Автореферат - Кафедра сетей связи и передачи данных

На правах рукописи
ГАЛКИН
Анатолий Михайлович
Исследование вероятностновременных характеристик и
протоколов построения маршрутов в
сетях Metro Ethernet
05.13.13
Телекоммуникационные системы и компьютерные сети
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание ученой степени
кандидата технических наук
САНКТ-ПЕТЕРБУРГ
2008
1
Работа выполнена в Санкт-Петербургском государственном университете
телекоммуникаций им. проф. М.А. Бонч-Бруевича.
Научный руководитель:
доктор технических наук, профессор
Г.Г. Яновский
Официальные оппоненты:
доктор технических наук, профессор
В.А. Зеленцов
кандидат технических наук
А.Б. Гольдштейн
Ведущая организация:
ФГУП «ЛОНИИС»
Защита состоится «___»___________2008 г. в _____часов на заседании
диссертационного
совета
Д219.004.02
при
Санкт-Петербургском
государственном университете телекоммуникаций им. проф. М.А. БончБруевича по адресу: 191186, Санкт-Петербург, наб. р. Мойки, 61, ауд. 205.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке университета.
Отзыв на автореферат, заверенный печатью учреждения, просим
высылать по вышеуказанному адресу на имя секретаря диссертационного
Совета.
Автореферат разослан «___»_____________2008 г.
Ученый секретарь диссертационного совета
2
В.Х. Харитонов
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность работы.
Согласно принципам построения сетей следующего поколения (Next Generation Network - NGN) в качестве технологической базы построения
транспортного уровня NGN предполагается использование мультисервисных
технологий на основе коммутации пакетов, которые должны обеспечивать
необходимый уровень качества обслуживания.
В рамках развития NGN как сети связи общего пользования решаются
следующие задачи: плавный переход к единой транспортной технологии для
переноса разных типов трафика (данные, речь, видео), предоставление новых
возможностей в области развития услуг связи, построение простой и
эффективной единой сети для всех видов приложений и активное развитие
новых видов услуг связи.
Вопросы построения мультисервисных сетей активно исследуются в
работах известных отечественных и зарубежных авторов (Б.С. Гольдштейн, А.Е
Кучерявый, А.Н. Назаров, М.Н. Петров, Н.А Соколов, С.Н. Степанов, М.А.
Шнепс-Шнеппе, Г.Г. Яновский, U. Black, J. Davidson, S. Fisher, J.M. Garcia, D.
McDysan, D. Minoli, F.A. Tobagi).
Несмотря на большое число работ по теоретическим основам и
практической реализации NGN, появившихся в последние пять лет, ряд
вопросов остается открытым. К их числу следует отнести проблемы
исследования вероятностно-временных характеристик мультисервисных
транспортных сетей с учетом свойств самоподобия трафика, передачи
мультикастового трафика на канальном уровне, создания технологии на базе
коммутации пакетов на транспортном уровне сети следующего поколения,
обладающей всеми атрибутами операторских сетей.
В последние годы в сетях класса Metro и территориально распределенных
сетях получила признание технология Ethernet. Вместе с тем в классических
сетях Ethernet вопросы, связанные с обеспечением качества обслуживания
(QoS) практически не рассматривались. Исследования, проводящиеся в
диссертационной работе, решают несколько актуальных проблем внедрения
таких сетей на базе концепции Metro Ethernet. Среди них необходимо отметить
анализ вероятностно-временных характеристик (ВВХ) трафика в этих сетях с
учетом свойств самоподобия трафика и синтез протоколов построения
маршрутов в городских сетях класса Metro, которые обеспечивают
балансировку нагрузки сети.
Цели и задачи исследования.
Целью диссертационной работы является анализ вероятностно-временных
характеристик трафика в городских сетях Metro Ethernet и исследование
протоколов построения маршрутов в этих сетях.
3
Для достижения поставленных целей в диссертационной работе
исследуются две группы вопросов. В состав первой группы входят следующие
задачи:
 введение количественной меры справедливого распределения сетевых
ресурсов и исследование свойств коэффициента справедливости;
 решение задачи справедливого распределения пропускной способности
между
потоками,
переносящими
трафик,
характерный
для
мультисервисных сетей;
 решение задачи определения ВВХ для потоков в сети Metro Ethernet;
Вторую группу проблем составляют задачи, связанные с построением
маршрутов в сетях Metro Ethernet. Здесь рассматриваются следующие задачи:
 анализ недостатков классических протоколов покрывающих деревьев;
 разработка нового механизма выбора маршрута, основанного на
управлении трафиком;
 разработка метода выбора корня дерева для передачи мультикастового
трафика.
Методы исследования. Проводимые исследования базируются на теории
графов, теории вероятностей, теории массового обслуживания, теории
фрактальных процессов и методах имитационного моделирования. Для
численного анализа используется программный математический пакет Mathcad
14. Имитационное моделирование выполняется с помощью открытого пакета
моделирования сетей ns2.
Научная новизна результатов. Основные результаты диссертации,
обладающие научной новизной:
 на базе предложенной меры справедливости разработан метод оценки
справедливого распределения ресурсов в сетях Metro Ethernet;
 определены вероятностно-временные характеристики в сетях Metro
Ethernet на базе предложенной оценки справедливого распределения
ресурсов;
 рассчитан коэффициент справедливости распределения ресурсов для
трафика, описываемого медленно затухающими законами распределения;
 проведена систематизация недостатков применения классических
протоколов покрывающих деревьев в технологии Ethernet, применяемой в
сетях класса Metro;
 разработан механизм построения маршрутов в сетях Metro Ethernet,
основанный на управлении трафиком;
 предложен метод выбора корня покрывающего дерева, позволяющий
уменьшить задержки протокольных блоков мультикастовых приложений.
Практическая ценность. Основными практическими результатами
диссертационной работы является получение оценок для расчета потерь и
задержек в сетях Metro Ethernet при использовании коэффициента
справедливости, и разработка метода синтеза протоколов построения
маршрутов в городских сетях Metro Ethernet.
4
Использование результатов работы позволяют рассчитывать нагрузку для
мультисервисного трафика на этапе проектирования сетей Metro Ethernet.
Результаты работы могут быть использованы при эксплуатации сетей для сетей
Metro Ethernet и на этапе создания оборудования коммутаторов Ethernet. Также
результаты работы могут быть использованы в учебном процессе СПбГУТ им.
Проф. М.А. Бонч-Бруевича.
Реализация результатов работы. Основные результаты диссертационной
работы использованы в разработках ОАО «Гипросвязь СПб» и в учебном
процессе СПбГУТ им. проф. М.А. Бонч-Бруевича, что подтверждается
соответствующими актами внедрения.
Апробация работы и публикации. Результаты диссертационной работы
докладывались и обсуждались на международных конференциях: JASS’2005
«IEEE Russia Northwest section» (St-Petersburg, 2005), New2an 2006 (StPetersburg, 2006), New2an 2007 (St-Petersburg, 2006) а также на научнотехнических конференциях и семинарах СПбГУТ им проф. М.А. БончБруевича.
Всего по теме диссертации опубликовано 10 печатных работ, которые
включают в себя 9 статьей и одно учебное пособие. Из них 3 статьи были
опубликованы в изданиях, рекомендуемых ВАК РФ.
Основные положения, выносимые на защиту:
1. решение
задачи
справедливого
распределения
пропускной
способности между потоками, переносящими трафик, характерный
для мультисервисных сетей;
2. разработка моделей оценки показателей QoS (потерь и задержек), для
сетей Metro с учетом свойств самоподобия трафика;
3. разработка нового механизма выбора маршрута в сетях Metro Ethernet,
основанного на управлении трафиком;
4. разработка метода выбора корня покрывающего дерева, позволяющего
уменьшить задержки протокольных блоков мультикастовых
приложений.
Личный вклад автора. Основные результаты теоретических и
прикладных исследований получены автором самостоятельно. В большинстве
работ, опубликованных в соавторстве, соискателю принадлежит основная роль
при постановке и решении задач и обобщении полученных результатов.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, трех глав,
заключения и списка литературы. Работа содержит 147 страниц текста, 44
рисунка, 10 таблиц, 62 формулы.
ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во
введении
обоснована
актуальность
темы
исследования,
сформулированы цели и задачи работы, перечислены результаты, полученные в
диссертации, определены практическая ценность и области применения
5
результатов, приведены сведения по апробации работы и представлены
основные положения, выносимые на защиту.
В первой главе диссертационной работы проведен обзор современного
состояния мультисервисных транспортных сетей на базе концепции Metro
Ethernet, а также проведен анализ протоколов построения маршрутов в сетях
Metro Ethernet.
За развитие стандартов Metro Ethernet, определяемых как сети
операторского класса (Carrier Ethernet) отвечает Metro Ethernet Forum (MEF).
Городская сеть класса Metro может быть реализована на базе различных
технологий нижних уровней: SDH, АТМ, MPLS, RPR, Ethernet. Стек
протоколов для нижних уровней при развертывании сети, предоставляющей
услуги Metro Ethernet, показан на Рис. 1.
IP
Механизмы, поддерживающие
услуги Metro Ethernet
RPR
MPLS/АТМ/FR
SDH/SONET
Ethernet
Оптический физический уровень (DWDM)
Рис. 1. Иерархия Metro Ethernet
Наиболее эффективным методом с точки зрения капитальных вложений
для вновь разворачиваемых городских сетей является построение сети на
основе Ethernet-коммутаторов, соединенных оптическими линиями связи,
поскольку сегодня решения на базе Ethernet являются наиболее дешевыми
среди других технологий, представленных.
Для возможности использования Metro Ethernet в качестве транспортного
слоя NGN сеть должна обладать атрибутами, характерными для операторских
сетей:
 гарантированные показатели QoS в транспортном домене для различных
типов трафика;
 восстанавливаемость сети после отказа за определенное время;
 управление услугами на уровне сетей операторского класса;
 масштабируемость;
 поддержка цифровых каналов путем эмуляции.
В диссертационной работе мы рассматриваем две первые проблемы
применительно к сетям Metro, использующим коммутаторы Ethernet, поскольку
остальные вопросы можно считать практически решенными.
Обеспечение гарантированного качества обслуживания зависит от многих
факторов, в том числе таких, как модель обслуживания, определяющая
принципы распределения сетевых ресурсов. В сетях Metro Ethernet эта задача
6
осложняется присутствием трафика, описываемого медленно затухающими
законами распределения. Вопросы обеспечения гарантированного качества
обслуживания в сетях Metro Ethernet рассматриваются во второй главе.
Технологические решения для сетей Metro Ethernet, обеспечивающие
восстанавливаемость после отказов, связаны со схемами построения маршрутов
на основе семейства протоколов STP (Spanning Tree Protocol): STP, RSTP (Rapid
Spanning Tree Protocol), MSTP (Multiple Spanning Tree Protocol).
Семейство классических протоколов обладает рядом недостатков:
 большое время сходимости;
 неэффективное использование ресурсов;
 отсутствие поддержки параметров QoS.
Задачи улучшения классических протоколов построения маршрутов для
сетей второго уровня решаются в третьей главе.
Вторая глава посвящена решению задачи количественной оценки
справедливости распределения ресурсов в сетях Metro Ethernet и анализу
моделей трафика с учетом свойств самоподобия в таких сетях.
В 80-х годах прошлого столетия было введено понятие справедливости
распределения ресурсов. В распределенных системах справедливое
распределение или равнодоступность ресурсов является одним из основых
вопросов. В работах M. Gerla, R.G. Gallager, K. Bharath-Kumar и других авторов
были предложены качественные оценки справедливого распределения
ресурсов. Предложенные алгоритмы различают справедливое и несправедливое
распределение ресурсов. Однако они не дают возможности оценить
справедливость определенного распределения ресурсов. В более поздних
работах ( M. Gerla, S. Lam, J. Wong, R. Jain) были предложены количественные
оценки справедливости (табл.1).
Оценка
Дисперсия
[Wong]
Коэффициент
вариации
[Lam]
Отношение
min/max
[Gerla]
Коэффициент
справедливости
[Jain]
Независимость
от шкалы
нет
есть
есть
есть
Нормированность
в [0;1]
нет
нет
есть
есть
Целостность
есть
есть
нет
есть
Параметр
Табл. 1. Сравнение количественных мер справедливости
Как видно из табл. 1 наиболее удачную количественную оценку
справедливого распределения предложил R. Jain, назвавший эту оценку
коэффициент справедливости (Fairness Index):
7
2
 n 
  xi 
f   i 1n  , xi  0 ,
n xi2
(1)
i 1
где xi –случайная величина, n – число пользователей в системе.
Коэффициент справедливости представляет собой нормированную
величину, показывающую насколько справедливо или равнодоступно
распределение ресурсов в системе. Если все xi равны между собой, то
коэффициент справедливости равен 1 и распределение ресурсов полностью
справедливо. Если имеет место неравенство между xi, то коэффициент
справедливости отличен от 1.
Взаимосвязь коэффициента справедливости с другими параметрами
распределений случайных величин приведена ниже. Коэффициент
справедливости связан с первым и вторым моментами распределения
следующей формулой:
2
1

2
xi 


xi 

m12

n


f 


1
n xi2
m2 ,
2
x
i
n
(2)
где m1 – первый момент, m2 – второй момент.
Закон
распределения
Постоянный
Экспоненциал
ьный
Эрланга
Равномерный
Логнормальн
ый
Плотность
распределения
вероятности
p ( x)  1
Вейбулла
Второй
момент
Коэффициент
справедливости

2
1
1
2
с 
с(с  1) 
p ( x)   e   x
( x)c 1  e x
p ( x) 
(c  1)!
1
p ( x) 
ba
p( x) 
1
x 2
e
p( x) 
   ln( x m ) 2 




2 2


 
k x
kx
p x    
 
e
me0,5
k
1 
    1
k 
8
2
0,5
2
(a 2  ab  b2 ) 3
2
k
 1
 k
k 1  x 
   
2
(a  b) 2
 1
Парето
Первый
момент
m 2 e2
с (с  1)
3(a  b)2 4(a 2  ab  b2 )
e
2
2
k2
 2
 (  2)
(  1) 2
2

  1 
  k  1 

 
2


   1
k 


 2    1
k
2
Табл. 2. Коэффициент справедливости для различных законов распределения
Можно показать, что коэффициент справедливости определяется через
квадратичный коэффициент вариации С2:
f 
1
.
1 C2
(3)
Далее в диссертационной работе определяются значения коэффициента
справедливости для основных распределений случайных величин,
используемых в сетях с коммутацией пакетов. Полученные в диссертации
результаты представлены в табл. 2.
Зависимость
коэффициента
справедливого
распределения
от
квадратичного коэффициента вариации для различных законов распределения
показана на рис. 2.
Детерминированное
распределение
f
1
Равномерное
распределение
Распределение
Эрланга
0,75
Экспоненциальное
распределение
0,5
Логнормальное
распределение
Распределение Парето ( 2<< 2,4)
0,25
Распределение Вейбулла ( k< 1)
0
1
2
3
4
C2
Рис. 2. Взаимосвязь коэффициента справедливости и квадратичного коэффициента вариации
Одной из актуальных в сетях связи является задача распределения
пропускной способности между пользователями и/или услугами. В сетях Metro
Ethernet это целесообразно делать при помощи использования механизмов
виртуальных локальных сетей (VLAN): сопоставление пользователя ресурсам
VLAN и сопоставление услуги ресурсам VLAN. В соответствии с тем, что
разные пользователи и услуги требуют разные пропускные способности,
модифицируем формулу коэффициента справедливости путем введения весов
для каждого потока:
2
 n xi 


i 1 xd i 

f 
,
2
n
 xi 
n 

i 1  xd i 
9
(4)
где xdi – пропускная способность, необходимая i-му потоку при оптимальном
распределении.
При априорном знании пропускной способности, необходимой каждому
потоку, задача справедливого распределения пропускных способностей
является легко решаемой. В диссертации приведен ряд примеров,
иллюстрирующих применение данной формулы модифицированного
коэффициента справедливости для оценки распределения пропускных
способностей между потоками в сетях Metro Ethernet.
Однако в мультисервисных транспортных сетях таких, как Metro Ethernet,
требуемая пропускная способность, необходимая для конкретного потока,
зависит от закона распределения этого потока и требований к параметрам QoS.
Задача распределения пропускных способностей осложняется наличием
трафика, характеризуемого медленно затухающими законами распределения.
Исследование
свойств
самоподобия
случайных
процессов
в
телекоммуникациях проводятся с конца 80-х годов прошлого столетия. В
диссертационной работе О.А. Симониной (2005 г.) представлена
классификация законов распределения для разных типов трафика в сетях с
коммутацией пакетов. Было показано, что в транспортных сетях Ethernet
трафик обладает свойствами самоподобия и описывается медленно
затухающими распределениями, такими как закон Парето.
Медленно затухающие распределения в диапазоне 1<<2 ( – параметр
формы) обладают бесконечной дисперсией. Тогда квадратичный коэффициент
вариации С2 , а коэффициент справедливого распределения стремится к 0.
Однако, в реальных системах значения случайной величины ограничены. Для
описания процесса, обладающего свойствами самоподобия, вводится понятие
ограниченного распределения. Ограниченное распределение позволяет, не
меняя формы хвоста распределения, указать максимальное значение случайной
величины. Таким образом, ограниченное распределение отличается от
обычного тем, что имеет не один, а два предела даже при медленнозатухающем распределении, хвост которого не сходится к нулю.
В работах [1, 2, 4-6, 9] было рассмотрено ограниченное распределение
Парето P/P/1/N (1< <2 ). Полученные основные параметры для закона
распределения Парето приведены ниже:
m1 
  Lk   L k 
1     L  k  

  
L  k
2
C 
2

1   
2
L


,
(5)



 2
 L2 k   L k 2

Lk

L
k


2
 2   
1    L  k 

 k   L2 k   L k 2 
  Lk   L k   2   
2



,


1 ,
где k – нижний предел случайной величины, L – верхний предел случайной
величины.
10
(6)
(7)
Используя результаты данных работ, рассчитаем коэффициент
справедливости для ограниченного распределения Парето (1< <2):
 ( Lk   L k )2 (2   )
f 
.
(1   )2 ( L  k a )( L2 k   L k 2 )
(8)
В данном случае коэффициент справедливости показывает, насколько
агрегированный поток детерминирован, т.е. насколько предсказуем трафик. На
графиках 3 и 4 показаны зависимости коэффициента справедливости от L (при
разных ) и от  (при разных L).
0.8
1
L=10
0.8
0.6
0.6
f
f
0.4
0.4
L=100
0.2
a=1,3
0.2
a=1,5
L=1000
a=1,7
0
0
200
400
600
800
0
1000
1
1.2
1.4
L
Рис. 3. Графики зависимости f от L
при разных α
a
1.6
1.8
2
Рис. 4. Графики зависимости f от α
при разных L
Для большей предсказуемости характеристик потока следует величину L
делать как можно ближе к нижней границе k. В дальнейшем в задачах анализа
QoS величина L определяется как верхняя граница размера кадров или пачек
кадров в сетях Metro Ethernet.
Применим полученные результаты для системы массового обслуживания
(СМО) G/G/1 с учетом самоподобных процессов. Рассмотрим, как влияет
коэффициент справедливости на потери и задержки.
7
0.4
fA=0.5 fB=0.5 (Пуассон)
fA=0.5 fB=0.5 (Пуассон)
6
fA=0.13 fB=0.67
fA=0.13 fB=0.67
fA=0.13 fB=0.33
fA=0.13 fB=0.33
tw,
мс
fA=0.05 fB=0.13
0.3
fA=0.05 fB=0.13
5
4
Ploss
0.2
3
2
0.1
1
0
0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
0.8
0.9

Рис. 5. Зависимость величины средней
задержки в очереди от загрузки системы при
различных значениях f
11
0
0
0.2
0.4
0.6
0.8
1
Рис. 6. Зависимость вероятности потерь от
загрузки системы при различных значениях f

Для расчетов воспользуемся результатами, полученными в работах Г.Г.
Яновского. Формулы для средних задержек в очереди ( t ) и потерь (Ploss)
имеют следующий вид:
t 
ts   f A  f B 

1 ,
1     2 f A f B 
(9)
1 
Ploss 
1 


2 f A fB

 nb 1
f

f

2
f
f
 A B
A B 



2 f A fB

 nb
 f A  fB 2 f A fB 
,
(10)
где fA и fB – коэффициенты справедливости, соответственно, распределений
входящего потока и процесса обслуживания, t – среднее время пребывания
пакета в очереди, t s – среднее время обработки пакета прибором обслуживания,
nb – размер буфера,  – загрузка системы. Зависимости средней задержки в
очереди ( t ) и потерь (Ploss) от загрузки системы показаны на рис. 5 и рис. 6
соответственно.
Полученные
аналитические
результаты
были
подтверждены
имитационным моделированием на базе открытого пакета ns2 (рис. 7, 8).
0.4
7
расчетный (fA=0.05 fB=0.13)
имитационный (fA=0.05 fB=0.13)
0.3
расчетный (fA=0.05 fB=0.13)
имитационный (fA=0.05 fB=0.13)
5
tw,
мс
расчетный (fA=0.13 fB=0.33)
имитационный (fA=0.13 fB=0.33)
расчетный (fA=0.13 fB=0.33)
имитационный (fA=0.13 fB=0.33)
6
4
Ploss
0.2
3
2
0.1
1
0
0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
0.8

0.9
Рис. 7. Зависимости величины средней
задержки в очереди от загрузки системы при
различных значениях f
0
0
0.2
0.4
0.6
0.8
Рис. 8. Зависимости величины вероятности
потерь от загрузки системы при различных
значениях f
Таким образом, в диссертации предложена оценка справедливого
распределения пропускной способности между потоками в каналах сетей Metro
Ethernet и определены ВВХ в сетях Metro Ethernet. На основании проведенного
анализа моделей трафика в сетях Metro Ethernet с учетом свойств самоподобия
показано, что для улучшения параметров QoS до требуемых нужно
ограничивать длины кадров (длины пачек кадров) L или снижать загрузку
системы (увеличивать выделяемую полосу – xdi) для конкретного потока.
При отсутствии возможности приметить данные методы в сетях Metro
Ethernet (при больших загрузках каналов связи) возможно применить механизм
балансировки нагрузки, который рассматривается в следующей главе.
12
1

Третья глава посвящена проблеме построения маршрутов в сетях Metro
Ethernet. Вначале обсуждаются недостатки применения классических
протоколов покрывающих деревьев в сетях Ethernet класса Metro, далее
показана необходимость разработки новых механизмов маршрутизации на
втором уровне модели OSI.
В данной главе разрабатывается метод выбора маршрутов, основанный на
управлении трафиком, позволяющий устранить недостатки протоколов
покрывающих деревьев, рассмотренных в главе 1. Предложенный метод
обеспечивает отказоустойчивость сети по критерию времени восстановления
после единичного отказа и решает задачу балансировки нагрузки. Для
построения активных деревьев метод использует уже существующий протокол
MSTP, обеспечивая при этом отказоустойчивость и балансировку нагрузки.
Основные свойства разработанного метода можно сформулировать в
следующем виде:
1. Для отказоустойчивости сети необходимо иметь, как минимум, два
пути для каждой пары узлов в различных покрывающих деревьях, которые не
имеют общих ребер (звеньев) или узлов. Один из этих путей используется как
основной, другой (другие) – как резервный (резервные). Это позволяет
сократить время сходимости сети, за счет того, что не тратится время на
реконфигурацию покрывающего дерева, а происходит переключение на уже
заранее построенное дерево.
2. Для эффективной балансировки нагрузки процесс выбора пути должен
максимизировать использование наименее загруженных звеньев и
минимизировать использование наиболее загруженных звеньев. Кроме того, для
увеличения общего количества активных звеньев покрывающие деревья
должны обеспечивать минимальное взаимное перекрытие.
Предложенный в диссертации механизм включает в себя следующие
этапы:
 изучение топологии сети;
 сбор статистки по нагрузке в сети;
 обеспечение отказоустойчивости;
 контроль трафика, состоящий из следующих подзадач:
o выбор маршрутов (путей),
o объединение путей,
o построение покрывающих деревьев.
Рассмотрим детально задачу контроля трафика. Подзадача выбора путей
заключается в определении путей между парами узлов. Затем решается
подзадача объединения путей для того, чтобы сформировать соответствующие
деревья (подзадача построения покрывающих деревьев). Эти покрывающие
деревья могут быть сопоставлены разным VLAN.
Выбор путей. Целью алгоритма выбора путей является максимизация
использования ресурсов сети Metro Ethernet. Основная идея алгоритма – найти
пути, которые обеспечат балансировку нагрузки между разными частями сети и
13
позволяют избегать те звенья в сети, которые переносят повышенную нагрузку
(называемые в дальнейшем критичными звеньями).
Алгоритм выбора путей определяет основной путь X и резервный путь Y,
которые могут обеспечить требования к ожидаемой пропускной способности
B(s,d) между заданным источником s и получателем d.
Алгоритм рассчитывает величину Ψ(G), определяющую меру загрузки
ресурсов в сети G по следующей формуле:
2

 
(G)=   (l) - l  ,
Cl 
lG 
Начало
H, B(s,d)
Для всех звеньев l:
 l, Rl и Сl
H – кандидаты пар основных/резервных путей (X,Y)
B(s,d) – запрос средней пропускной способности
 l – ожидаемая нагрузка
Cl – пропускная способность звена
Rl – доступная пропускная способность звена
 min =∞,
X(s,d)=Y(s,d)=null
Для (Xi,Yi) i=1,
i=число пар
маршрутов
Нет
B(s,d)
удовлетворяется
Да
Пересчитать R'l для
каждого звена l  X  Y
Пересчитать  (l)= l Rl
для каждого звена
l  X Y
Пересчитать
2

 
(G)=   (l) - l 
Cl 
lG 
Нет
(G) < min
Да
(G)=  min ,
Xi(s,d)=X; Yi(s,d)=Y
(X(s,d);Y(s,d)) –
Выбранная пара
путей
14
(11)
Рис. 9. Алгоритм выбора путей
где Cl – общая пропускная способность, Rl – доступная (оставшаяся)
пропускная способность звена l, ψ(l) –параметр звена l, который выражается
через формулу  (l)= l Rl . Величина l определяет ожидаемую нагрузку:
l   ( s ,d ) l ( s, d ) B( s, d )  ,
(12)
где B(s,d) – требуемая пропускная способность между s и d, l ( s, d )  y z , где
z – общее количество путей в сети между источником s и получателем d, y –
число путей, проходящих через звено l.
Алгоритм выбора путей показан на рис. 9. В результате выполнения
данного алгоритма выбора путей определяется основной путь X(s,d) и
резервный путь Y(s,d) между парой узлов s и d.
15
Начало
P, EP
P – набор путей
EP – набор соседних пар узлов
S=Ø
S – набор покрывающих деревьев
Сортировка элементов P
в порядке убывания
длины пути
Пока
EP≠Ø и P≠Ø
Сортировка элементов
EP в порядке убывания
частости появления их в
P
ep - cледующий элемент
EP
Пока
p  P , такой
что ep  p
Удалить p из P
Найти s  S p и s не
образовывают петлю
Есть ли такая s в S
Да
Нет
Добавить p к S
Объединить p c s
Набор
покрывающих
деревьев S
Рис.10. Алгоритм объединения путей
Объединение путей. Основные и резервные пути должны быть
сгруппированы для того, чтобы сформировать покрывающие деревья. Каждое
отдельное покрывающее дерево соответствует отдельной VLAN. Так как
количество VLAN – это ограниченный ресурс, то важно объединить пути так,
чтобы уменьшить число строящихся покрывающих деревьев.
Для достижения данной цели предлагается эвристический алгоритм. Так
как общее количество необходимых покрывающих деревьев обратно
пропорционально количеству путей, сгруппированных вместе, количество
покрывающих деревьев может быть уменьшено при помощи объединения
большого количества путей вместе. Для увеличения количества путей на одно
покрывающее дерево предлагается объединять пути с общими свойствами. В
16
предлагаемом алгоритме будем объединять пути с общими парами соседних
узлов. Алгоритм агрегирования путей приведен на рис. 10. В результате
выполнения данного алгоритма набор S будет иметь совокупность
покрывающих деревьев.
Эти покрывающие деревья могут быть использованы для создания
независимых VLAN.
Построение покрывающих деревьев. После получения набора S
покрывающих деревьев, данные деревья строятся согласно стандартному
протоколу MSTP.
В диссертации показано, что предложенный метод выбора маршрутов в
сети Metro Ethernet обеспечивает нормированное время сходимости сети (50 мс)
за счет переключения на резервные пути. Также предложенный метод
обеспечивает эффективный выбор различных конфигураций путей и позволяет
обеспечить балансировку нагрузки на этапе выбора пути для VLAN,
переносящих разные типы трафика.
Следующая задача, решаемая в диссертационной работе, посвящена
построению покрывающих деревьев для мультикастового трафика (приложения
IP-телевидения (IPTV), видео по заказу (VoD) и др.). В диссертационной работе
показано, что в случае мультикастового трафика корень мультикастового
дерева должен совпадать с корнем активного дерева MSTP. В качестве примера
рассматриваются два варианта: в первом варианте источник мультикастового
трафика совпадает с корнем покрывающего дерева, во втором случае источник
мультикастового трафика не совпадает с корнем и находится в узле B на
глубине дерева b.
В качестве меры сравнения двух вариантов выбирается задержка передачи
протокольных блоков. В первом случае суммарная стоимость пути к каждому
узлу от вершины дерева равна:
d
k n
k 0
d
(0)
k
d
b
d
 ...   k  nk  ...   k  n k   k  n (k i ) ,
(i )
(b)
k i
k b
i  0 k i
(13)
где nk(i) – число узлов на глубине k, принадлежащих поддереву с корнем на
глубине i, d – общая глубина дерева.
А во втором случае суммарная стоимость пути к каждому узлу от вершины
дерева равна:
d
 ( k  b)  n
k 0
d
(0)
k
d
b
d
 ...   (k  b  2i )  n k  ...   (k  b)  n k   (k  b  2i )  n (k i ) . (14)
(i )
(b)
k i
k b
i  0 k i
В диссертации показано, что разница между выражениями (14) и (13)
всегда будет положительной. На рис. 11 показаны зависимости разницы
задержек от глубины расположения корня при разном количестве узлов в сети.
17
2 10
5
n1>n2
1.5 10
5
tзад ,усл. ед
1 10
5
5 10
4
n2
n1
0
0
5
10
15
b
20
Рис. 11. Зависимость разницы задержек от глубины расположения корня при разном
количестве узлов в сети
Таким образом, в сетях Ethernet для улучшения характеристик
мультикастового трафика (например, для услуг IPTV) необходимо строить
деревья таким образом, чтобы источник мультикастового трафика совпадал с
корнем покрывающего дерева, по которому передается этот трафик.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
В процессе проведенных в диссертационной работе исследований
получены следующие основные результаты.
1. На основе проведенного сравнения различных описанных оценок
справедливости выбран коэффициент справедливости, позволяющий
получить количественную оценку справедливого распределения сетевых
ресурсов в сетях класса Metro.
2. Решена задача справедливого распределения пропускной способности между
потоками, переносящими трафик, характерный для мультисервисных сетей
класса Metro. Для решения данной задачи в диссертации предложен
модифицированный коэффициент справедливости, который учитывает веса
каждого потока.
3. Определены вероятностно-временные характеристики в транспортном
сегменте мультисервисных сетей Metro Ethernet с учетом свойств
самоподобия трафика. Показано что для обеспечения требуемых параметров
качества обслуживания нужно ограничивать длины кадров (длины пачек
кадров) или снижать загрузку системы (увеличивать выделяемую потоку
пропускную способность) для каждого конкретного потока. Аналитические
результаты подтверждены имитационным моделированием.
18
4. Проведен анализ классических протоколов покрывающих деревьев,
определяющих построение маршрутов и определены основные недостатки
этих протоколов, не позволяющие применить их в сетях Ethernet класса Metro (большое время сходимости; неэффективное использование ресурсов;
отсутствие поддержки параметров QoS).
5. Разработан механизм выбора маршрутов в сетях Metro Ethernet, основанный
на управлении трафиком. Предложенный метод выбора маршрутов в сети
Metro Ethernet обеспечивает нормированное время сходимости сети (50 мс) за
счет переключения на резервные пути. Также предложенный метод
обеспечивает эффективный выбор различных конфигураций путей и
позволяет обеспечить балансировку нагрузки на этапе выбора пути для
VLAN, переносящих разные типы трафика.
6. Предложен
механизм
построения
покрывающих
деревьев
для
мультикастового трафика (приложений IPTV и др.). Показано, что для
снижения задержек в случае с мультикастовым трафиком корень
мультикастового дерева должен совпадать с корнем активного дерева,
используемого для пропуска этого трафика.
19
СПИСОК ПУБЛИКАЦИЙ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ
1. Галкин А.М., Симонина О.А., Метод расчета характеристик IP-ориентированных
мультисервисных сетей с учетом свойств самоподобия трафика // Труды учебных заведений
связи / СПбГУТ. СПб. 2005. № 172. С. 6-10.
2. Галкин А.М., Симонина О.А. Моделирование трафика мультисервисной IP-сети с
использованием пакета NS2 // 57-я НТК профессорско-преподавательского состава, научных
сотрудников и аспирантов: мат-лы / СПбГУТ. СПб, 2005. С. 19-20.
3. Галкин А.М., Симонина О.А., Бартолломеи С. VoIP: новые возможности для предприятия //
Вестник связи. 2005. № 4. С. 191-196 (из перечня изданий, рекомендуемых ВАК).
4. Galkin A.M., Simonina O.A, Yanovsky G.G. Analysis of IP-oriented multiservice networks characteristics with consideration of traffic’s self-similarity properties // IEEE Russia Northwest section: рroceedings. St-Petersburg, 2005. V. 2. С. 155-158.
5. Галкин А.М. Моделирование трафика Ethernet с учетом свойств самоподобия // 58-я НТК
профессорско-преподавательского состава, научных сотрудников и аспирантов: мат-лы /
СПбГУТ. СПб, 2006. С. 12-13.
6. Galkin A.M., Simonina O.A, Yanovsky G.G. Multiservice IP Network QoS Parameters Estimation
in Presence of Self-similar Traffic // Springer Verlag. Lecture Notes on Computer Science, № 4003.
2006. C. 235-245.
7. Galkin A.M., Simonina O.A, Yanovsky G.G. Routes Building Approach for Multicast Applications in Metro Ethernet networks // Springer Verlag. Lecture Notes on Computer Science, № 4712,
2007 C. 187-193.
8. Галкин А.М., Кучерявый Е.А., Молчанов Д.А. Пакет имитационного моделирования ns2:
учебное пособие. // ГОУВПО СПбГУТ.– СПб, 2007. – 60 с.
9. Галкин А.М., Симонина О.А., Яновский Г.Г. Анализ характеристик сетей NGN с учетом
свойств самоподобия трафика // Электросвязь, 2007, №12. С. 23-25 (из перечня изданий,
рекомендуемых ВАК).
10. Галкин А.М., Сепиашвили Д.М., Яновский Г.Г. Технология Ethernet (к 35-летию
изобретения) // Вестник связи. 2008. № 8. С. 49-57 (из перечня изданий, рекомендуемых
ВАК).
Подписано к печати 13.11.2008.
Объем 1 печ. л. Тираж 80 экз.
20
Тип. СПбГУТ. 191186 СПб, наб. р. Мойки, 61
21