ДонНТУ   Портал магістрів

Реферат за темою випускної роботи

Зміст

Вступ

На сьогоднішній день темпи розвитку галузі телекомунікацій є одними з найбільш стрімких. Поряд зі зниженням темпів зростання клієнтської бази операторів зв'язку, спостерігається зростання трафіку за рахунок впровадження нових технологій та збільшення частки послуг на базі IP-технологій. Враховуючи зазначені тенденції, оператори зв'язку впроваджують нові послуги, що призводить до переходу телекомунікаційних мереж до мультисервісності.

У свою чергу це накладає деякі обмеження на функціонування телекомунікаційних мереж. Виникає необхідність виконання вимог якості обслуговування – Quality of Service (QoS), які для різних класів трафіку часто не тільки відрізняються, але й суперечать один одному. Для одночасного забезпечення різних вимог QoS у систему зв'язку потрібно впроваджувати системи управління трафіком, які в свою чергу повинні враховувати особливості різних класів трафіку і забезпечувати ефективний перерозподіл ресурсів мережі.

1. Актуальність теми

В даний час для користувачів мультисервісних мереж все більший інтерес представляють такі служби, як відеоконференц-зв'язок , доступ до web-служб. Методологія забезпечення вимог щодо якості обслуговування різнорідного трафіку не до кінця вирішена.

Для вирішення цієї проблеми необхідне впровадження класів обслуговування для різних видів трафіків, а також систему управління трафіком, яка буде забезпечувати задані класи обслуговування для різних видів трафіку шляхом перерозподілу мережного ресурсу. На даний момент тема управління трафіком є дуже актуальною, тому що досить немає єдиного підходу до вирішення цієї проблеми.

Одним з варіантів забезпечення ефективної передачі трафіку з підтримкою параметрів QoS (якість обслуговування) є використання технології багатопротокольної комутації міток MPLS. Це реалізується за допомогою технологій трафіку інжинірингу Traffic Engineering (TE) за рахунок використання механізмів збалансованого завантаження ресурсів мережі, вибору оптимального маршруту проходження трафіку, використання процедур резервування та розподілу завантаження мережі, балансування трафіку і механізмів запобігання перевантажень.

2. Мета і задачі дослідження та заплановані результати

Метою роботи є підвищення продуктивності IP-мережі за рахунок більш ефективного розподілу ресурсів пропускної спроможності каналів зв'язку.

Основні задачі дослідження:

  1. Розглянути принцип роботи технології MPLS;
  2. Проаналізувати системи управління мережею MPLS;
  3. Розглянути модель балансування черг з підтримкою Traffic Engineering Queues;
  4. Проаналізувати роботу моделі балансування черг.

Об'єкт дослідження: IP-мережа.

Предмет дослідження: Метод управління трафіком в IP-мережі.

В рамках магістерського дослідження заплановано розробити методику балансування трафіку в IP-мережах з використанням технології MPLS-TE і моделей балансування черг. Така методика дозволить ефективно використовувати ресурси мережі.

3. Огляд досліджень та розробок

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

  1. Гаськова Ірина Олександрівна. "Дослідження та розробка методики моделювання процесів в мультисервісних телекомунікаційних системах".
  2. Тіщенко Олександр Володимирович. "Дослідження процесів управління в мультисервісних телекомунікаційних мережах з використанням прогнозних моделей".
  3. Фазульянов Сергій Валерійович. "Розробка та дослідження методики пріоритезації послуг у мультисервісних телекомунікаційних мережах".
  4. Щітнікова А. Н. Магістерська робота. "Розробка методів оцінки параметра трафіку мультисервісної мережі".
  5. Шепеленко Сергій Геннадійович. "Розробка і дослідження систем управління трафіком в мережах MPLS."
  6. Шахов Дмитро Сергійович. "Дослідження і розробка алгоритмів балансування навантаження в рухомих і стаціонарних системах зв'язку".

В даний час все більше уваги приділяється питанням управління трафіком в мережах [1, 2, 3].

На тему управління трафіком в мультисервісних мережах хочеться відзначити публікації:

  1. Аліев Р.Т. "Методи управління трафіком в мультисервісних мережах", в якій пропонується модель пріоритетного управління в каналі зв'язку мультисервісної мережі, яка дозволяє визначити пропускну здатність каналу і оцінити ефект, що досягається за рахунок використання пріоритетного управління трафіком.
  2. Євсєєва О.Ю. "Методика експериментального дослідження методів управління трафіком в мережі". Описані основні проблеми та методика експериментального дослідження методів управління трафіком в телекомунікаційних мережах.
  3. Оліфер Н. А., В. Г. Оліфер."Використання моделювання для оптимізації продуктивності мережі".
  4. Беркман Л. Н. "Методи і способи підвищення показників якості системи управління телекомунікаційними системами": дисертація.
  5. Д.В. Більків, Є.М. Єдемська, Т.А. Єдемська."Система управління трафіком інформаційної мережі". В статті розглядається завдання управління трафіком.

Існує безліч публікацій на тему оптимізації трафіку за допомогою технології MPLS. Технологія MPLS постійно вдосконалюється в напрямку адаптації до умов передачі трафіку в мережах, забезпечуючи підтримку QoS.

У вирішенні цих завдань неоціненний внесок внесли такі дослідники як Вишневський В.М., Awduche D.О., Malcolm J.,Agogbua J., McManus J., M.S.Garey, D.S.Johnson, G.Cornuejols, M.L.Fisher, B.Fortz. R.Widyono, та інші. У статті [4] розглянуті проблеми управління трафіком в IP-мережах та засоби технології MPLS, які їх вирішують.

Існуючі публікації, присвячені оптимізації мереж IP / MPLS [5, 6] мають складну практичну реалізацію і зазвичай призначені для мереж на етапі проектування.

У роботі [7, 8] представлен варіант оптимізації мережі із застосуванням імітаційного моделювання.

Також хочеться відзначити публікацію Стрілківської І. В., Соловська І.М., Смаглюка 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". Запропоновано вирішення завдання управління трафіком в мережах MPLS-TE із застосуванням тензорних моделей. На конкретному прикладі показано рішення задачі маршрутизації трафіку в мережі MPLS-ТЕ/FRR, отримані результати ефективного використання мережних ресурсів за допомогою організації TE-тунелю швидкої перемаршрутізаціі FRR при гарантованому мінімальному часу доставки пакетів.

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, яка 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.

4.Принцип роботи технології MPLS

MPLS (багатопротокольної комутації по мітках) – це технологія швидкої комутації пакетів у багатопротокольних мережах, заснована на використанні міток. MPLS розробляється і позиціонується як спосіб побудови високошвидкісних IP-магістралей, однак область її застосування не обмежується протоколом IP, а поширюється на трафік будь-якого маршрутизованого мережного протоколу.

В основі MPLS лежить принцип обміну мітками [8]. Будь - який переданий пакет асоціюється з тим чи іншим класом мережного рівня (клас еквівалентності переадресації, FEC), кожен з яких ідентифікується певною міткою. Значення мітки унікально лише для ділянки шляху між сусідніми вузлами мережі MPLS, які називаються маршрутизаторами, комутуючими по мітках (Label Switching маршрутизатор, LSR). Мітка передається у складі будь-якого пакету, причому спосіб її прив'язки до пакету залежить від використовуваної технології канального рівня.

Маршрутизатор LSR отримує топологічну інформацію про мережу, беручи участь в роботі алгоритму маршрутизації – OSPF, BGP, IS-IS. Потім він починає взаємодіяти з сусідніми маршрутизаторами, розподіляючи мітки, які надалі будуть застосовуватися для комутації. Розподіл міток між LSR призводить до встановлення всередині домену MPLS шляхів з комутацією по мітках (Label Switching Шлях, LSP).

Кожен маршрутизатор LSR містить таблицю, яка ставить у відповідність парі "вхідний інтерфейс, вхідна мітка" трійку "префікс адреси одержувача, вихідний інтерфейс, вихідна мітка". Отримуючи пакет, LSR за номером інтерфейсу, на який прийшов пакет, і за значенням прив'язаною до пакету мітки визначає для нього вихідний інтерфейс. Старе значення мітки замінюється новим, що було в полі "вихідна мітка" таблиці, і пакет відправляється до наступного пристрою на шляху LSP. Вся операція вимагає лише одноразової ідентифікації значень полів в одному рядку таблиці. Це займає набагато менше часу, ніж порівняння IP-адреси відправника з найбільш довгим адресним префіксом в таблиці маршрутизації, яке використовується при традиційній маршрутизації.

Схема комутації MPLS

Рисунок 1 – Схема комутації MPLS

Мережа MPLS ділиться на дві функціонально різні області – ядро і граничну область (рис. 1). Ядро утворюють пристрої, мінімальною вимогою до яких є підтримка MPLS та участь у процесі маршрутизації трафіку для того протоколу, який комутується за допомогою MPLS. Маршрутизатори ядра займаються тільки комутацією.

Всі функції класифікації пакетів по різних FEC, а також реалізацію таких додаткових сервісів, як фільтрація, явна маршрутизація, вирівнювання навантаження і керування трафіком, беруть на себе граничні LSR.

В результаті інтенсивні обчислення припадають на граничну область, а високопродуктивна комутація виконується в ядрі, що дозволяє оптимізувати конфігурацію пристроїв MPLS залежно від їх місця розташування в мережі.

Таким чином, головна особливість MPLS – відокремлення процесу комутації пакета від аналізу IP-адрес в його заголовку, що відкриває ряд привабливих можливостей.[9]

Оскільки на встановлення відповідності пакетів певним класам FEC можуть впливати не тільки IP-адреси, а й інші параметри, неважко реалізувати, наприклад, призначення різних LSP пакетам, які належать до різних потоків RSVP або мають різні пріоритети обслуговування. Кожен з класів FEC обробляється окремо від інших – не тільки тому, що для нього будується свій шлях LSP, а й у сенсі доступу до загальних ресурсів (смузі пропускання каналу і буферному простору).

У результаті технологія MPLS дозволяє дуже ефективно підтримувати необхідну якість обслуговування, не порушуючи наданих користувачеві гарантій. Застосування в LSR таких механізмів управління буферизацією і чергами, як WRED, WFQ або CBWFQ, дає можливість оператору мережі MPLS контролювати розподіл ресурсів і ізолювати трафік окремих користувачів.

Використання маршруту, що явно задається в мережі MPLS вільно від недоліків стандартної IP-маршрутизації від джерела, оскільки вся інформація про маршрут міститься в мітці і пакету не потрібно нести адреси проміжних вузлів, що покращує управління розподілом навантаження в мережі. На граничному маршрутизаторі відбувається визначення класу обслуговування для пакету,який на нього прийшов. Відповідно до цього класу обслуговування, пакету призначається мітка. І відповідно до цієї мітки визначається наступний маршрутизатор, на котрий поступить цей пакет. Там мітка перепризначиться і пакет піде на наступний маршрутизатор. Так буде відбувається до тих пір, доки пакет не прийде на граничний маршрутизатор призначення. Там мітка вилучиться і піде до користувача. (рис.2).

Побудова шляху

Рисунок 2 – Шлях проходження пакета в мережі MPLS
(анімація: 5 кадрів, 5 циклів повторення, 151 кілобайт)
(CE1, CE2 – маршрутизатори джерела і призначення, P1, P2, PE1, PE2 – транзитні маршрутизатори)

5.Управління трафіком в MPLS - мережі

При оптимізації управління трафіком в мережах MPLS (MultiProtocol Label Switching), важливу роль відіграє технологія інжинірингу трафіку (Traffic Engineering, TE). В основу технології інжинірингу трафіку покладені ідеї балансування використання різнорідних мережних ресурсів – інформаційних, буферних і канальних. Ефективність технології Traffic Engineering підтверджується тим, що багато мережні засоби управління трафіком удосконалюються на її принципах, підтвердженням тому є протоколи резервування ресурсів RSVP-TE і LDP-TE, протоколи маршрутизації IS-IS-TE, OSPF-TE.

Одним з найбільш ефективних є підхід, заснований на балансуванні черг на принципах технології інжинірингу трафіку (Traffic Engineering Queues) [10, 11], запропонованого для управління чергами в MPLS-мережах.

6.Модель балансування черг з підтримкою Traffic Engineering Queues

Вважається, що число окремих трафіків або агрегованих по класах або пріоритетам потоків відомо і дорівнює M, що відповідає прийнятим на практиці рішенням в рамках відомих методів маркування пакетів. Максимальне число черг на мережному вузлі також фіксовано і дорівнює N. [9, 12]. Крім того, ai (i = 1, M) – інтенсивність трафіку i-го класу, що надходить на обслуговування мережним вузлом.; bj (j = 1, N) – частина пропускної здатності вихідного каналу зв'язку, яка виділена j-ї черги (j = 1, N).

У ході управління чергами необхідно виконати умову відсутності перевантаження каналу зв'язку:

Виконання умови (2) визначає необхідність превентивного обмеження інтенсивності сумарного (агрегованого) потоку пакетів, що надходять на мережний вузол, щоб вона не перевищувала пропускну здатність вихідного каналу зв'язку. Надати динамічний характер процесу обслуговування черг в рамках пропонованої моделі можна шляхом введення керуючої змінної xij, під якою малася на увазі частка i-го трафіку, що надходить для обслуговування в j-у чергу.

Згідно з фізичним змістом xij мають місце наступні умови:

Виконання умови (4) гарантує відсутність втрат пакетів на розглянутому мережному вузлі. Умови (5) вводяться для запобігання перевантаження пропускної спроможності канала зв'язку, що виділяється для передачі пакетів тієї чи іншої черги мережного вузла в процесі управління.

За аналогією з моделлю, розглянутої в роботах [13, 14], в якості вектора, що знаходиться виберемо

в ході розрахунку якого вдається забезпечити узгодженість у вирішенні завдань обслуговування черг і динамічного розподілу за ними пропускної здатності вихідного каналу зв'язку.

6.1 Умови запобігання перевантаження черг на вузлі MPLS-мережі

У ході виконання умов (5), зважаючи на випадковий і нестаціонарний характер мережного трафіку на вузлі виникають черги та пов'язані з ними затримки пакетів. Для кожної черги визначається її поточна завантаженість і максимальна ємність. Також умова (5) доповнюється умовами запобігання перевантаження черг по їх довжині.

У загальному вигляді умови, що визначаються будуть мати вигляд:

і завдання тепер зводиться лише до вибору (обгрунтуванню) аналітичного виразу для розрахунку середньої довжини черги в процесі обслуговування.

6.2 Формулювання оптимізаційної задачі з обслуговування черг на вузлі MPLS-мережі з підтримкою Traffic Engineering Queues

У зв'язку з тим, що, у загальному випадку, вибір керуючих змінних xij і bj в рамках обмежень (1), (3), (4) і (7) можна привести безліч випадків, то доцільно задачу, пов'язану з розрахунком вектора (6), сформулювати у вигляді оптимізаційної. Основною вимогою до цільової функції є то, що потрібно вріховувати фізику процесів обслуговування пакетів, які протікають на вузлі (1) – (7), а також відповідність одержуваних рішень принципам концепції Traffic Engineering Queues, що стосуються забезпечення збалансованого завантаження буферних ресурсів. З цією метою вище викладену модель важливо доповнити наступними умовами

де α – верхня динамічно керована межа завантаженості черг на вузлі ТКМ, f (pj) – деяка функція від характеристик j-го потоку.

Саме ці характеристики на практиці впливають на порядок обслуговування пакетів у чергах. Як правило, чим менше довжина пакету, тим "якісніше" обслуговується потік, тому що невеликими пакетами передається трафік реального часу, який дуже чутливий до затримок. Варто відзначити, що потік з вищим пріоритетом має традиційно [12] обслуговуватися краще, ніж трафік з низьким пріоритетом.

В якості функції характеристик потоку можна використовувати наступний вираз:

де v - деякий нормувальний коефіцієнт, який повинен згладжувати відмінність в порядку значень пріоритету і довжини пакету в байтах [9]. Якщо в одній черзі обслуговуються потоки з різними значеннями довжини і (або) пріоритету пакета, то у виразі доцільно використовувати їх усереднені значення.

У разі, якщо кількість формованих черг перевершує число потоків трафіку, то завдання розподілу потоків по чергах стає тривіальним, зважаючи на відсутність дефіциту черг. Тому розмірність вектора, що обчислюється (6) можна значно знизити, тому що змінні xij (i = 1, M ; j = 1, N) розраховувати немає необхідності, а необхідне сбалансування черг можна буде забезпечувати за рахунок обчислення лише значень bj (j = 1, N).

Висновки

Була запропонована модель балансування черг на вузлах MPLS-мережі.  Новизна моделі полягає в тому, що вона на відміну від раніше відомих моделей враховує особливості технології Traffic Engineering Queues, націленої на забезпечення збалансованої завантаженості буферного ресурсу - черг мережного вузла.

 

Важливою особливістю рішення, яке пропонується є те, що балансування в рамках моделі планується здійснювати  з урахуванням пріоритету і довжини, які утворюють ту чи іншу чергу пакетів. Завдання обслуговування черг в загальному випадку було зведено до оптимізаційної задачі змішаного  математичного програмування, пов'язаного з мінімізацією лінійної функції при наявності в т.ч. нелінійних обмежень.  Рішення даної задачі припускає використання добре  апробованих методів рішення – округлення (Rounding-off), послідовної лінеаризації (SLP),  штрафних функцій (Penalty function), множників Лагранжа (Lagrangian relaxation), а також генетичного алгоритму (Genetic algorithm) і різних змішаних методів. Якщо ж недоліку в чергах немає, то розмірність обчислювального вектора (6) істотно знижується,  а сама задача може вирішуватися класичними методами нелінійного програмування.

Подальші дослідження спрямовані на розробку методики балансування трафіку з урахуванням використання технології MPLS і моделей оптимізації.

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 вказаної дати.

Перелік посилань

  1. Семенов Ю. А. Телекоммуникационные технологии. Интернет-университет информационных технологий [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://book.itep.ru/
  2. Бакланов И. Г. NGN: Принципы построения и реализации / И. Г. Бакланов // – М: Эко-Трендз, 2008.
  3. Олифер В. Г. Компьютерные сети. Принципы, технологии, протоколы: учебник для вузов: 3-е изд. / В. Г Олифер., Н. А. Олифер // – СПб.: Питер, 2006.
  4. Олифер В. Г. Искусство оптимизации трафика / В. Г. Олифер, Н. А Олифер // Журнал сетевых решений LAN. – № 12. – 2001.
  5. Зайченко Ю. П. Анализ и оптимизация характеристик сетей MPLS по заданным показателям качества / Ю. П. Зайченко, Ахмед А. М. Шарадка // Вісник національного технічного університету України КПІ сер. Інформатика управління та обчислювальна техніка. Вип. 43, с. 113–123
  6. Будылдина Н. В. Разработка программного обеспечения для оптимизации мультисервисных сетей / Н. В. Будылдина., П. А. Коновалов // Открытое образование, июнь 2006.
  7. Зайцев Д. А. Моделирование телекоммуникационных сетей в системе NS. / Д. А. Зайцев, Т. Н. Шинкарчук // Наукові праці ОНАЗ ім. О. С. Попова. – 2006.– № 2.
  8. Кучерявый Е.А. Управление трафиком и качество обслуживания в сети Интернет / Е.А. Кучерявый // – М.: Наука и Техника. – 2007.– 336 с.
  9. Вегешна Ш. Качество обслуживания в сетях IP / Пер.с англ./ Ш. Вегешна // – М.: Издательский дом «Вильямс». – 2006. – 386 с
  10. Li Y. Panwar S. Liu C.J. On the Performance of MPLS TE Queues for QoS Routing // Simulation series. – 2004. – Vol. 36; part 3. – P. 170–174.
  11. Huerta, M., Padilla, J. J., Hesselbach, X., Fabregat, Ramon, Ravelo O. Buffer Capacity Allocation: A method to QoS support on MPLS networks // Proc. EATIS2006 - Euro American Conference on Telematics and Information Systems, 2006. – P. 14–28.
  12. Справочник по телекоммуникационным технологиям: Пер. с англ. – М.: Издательский дом «Вильямс», 2004.– 640 с.
  13. Лемешко А.В. Потоковая модель управления очередями с динамическим распределением пропускной способности исходящего канала связи / А.В.Лемешко, А.В. Симоненко, Махмуд Ватти // Наукові записки УНДІЗ. – 2008. – №3(5). – С. 34–39.
  14. Симоненко А.В. Модель динамического управления очередями и пропускной способностью канала связи на маршрутизаторах мультисервисной сети / А.В. Симоненко, Хайлан Ахмад, Али Али // Радиотехника: Всеукр. межвед. науч.-техн. сб. – 2008. – Вып. 155. – С. 164–168.