Авраменко Я.В.
Донецький національний технічний університет, Україна
Моделювання процесів управління трафіком
в MPLS мережах
Комп'ютерні мережі на базі стека
протоколів TCP / IP міцно зайняли лідируючі позиції в сфері передачі даних.
Через них здійснюється передача як текстової та гіпертекстової, так і аудіо-,
відео- та мультимедіа інформації. Вони являють собою мережі з комутацією
пакетів. Все навантаження, що надходить (трафік), ділиться на пакети і
пересилається від джерела до одержувача. Від маршрутів проходження потоків
трафіку залежать рівні завантажень пристроїв, що маршрутизують і каналів, що
має безпосередній вплив на ефективність використання мережі. Для забезпечення
можливості більш ефективного використання мережевих ресурсів, в експлуатаційній
практиці застосовується технологія так званої інженерії трафіку ( Traffic
Engineering, ТE).
Інженерія трафіку – це процес
вибору раціональних шляхів проходження трафіку через мережу, де раціональність
розуміється як досягнення збалансованого завантаження всіх ресурсів мережі в
умовах дотримання всіх вимог до якості обслуговування.
Визначення динамічних параметрів
мережі MPLS базується на використанні імітаційної моделі,
що повторює топологічну структуру складної транспортної багаторівневої мережі,
та має різні типи каналів зв’язку за ознакою пропускної здатності. В загальному
випадку динамічному опису можуть піддаватися наступні параметри:
-
затримка;
-
джитер затримки;
-
величина втрат;
-
надійність
мережних елементів;
-
продуктивність
мережі.
Мережа MPLS на даний момент вважається однією з найбільш сучасних
видів транспортних мереж. Інженерія трафіку в мережах MPLS – це набір засобів, які дозволяють впливати на динамічні
характеристики мережі під час її роботи.
Основна задача політики QoS полягає в забезпеченні вимог та параметрів
трафіка різноманітних служб.
В якості об’єкту дослідження
виступає крупний оператор зв’язку Російської Федерації ВАТ «Ростелеком», який
має власну потужну магістральну мережу зв'язку, що охоплює практично всю
територію Росії та практично відповідає сучасним ринковим умовам. Загальна
довжина транспортної мережі становить майже 160 тисяч кілометрів, при цьому
рівень цифровізації мережі за критерієм канало-кілометр становить 95%. Загальне
число точок доступу – понад 350. Основу мережі становлять сучасні оптично
волоконні лінії зв'язку (ВОЛЗ) «Москва-Новоросійськ», «Москва-Хабаровськ» і
«Москва-Санкт-Петербург».
Структурно транспортні мережі
складаються з двох великих груп устаткування: 1) лінії зв’язку; 2) каналоутворююче
обладнання.
Лінії зв’язку представляють собою
фізичне середовище розповсюдження сигналів. До них відноситься як середовище
розповсюдження (мідні лінії, оптично волоконні, радіорелейні лінії, коаксіальні
кабелі, хвильоводи), так і пасивні компоненти – роз’ємні та нероз’ємні з’єднання,
патч-панелі, розетки та рознімання. До групи каналоутворюючого устаткування
відносяться активні пристрої транспортних мереж – мультиплексори,
маршрутизатори, медіа-конвертори.
Обидві групи устаткування істотно
впливають на динаміку транспортної мережі, а саме на затримку.
Проблеми маршрутизації присутні в мережах будь-якого типу – як у мережах комутації пакетів і повідомлень (Х.25, Frame Relay), так і в цифрових мережах комутації каналів (Digital Leased Lines), реалізованих на основі стандартів PDH/SDH/SONET. У традиційних мережах IP, в загальному випадку, маршрутизація пакетів здійснюється на основі IP адреси призначення (destination IP address). Кожен маршрутизатор у мережі має інформацією про те, через який інтерфейс і якому сусідові необхідно перенаправляти прийшов IP-пакет. Мультипротокольна комутація по мітках пропонує дещо інший підхід. Кожному IP-пакету призначається якась мітка. Маршрутизатор приймають рішення про передачу пакета наступного пристрою на підставі значення мітки. Мітка додається у складі MPLS заголовка, який додається між заголовком кадру (другий рівень OSI) і заголовком пакету (третій рівень моделі OSI).
Рисунок 1 –
Місце MPLS заголовка в кадрі.
Розглянувши схему маршрутизатора/комутатора MPLS, його можна
розділити на дві умовні частини за напрямками потоків передачі даних:
-
від вхідного потоку порту мережі 1 (Nw1 in) до вихідного потоку порту мережі 2 (Nw2 out);
-
від вхідного потоку порту глобальної мережі (Nw2 in) до
вихідного потоку порту локальної мережі (Nw1 out).
Вхідний і вихідний потоки даних маршрутизатора буферизуються інтерфейсами, які оснащені буферною
пам'яттю. У буферах відбувається побудова черги пакетів. Керують чергою
спеціальні алгоритми, які визначають послідовність приміщення пакета в чергу та
його вилучення його з неї. В деяких випадках, на одному інтерфейсі може бути
створено декілька черг з різними пріоритетами обслуговування.
Блок комутації/маршрутизації, на основі інформації, що знаходиться в
заголовку пакета, ухвалює рішення щодо перенаправлення пакета у відповідний
інтерфейс, або видалення (відкидання) пакета у випадку розбіжності контрольної
суми, або неможливості визначити вихідний інтерфейс.
Для визначення затримки в мережі
використаємо модель, яку запропоновано в роботі [2]. Розробимо її реалізацію на мові програмування Perl, від повідно до топології мережі ВАТ «Ростелеком».
Основний динамічний параметр, який будемо досліджувати – це середня затримка доставки повідомлення. Також оберемо наступні додаткові параметри: максимальний рівень перевантаження каналів зв’язку ρ; рівні навантаження на мережу загальний нерозподілений γ(1) та той, що обслуговується при існуючому розподілу найкоротших шляхів γ(2).
В експерименті №1 приймемо пропускну здатність волоконо-оптичних ліній на рівні 10 Гбіт/с, в експерименті №5 – умовно 1 Тбіт/с, це дозволить визначити рівень навантаження каналів без його перерозподілу.
Отримані результати моделювання: середня затримка доставки та рівень перевантаження мережі наведено на рисунках 2 та 3.
А) Середня затримка доставки Б) Перевантаження каналів
Рисунок 2 – Результати моделювання експеримент №1
А) Середня затримка доставки Б) Перевантаження каналів
Рисунок 3 – Результати моделювання експеримент №5
Експеримент №1
Графіки часу затримки та перевантаження мережі свідчать, що система знаходиться у стані значного перевантаження. Майже весь потік трафіку затримується у чергах маршрутизаторів та час затримки постійно змінюється, мережа працює вкрай не стабільно.
Експеримент №5
В цьому експерименті встановлені вкрай високі пропускні здатності каналів зв’язку, тому ніякого перевантаження не спостерігається, час затримки плавно знизився до мінімального рівня за рахунок рівномірного розподілу навантаження каналами зв’язку. Перевантаження мережі не спостерігається зовсім.
В роботі виконано моделювання роботи транспортної мережі та проведено аналіз результатів. Як свідчать отримані дані, результати моделювання повністю збігаються з очікуваними. Це вказує, що алгоритм моделювання реалізовано коректно та розроблену реалізацію можливо використовувати у подальших дослідженнях.
Для покращення якості обслуговування в існуючій мережі потрібно суттєво підвищити пропускну здатність каналів зв’язку. Це можливо без прокладання додаткових ліній за умови використання технології TE MPLS . Потрібно відстежити найбільш навантажені лінії за допомогою моделювання мережі та провести впровадження LSP тунелів.
Литература:
- А.Ретана, Д.Слайс, Р.Уайт. Принципи проектирования корпоративних IP-сетей. "Вильямс", 2002. - 368 с.ил
- Теоретические основи проектирования компьютерних сетей Вишневский В.М. ISBN: 5-94836-011-3 - Техносфера, Москва, 2003 - 512
- Шварц Р., Фой Б., Феникс Т. "Perl изучаем глубже" .- 2-е изд. - М., Символ .- 2007 - 320 с.