Шепеленко Сергій Геннадійовіч

Факультет: комп'ютерні інформаційні технології і автоматика (КІТА)

Кафедра: автоматики і телекомунікацій (АТ)

Спеціальність: телекомунікаційні системи та мережі (ТКС)

Тема випускної роботи:

Розробка та дослідження систем керування трафіком в мережі MPLS

Керівник: доцент, к.т.н., завкафедри АТ Бессараб Володимир Іванович

Реферат з теми випускної роботи

Розробка та дослідження систем керування трафіком в мережі MPLS

Актуальність

На сьогоднішній день розвиток галузі телекомунікацій є однією з самих стрімких у світі. На ряду зі стрімким зростанням телекомунікаційних мереж розвивається нові IP - послуги, такі як IPTV, VoIP та інші. У зв'язку з цим за останній час значно зріс IP - трафік. Тому впровадження класів обслуговування для різних видів трафіків є необхідним завданням. Також необхідно впроваджувати систему управління трафіком, яка буде забезпечувати задані класи обслуговування для різних видів трафіку шляхом перерозподілу мережного ресурсу. Використання на транспортному рівні технології багатопротокольної комутації міток MPLS (MultiProtocol Label Switching) дозволяє забезпечити ефективну передачу трафіку з підтримкою параметрів QoS (Quality of Service). Можливості управління трафіком, спрямовані на забезпечення збалансованого використання ресурсів мережі MPLS з підтримкою QoS, реалізовуються за допомогою технологій інжинірингу трафіку Traffic Engineering (TE) за рахунок використання механізмів збалансованої завантаження ресурсів мережі, вибору оптимального маршруту проходження трафіку, використання процедур резервування і розподілу завантаження мережі, балансування трафіку і механізмів запобігання перевантажень.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами

Кваліфікаційна робота магістра виконується протягом 2010-2011 р.р. згідно з науковим напрямком кафедри «Автоматики і телекомунікацій» Донецького національного технічного університету.

Мета роботи

Метою роботи є підвищення продуктивності MPLS мережі за рахунок більш ефективного розподілу ресурсів пропускної спроможності магістральних каналів зв'язку між набором заданих шляхів, перерозподілу навантаження між LSP в умовах зміни трафіку в мережі

Ідея роботи

Перерозподіл ресурсів у магістральних каналах зв'язку за допомогою моделей прогнозування.

Задачі

- Проаналізувати системи управління MPLS мережею

- Розробити систему управління трафіком в MPLS з використанням нейромережних моделей

- Розробити систему предикативного управління

- Дослідити вимоги QoS, які пред'являються до MPLS тунелях

Наукова новизна

Новизна магістерської роботі полягає в отриманні подальшого розвитку засновування систем з використанням алгоритмів прогнозування на основі нейромережних моделей

Предмет дослідження

Предметом дослідження є система управління трафіком в MPLS мережах.

Огляд розробок і досліджень по темі

У Донецькому національному технічному університеті питаннями управління трафіком і забезпечення якості обслуговування в мультисервісних мережах займалися магістри різних років випуску, а саме:

Гаськова Ірина Олександрівна: Дослідження і розробка методики моделювання процесів в мультисервісних телекомунікаційних системах.

Тищенко Олександр Володимирович: Дослідження процесів управління в мультисервісних телекомунікаційних мережах з використанням прогнозних моделей

Лозинська Вікторія Миколаївна: Розробка системи управління телекомунікаційними мережами з використанням теорії нейромереж.

Фазульянов Сергій Валерійович: Розробка і дослідження методики пріоритезації послуг в мультисервісних телекомунікаційних мережах.

За межами ДонНТУ можна відзначити публікацію Стрелковська І. В., Соловська І.М., Смаглюк Г.Г. з одеської національної академії зв'язку ім. А.С. Попова на тему: Рішення завдань управління трафіком в мережах MPLS-TE з використанням тензорних моделей.

На більш високому рівні ведуться такі дослідження: Гольдштейн, Олександр Борисович, тема дисертації: Дослідження механізму тунелювання мультимедійного трафіку в мережі MPLS. У своїй роботі автор розробив аналітичну модель послідовних черг, що описує механізм тунелювання в мережі MPLS, а також досліджував ефекти зчеплення пакетів в пачки, зчеплення пачок між собою, а також фрагментації пачок пакетів в LSP-тунелі.

Основна частина

Архітектура мережі MPLS, що базується на LSR (Label Switching Router), забезпечує швидку комутацію пакетів за рахунок використання міток в заголовку пакета, що зберігають адресу доставки і клас мережевого рівня (Forwarding Equivalence Class, FEC). Механізмом визначення шляху проходження трафіку в мережі MPLS-TE є використання односпрямованих тунелів TE-tunnel, які об'єднують послідовність LSR, обрану з урахуванням максимального завантаження ресурсів мережі та виконання вимог QoS. З метою забезпечення відмовостійкій маршрутизації в мережі MPLS-TE використовується технологія швидкої перемаршрутізаціі пакетів Fast ReRoute (FRR), яка дозволяє тимчасово направити трафік по запасному, попередньо сконфігурованих TE-tunnel. Запасний тунель конфігурується для можливостей перемаршрутізаціі трафіку в разі відмови маршруту. Вибір TE-tunnel визначається за заданими критеріями, наприклад, таким як мінімальне значення затримки пакетів [1,2].

На вході в мережу MPLS IP-адресі ставиться у відповідність короткий ідентифікатор певного формату, яким і оперують маршрутизатори MPLS, так що їм не потрібно витрачати час на розбір заголовків пакетів, завдяки чому істотно скорочується загальний час передачі.

У звичайних IP-мережах будь-маршрутизатор, що знаходиться на шляху проходження пакетів, аналізує заголовок кожного пакету, щоб визначити, до якого потоку цей пакет належить, і вибрати напрямок для надсилання до наступного маршрутизатора. При використанні технології MPLS відповідність між пакетом і потоком встановлюється один раз на вході в мережу MPLS. Більш точно відповідність встановлюється між пакетом і так званим "класом еквівалентності пересилки" FEC (Forwarding Equivalence Class). До одного FEC відносяться пакети всіх потоків, шляху проходження яких через мережу MPLS (або через частину цієї мережі) збігаються у тому сенсі, що з точки зору вибору чергового маршрутизатора пакети цих потоків невиразні. Пакети забезпечуються мітками - ідентифікаторами невеликий і фіксованої довжини, які визначають належність кожного пакета того чи іншого FEC. [3]

Вхідний LER аналізує заголовок, що прийшов ззовні пакета, встановлює, яким FEC він належить, постачає цей пакет міткою, яка присвоєна даному FEC, і пересилає пакет до відповідного LSR. Далі, пройшовши в загальному випадку через кілька LSR, пакет потрапляє до вихідного LER, що видаляє з пакету мітку, аналізує заголовок пакету і направляє його до адресата, що знаходиться поза MPLS-мережі. Послідовність LER маршрутизаторів, через які проходять пакети, що належать одному FEC, утворює віртуальний комутований по мітках тракт LSP (Label Switched Path). Так як один і той же LER для одних потоків є вхідним, а для інших - вихідним, в мережі, що містить N LER, у найпростішому випадку може існувати N (N-1) FEC і, відповідно, N (N-1) LSP. [4]

Існує ще одна вельми важлива перевага MPLS, що заслуговує окремої згадки саме в контексті привабливості цієї технології, вже згадуваною в початку статті. Це можливість у рамках архітектури MPLS разом з пакетом передавати не одну мітку, а цілий стек міток.

Операції додавання / вилучення мітки визначені як операції на стеку (push / pop).

Результат комутації задає лише верхня мітка стека, нижні ж передаються прозоро до операції вилучення верхньої. Такий підхід дозволяє створювати ієрархію потоків у мережі MPLS та організовувати тунельні передачі.

Таким чином, головна особливість MPLS - відокремлення процесу комутації пакета від аналізу IP-адрес в його заголовку, що відкриває ряд привабливих можливостей. [5]

Керування трафіком

В даний час використовується кілька методів керування трафіком:

1.Динамічна маршрутизація (RIP, OSPF, IGRP, BGP) і т.д.). Тут немає засобу резервування каналу, але є механізм зміни маршруту при зміні значень метрики або через вихід з ладу вузла чи обриву каналу. Деякі з таких протоколів (OSPF, IGRP) можуть будувати окремі таблиці маршрутизації для кожного рівня QoS, але метрики для кожного рівня задаються мережевим адміністратором.

2.Формування віртуальних мереж на рівнях L2 і L3. Протоколи VLAN забезпечують підвищений рівень безпеки, але не здатні резервувати смугу. До цього типу належить і протокол MPLS.

3.Резервування смуги в наявному віртуальному каналі (протокол RSVP). RSVP може працювати з протоколами IPv4 та IPv6. Протокол досить складний для параметризації, з цієї причини для вирішення цього завдання був розроблений протокол COPS, який суттєво полегшує параметризацію. Функція COPS схожа з завданням мови RPSL для маршрутизації. [6]

Traffic Engineering (TE)

Traffic Engineering (TE) - це можливість керування напрямком проходження трафіку з метою виконання певних умов (резервування каналів, розподіл завантаження мережі, балансування та запобігання перевантажень).

Звичайні протоколи маршрутизації (IGP протоколи IS-IS, OSPF) надають обмежені можливості з управління трафіком на основі метрик складають мережу лінків.

Основний механізм TE в MPLS - використання односпрямованих тунелів (MPLS TE tunnel) для визначення шляху проходження певного трафіку. Наприклад, для одного виду трафіку, наприклад найпріорітетніше голосового можна прокласти один шлях через мережу, а для низкоприоритетного - інший. Так як тунелі - односпрямовані, то зворотний шлях може бути зовсім іншим.

Технологічно MPLS TE грунтується на формуванні маршрутів проходження пакетів (LSP) через мережу за допомогою механізму створення тунелів (MPLS Tunnel), який у свою чергу базується на стекування міток (Labels Stack).

Примітивний MPLS TE можна забезпечити, вручну встановивши тунелі, відповідні необхідним напрямками проходження трафіку.

Проте повний комплекс заходів MPLS TE виглядає дещо складніше і умовно розбивається на такі стадії (етапи).

1. Організація MPLS домену.

2. Накладення обмежень.

У MPLS домені включається механізм TE і описуються мінімальні вимоги до мережі: початкові і кінцеві точки проходження трафіку, графи шляхів між ними (не обов'язково всі) і методи обчислення маршрутів по них (явний або динамічний), необхідна смуга пропущення.

3. Вивчення параметрів мережного середовища.

Для поширення інформації про канали використовується механізм розширення протоколів маршрутизації (Link State Protocols: IS-IS, OSPF).

4. Обчислення шляхів проходження трафіку у відповідності з адміністративними вимогами і можливостями мережі.

На граничних вхідних (по відношенню до потоку трафіку) маршрутизаторах виконується спеціальний алгоритм Constrained Base Algorithm, враховує політику вибору кращого шляху для LSP тунелю (тобто набір роутерів, через які передавати трафік): як можливості каналів, так і адміністративні вимоги (межі MPLS домену , смуга пропускання). Алгоритм перебирає лінки (їх властивості) і в підсумку по Меріков обчислює маршрути (шляхи) проходження трафіку з урахуванням накладених обмежень. Тобто в підсумку на вхідному маршрутизаторі (head-end) конструюються необхідні LSP до вихідного маршрутизатора (head-tail) відповідно до накладеними вимогами на проходження трафіку між ними.

5. Встановлення шляхів.

Прораховані колії встановлюється в мережі за допомогою спеціального протоколу сигналізації, який вміє поширювати інформацію про явне (explicit) маршруті.

Сьогодні відомо два протоколи: RSVP-ext і CR-LDP.

За допомогою RSVP ext встановлюється LSP (TE Tunnel) уздовж обчисленого шляху. Це автоматична установка. RSVP використовує PATH і RESV повідомлення для проброса LSP вздовж розрахованого шляху. При цьому узгоджуються ще й параметри смуги пропускання (Admission Control).

6. Установка маршрутів з урахуванням тунелів TE.

IGP встановлює маршрут з урахуванням наявності тунелів У підсумку процес маршрутизації на вхідному маршрутизаторі (head-end) просто оперує LSP тунелями як інтерфейсами. А в таблиці маршрутів head-end буде маршрут до head-tail з next-hop - TE tunnel.

7. Просування пакетів.

За допомогою механізму MPLS (Label Stacking) відбувається забезпечення необхідного тунелювання і просування пакетів. [7]

Fast Re Route (FRR)

Технологія Fast ReRoute (FRR) дозволяє тимчасово направити трафік по запасному каналу в обхід відмовив лінку на ділянці шляху LSP до тих, пір поки head-end зможе змінити весь LSP. Час відновлення порядку 50 ms. Попередньо конфігурується запасний тунель (backup tunnel). Контролюється маршрутизаторами на кінцях відмовив линка. Використовується стекування міток у випадку обходу проблемної ділянки. [7]

Переваги технології MPLS

• Відокремлення вибору маршруту від аналізу IP-адреси (дає можливість надавати широкий спектр додаткових сервісів при збереженні масштабованості мережі)

• Прискорена комутація (скорочує час пошуку в таблицях)

• Гнучка підтримка QoS, інтегрованих сервісів і віртуальних приватних мереж

• Ефективне використання явного маршруту

• Збереження інвестицій у встановлений ATM-обладнання

• Поділ функціональності між ядром і граничної областю мережі [8]

Використання нейронних мереж

Надалі я планую створити спосіб оцінки навантаження на лінії за допомогою використання нейронних мереж.

Мережа навчається, щоб для деякого безлічі входів давати бажану (або, принаймні, сообразное з ним) безліч виходів. Кожне таке вхідна (або вихідна) безліч розглядається як вектор. Навчання здійснюється шляхом послідовного пред'явлення вхідних векторів з одночасною підстроюванням ваг відповідно до визначеної процедурою. У процесі навчання ваги мережі поступово стають такими, щоб кожен вхідний вектор виробляв вихідний вектор.

Навчання з учителем припускає, що для кожного вхідного вектора існує цільовий вектор, що представляє собою необхідний вихід. Разом вони називаються навчальною парою. Зазвичай мережа навчається на деякому числі таких навчальних пар. Висувається вихідний вектор, обчислюється вихід мережі і порівнюється з відповідним цільовим вектором, різницю (помилка) за допомогою зворотного зв'язку подається в мережу, і ваги змінюються відповідно до алгоритму, які прагнуть мінімізувати помилку. Вектори навчальної множини пред'являються послідовно, обчислюються помилки і ваги підлаштовуються для кожного вектора до тих пір, поки помилка по всьому навчальному масиву не досягне прийнятного рівня. [9]

Сукупність формується з даних завантаженості виглядає так:

Висновок

Використання нейромережних моделей для прогнозування трафіку в каналі зв'язку дозволить більш ефективно використовувати канальний ресурс при управлінні трафіку. Це призведе до задоволення вимог QoS, тим самим забезпечить задану якість послуг, що надається користувачам.

Примітка

При написанні даного автореферату кваліфікаційна робота магістра ще не завершена. Дата остаточного завершення роботи: 15 грудня 2011. Повний текст роботи та матеріали по темі роботи можуть бути отримані у автора або його наукового керівника після зазначеної дати.

Література

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;

Примітка

При написанні даного автореферату кваліфікаційна робота магістра ще не завершена. Дата остаточного завершення роботи: 15 грудня 2011. Повний текст роботи та матеріали по темі роботи можуть бути отримані у автора або його наукового керівника після зазначеної дати.