ДонНТУ   Портал магістрів

Реферат за темою випускної роботи

Зміст

Вступ

Із зростанням кількості послуг що надаються і розширенням географії своєї присутності все більше підприємств і організацій приходить до висновку про необхідність збільшення обсягу переданих даних у власній корпоративній мережі. Створення мультисервісної (голос, відео, дані) територіально розподіленої інфраструктури дозволяє використовувати весь потенціал сучасних інформаційних технологій, що дає можливість налагодити ефективне функціонування компанії та оптимізувати внутрішні бізнес-процеси підприємства.

            Аргументи на користь мультисервісних мереж: 

            Приклад послуг мультисервісної мережі: 

1. Актуальність теми

Сучасні телекомунікаційні послуги, особливо послуги реального часу (відеоконференції, VoIP) вимагають від з'єднання заданої якості обслуговування, що в свою чергу ставить одну з ключових завдань – управління трафіком [1]. Під управлінням трафіком розуміється сукупність алгоритмічних засобів, реалізованих як апаратно, так і програмно, спрямованих на забезпечення функціонування розглянутої мережі з необхідною якістю обслуговування і ефективним використанням ресурсів. Цим займаються протоколи маршрутизації, які збирають інформацію про топологію міжмережевих з'єднань. Останнім часом отримують розвиток алгоритми мультіхоумінга, що дозволяють передавати дані одного логічного з'єднання у кількох фізичних каналах. Їх впровадження, в багатьох випадках, дозволяє більш ефективно використовувати канальні ресурси при передачі великих потоків даних.

2. Мета і завдання дослідження, заплановані результати

Основною метою даної роботи є розробка алгоритму мультіхоумінга заснованого на методах QoS маршрутизації. Для досягнення поставленої мети необхідно вирішити такі завдання:

  1. Проаналізувати існуючі дослідження і розробки в даному напрямку;
  2. Розглянути принципи алгоритмів маршрутизації;
  3. Проаналізувати принципи QoS-маршрутизації;
  4. На основі алгоритмів QoS-маршрутизації розробити алгоритм мультіхоумінга;
  5. Оцінити отримані результати та ефективність отриманого алгоритму.

У рамках магістерської роботи планується отримати актуальні наукові результати:
Планується розробити алгоритм мультіхоумінга, який здатний ефективно програмно розподіляти доступні мережеві ресурси. Так само планується розробка генератора самоподібного трафіку на основі ON / OFF джерел для дослідження впливу самоподібності на роботу алгоритму мультіхоумінга [2,3].

3. Огляд досліджень і розробок

Концепція мультіхоумінга відносно молода, тому на даний момент конкретних результатів і розробок обмаль. Але в даній області здійснюється безліч досліджень: Montavont N. у своїй статті "Analysis of Multihoming in Mobile IPv6" розглядає можливість використання концепції мультіхоумінга в мобільних мережах завдяки можливостям нового протоколу MIPv6 [4].Про достоїнства мультіхоумінга в мультисервісних мережах а також приклад алгоритму мультіхоумінга представлені в роботах [5,6].

Також варто відзначити деякі кваліфікаційні роботи магістрів ДонНТУ які стосуються даної тематики. Дослідженням і модернізацією алгоритмів балансування навантаження займався Петренко О.С. [7]. Розробці та дослідженню системи балансування навантаження в конвергентній телекомунікаційній мережі присвячена робота Чекункова О.С [8]. Методики моделювання процесів в мультисервісних телекомунікаційних системах досліджувала Гаськова І.О. [9].

 

4. Аналіз алгоритмів маршрутизації

Класична задача маршрутизації (підбору оптимального маршруту) вирішується на основі аналізу таблиць маршрутизації, розміщених у всіх маршрутизаторах і кінцевих вузлах мережі. Протоколи маршрутизації (наприклад, RIP, OSPF, NLSP) слід відрізняти від власне мережних протоколів (наприклад, IP, IPX). І ті й інші виконують функції мережного рівня моделі OSI – беруть участь у доставці пакетів адресатові через різнорідну складену мережу. Але в той час як перші збирають і передають по мережі чисто службову інформацію, другі призначені для передачі даних користувача, як це роблять протоколи канального рівня. Протоколи маршрутизації можуть бути побудовані на основі різних алгоритмів, що відрізняються способами побудови таблиць маршрутизації, способами вибору найкращого маршруту та іншими особливостями своєї роботи.

Першочергове завдання алгоритму маршрутизації при оновленні таблиці маршрутизації полягає у визначенні найкращої інформації, яка повинна бути внесена в таблицю. Алгоритми маршрутизації використовують різні метрики для визначення найкращого маршруту, але кожен алгоритм інтерпретує вибір кращого варіанту шляху по-своєму. Алгоритм маршрутизації розраховує число, зване метрикою, для кожного мережевого маршруту. Складні алгоритми маршрутизації можуть засновувати вибір маршруту на основі декількох параметрів, об'єднуючи їх в одну загальну метрику. Чим менше метрика, тим краще обраний маршрут [10].
Метрики можуть бути обчислені на основі однієї або кількох характеристик. Найчастіше в алгоритмах маршрутизації використовуються наступні параметри метрики [11]:
1. Ширина смуги пропускання являє собою засіб оцінки обсягу інформації, який може бути переданий по каналу.
2. Затримка проміжок часу, необхідний для переміщення пакета по кожному з каналів зв'язку від відправника одержувачу. Затримка залежить від пропускної здатності проміжних каналів, розміру черги в портах маршрутизаторів, завантаження мережі і фізичної відстані.
3. Завантаження обсяг операцій, виконуваних мережним пристроєм, таким, як маршрутизатор, або середня завантаженість каналу зв'язку.
4. Надійність зазвичай позначає відносне значення кількості помилок для кожного з каналів зв'язку.
5. Лічильник транзитних вузлів кількість маршрутизаторів, через які повинен пройти пакет, перш ніж досягне пункту призначення.
6. Вартість значення, зазвичай обчислюється на основі пропускної здатності, грошової вартості або інших одиниць виміру, призначуваних адміністратором.
Порівняємо принципи побудови метрики протоколів динамічної маршрутизації EIGRP (Enhanced Interior Gateway Routing Protocol), RIP (Routing Information Protocol) і OSPF (Open Shortest Path First).

Протокол EIGRP вважає метрику за допомогою коефіцієнтів. Типово вони рівні К1 = 1; К2 = 0; К3 = 1; К4 = 0; К5 = 0. Загальна метрика обчислюється за допомогою значень bandwidth (пропускної спроможності) і delay (затримки). Bandwidth обчислюється за формулою (1):

(1)

де bandwidth (m) – це мінімальна пропускна здатність каналу на всьому шляху проходження до мережі призначення. Delay обчислюється за формулою (2):

(2)

де delay (s) – це сумарна затримка на всіх маршрутизаторах по шляху проходження до мережі призначення. Ці значення використовує протокол EIGRP для підрахунку метрики:

(3)

Якщо коефіцієнти не змінювалися, то формула отримує вигляд:

(4)

Кількість переходів в протоколі EIGRP одно 224, чого цілком достатньо для сучасних мереж [12]. Протокол OSPF для оцінки маршрутів на відміну від протоколу EIGRP використовує не комбіновану метрику, а просту метрику залежну від ширини смуги пропускання каналу зв'язку. Метрика протоколу OSPF розраховується за формулою:

(5)

де BW – ширина смуги пропускання каналу зв'язку.

З формули (5) видно, що для протоколу OSPF канали зв'язку зі швидкостями вище 100 Мбіт / с будуть мати однакову метрику рівну 1, так як в протоколі OSPF метрика менше 1 не існує.

У більшості реалізацій RIP застосовується найпростіша метрика – кількість транзитних вузлів, тобто проміжних маршрутизаторів, які пакету потрібно подолати для досягнення мережі призначення.

Протоколи, засновані на методі вектора відстані, вимагають менше обчислювальних ресурсів маршрутизатора, ніж протоколи з вибором станом каналів зв'язку з їх складними SPF-алгоритмами. З іншого боку, протоколи з вибором станом каналів зв'язку займають меншу частину смуги пропускання мережі (крім початкового етапу вивчення топології мережі) так, як вони поширюють тільки інформацію про зміни, а не всю таблицю маршрутизації, що особливо важливо для великих мереж [10].

5. QoS-маршрутизація та алгоритми мультихоумінгу

Важливе місце займає маршрутизація з можливістю забезпечення якості обслуговування – QoS-маршрутизація. Завданням QoS-маршрутизації є знаходження такого шляху між парою вузлів, для якого при передачі даних значення ряду параметрів щодо якості обслуговування деякого з'єднання заданих користувачем або провайдером не будуть порушені.

На даний час існує безліч алгоритмів QoS-маршрутизації. Один з алгоритмів припускає використання метрики, побудованої на лінійній комбінації двох метрик, що відображають різні параметри каналів, для пошуку найкоротшого шляху. Основними недоліками є – використання лінійної функції, що веде до некоректного результату функціонування і висока обчислювальна складність. Ще один алгоритм полягає в організації послідовного обчислення здійсненного шляху. Спочатку знаходиться оптимальний шлях (шляхи) по одній з метрик і далі алгоритм перевіряє його оптимальність для решти метрик. У разі невиконання поставлених умов оптимізація проводиться по іншій метриці до тих пір, поки не буде знайдений здійсненний шлях.

За сам механізм передачі даних відповідають протоколи транспортного рівня. Протоколи цього рівня призначені для взаємодії типу точка-точка. Приклад: TCP, UDP, SCTP.

На малюнку 2 [13] представлена класифікація протоколів транспортного рівня. Особливу увагу необхідно приділити спеціалізованому транспортному протоколу SCTP (Stream Control Transmission Protocol) – протокол передачі управління потоком. SCTP надає функції транспортного рівня для більшості додатків мереж TCP / IP. Базовими оригінальними властивостями протоколу SCTP є багатопоточність і мультихоумінг.

Принцип мультихоумінгу

Рисунок 1 – Принцип мультихоумінгу.
(анімація: 6 кадрів, затрімка між кадрами 1 с, кількість циклів повторення — безконечне, розмір 85 Кбайт, створена за допомогою gifovina.ru)

Властивість багатопоточності дозволяє дробити потоки, які можуть доставлятися незалежно, і, таким чином, втрата повідомлення в будь-якому з потоків стосуватиметься лише окремих потоків.

Рисунок 2. Класифікація протоколів транспортного рівня.

Мультихоумінг [1] – властивість окремої SCTP-кінцевої точки підтримувати безліч IP-адрес. Використання цієї властивості дозволяє використовувати надлишкові мережі для збільшення доступності. Властивість мультихоумінга може полегшити проблеми, що виникають при появі помилок маршрутизації в повільних мережах TCP / IP.

В даний час концепція мультихоумінга не застосовується широко в сфері телекомунікацій, оскільки ще до кінця не розроблені алгоритми його роботи в мережах. Основною проблемою є знаходження об'єктивного критерію для адекватного вибору оптимального шляху. В ідеальному випадку критерій повинен включати в себе QoS характеристики каналу: пропускна спроможність, втрати, затримка, джиттер і вартість мережі.

У ході досліджень було розроблено модель мережі з використанням концепції мультихоумінга. Для моделювання був узятий трафік NASA за один місяць [14]. Розроблений алгоритм мультихоумінга представлений на рисунку 3.

При проведенні досліджень, було застосовано кілька модифікацій даного алгоритму. Крім комплексного критерію застосовувалася оптимізація за окремими характеристиками каналу. Виходячи з отриманих результатів, використання комплексного критерію виявилося найбільш ефективним.

Рис.3. Алгоритм Мультихоумінгу.

Висновки

Використання багатопоточності і мультихоумінга значно збільшує продуктивність і надійність телекомунікаційних мереж. Однак застосовувати дану концепцію не завжди доречно. Наприклад робота послуг реального часу при застосуванні мультихоумінга може бути некоректною або неможливою через різні або динамічно мінливі характеристики каналів, вигідніше використовувати багатопоточність для великих обсягів трафіку не залежного від реального часу. Так само існує ряд недоліків: якщо всі доступні вузлу з'єднання будуть увесь час активні під час сеансу, але в цьому не буде потреби, то це буде не оптимально з економічної точки зору, з іншого боку, для підключення вузла до мережі необхідний певний час , за який будуть відбуватися втрати даних. Рішенням даної проблеми буде використання довгострокового прогнозування поведінки трафіку в мережі, для своєчасної підготовки необхідного каналу зв'язку. За допомогою даної комбінації методів, гідності концепції мультихоумінга будуть задіяні у повному обсязі.

Важливо! При написанні даного реферату магістерська робота ще не завершена. Остаточне завершення: грудень 2013 року. Повний текст роботи та матеріали по темі можуть бути отримані у автора або його керівника після зазначеної дати.

Перелік посилань

  1. Гришаева, А.Д., Алтухов, Д.С., Дегтяренко, И.В. Применение механизма фаззи-логики для распределения потоков трафика в гетерогенной мультиоператорской среде // Автоматизація технологічних об’єктів та процесів. Пошук молодих. Збірник наукових праць ХІI науково-технічної конференції аспірантів та студентів в м. Донецьку 17-20 квітня 2012 р. - Донецьк, ДонНТУ, 2012. – с.20-22.
  2. Шелухин О.И. Самоподобие и фракталы. Телекоммуникационные приложения/ Шелухин О.И., Осин А.В., Смольский С.М. – М.: ФИЗМАТЛИТ. 2008. – 244 с.
  3. Жалейко Е.В. Методы моделирования самоподобного трафика/ Жалейко Е.В.//Материалы 7-й Международной молодежной научно-технической конференции «Современные проблемы радиотехники и телекоммуникаций» (направление №2 – «Телекоммуникационные системы и сети»). – Севастополь, 2011.
  4. Montavont, N., et al.: Analysis of Multihoming in Mobile IPv6. draft-ietf-monami6-mipv6-analysis-01 (June 26, 2006).
  5. Hiroyuki Koga, Hiroaki Haraguchi, Katsuyoshi Iida, and Yuji Oie. A Framework for Network Media Optimization in Multihomed QoS Networks/ National Institute of Information and Communications Technology, Japan. – 2009.
  6. Dae Sun Kim, Choong Seon Hong. The Primary Path Selection Algorithm for Ubiquitous Multi-homing Environments/ Department of Computer Engineering, Kyung Hee University. – 2008.
  7. Петренко А.С., Червинский В.В. Исследование методов балансировки нагрузки в глобальных сетях/ Петренко А.С., Червинский В.В. – Матеріали збірника наукових праць ХІI науково-технічної конференції аспірантів та студентів «Автоматизація технологічних об’єктів та процесів. Пошук молодих». – Донецьк, 2012. – С. 79-80.
  8. Дегтяренко І.В., Абраменко О.О., Чекунков О.С. Прогностичне керування навантаженням на сервери з використанням нейромережі/ Дегтяренко І.В., Абраменко О.О., Чекунков О.С.// Наукові праці Донецького національного технічного університету. / Збірник наукових праць ДонНТУ. Серія: Обчислювальна техніка та автоматизація. Випуск: 23 (201). — Донецьк, ДонНТУ, 2012. — C. 95–102.
  9. Гаськова И. А. Использование пакета OPNET IT GURU EDITION при проектировании мультисервисных телекоммуникационных сетей / Гаськова И. А.// Материалы Научно-технической конференции «Проблемы телекоммуникаций». Сборник тез. К.: НТУУ "КПИ", 2010. —188 с.
  10. Олифер В.Г., Олифер Н.А. Компьютерные сети. Принципы, технологии, протоколы : Учебник для вузов. 4-е изд. – СПб.: Питер, 2010. – c.355-378.
  11. Программа сетевой академии Cisco CCNA 1 и 2. Вспомогательное руководство, 3-е изд., с испр.: Пер. с англ. – М.:Издательский дом «Вильямс», 2008. – с.768-801.
  12. Протокол маршрутизации EIGRP [Електронный ресурс] // NETCONFIG.ORG. - Режим доступа : http://www.netconfig.org/category/routing/eigrp/.
  13. Кучерявый Е.А. Управление трафиком и качеством обслуживания в сети Интернет. – СПб.: Наука и Техника, 2004. – c.247-254.
  14. Two traces contain two month's worth of all HTTP requests to the NASA Kennedy Space Center WWW server in Florida [электронный ресурс]. – Режим доступа:http://ita.ee.lbl.gov/html/contrib/NASA-HTTP.html.