижение пакетов.

С помощью механизма MPLS (Label Stacking) происходит обеспечение необходимого туннелирования и продвижение пакетов.[7]

Fast Re Route (FRR)

Технология Fast ReRoute (FRR) позволяет временно направить трафик по запасному каналу в обход отказавшего линка на участке пути LSP до тех, пор пока head-end сможет изменить весь LSP. Время восстановления порядка 50 ms. Предварительно конфигурируется запасной туннель (backup tunnel). Контролируется маршрутизаторами на концах отказавшего линка. Используется стекирование меток в случае обхода проблемного участка.[7]

Преимущества технологии MPLS

• Отделение выбора маршрута от анализа IP-адреса (дает возможность предоставлять широкий спектр дополнительных сервисов при сохранении масштабируемости сети)

• Ускоренная коммутация (сокращает время поиска в таблицах)

• Гибкая поддержка QoS, интегрированных сервисов и виртуальных частных сетей

• Эффективное использование явного маршрута

• Сохранение инвестиций в установленное ATM-оборудование

• Разделение функциональности между ядром и граничной областью сети [8]

Использование нейронных сетей

В дальнейшем я планирую создать способ оценки нагрузки на линии с помощью использования нейронных сетей.

Сеть обучается, чтобы для некоторого множества входов давать желаемое (или, по крайней мере, сообразное с ним) множество выходов. Каждое такое входное (или выходное) множество рассматривается как вектор. Обучение осуществляется путем последовательного предъявления входных векторов с одновременной подстройкой весов в соответствии с определенной процедурой. В процессе обучения веса сети постепенно становятся такими, чтобы каждый входной вектор вырабатывал выходной вектор.

Обучение с учителем предполагает, что для каждого входного вектора существует целевой вектор, представляющий собой требуемый выход. Вместе они называются обучающей парой. Обычно сеть обучается на некотором числе таких обучающих пар. Предъявляется выходной вектор, вычисляется выход сети и сравнивается с соответствующим целевым вектором, разность (ошибка) с помощью обратной связи подается в сеть, и веса изменяются в соответствии с алгоритмом, стремящимся минимизировать ошибку. Векторы обучающего множества предъявляются последовательно, вычисляются ошибки и веса подстраиваются для каждого вектора до тех пор, пока ошибка по всему обучающему массиву не достигнет приемлемо низкого уровня.[9]

Множество формируется из данных загруженности выглядит так:

Вывод

Использование нейросетевых моделей для прогнозирования трафика в канале связи позволит более эффективно использовать канальный ресурс при управлении трафика. Это приведет к удовлетворению требований QoS, тем самым обеспечит заданное качество услуг, предоставляемое пользователям.

Литература

1. П.П. Воробієнко, Л.А. Нікітюк, П.І. Резніченко Телекоммунікаційні та інформаційні мережі: Підручник для вищих навчальних закладів –К: САММІТ-КНИГА, 2010. – 640 с.
2. Оліфер В.Г. Оліфер Н.А. Компьютерные сети. Принципы, технологии, протоколы: Учебник для вузов 3-е изд. – СПб: Питер, 2008 – 958 стр
3. Гольдштейн А. Б Проблемы перехода к мультисервисным сетям
4. . Сподах К.М. Глобальные сети [Электронный ресурс] - Режим доступа к статье: http://revolution.allbest.ru/radio/00307902_0.html
5. Гольдштейн А. Б. Механизм эффективного туннелирования в сети MPLS. Вестник связи. —№2 — 2004.
6. Семенов Ю.А. Telecommunication technologies - телекоммуникационные технологии [Электронный ресурс] Ю.А. Семенов/ - Режим доступа к статье: http://book.itep.ru
7. Базовые сервисы технологии MPLS [Электронный ресурс] - Режим доступа к статье: http://www.rublin.org.ua/article/bazovye-servisy-tekhnologii-mpls
8. И.В. Баскаков, А.В. Пролетарский, Р.А. Федотов, С.А. Мельников IP-телефония в компьютерных сетях ИНТУИТ.РУ, Бином.Лаборатория знаний, Интернет-Университет Информационных Технологий (2008) – 112с.
9. Мишенин А.А. Основы искусственных нейронных сетей [Электронный ресурс] Мишенин А.А. / - Режим доступа к статье: http://neuronets.chat.ru/foundations.html
10. Комашинский В.И., Смирнов Д.А. – Нейронные сети и их применение в системах управления и связи, 2002;

Примечание

При написании данного автореферата квалификационная работа магистра еще не завершена. Дата окончательного завершения работы: 15 декабря 2011 г. Полный текст работы и материалы по теме работы могут быть получены у автора или его научного руководителя после указанной даты.