Исследование трафика в сетях MPLS с целью его оптимизации

Содержание

Введение

В эпоху информации связь является одним из наиболее важных инструментов для человечества. Она развивается, модернизируется и проникает во все сферы жизнедеятельности человека, одновременно адаптируясь к ним.

Связь используют различные слои населения и различные организации, исходя из этого все они предъявляют разные требования к ее качеству. Таким образом, современные операторы и провайдеры услуг должны иметь достаточно гибкую и многофункциональную сеть, способную предоставлять необходимые виды и уровни обслуживания, а также разнотипный и приоритетно-дифференцированный трафик. Исходя из этого появляется необходимость внедрения методов оптимизации трафика, которые должны обеспечивать требуемые классы обслуживания для различных типов трафика посредством перераспределения сетевых ресурсов. С внедрением приложений QoS (Quality of Service) в Интернет было разработано много новых сетевых технологий. Так как каналы в сетях связи на транспортном уровне зачастую перегружены, то внедрение и совершенствование такой системы является актуальным в наше время.

Наиболее распространенной из таких систем является технология многопротокольной коммутации по меткам (MPLS), которая используется на транспортном уровне и предоставляет возможность обеспечить высокоэффективную передачу данных с поддержкой технологии QoS (Quality of Service).

Актуальность темы

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.

Связь работы с научными программами, планами, темами Квалификационная работа магистра выполняется на протяжении 2017-2019 гг. согласно с научным направлением кафедры Автоматики и телекоммуникаций Донецкого национального технического университета.

Цель и задачи исследования

Целью работы является поиск путей повышение производительности MPLS сети посредством более эффективного распределения ресурсов пропускной способности магистральных каналов связи между набором заданных путей, а также перераспределения нагрузки в условиях изменения трафика в сети.

Основные задачи исследования

Идея работы

Перераспределение ресурсов в магистральных каналах связи с помощью моделей прогнозирования.

Научная новизна данной работы заключается в предложении усовершенствованной методики моделирования процессов в системах управления телекоммуникационными сетями, а также получении дальнейшего развития систем за счет алгоритмов прогнозирования с использованием механизмов Traffic Engineering.

Объект исследования: cистема эффективного управления пропускной способностью в телекоммуникационных сетях.

Предмет исследования: система оптимизации трафика в сетях MPLS.

Описание технологии MPLS

MPLS (многопротокольная коммутация по меткам) – технология в телекоммуникационной сети высокой производительности, которая осуществляет передачу данных от одного узла сети к другому с помощью меток. Данный механизм выполняет те же основные функции современных сетей передачи данных:

Главным достоинством MPLS является независимость от специфики технологий второго уровня, например, Frame Relay, Ethernet, ATM или SONET/SDH. Также преимуществом данной технологии выступает то, что нет необходимости поддержания нескольких протоколов канального уровня, требуемых для передачи разного типа трафика. При появлении новой технологии, которая будет способна работать на скоростях большего диапазона, MPLS останется той же технологией с теми же функциональными возможностями, но только будет иметь новый формат кадра и поддержку нового уровня скоростей. Данная протокольная независимость пары IP/MPLS обеспечивает ей высокий уровень масштабируемости и гибкости, необходимых при работе на магистрали [1].

На данный момент технология многопротокольной коммутации по меткам (MPLS) считается одной из наиболее перспективных и оптимальных транспортных технологий. Данный механизм объединяет технику виртуальных каналов с функциональностью стека TCP/IP. Это происходит за счет того, что одно и то же сетевое устройство, которое в MPLS называется маршрутизатором, коммутирующим по меткам (Label Switch Router, LSR), выполняет работу и IP-маршрутизатора, и коммутатора виртуальных каналов. При том, что это не механическое объединение двух устройств, а тонкая интеграция, то есть функции каждого устройства используются совместно и дополняют друг друга.

MPLS основан на принципе обмена метками. Любой переданный пакет связан с определенным классом сетевого уровня (FEC), каждый из которых идентифицируется определенной меткой. Значение метки уникально только для участка пути между соседними узлами сети MPLS, которые также известны как маршрутизаторы на основе LSR. Метка добавляется в любой пакет, а способ привязки к пакету зависит от технологии, используемой на канальном уровне. При поступлении пакетов на границу MPLS-домена пограничный маршрутизатор (LER – Label Edge Router) анализирует IP-заголовок и присваивает пакету идентификатор, который называется меткой (label) [2]. Пример MPLS сети и прохождения пакета по сети проиллюстрировано на рисунке 1.

Типовая схема MPLS сети

Рисунок 1 – Типовая схема MPLS сети

Метка также предназначена для определения класса эквивалентного обслуживания FEC (Forwarding Equivalence Class) пакета при его продвижении через MPLS сеть. Обычно стек меток размещается между заголовками канального и сетевого уровней (соответственно L2 и L3). Для примера рассмотрено включение метки в IP-пакет заголовка Ethernet, который изображен на рисунке 2.

Размещение меток в стеке и формат стека меток

Рисунок 2 – Размещение меток в стеке и формат стека меток

При формировании таблицы продвижения пакетов на устройстве LSR, сигнальный протокол создает в сети виртуальные маршруты, которые в технологии MPLS называются путями коммутации по меткам или путями переключения меток (Label Switching Path, LSP). LSP – это однонаправленный канал от входного LSR до выходного, то есть последовательность LSR. Иными словами, это путь, по которому фактически пройдёт пакет по сети MPLS. Пути LSP в MPLS устанавливаются заранее на основе топологии сети, в соответствии с маршрутами для IP-трафика и работой протоколов маршрутизации.

LER выполняет следующую важную функцию: направление входящего трафика в один из выходных путей LSP. Для её реализации в MPLS введено такое понятие, как класс эквивалентности продвижения FEC (Forwarding Equivalence Class), которое является одним из самых важных. Все пакеты, принадлежащие к данному классу, продвигаются через MPLS-сеть по одному виртуальному пути LSP. В устройстве LER существует база данных классов FEC, в которой каждый класс описывается набором элементов, а каждый элемент описывает признаки, на основании которых входной пакет относят к тому или иному классу. В простейшем случае идентификатором класса является адресный префикс назначения (грубо говоря, IP-адрес или подсеть назначения). Например, есть потоки трафика от разных клиентов и разных приложений, которые идут все на один адрес – все эти потоки принадлежат одному классу, одному FEC и используют один LSP. Если взять другие потоки от других клиентов и приложений на другой адрес назначения – это будет соответственно другой класс и другой LSP [3].

После того, как пакет прикреплён к определенному классу FEC его необходимо связать с имеющимся путём LSP. Для достижения этой цели LER использует таблицу отражение класса FEC на следующий хоп FTN (FEC То Next hop). С помощью данной таблицы каждому поступающему пакету назначается соответствующая метка, после чего этот пакет становится невидимым в домене MPLS от других пакетов того же класса FEC, все они продвигаются по одному и тому же пути внутри домена.

Принцип работы технологии MPLS изображён на рисунке 3.

Анимация MPLS сети

Рисунок 3 – Принцип передачи трафика в MPLS сети.
(анимация: 36 кадров, задержка между кадрами 0,3 сек, 149 кб )

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

Также одним из преимуществ технологии MPLS является способность сети курировать трафиком. Поддержка функции управления трафиком дает возможность манипулировать прохождением данных по сети таким образом, чтобы можно было реализовывать новые виды услуг. Таким образом, главная особенность MPLS – отделение процесса коммутации пакета от анализа IP-адресов в его заголовке, что открывает ряд привлекательных возможностей.[4]

Оптимизация трафика

Проектирование сетей передачи данных должно осуществляться с учетом необходимых методов оптимизации, позволяющих наиболее эффективно использовать данную инфраструктуру.

Исходя из этого, при построении сетей передачи данных, наиболее важная задача состоит в оптимизации трафика и выборе алгоритмов маршрутизации, которые должны обеспечивать производительность сети и ее адаптацию к изменениям трафика, без необходимости изменения топологии сети и увеличения пропускной способности каналов. Для достижения этой используются различные средства [5]:

Оптимизация – процесс выбора наилучшего варианта из нескольких возможных. Методы оптимизации в сети с многопротокольной коммутацией по меткам (MPLS), как и в любой другой, представляют собой распределение пропускной способности между набором заданных путей с коммутацией по меткам (LSP) и преобразование их в физическую сеть трактов с ограничением производительности. Оптимизация также предусматривает для защиты обслуживания установление порогов производительности трактов при использовании определенной схемы резервирования пропускной способности. Защита обслуживания выполняет функцию контроля за качеством обслуживания (QoS), предложенной для конкретных типов обслуживания за счет ограничения пропускной способности или установления приоритета доступа одного типа трафика над другим. Данные методы служат:

Для дальнейшей оптимизации сети MPLS рассмотрены и проанализированы основные группы этих методов.

Группа аналитических методов оптимизации включает в себя метод множителей Лагранжа, аналитический поиск экстремума функции, вариационные методы и принцип максимума. С помощью метода максимального потока (минимального разреза) можно определить множество рёбер, при удалении которых сеть разделится на две свободные части. Пропускная способность этих ребер является ограничением объема трафика между этими двумя частями сети.

Существуют следующие методы математического программирования:

Динамическое программирование является эффективным способом решения задач оптимизации многостадийных процессов. Суть данного метода состоит в разделении анализируемого процесса на стадии (во времени и пространстве). Рассмотрение задачи начинается с последней стадии процесса, и оптимальный режим определяется поэтапно.

Методы нелинейного программирования включают в себя различные способы решения оптимальных задач: градиентные, безградиентные и случайного поиска. Общим для данных методов является то, что это численные методы поискового типа. Основная их задача в определении набора независимых переменных, дающих наибольшее приращение оптимизируемой функции. Также все методы нелинейного программирования используют при решении задач с нелинейными критериями оптимальности.

Для решения оптимизационных задач с линейными ограничениями на область изменения переменных и линейными выражениями для критерия оптимальности используется метод линейного программирования. Подобные задачи решаются итерационными способами. Одним из способов реализации линейного программирования является симплекс-алгоритм, который практически всегда, за исключением некоторых случаев, может найти оптимальное решение. Данный алгоритм основан на полном переборе возможных вариантов решения задачи.

Оптимизация трафика – одна из основных характеристик и преимуществ сети MPLS. Она предусматривает обеспечение эффективного использования доступной пропускной способности сети. Каждому методу оптимизации свойственны определенные цели и критерии, за счет которых достигаются необходимые результаты, которые должны удовлетворять имеющимся граничным условиям. В сетях MPLS задачей оптимизации является поиск некоторого оптимального пути LSP, который гарантирует достижение максимальной пропускной способности сети при соблюдении требований по качеству обслуживания (QoS).

Таким образом, проблема оптимизации состоит в нахождении таких путей, которые обеспечивают оптимальное распределение нагрузки всех требований по распределению потоков заданной трафик-матрицы. Полученный путь LSP, который удовлетворяет всем граничным условиям, называется допустимым. При этом сумма всех требований на распределение потоков на отдельно взятом ребре не должна превышать его пропускной способности. Так как задержка сильно зависит от числа прыжков (Hops), то необходимо, по возможности, ограничивать длину пути.

Traffic Engineering (TE)

Traffic Engineering (TE) – это управление прохождением трафика по сети для того, чтобы выполнить определенные условия: распределение нагрузки сети, резервирование каналов, предотвращение перегрузок, балансировка. Обычные протоколы маршрутизации, например, OSPF, IGP, IS-IS, не оказывают необходимые способности по управлению трафиком на базе метрик, создающих сеть, поэтому все чаще используют технологию TE [6].

Технология MPLS также поддерживает методы инжиниринга трафика. В этом случае используются модифицированные протоколы сигнализации и маршрутизации, содержащие приставку ТЕ (Traffic Engineering – инжиниринг трафика). В общем данный вариант MPLS получил название MPLS ТЕ.

Существуют следующие механизмы Traffic engineering в MPLS:

В технологии MPLS TE информация про найденный рациональный путь используется полностью – то есть запоминается не только первый транзитный узел, как в основном режиме маршрутизации IP, а все промежуточные узлы пути вместе с начальным и конечным, то есть маршрутизация производится от источника. Поэтому достаточно, чтобы поиском ТЕ-туннелей занимались только пограничные LSR сети, а внутренние – только поставляли им информацию о текущем состоянии сети, которая необходима для принятия решений[7].

После нахождения пути, независимо от того, найденный он был пограничным LSR или внешней системой, его необходимо установить. Для этого в MPLS TE используется специальный протокол сигнализации, который умеет распространять по сети информацию про явный (explicit) маршрут. В данный момент в MPLS TE используется два таких протокола: RSVP с расширением и CR-LDP. Сообщения этих протоколов передаются от одного узла сети к другому соответственно данным о IP-адресах маршрута. MPLS поддерживает два типа явных путей:

На рис. 4 представлены оба типа туннелей.

Два типа TE-туннелей в технологии MPLS

Рисунок 4 – Два типа TE-туннелей в технологии MPLS

Туннель 1 является примером строгого туннеля, при задании которого внешняя система указала начальный, конечный узлы туннеля, а также все промежуточные узлы, то есть последовательность ІР-адресов для устройств LER1, LSR1, LSR2, LSR3, LER3. Таким образом, решена задача инжиниринга трафика за счёт выбора пути с достаточной неиспользуемой пропускной способностью.

При установлении туннеля 2 (свободного) задается только начальный и конечный узлы, то есть устройства LER5 и LER2. Промежуточные устройства LSR4 и LSR2 находятся автоматически начальным узлом туннеля 2, то есть устройством LER5, а затем с помощью сигнального протокола устройство LER5 сообщает этим и конечному устройствам о необходимости прокладки туннеля.

Однако само по себе формирование в MPLS-сети ТЕ-туннеля еще не означает передачи по нему трафика. Это означает только то, что в данной сети действительно существует возможность передачи трафика по туннелю со средней скоростью, которая не должна превышать зарезервированное значение. Для того чтобы данные были переданы по туннелю, необходимо выполнить еще одну процедуру – задание для начального маршрутизатора туннеля условий, которые определяют, какие именно пакеты должны передаваться по туннелю. Условия могут быть чрезвычайно разнообразными, так, в качестве признаков агрегированного потока, который должен передаваться по туннелю, могут выступать все традиционные признаки: IР-адрес назначения и источника, тип протокола, номера TCP – и UDP-портов, номер интерфейса входящего трафика, значения приоритета в протоколах DSCP и IP и т. д.

Кроме концепции управления трафиком (ТЕ) другим важным достоинством использования MPLS представляется защита трафика и ее отказоустойчивость. В IP-сетях информация о неисправности передается при помощи протокола IGP через всю сеть. После сходимости IGP можно рассчитать новые более короткие пути и неисправность будет устранена. Ошибка в планировании трафика может привести сеть к перегрузке.

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 [11].

Преимущества технологии MPLS

Протоколы MPLS: LDP и RSVP

Протокол LDP является протоколом прикладного уровня, использующим в качестве транспортных протоколов для связи с другими LSR, которые могут стать его одноранговыми узлами, как протокол UDP, так и протокол TCP (рисунок 5). В частности, транс-портный протокол UDP используется LSR для передачи сообщений обнаружения, информирующих другие LSR о том, что данный LSR является потенциальным кандидатом на роль однорангового узла LDP, а транспортный протокол TCP используется для передачи всех других сообщений, в частности, сообщений Открытие, Сеанс, Извещение и Уведомление, которым требуется механизм надежной и своевременной их доставки, что и обеспечивает TCP.

LDP как протокол прикладного уровня

Рисунок 5 – LDP как протокол прикладного уровня

Главным образом LDP предназначен для дублирования деревьев маршрутизации до получателя, которые IP использует для целей доставки пакетов. LDP преобразует эти деревья в деревья коммутации меток. OSPF, RIP и IS-IS вычисляют и распространяют дерево выбора кратчайшего пути (Shortest Path First, SPF) до данного адресата от любого источника. Как бы это дерево ни вычислялось, оно копируется LDP, и протокол выделяет метку для канала до данного адресата. Эта процедура повторяется для каждого канала в дереве SPF. В точках дерева, где ветви сходятся, метки объединяются.

Протокол RSVP используется ЭВМ для того, чтобы запросить для приложения определенный уровень качества сетевых услуг QoS (Quality of Service, например, определенный уровень полосы пропускания). RSVP используется также маршрутизаторами для доставки QOS-запросов всем узлам вдоль пути информационного потока, а также для установки и поддержания необходимого уровня услуг. RSVP-запросы обеспечивают резервирование определенных сетевых ресурсов, которые нужны, чтобы обеспечить конкретный уровень QOS вдоль всего маршрута транспортировки данных. Функция этого протокола крайне важна и многообразна, именно по этой причине это один из самых сложных протоколов.

Протокол RSVP обеспечивает интегрированный стиль резервирования сетевых ресурсов (IntServ). Управление трафиком в Int-Serv реализуется с помощью трех компонентов: планировщика пакетов, классификатора и обработчика запросов на резервирование. Планировщик пакетов отвечает за отправку пакетов в соответствии с их приоритетами. Для этого он может, например, использовать набор очередей, а также любые другие механизмы. Задача классификатора – определить, какой уровень обслуживания нужен каждому пакету, поступающей в маршрутизатор. Обработчик запросов на резервирование принимает решение о возможности или невозможности удовлетворения того или иного запроса на резервирование и, в случае, если резервирование возможно, выполняет необходимые действия. Для передачи запросов на резервирование в IntServ применяется специальный протокол RSVP (Reservation Protocol) [9].

Выводы

Полоса пропускания является наиболее важным ресурсом современных технологий. Использование механизмов TE позволяет более эффективно использовать канальный ресурс, а также оптимизировать трафик в сетях MPLS. Задачи, ориентированные на оптимизацию трафика, направлены на улучшение качества обслуживания (QoS) информационных сетей. Таким образом, центральной функцией оптимизации трафика является эффективное управление пропускной способностью сети. Это приводит к удовлетворению требований QoS, тем самым обеспечивает заданное качество услуг, предоставляемое пользователям.


При написании данного реферата магистерская работа еще не завершена. Окончательное завершение: июнь 2019 года. Полный текст работы и материалы по теме могут быть получены у автора или его руководителя после указанной даты.

Список источников

  1. Воробиенко П.П. Телекоммуникационные и информационные сети: Учебник для высших учебных заведений / П.П. Воробиенко, Л.А. Никитюк, П.И. Резниченко – К: САММИТ-КНИГА, 2010. – 640 с.
  2. Семенов Ю.А. Telecommunication technologies – телекоммуникационные технологии [Электронный ресурс] – Режим доступа к статье: http://book.itep.ru/
  3. Гольдштейн А.Б. Проблемы перехода к мультисервисным сетям (Статья) // Журнал Вестник связи. – М., 2002. – №12.
  4. Сподах К.М. Глобальные сети [Электронный ресурс] – Режим доступа к статье: http://revolution.allbest.ru/...
  5. Будылдина Н.В. Телекоммуникационные сети с многопротокольной коммутацией по меткам. Построение и оптимизация. Монография / Н.В. Будылдина, В.П. Шувалов – М.: УрТИСИ ГОУ ВПО СибГУТИ, 2005. – 264 с.
  6. Олифер В.Г. Компьютерные сети. Принципы, технологии, протоколы: Учебник для вузов 3-е изд. / В.Г. Олифер, Н.А. Олифер – СПб: Питер, 2008 – 958 с.
  7. Гольдштейн А. Б. Механизм эффективного туннелирования в сети MPLS. Вестник связи. – №2 – 2004.
  8. В. Олвейн Структура и реализация современной технологии MPLS. Пер.с англ. – Издательский дом Вильяме. Москва-Санкт-Петербург-Киев, 2004. – 67 с.
  9. Семенов Ю.А. Протокол резервирования ресурсов RSVP [Электронный ресурс] – Режим доступа: http://book.itep.ru/...
  10. Зайченко Ю.П. Структура и оптимизация сетей ЭВМ / Ю.П. Зайченко, Ю.В. Гонта – Киев: Техника, 1986. – 168 с.
  11. Базовые сервисы технологии MPLS [Электронный ресурс] – Режим доступа к статье: http://www.rublin.org.ua/...
  12. Сети для самых маленьких. Часть десятая. Базовый MPLS [Электронный ресурс] – Режим доступа: http://linkmeup.ru/...
  13. Лассерре М. Межсоединение локальных сетей посредством MPLS / Журнал сетевых решений LAN. № 1. – январь 2004.
  14. Кучерявый Е.А. Управление трафиком и качество обслуживания в сети Интернет / Е.А. Кучерявый. – Санкт–Петербург: Наука и техника, – 2004. – 336 с.
  15. Fortz В. Optimizing OSPF/IS-IS Weights in a Changing World / В. Fortz, Thorup M. – IEEE Journal on Selected Areas in Communications, Vol. 20, No. 4, May 2006.
  16. Вишневский В.М. Математические модели исследования алгоритмов маршрутизации в сетях передачи данных. Информационные процессы / В.М. Вишневский, Е.В. Ливнер, Е.В. Федотов – Том 1, №2, 2001.
  17. Garcia J.M. Optimal LSP Placement with QoS Constraints in DiffServ/MPLS Networks/ITC 18 / Garcia J.M., Rachdi A., Brun O. Charzinski J., Lehnert R., and Tran-Gia P. (Editors), Elsevier Science B.V., 2013.
  18. Дешко И.П. Возможности технологии MPLS для построения масштабируемых телекоммуникационных сетей нового поколения. Вопросы кибернетики. Устройство и системы: межвузов. сб. научн.тр.. / И.П. Дешко, А.В. Кириченок, В.Н. Серегин – Моск. Гос. Ин-т радиотехники, электроники и автоматики (технический университет). – М., 2013. – с.27-31.
  19. Hoebeke R. MPLS: Adding Value to Networking. Alcatel Telecommunication Review / R. Hoebeke, M. Aissaoui, T. Nguyen – З Quarter 2012.
  20. Xiao X. Traffic Engineering with MPLS in the Internet / X. Xiao, A. Hannan, В. Bailey, Ni L. – IEEE Network, March/April 2010.
  21. Donner A. An MPLS Networking Concept for Satellite Constellations. ITC18 / Donner A., Beriolo M., Charzinski J., Werner M., Lehnert R. and Tran-Gia P. (Editors), Elsevier Science B.V., 2013
  22. Zhou B. Formulation of the Traffic Engineering Problems in MPLS Based IP Networks / B. Zhou, J. Hu and M. K. Girish – Proceedings ISCC 2000. Fifth IEEE Symposium on Computers and Communications(ISCC), Antibes, France, 2000, pp. 214.
  23. Cerav-Erbas S.K. Traffic engineering in MPLS networks with multiple objectives: modeling and optimization, Industrial and Systems Engineering, Manisa, Turkei. – 2004.