43847

Оптимізація транспортних мереж NGN на основі технології IP/MPLS для боротьби з пульсаціями мультисервісного трафіку та досягнення заданих показників якості обслуговування

Дипломная

Логистика и транспорт

1 АНАЛІЗ ПОБУДОВИ ТРАНСПОРТНОЇ МЕРЕЖІ НА ОСНОВІ ТЕХНОЛОГІЇ MPLS.2 Особливості побудови транспортної мережі NGN.3 Маршрутизація в мережі з комутацією по міткам. 2 ОБҐРУНТУВАННЯ ВИБОРУ МЕТОДА ОПТИМІЗАЦІЇ ТРАНСПОРТНОЇ МЕРЕЖІ ІР MPLS.

Украинкский

2013-11-08

1.67 MB

86 чел.

PAGE  10

ЗМІСТ

ПЕРЕЛІК ПОЗНАЧЕНЬ ТА СКОРОЧЕНЬ.................................................................

ВСТУП..........................................................................................................................

1 АНАЛІЗ ПОБУДОВИ ТРАНСПОРТНОЇ МЕРЕЖІ НА ОСНОВІ ТЕХНОЛОГІЇ MPLS………………………………………………………………………………….

   1.1 Основні вимоги при проектуванні рівня транспорту мереж наступного покоління........................................................................................................................

   1.2 Особливості побудови транспортної мережі NGN..........................................

         1.2.1 Використання АТМ як технології транспортного рівня........................

1.2.2 Використання ІР як технології транспортного рівня.............................

1.2.3 Використання MPLS як технології транспортного рівня........................

   1.3 Вибір технології MPLS для побудови транспортного рівня.........................

1.3.1 Основні поняття та структура..................................................................

1.3.2 Принцип роботи.......................................................................................

1.3.3 Маршрутизація в мережі з комутацією по міткам...............................

1.3.4 Протокол розподілу міток LDP..............................................................

1.3.5 Тунелі в MPLS..........................................................................................

   1.4 Висновки до розділу............................................................................................

2 ОБҐРУНТУВАННЯ ВИБОРУ МЕТОДА ОПТИМІЗАЦІЇ ТРАНСПОРТНОЇ МЕРЕЖІ ІР/MPLS……………………………………………………………………..

   2.1 Порівняльний аналіз існуючих методів оптимізації транспортної мережі....

   2.2 Оптимізація мереж IP/MPLS за заданими показниками QoS...........................

2.2.1 Обґрунтування критеріїв оптимізації........................................................

2.2.2 Оптимізація мережі з обмеженнями на відсоток втрачених пакетів.....

2.2.3 Оптимізація мережі з обмеженнями середньої затримки для потоку та між визначеною парою вузлів........................................................................

   2.1 Traffic Engineering системи MPLS.................................................................

2.1.1 MPLS-TE…………………………………………………………………..

2.1.2 Використання ТЕ-трактів...........................................................................

2.1.3 Функціональна архітектура системи маршрутизації MPLS-TE……….

 2.1.4 Застосування архітектури: Опції поширення та виконання функцій....

   2.4 Висновки до розділу.............................................................................................

3 РОЗРАХУНОК ТРАНСПОРТНОЇ МЕРЕЖІ.................................................

4 ІМІТАЦІЙНЕ МОДЕЛЮВАННЯ..........................................................................

5 ТЕХНІКО-ЕКОНОМІЧНЕ ОБҐРУНТУВАННЯ....................................................

   5.1 Мета й обґрунтування.......................................................................................

   5.2 Опис об’єкта.......................................................................................................

   5.3 Оцінка ринку збуту..............................................................................................

   5.4 Конкуренція.........................................................................................................

   5.5 Витрати на розробку продукту...........................................................................

   5.6 Оцінка ризику та страхування...........................................................................

   5.7 Фінансовий план..................................................................................................

   5.8 Висновки до розділу...........................................................................................  

6 ОХОРОНА ПРАЦІ І НАВКОЛИШНЬОГО СЕРЕДОВИЩА................................

   6.1 Загальні питання.................................................................................................

   6.2 Перелік небезпечних та шкідливих виробничих чинників............................

   6.3 Параметри мікроклімату...................................................................................

   6.4 Виробниче освітлення.........................................................................................

   6.5 Штучне освітлення..............................................................................................

   6.6 Шум та вібрація................................................................................................

   6.7 Випромінювання від екрана...............................................................................

   6.8 Електробезпека....................................................................................................

   6.9 Пожежна безпека................................................................................................

   6.10 Охорона навколишнього середовища...............................................................

   6.11 Висновки до розділу..........................................................................................     

7 ЦИВІЛЬНА ОБОРОНА..............................................................................................

   7.1 Загальні відомості про надзвичайні ситуації....................................................

   7.2 НС техногенного характеру...............................................................................

7.2.1 Транспортні аварії.....................................................................................

7.2.2. Аварії в електричних мережах................................................................

7.2.3 Аварії з викидом СДОР............................................................................

7.2.4 Аварії систем життєзабезпечення...........................................................

7.2.5 Пожежі. Вибухи.....................................................................................

7.2.6 Транспортні аварії.......................................................................................

   7.3 Висновки до розділу...........................................................................................

ВИСНОВКИ...................................................................................................................  

СПИСОК ДЖЕРЕЛ ІНФОРМАЦІЇ..............................................................................

ДОДАТОК А...................................................................................................................

 

ПЕРЕЛІК ПОЗНАЧЕНЬ ТА СКОРОЧЕНЬ

ABR

-       Усереднена швидкість передачі

ATM

-       Асинхронний режим передачі

BGP

-       Протокол прикордонного шлюзу

CBR

-       Постійна швидкість передачі

CoS

-       Класи обслуговування

CSPF

-       Протокол вибору переважних маршрутів з обмеженнями

DWDM

  •  Щільне мультиплексування з розділенням за довжиною  

        хвилі

FEC

-       Клас еквівалентності пересилки

FRR

-       Функція швидкої переадресації

FSC

-       Комутація оптичних портів

GbE

-       Стандарт 802.3z Gigabit Ethernet

GMPLS

  •  Узагальнена мультипротокольна комутація за

        допомогою міток

IACP

-       Протокол міжагентської комунікації

IETF

-       Група розробки інженерних завдань інтернету

IGP

-       Протокол внутрішнього шлюзу

IP

-       Міжмережний протокол

IPCC

-       Міжнародний консорціум пакетного зв’язку

IPsec

-       Забезпечення захисту IP

IPTV

-       Телебачення на основі протоколу IP

IPv4

-       Міжмережний протокол 4-й версії

IPv6

-       Міжмережний протокол 6-й версії

L2SC

-       Комутація на другому рівні

LDP

-       Протокол розповсюдження міток

LER

-       Прикордонний маршрутизатор комутований по міткам

LMP

-       Протокол керування мітками

LSP

-       Комутований по міткам тракт

LSR

-       Маршрутизатор з підтримкою комутації по міткам

MPLS

-       Мультипротокольна комутація за допомогою міток

MSF

-       Форум мультисервісної комутації

NS

-       Середовище для імітаційного моделювання

NGN

-       Мережі наступного покоління

OSPF

-       Протокол переважного вибору найкоротших маршрутів

OXC

-       Оптичні крос-конектори

PLR

-       Відсоток втрачених пакетів

PSC

-       Режим комутації пакетів

PVC

-       Приватний віртуальний канал

QoS

-       Якість обслуговування

RFC

-       Запит до обговорення (перед затвердженням стандарту)

RSVP

-       Протокол резервування ресурсів

SDH

-       Синхронна цифрова ієрархія

SIP

-       Протокол ініціації сеансу

SONET

-       Синхронні оптичні мережі

STM

-       Синхронний режим переносу

TAD

-       Адаптація ТЕ-тракту

TAG

-       Агент ТЕ-тракту

TC

-       Обчислення ТЕ-тракту

TDM

-       Ущільнення з часовим розділенням каналів

TE

-       Трафік інжиніринг, інжиніринг трафіку

TM

-       Менеджер ТЕ

ToS

-       Рівень пріоритету IP, вид послуги

TU

-       Використання ТЕ-тракту

VBR

-       Змінна швидкість передачі

VCC

-       Об’єднання віртуальних каналів

VCI/VPI

-       Віртуальний канал/шлях у технології АТМ

VoD

-       Відео на замовлення

VoIP

-       Телефонія на основі протоколу IP

VPN

-       Віртуальна приватна мережа

АТС

-       Автоматична телефонна станція

ВВС

-       Взаємодія відкритих систем

ВПС

-       Вибір пропускних спроможностей

КЗ

-       Канал зв’язку

ЛЗ

-       Лінія зв’язку

ПАВ

-       Метод послідовного аналізу варіантів

ПС

-       Пропускна спроможність

РП

-       Розподіл потоків

СОТ

-       Світова організація торгівлі

ТМЗК

-       Телефонна мережа загального користування

ВСТУП

Телекомунікації відіграють значну роль в соціальній та економічній діяльності суспільства, забезпечуючи оперативне або інтерактивне (діалогове) передавання інформації. Розвиток телекомунікацій повинен здійснюватися швидкоздіснюваними темпами порівняно із загальними темпами розвитку економіки і буде визначальним на найближчу і подальшу перспективу. Повільні темпи розвитку телекомунікацій спричиняють зниження конкурентоспроможності економіки України. Телекомунікації відіграють значну роль у прискоренні розвитку економіки та соціальної сфери. [25]

В «Концепції розвитку телекомунікацій в Україні» [24] окреслено ряд проблем, які постають наразі перед користувачами та операторами новітніх послуг. Поміж соціальних, політичних та демографічних виділимо недоліки більш технічного спрямування, а саме:

  •  використання на стаціонарних телекомунікаційних мережах морально застарілого та фізично зношеного аналогового обладнання, що стримує розвиток телекомунікацій та негативно впливає на ефективність роботи операторів телекомунікацій;
  •  наявність великої кількості операторів телекомунікацій (видано майже 700 ліцензій), що призвело до нескоординованості їх дій та відсутності єдиного підходу до вирішення проблемних питань розвитку телекомунікацій;
  •  неефективне використання можливостей прокладених волоконно-оптичних ліній зв'язку та побудованих стільникових мереж операторами телекомунікацій;

Стратегічно в документі закладено основи сприяння здійсненню заходів для подальшого забезпечення розвитку телекомунікацій в Україні на базі телекомунікаційних мереж наступного покоління (NGN). Згідно з [23] під поняттям “мережа наступного покоління” слід розуміти сукупність терміналів, технологій, програмних та організаційно-технічних і адміністративних процедур, що забезпечують надання споживачам послуг мультимедіа програмно-апаратними засобами конвергованих мереж.

Світові тенденції також вказують на необхідність розвитку конвергованих мереж наступного покоління, для надання більшої кількості послуг уніфіковано. Специфіка ситуації в Україні полягає в тому, що значна частина мережного обладнання (близько 75%) є аналоговим і технічні можливості мереж здебільшого обмежені лише встановленням аналогового телефонного з’єднання. Відсутня в Україні і потужна пакетна мережа, яка має бути основою конвергованої мережі.

Найбільш економічно вигідними та перспективними дедалі більше стають послуги, пов’язані з передачею даних (IP-телефонія, відеоконференції, корпоративні мережі VPN, відео на замовлення VoD, телебачення на основі інтернет-технологій IPTV, E-mail, Web 2.0, Instant Messaging, Intellectual Networks) з пакетною комутацією трафіку, тоді як застарілі функції (голосова телефонія, факсиміле, Dial-up) використовують комутацію каналів при передачі інформації і не мають достатньої для функціонування оператору економічної складової. Останні мають підтримуватися в повному обсязі й у мережах наступного покоління, але для забезпечення інвестиційної економічної привабливості галузі необхідне широке переоснащення основних фондів для орієнтації в бік пакетної комутації. Це дозволяє досягати видатної масштабованості системи та перспективно споглядати на можливості подальшого втілення новітніх послуг, що в свою чергу дозволяє підтримувати цікавість користувачів, а отже, і функціонування оператора зв’язку на належному маржинальному рівні.

Як бачимо, конвергенція з мережами наступного покоління необхідна як платоспроможній частині населення, яке має попит на широкополосні послуги, так і операторам зв’язку, які матимуть змогу надавати набагато більше послуг своїм користувачам та, як наслідок, більше заробляти та диверсифікувати джерела надходження коштів. При цьому держава також не залишається осторонь від цих змін, бо якнайсучасніша та розгалужена телекомунікаційна інфраструктура сприяє національній безпеці та забезпечує передачу інформації навіть в умовах надзвичайних ситуацій, надзвичайного та воєнного стану, дозволяє з оптимізмом дивитися у перспективи європейської інтеграції з телекомунікаційними мережами розвинених країн, а також задовольняє вимоги СОТ, збільшує надходження у державний бюджет за допомогою прямих та непрямих податків. Тому початок процесу вже покладено. Наразі встановлюються й сертифікуються шлюзи переходу із мережі з комутацією каналів до мережі з комутацією пакетів. Ряд постачальників надають послуги ІР-телефонії по мережах передачі даних.

Розглянемо більш детально сутність та архітектуру мереж наступного покоління, спираючись на відповідні документи: Міжнародного Союзу електрозв’язку – ITU, Міжнародного консорціуму пакетного зв’язку – IPСC та Форуму мультисервісної комутації – MSF, а також документами Групи розробки інженерних завдань інтернет – IETF. Функціональна архітектура NGN поділяється на чотири функціональні площини (рис. 0.1). Функціональними площинами NGN є: прикладна площина, площина управління, площина транспорту та площина доступу. У цій градації втілено головний принцип NGN – впровадження послуг, що не залежать від систем доступу до них, і відокремлення транспорту від систем доступу та обслуговування.

Площина транспорту забезпечує зв’язок між двома іншими площинами. Вона відповідає за доставку інформації  (як медіа-потоків, так і сигналізації виклику та команд керування пристроями). У площині доступу здійснюється адаптація різноманітних технологій перенесення інформації для передавання через транспортну площину. У цій площині, зокрема, здійснюється конвертація потоків з часовим розподілом сигналів у пакетний формат і перетворення сигналізації ТМЗК у сигналізацію транспортної мережі. Прикладна площина відповідає за надання користувачам послуг шляхом маніпулювання інформаційними та сигнальними потоками у мережі.

За типом інформації, що передається, функціональні об’єкти NGN поділяються на чотири рівні: сигналізації, послуг/керування, інформації та мережного управління. Компонентами функціональних рівнів є функції, головними з яких є: функція медіа-шлюзу, функція контролера медіа-шлюзів, функція сервера прикладних програм, функція медіа-сервера, функція

Рисунок 0.1 Чотирьохрівнева архітектура NGN

перетворення сигналізації та функція тарифікації. Ці функції можуть бути фізично реалізовані як окремі пристрої, або ж один пристрій поєднує декілька функцій [1].

Рівень управління здійснює управління послугами та виконанням сервісної логіки, забезпечуючи обробку викликів та надання різних за складністю послуг. Рівень інформації забезпечує обробку інформаційних потоків і складається з медіа-шлюзів та медіа-серверів. Медіа-шлюз є посередником між пакетною транспортною мережею і мережами доступу (ТМЗК, об’єднаної з мобільними мережами і т. ін.). На рівні сигналізації відбувається адаптація сигналізації ТМЗК та інших мереж доступу у сигналізацію IP-мережі, а також маршрутизація сигнальних повідомлень через цю мережу. Рівень управління мережею реалізує такі функції, як оперативна підтримка мережі, обробка повідомлень аварійної сигналізації, тарифікація тощо.

Щодо введення в експлуатацію мереж NGN в Україні Урядом затверджено план до 2025 року, якій містить 6 етапів конвергенції , перші три з яких є, по суті, підготовчими, а четвертий дає можливість на перших порах ціною невеликих витрат задовольнити потреби конвергенції в межах прогнозованого попиту. Це такі етапи:

1 Побудова базової транспортної мережі.

2 Електронізація АТС і подальша цифровізація телефонної мережі.

3 Консолідація телефонної мережі.

4 Початок конвергенції (введення мультисервісних вузлів, встановлення шлюзів на цифрових АТС).

5 Заміна транзитних та міжміських АТС софтсвічами 4-го класу.

6 Заміна міських АТС софтсвічами 5-го класу.

Як бачимо, основою мереж нового покоління NGN та відправною точкою переходу до них можна вважати саме транспортний рівень NGN, який відповідає за розподіл трафіку. Нерівномірність використання різних типів послуг різними абонентами в різні часові відрізки породжує питання розподілу трафіку, а також боротьби з його пульсаціями та резервацію шляхів, які досить актуальні вже сьогодні. Зрозуміло, що оптимізація завантаження каналів при сталій фізичній структурі мережі, буде залишатися актуальною й надалі, тому що збільшуватимуться обчислювальні потужності серверів та маршрутизаторів, вдосконалюватимуться методи, але їх основи закладаються саме зараз.

Ціллю даної дипломної роботи є оптимізація транспортних мереж NGN на основі технології IP/MPLS для боротьби з пульсаціями мультисервісного трафіку та досягнення заданих показників якості обслуговування. Для її досягнення необхідно вирішити наступні задачі:

  1.  Обґрунтувати вибір технології  для побудови транспортної мережі.
  2.  Проаналізувати методи оптимізації транспортної мережі IP/MPLS .
  3.  Провести розрахунок показників продуктивності мережі MPLS для поліпшення якості обслуговування і досягнення її ефективної роботи.
  4.  Імітаційне моделювання даної системи в середовищі Network Simulator2 (NS-2).

1 АНАЛІЗ ПОБУДОВИ ТРАНСПОРТНОЇ МЕРЕЖІ НА ОСНОВІ ТЕХНОЛОГІЇ MPLS 

1.1 Основні вимоги при проектуванні рівня транспорту мереж наступного покоління

Телекомунікаційні мережі усе більш відповідають терміну «глобальні» і вже практично не залишилося комп'ютерів (а також інших «розумних пристроїв»: смартфонів, комунікаторів, ноутбуків і субноутбуків, навігаторів і тому подібних), які не мають виходу до Всесвітньої павутини, тобто що не є членами глобальної телекомунікаційної мережі. При цьому різні пристрої створюють унікальний трафік. Для одних користувачів та їх пристроїв важливе листування  електронною поштою, інші - є файловими серверами, треті - беруть участь в аудіо- та відеоконференціях, четверті - завантажують карти місцевості з великою роздільною здатність, п'яті, - отримують FULLHD відео-контент завдяки послузі IPTV. Продовжувати цей список можна нескінченно, але означає він одне - величезну неоднорідність передаваної інформації по об'ємах, призначенню, терміновості, часу, завадостійкості, вимогам до безпеки передачі. Саме тому будь-яка транспортна система ефективна лише за умови, що вона підтримує динамічну рівновагу і пристосовується до умов і завдань, що швидко змінюються. Сучасна технологія повинна, грубо кажучи, «самооптимізуватися» в реальному часі. Наприклад, велика проблема телекомунікації - гігантські пульсації рівню трафіку. Якщо телефонний трафік пульсує максимум в 5-15 разів, то при передачі даних – це вже сотні тисяч разів [21]. Кажучи про мережі IP і NGN, потрібно враховувати, що десятки тисяч комп'ютерів (а кожен з них здатний породити сотні мегабіт трафіку в секунду), об'єднаних в одну мережу, можуть давати колосальні сплески і спади трафіку. Технології SDH і АТМ в моменти зростання трафіку не здатні динамічно надавати велику смугу пропускання, а в моменти спаду не в змозі утилізувати вільну смугу.              

При цьому не можна забувати, що в новій ідеології телекомунікаційних мереж, поняття «Транспортна мережа» відрізняється від звичного поняття «первинна мережа» і є ширшим:

1. Транспортна мережа є розвитком первинної мережі при переході від комутації каналів до комутації пакетів.

2. Транспортна мережа є каркасом сучасної мережі NGN.  Вона є засобом з'єднання користувачів і додатків.

3. У первинній мережі основна функція зводилася до утворення  стандартного аналогового або цифрового каналу між двома точками мережі, а транспортна мережа формує канал передачі даних між двома точками підключення користувачів NGN.

4. Не дивлячись на схожість принципів роботи транспортної мережі і  первинної мережі, NGN привносить свою специфіку:

• замість типового каналу первинної мережі використовується канал передачі даних, який може бути встановлений на основі технології  «віртуального каналу», або «віртуальної труби» в разі використання принципу датаграмної передачі;

• у мережі можуть бути присутніми як з'єднання «точка-точка», що може трактуватися як канал, так і з'єднання «точка-багатоточка»  і навіть «багатоточка- багатоточка», яку не можна вже розглядати як  канал;

• «віртуальні труби» можуть бути симетричними та ассиметричными за об'ємом трафіку, що передається; допускається також режим однонаправленої передачі (симплексний канал).

5. На відміну від мереж доступу, які розгортаються «по місцю»,  транспортна мережа будується заплановано, відповідно до стратегії розвитку оператора [6].

1.2 Особливості побудови транспортної мережі  NGN  

Основу мультисервісної мережі становить універсальна транспортна мережа, що реалізує функції транспортного рівня й рівня керування комутацією, маршрутизацією й передачею інформації.

Транспортний рівень мультисервісної мережі будується з використанням сучасних технологій ІP (Іnternet Protocol), ATM (Asynchronous Transfer Mode), MPLS (Multіprotocol Label Swіtchіng), що забезпечують гарантовану якість передачі інформації.

Топологія транспортного рівня мультисервісної мережі визначається топологією первинної мережі, прогнозованими обсягами трафіка по різних напрямках, а також функціональним призначенням вузлів мережі.

Транспортна мережа є опорної, тому до неї пред'являються високі вимоги по забезпеченню надійності, продуктивності й керованості. До складу транспортної мережі NGN можуть входити:

  •  транзитні вузли, що виконують функції переносу й комутації;
  •  кінцеві (граничні) вузли, що забезпечують доступ абонентів до мультисервісної мережі;
  •  контролери сигналізації, що виконують функції обробки інформації сигналізації, керування викликами й з'єднаннями;
  •  шлюзи, що дозволяють здійснити підключення традиційних мереж зв'язку (ТМЗК, МПД).

Розглянемо використання різних технологій.

 1.2.1 Використання ATM як технології транспортного рівня

ATM (Asynchronous Transfer Mode - асинхронний режим передачі) є технологією універсальної транспортної мережі, призначеної для надання послуг прозорої передачі різних типів інформації. При цьому забезпечується достатня пропускна здатність для кожного з них і гарантується своєчасна доставка чутливих до затримок типів трафіку. В основі технології лежить передача даних у вигляді осередків фіксованої довжини для будь-якого типу трафіку, швидкості передачі й способу кадрування. Довжина осередку становить 53 байта, 48 з яких приділяється під передачу користувальницької інформації, інші 5 - під заголовок, використовуваний для адресації, контролю помилок і керування мережею. [6]

У технології ATM підтримується передача трафіку чотирьох видів:

– CBR (Constant Bіt Rate - з постійною бітовою швидкістю) - синхронний, чутливий до затримок;

– VBR (Varіable Bіt Rate - зі змінною бітовою швидкістю). Розділений на два підкласи: rtVBR - у режимі реального часу (чутливий до затримок) і nrtVBR - без використання режиму реального часу (затримки припустимі);

– ABR (Avaіlable Bіt Rate - з доступною бітовою швидкістю) - трафік додатків, нечутливих до затримок. Швидкість передачі змінюється залежно від  навантаження;

– UBR (Unspecіfіed Bіt Rate - з невизначеною бітовою швидкістю) - трафік, передача якого може вестися без забезпечення яких-небудь гарантій продуктивності.

Основу еталонної моделі протоколу ATM становлять три рівні архітектури ATM: фізичний, рівень ATM і рівень адаптації ATM, відповідним трьом нижнім рівням моделі OSІ (табл. 1.1).

Таблиця 1.1. Мережеві моделі ATM і OSІ

 

Модель OSI

Модель ATM

3

Мережевий рівень

Рівень адаптації АТМ

2

Канальний рівень

Рівень АТМ

1

Фізичний рівень

Фізичний рівень

На фізичному рівні здійснюється фізична передача інформації з мережі ATM. Стандарти ATM для фізичного рівня описують, які кабельні системи повинні використатися в мережах ATM і з якими швидкостями може працювати ATM при кожному типі кабелю. Найчастіше використаються швидкості передачі 155 Мбіт/с.

Рівень ATM призначений для пересилання осередків з фізичного рівня на рівень адаптації ATM і назад з генерацією або відділенням заголовка осередків, а також для керування трафіком і встановлення з'єднання.

Рівень адаптації ATM забезпечує інтерфейс між рівнем ATM і протоколами більше високого рівня. Основною функцією рівня AAL є перетворення форматів даних відповідно до  вимог різних додатків. Він також забезпечує синхронізацію, підпорядкованість, тактування й виявлення, виправлення помилок.

Основною транспортною одиницею ATM є віртуальний канал (VC). виділюваний логічно. Віртуальний канал ATM – це з'єднання між двома кінцевими станціями ATM, що встановлюється на час їхньої взаємодії.

Віртуальний канал діє за двом напрямками. Об'єднання групи віртуальних каналів, що випливають на якійсь ділянці мережі в загальному напрямку, називається віртуальним шляхом (VP). Віртуальний шлях існує постійно, незалежно від того,  чи встановлене з'єднання. Фізичний тракт передачі може містити кілька віртуальних шляхів і каналів.

Розрізняють постійні й  віртуальні з'єднання, що комутирують.

Постійні з'єднання є аналогами традиційних орендованих каналів і трактів. Комутатор може здійснювати комутацію віртуальних шляхів і каналів або тільки комутацію віртуальних шляхів (кросовий комутатор).

Є три типи віртуальних каналів:

– постійні віртуальні канали (permanent vіrtual cіrcuіt - PVC);

– віртуальні канали, що комутирують (swіtched vіrtual cіrcuіt - SVC);

– інтелектуальні постійні віртуальні канали  (smart permanent vіrtual cіrcuіts - SPVC).

PVC - це постійне з'єднання між двома кінцевими станціями, що встановлюється вручну в процесі конфігурування мережі. PVC містить у собі кінцеві станції, середовище передачі й всі комутатори, розташовані між кінцевими станціями. Після установки PVC для нього резервується певна частина смуги пропущення, і двом кінцевим станціям не потрібно встановлювати або скидати з'єднання.

SVC установлюється в міру необхідності щораз , коли кінцева станція намагається передати дані іншої кінцевої станції. Через довільний проміжок часу SVC скидається. SVC установлюється динамічно. Стандарти передачі сигналів рівня ATM визначають процес установки, підтримки й скидання з'єднання, використання кінцевою станцією при встановленні з'єднання параметрів QoS, а також спосіб керування трафіком.

SPVC - це гібрид PVC і SVC. Подібно PVC. SPVC установлюється вручну на етапі конфігурування мережі. При цьому задаються тільки кінцеві станції. Для кожної передачі мережа визначає, через які комутатори будуть передаватися осередку.

Перед установленням з'єднання кінцева станція запитує одну із чотирьох категорій сервісу. Мережа ATM установлює з'єднання, використовуючи відповідні параметри трафіка й QoS для запобігання перевантаження мережі. Установлені з'єднання не повинні перевищувати наданої їм смуги пропущення. Якщо під час з'єднання смуга пропущення перевищується, то осередки відкидаються. При цьому відповідно до  встановленого коефіцієнта втрат визначається, які осередки можна відкидати. Мережа відмовляє у встановленні з'єднань, які не можуть підтримуватися.

Підключення абонентів мережі ATM повинне здійснюватися в точках мережі, що реалізують функції мережного закінчення. Функція мережного закінчення може бути або реалізована в устаткуванні кінцевого або кінцево-транзитного вузла мережі ATM або винесена в устаткування, установлене у абонента.

Зокрема, устаткування ATM може використатися для організації постійних і  сполучних ліній, що комутирують, між вузлами ТМЗК. Як  інтерфейс фізичного рівня для взаємодії встаткування ATM і встаткування ТМЗК можуть використатися канали Е1. Функції перетворення сигналізації повинні бути реалізовані у відповідних мережних закінченнях.

У цей час технологія ATM більше поширена як транспортна технологія, що надає механізми забезпечення якості передачі на канальному рівні.

1.2.2. Використання ІP як технології транспортного рівня

Протокол ІP є протоколом мережного рівня, не орієнтованим на з'єднання й надає дані для протоколів транспортного рівня TCP (орієнтований на з'єднання) і UDP (не орієнтований на з'єднання).

Протокол ІP доставляє блоки даних (дейтаграми) від одного ІP- адресу до іншого. ІP - адрес є унікальним 32-бітним ідентифікатором мережного інтерфейсу комп'ютера. У функції протоколу ІP входить визначення маршруту для кожної дейтаграми, при необхідності зборка й розбирання дейтаграми на фрагменти, а також відправлення джерелу дейтаграми повідомлення про помилку у випадку неможливості доставки. Засоби контролю коректності даних, підтвердження їхньої доставки, забезпечення правильного порядку проходження дейтаграм, а також функції попереднього встановлення з'єднання між комп'ютерами в ІP - протоколі не передбачені.

При транспортуванні ІP- пакетів їхній порядок може порушуватися. Для забезпечення необхідної якості обслуговування трафіку реального часу необхідне збереження порядку проходження пакетів, а також мінімізація затримки пакетів і коливань тривалості затримок. Для забезпечення прийнятного голосового потоку час затримки повинне становити менш 300-600 мс.

Для реалізації механізмів QoS у заголовку ІP- пакета передбачене поле типу сервісу розміром 8 біт (Type of Servіce - ToS), що задає характер обробки пакета в процесі його транспортування.

ІP- протокол не має на увазі використання яких-небудь певних протоколів рівня доступу до середовища передачі й фізичних середовищ передачі даних. Вимоги до канального рівня обмежуються наявністю інтерфейсу з модулем ІP і забезпеченням перетворення ІP- адреса вузла мережі, на який передається дейтаграма, у Мас-адрес.

Мережа ІP розглядається як об'єднання автономних незалежних локальних і глобальних мереж, у кожній з яких може використатися теоретично будь-яка технологія канального рівня. Як і в будь-якій мережі, у мережі ІP можна виділити магістральну мережу й мережу доступу. "Границею" магістральної мережі є точки підключення локальних мереж до глобального. Серед використовуваних у цей час технологій локальних мереж варто виділити наступні:

Ethernet;

Fast Ethernet;

Gіgabіt Ethernet.

Граничні маршрутизатори повинні підтримувати будь-яку підмножину з перерахованих вище інтерфейсів. Для з'єднання мереж використається один із протоколів маршрутизації OSPF або BGP.

У цей час існують два основних способи створення магістральних ІP - мереж: за допомогою ІP- маршрутизаторів, з'єднаних каналами "точка-крапка", або на базі транспортної мережі ATM, поверх якої працюють ІP- маршрутизатори. У першому варіанті як  транспорт для передачі ІP- пакетів може використатися один із протоколів канального рівня (SLІ або РРР), у другому - осередки ATM AAL5. В останньому випадку необхідне використання додаткових керуючих функцій для контролю спільної роботи ІP і ATM.

ІP- протокол споконвічно не призначався для передачі голосу, однак його широка поширеність, можливість накладення практично на будь-яку транспортну мережу, а також високий ступінь сумісності рішень різних постачальників привели до того, що ІP- мережі почали використовуватися як універсальне середовище для передачі всіх видів трафіку. Основним недоліком мереж на основі протоколу ІP є відсутність механізмів, які б забезпечували передачу трафіку реального часу. Забезпечення якості передачі чутливого до затримки трафіку досягається шляхом реалізації відповідних механізмів на канальному або транспортному рівні. Реалізація послуг мультисервісної мережі на базі ІP- технології вимагає впровадження додаткової підтримки якості обслуговування, підвищення надійності й раціоналізації використання ресурсів.

Керування якістю обслуговування на рівні ІP- протоколу реалізується переважно в корпоративних мережах, де адміністратор може контролювати всі пристрої мережі. До методів керування ставляться:

виділення окремих каналів для передачі голосу;

настроювання маршрутизатора на першочергове обслуговування пакетів з певним номером порту UDP;

обмеження максимально припустимого розміру пакета.

1.2.3 Використання MPLS як технології транспортного рівня

MPLS (MultіProtocol Label Swіtchіng) - це технологія швидкої комутації пакетів у багато протокольних мережах, заснована на використанні міток. MPLS розробляється й позиціюється як спосіб побудови високошвидкісних ІP- магістралей, однак область її застосування не обмежується протоколом ІP, а поширюється на трафік будь-якого мережного протоколу.

Традиційно головними вимогами, пропонованими до технології магістральної мережі, були висока пропускна здатність, мале значення затримки й гарна масштабованість. Однак сучасний стан ринку диктує нові правила гри.. Зростаючий попит на додаткові послуги, реалізовані поверх простого ІP- доступу, обіцяє принести Іnternet - провайдерам величезні доходи.

Для рішення виникаючих завдань і розробляється архітектура MPLS, що забезпечує побудову магістральних мереж, що мають практично необмежені можливості масштабування, підвищену швидкість обробки трафіку й безпрецедентну гнучкість із погляду  організації додаткових сервісів. Крім того, технологія MPLS дозволяє інтегрувати мережі ІP і ATM, за рахунок чого постачальники послуг зможуть не тільки зберегти засоби, інвестовані в устаткування асинхронної передачі, але й покористуватися   зі спільного використання цих протоколів.

Принцип комутації. В основі MPLS лежить принцип обміну міток. Любою переданий пакет асоціюється з тим або іншим класом мережного рівня (Forwardіng Equіvalence Class, FEC), кожний з яких ідентифікується певною міткою. Значення мітки унікально лише для ділянки шляху між сусідніми вузлами мережі MPLS, які називаються також маршрутизаторами, комутуючими по мітках (Label Swіtchіng Router, LSR). Мітка передається в складі будь-якого пакета, причому спосіб її прив'язки до пакета залежить від використовуваної технології канального рівня.

Розподіл міток між LSR приводить до встановлення усередині домену MPLS шляхів з комутацією по мітках (Label Swіtchіng Path, LSP). Кожний маршрутизатор LSR містить таблицю, що ставить у відповідність парі "вхідний інтерфейс, вхідна мітка" трійку "префікс адреси одержувача, вихідний інтерфейс, вихідна мітка". Одержуючи пакет, LSR по номері інтерфейсу, на який прийшов пакет, і за значенням прив'язаної до пакета мітки визначає для нього вихідний інтерфейс. Старе значення мітки заміняється новим, що трималося у полі "вихідна мітка" таблиці, і пакет відправляється до наступного пристрою на шляху LSP [5].

Таким чином, головна особливість MPLS - відділення процесу комутації пакета від аналізу ІP- адрес у його заголовку, що відкриває ряд привабливих можливостей. Очевидним наслідком описаного підходу є той факт, що черговий сегмент LSP може не збігатися із черговим сегментом маршруту, що був би обраний при традиційній маршрутизації.

Використання   маршруту, що явно задається, у мережі MPLS вільно від недоліків стандартної ІP- маршрутизації від джерела, оскільки вся інформація про маршрут утримується в мітці й пакету не потрібно нести адреси проміжних вузлів, що поліпшує керування розподілом навантаження в мережі.

1.3 Вибір технології MPLS для побудови транспортного рівня

1.3.1 Основні поняття та структура

Багатопротокольна комутація за допомогою міток MPLS - технологія, розроблена робочою групою по інженерії послуг інтернету IETF. Це нова архітектура побудови магістральних мереж, яка значно розширює наявні перспективи масштабування, підвищує швидкість обробки трафіку і надає величезні можливості для організації додаткових послуг.

Технологія MPLS поєднує в собі можливості управління трафіком, властиві технологіям канального рівня, та масштабованість і гнучкість протоколів, характерні для мережевого рівня. Будучи результатом злиття механізмів різних компаній, вона ввібрала в себе найбільш ефективні рішення кожної. MPLS поєднала в собі надійність АТМ, зручні і потужні засоби доставки і забезпечення гарантованої якості обслуговування IP-мереж, - така інтеграція мереж дозволяє отримати додаткову вигоду зі спільного використання протоколів IP і АТМ.

Головна особливість технології MPLS - відділення процесу комутації пакету від аналізу IP-адреси в його заголовку, що дозволяє здійснювати комутацію пакетів значно швидше. Відповідно до протоколу MPLS маршрутизатори і комутатори призначають на кожній точці входу в таблицю маршрутизації особливу мітку і повідомляють цю мітку сусіднім пристроям [3].

Наявність таких міток дозволяє маршрутизаторам і комутаторам, що підтримують технологію MPLS, визначати наступний крок в маршруті пакету без виконання процедури пошуку адреси. На сьогоднішній день існують три основні сфери застосування MPLS:

  1.  управління трафіком;
  2.  підтримка класів обслуговування (CoS);
  3.  організація віртуальних приватних мереж (VPN) [7].

Розташування технології MPLS в семирівневій моделі ВВС показано на рис. 1.1.

Мережевий рівень - це комплексний рівень, який забезпечує можливість з'єднання і вибір маршруту між двома кінцевими системами, підключеними до різних "підмереж", які можуть знаходитися в різних географічних пунктах. В даному випадку "підмережа" - це, по суті, незалежний мережевий кабель (ще інколи зветься сегментом).

Канальний рівень забезпечує надійний транзит даних через фізичний канал. Виконуючи це завдання, канальний рівень вирішує питання фізичної адресації (на противагу мережевій або логічній адресації), топології мережі, лінійної дисципліни (яким чином кінцевій системі використовувати мережевий канал), повідомлення про несправності, а також питання впорядкованої доставки блоків даних і управління потоком інформації.

Фізичний рівень визначає електротехнічні, механічні, процедурні і функціональні характеристики активації, підтримки і дезактивації фізичного каналу між кінцевими системами.

Рисунок 1.1 –   Площини MPLS

MPLS - це свого роду інкапсулюючий протокол, здатний транспортувати інформацію безлічі інших протоколів вищих рівнів моделі ВВС. Таким чином, технологія MPLS залишається незалежною від протоколів рівнів 2 і 3 в мережах IP, АТМ і Frame Relay, а також взаємодіє з існуючими протоколами маршрутизації, такими як протокол резервування ресурсів RSVP або мережевий протокол переважного вибору найкоротших маршрутів OSPF.

Представлена на рис. 1.1 площина пересилки даних MPLS не утворює повноцінного рівня, вона "вклинюється" в мережі IP, АТМ або Frame Relay між 2-м і 3-м рівнями моделі ВВС, залишаючись незалежною від цих рівнів. Можна сказати, що одночасне функціонування MPLS на мережевому рівні і на рівні ланки даних призводить до утворення так званого рівня 2.5, де, власне, і виконується комутація по мітках.

Комітет IETF визначив три основні елементи технології MPLS. Розглянемо кожен з них детальніше:

Мітка - це ідентифікатор фіксованої довжини, що визначає клас еквівалентності пересилки FEC. Мітки мають локальне значення, тобто прив'язка мітки до FEC використовується тільки для пари маршрутизаторів. Мітка використовується для пересилки пакетів від верхнього маршрутизатора до нижнього, де, будучи вхідною, замінюється на вихідну мітку, що має також локальне значення на наступній ділянці шляху. Мітка передається у складі будь-якого пакету, при цьому її місце в пакеті залежить від використовуваної технології канального рівня. Структура мітки зображена на рисунку 1.2.

Рисунок 1.2  Структура мітки

Стек міток. Пакет, передаваний по мережі MPLS, як правило, містить не одну, а декілька міток. Такий набір міток утворює стек. Основне призначення стека міток - підтримка деревоподібності безлічі трактів LSP, що закінчуються в одному вхідному LSR, а, крім того, в тому, щоб використовувати мітки при створенні так званих LSP-тунелів [15].

FEC - це форма представлення групи пакетів з однаковими вимогами до передачі. Як мовилося раніше, в заголовку IP-пакету міститься значно більше інформації, чим потрібно для вибору наступного маршрутизатора. Цей вибір можна організувати шляхом виконання наступних двох груп функцій в маршрутизаторі:

  •  відносити пакет до певного класу FEC;
  •  ставити у відповідність кожному FEC наступний крок маршрутизації.

При відношенні пакетів до різних FEC велику роль грають IP-адреси, пріоритети обслуговування та інші параметри трафіку. Кожен FEC обробляється окремо, що дозволяє підтримувати необхідну якість обслуговування в мережі MPLS.

Комутований по мітках тракт (LSP) - це послідовність MPLS-маршрутизаторів. Набір пакетів, передаваний по LSP, відноситься до одного FEC, і кожен маршрутизатор LSR в LSP-тунелі призначає для нього свою мітку. LSP-тунель створюється всередині LSP-тракту. Слід зазначити, що часто початок і кінець тунеля не співпадають з початком і кінцем LSP-тракта. Як правило, тунель коротший. Для кожного тунеля підраховується число пропущених пакетів і байт. Іноді потік даних може бути настільки великий, що для нього створюється декілька LSP-тунелей між відправником і одержувачем. В одному LSP може бути створено декілька LSP-тунелів з різними точками прийому і передачі, а в кожному тунелі можуть бути створені LSP-туннели іншого рівня. У цьому виявляється ієрархічність структури MPLS. Можливі два варіанти створення тунелів: за принципом hop-by-hop, який припускає, що кожен маршрутизатор самостійно вибирає подальший шлях проходження пакету, або за принципом явної маршрутизації, в якому маршрутизатори передають пакет відповідно до вказівок, отриманих від верхнього в даному тракті LSR. Таким чином, в першому випадку маршрут проходження пакетів визначається випадковим чином, а у разі явної маршрутизації він відомий заздалегідь. У мережі MPLS може існувати набір маршрутизаторів, які є вхідними для конкретного FEC, тоді вважається, що для цього FEC існує LSP-тунель з різними точками входу і виходу. Якщо для деяких з цих LSP вихідним є один і той самий LER, то можна говорити про дерево LSP, коренем якого служить даний вихідний маршрутизатор. LSP можна розглядати як тракт, що створюється шляхом зчеплення одного або більшої кількості ділянок маршруту, який дозволяє пересилати пакет, замінюючи на кожному вузлі мережі MPLS вхідну мітку вихідною (так званий алгоритм перестановки міток). Таким чином, тракт мережі MPLS можна розглядати як тунель, для створення якого до IP-пакету вставляється заголовок - мітка. LSP встановлюються або перед передачею даних (з програмним управлінням), або при виявленні певного потоку даних (керовані даними LSP). На сьогоднішній день застосування тунелювання реалізоване в багатьох технологіях. Утворення у віртуальному тракті тунелів, по яких проходять інші віртуальні тракти, ґрунтується на інкапсуляції передаваних пакетів в пакети, які проходять цим трактом до даної адреси призначення.

1.3.2 Принцип роботи

Будь-який IP-пакет на вході в мережу MPLS, незалежно від того, поступає цей пакет від відправника або ж він прийшов з суміжної мережі, яка може бути MPLS-мережею більш високого рівня, відноситься до певного класу еквівалентної пересилки FEC (Forwarding Equivalence Class). Нагадаємо, що аналіз заголовка IP-пакета і призначення FEC проводиться тільки один раз на вході в мережу (рис. 1.3) [18].

Етап 1. Мережа автоматично формує таблиці маршрутизації. У цьому процесі беруть участь маршрутизатори або комутатори IP+ATM, встановлені в мережі сервіс-провайдер. При цьому застосовуються внутрішні протоколи маршрутизації, такі як OSPF або IS-IS.

Етап 2. Протокол розподілу міток (Label Distribution Protocol - LDP) використовує відображену в таблицях топологію маршрутизації для визначення значень міток, що вказують на сусідні пристрої. В результаті цієї операції формуються маршрути з комутацією по мітках (Label Switched Paths - LSP). Автоматичне призначення міток MPLS вигідно відрізняє цю технологію від технології приватних віртуальних каналів АТМ PVC, що вимагають ручного призначення VCI/VPI.

Етап 3. Вхідний пакет поступає на прикордонний Label Switch Router (LSR), який визначає, які послуги 3-го рівня необхідні цьому пакету (наприклад, QoS або управління смугою пропускання). На основі урахування всіх вимог маршрутизації і правил високого рівня, прикордонний LSR вибирає і призначає мітку, яка записується в заголовок пакету, після чого пакет передається далі.

Етап 4. Пристрій LSR, що знаходиться в опорній мережі, читає мітки кожного пакету, замінює старі мітки новими (нові мітки визначаються по локальній таблиці) і передає пакет далі. Ця операція повторюється в кожній точці передачі пакету по опорній мережі.

Рисунок 1.3  Фрагмент MPLS-мережі

Етап 5. На виході пакет потрапляє в прикордонний LSR, який видаляє мітку, читає заголовок пакету і передає його за місцем призначення. У магістральних LSR мітка MPLS перевіряється по заздалегідь розрахованим таблицям комутації і містить інформацію 3-го рівня. Це дозволяє кожному пристрою LSR автоматично надавати кожному пакету необхідні IP-услуги. Таблиці розраховуються заздалегідь, що знімає необхідність повторної обробки пакетів в кожній точці передачі. Така схема не тільки дозволяє розділити різні типи трафіку (наприклад, відокремити непріоритетний трафік від критично важливого); вона робить рішення MPLS добре масштабованими. Оскільки для привласнення міток технологія MPLS використовує різні набори правил (policy mechanisms), вона відокремлює передачу пакетів від змісту заголовків IP. Мітки мають тільки локальне значення і багато разів використовуються наново в крупних мережах, тому вичерпати запас міток практично неможливо. В рамках надання корпоративних IP-послуг найголовніша перевага MPLS полягає в здатності призначати мітки, що мають спеціальне значення. Набори міток визначають не тільки місце призначення, але і тип застосунку і клас обслуговування.

1.3.3 Маршрутизація в мережі з комутацією по міткам

З технічної точки зору, розподіл міток з метою заповнення таблиць LIB і встановлення LSP є синонімами.

Уведемо наступні визначення:

• маршрутизатор LSR називають нижчестоящим, або downstream, якщо він є вихідним по напрямку передачі трафіку;

• маршрутизатор називають вищестоящим, або upstream, якщо він розташований на початку шляху по напрямку передачі.

Розподіл міток завжди проводиться нижчестоящим маршрутизатором, після чого він інформує відповідні вищестоящі маршрутизатори про прив'язку міток до FEC, що надходять до йому пакетів. Обмін інформацією про прив'язку міток може проводитися з допомогою різних протоколів сигналізації.

Технологія MPLS пропонує кілька режимів призначення й поширення міток.

У режимі незалежного поширення міток кожний нижчестоящий маршрутизатор самостійно прив'язує вхідну мітку й поширює її як вихідну серед вищестоящих маршрутизаторів. При цьому одержання вхідної мітки перед створенням і поширенням вихідної необов'язково. Інший режим поширення міток – упорядкований. У цьому випадку маршрутизатор передає мітку вищестоящому LSR тільки після одержання мітки від нижчестоящого маршрутизатора.

Слід зазначити, що ініціатором розподілу міток може бути, як сам нижній маршрутизатор, так і верхній LSR передавальний запит нижньому. Ці режими називаються, відповідно, unsolicited downstream і downstream-on-demand.

Нижній маршрутизатор може розподіляти мітки не тільки по верхнім LSR, що має з ним прямі зв'язки, але й LSR, між якими існує комутирується связь, що. Результат розподілу міток, при цьому, залежить від того, у якому режимі працює верхній LSR: консервативному або ліберальному.

При роботі верхнього LSR у консервативному режимі прив'язка «влучна- FEC», одержувана від маршрутизаторів, між якими існує лише  зв'язок, що комутирується, відкидається. Прив'язка приймається тільки від сусіднього LSR.

У ліберальному режимі верхній LSR приймає прив'язки міток до FEC як від суміжних, так і від несуміжних LSR.

Вибір маршруту. Вибір маршруту сполучений з методом, використовуваним при виборі LSP для певного класу FEC. Архітектура MPLS підтримує два варіанта вибору маршруту:

• традиційна маршрутизація;

• явна маршрутизація.

Традиційна маршрутизація дозволяє кожному маршрутизатору незалежно вибирати наступний крок для кожного FEC, і покладатися тільки на свій алгоритм маршрутизації, що звичайно базується на традиційних для IP-Мереж протоколах маршрутизації.

При явній маршрутизації шлях, по якому буде повинен випливати трафік, задається відправником. Явна маршрутизація дає можливість проводити політикові маршрутизації й керування трафіком. Завдання пошуку шляхів при явній маршрутизації трафіку покладає на оконечні маршрутизатори LER, а внутрішні маршрутизатори лише передають їм інформацію про стан мережі. На основі цієї інформації LER приймають рішення про вибір шляху. Кожний прикордонний LSR може працювати по своєї версії алгоритму явної маршрутизації.

Традиційна і явна маршрутизація повністю сумісні. Кожний LSR може підтримувати один або інший тип маршрутизації одночасно. Слід зазначити, що вибір одного з методів маршрутизації не робить якого-небудь впливу на механізм комутації на основі міток.

1.3.4 Протокол розподілу міток LDP

Шлях LSP може бути створений за допомогою різних протоколів розсилання міток, у цьому технологія MPLS не накладає яких-небудь обмежень. Протокол розсилання міток являє собою набір процедур і повідомлень, за допомогою яких один LSR інформує інші про прив'язках «мітка-FEC», які він сформував, а також про всілякий узгодженнях, що використовуються для обміну інформацією про можливості LSR. Основним протоколом розподілу міток в MPLS визначений LDP.

Протокол LDP призначений у першу чергу для дублювання дерев маршрутизації й перетворення їх у дерева маршрутизації на основі міток. Протоколи OSPF, BGP і IS-IS обчислюють і поширюють дерево вибору найкоротшого шляху (SPF) до адресата від будь-якого джерела. LDP копіює обчислене дерево маршрутизації й для кожного каналу в дереві виділяє мітку. У крапках дерева, де галузі сходяться, мітки поєднуються.

Маршрутні таблиці формуються на основі дерева найкоротшихшляхів. Ці таблиці містять упорядкований набір адрес місця призначення й інформацію про найближчих сусідів.

При формуванні тракту, що комутирується по мітках, LSP у першу черга здійснюється виявлення LSR, з якими можливо установлення протокольної сесії. Протоколом LDP передбачено два режиму виявлення: базовий і розширений. У першому випадку виявлення LSR здійснюється шляхом періодичного відправлення на порт UDP-646 по широкомовному IP-Адресі 224.0.0.2. привітальних повідомлень Hello. Передаючи ці повідомлення, маршрутизатор тим самим повідомляє про те, що він готовий до взаємодії.

У випадку, коли маршрутизатори перебувають не в одній мережі, застосовується розширений метод виявлення. У цьому випадку привітальне повідомлення Hello направляється по певному IP-адресі до конкретного вузла.

У привітальних повідомленнях Hello передається ідентифікатор простору міток, що передавальне дане повідомлення маршрутизатор планує використовувати надалі, у процесі відкриття з'єднання між LSR по протоколі TCP, а також допоміжна інформація.

Після процедури виявлення маршрутизатори встановлюють через порт 646 TCP-З'єднання й передають повідомлення ініціалізації сеансу зв'язку. У повідомленні ініціалізації маршрутизатори обмінюються інформацією про підтримувану версію протоколу, дисципліні розподілу міток, їхньому діапазоні й інших параметрах. По завершенні сеансу ініціалізації маршрутизатори LSR обмінюються повідомленнями KeepAlive, які служать для підтримки LDP-Сесії в активному стані. Після встановлення сесії ініціатор роздачі міток може послати повідомлення із запитом на одержання мітки Label Request, у якому описується FEC переданого потоку. Якщо на шляху проходження повідомлення не виникло ніяких ускладнень, то від нижчестоящого маршрутизатора буде послане повідомлення Label Mapping, що містить в собі локальне значення мітки. У протилежному випадку буде послане повідомлення Notification, у якому повинні втримуватися причина відмови й вказівки до подальших дій. Якщо на всіх вищестоящих маршрутизаторах прив'язка «влучна-FEC» пройшла успішно, те після обробки на вхідному прикордонному маршрутизаторі повідомлення Label Mapping, отриманого від сусіднього з ним нижчестоящого маршрутизатора, тракт LSP уважається встановленим.

Передача сигнальних повідомлень у протоколі реалізується пересиланням блоку протокольних даних PDU. У кожному з таких блоків може бути передано одне або кілька повідомлень.

Структуру PDU можна підрозділити на дві частини: заголовок повідомлення, у якому передаються версія протоколу, довжина блоку LDP і поле, що визначає діапазон міток LSR; і саме повідомлення. Треба також відзначити, що всі параметри в протоколі LDP кодуються за схемою тип-довжина-значення (TLV).

1.3.5 Тунелі в MPLS

Стосовно до MPLS ми будемо говорити про LSP-Тунелі, утворених не шляхом інкапсуляції пакетів, а за допомогою засобів комутації по мітках.LSP-Тунель являє собою послідовність < LSR1, LSR2, ... , LSRn>, у якому LSR1 є передавальної кінцевим пунктом тунелю, а LSRn - приймальням кінцевим пунктом тунелю. Пакети, підмети транспортуванню через LSP-Тунель, ставляться до одному FEC, і кожний LSR тунелю призначає мітку для цього FEC, тобто мітку для тунелю. Щоб направити пакет в LSP-Тунель, маршрутизатор передавального кінцевого пункту тунелю поміщає мітку, призначену для цього тунелю, поверх існуючі в пакеті стека міток (помітимо, що й у цьому випадку передостанній маршрутизатор LSP-Тунелю може знищити верхнюю мітку в стеці до передачі пакета до прийомного кінцевого пункту).

LSP-Тунель створюється усередині LSP. Істотно, що початок і/або кінець тунелю, як правило, не збігаються з початком і/або кінцем цього LSP, тунель звичайно буває коротше LSP, у якому він створений. В одному LSP може бути створене трохи LSP-Тунелів одного рівня з незбіжними передавальними й/або прийомними кінцевими пунктами.

Більше того, усередині кожного із цих тунелів можна створювати LSP-Тунелі наступного рівня. Кількість таких рівнів, по тимі або інших причинах, не може бути як завгодно велико, однак ієрархічність архітектури MPLS у цьому випадку цілком очевидна. Здійснюється вона за допомогою стека влучна. Механізм стека міток дозволяє здійснювати ієрархічне функціонування в мережі MPLS. Він, зокрема, дозволяє використовувати MPLS для здійснення одночасно маршрутизації як між окремими маршрутизаторами усередині мережі даного Інтернет-провайдеру, так і високорівневої міждоменної маршрутизації. Кожний рівень в стеці міток ставиться до деякого ієрархічного рівня, що полегшує підтримку тунелювання в MPLS.

Під LSP рівня m розуміється LSP, утворений послідовністю маршрутизаторів <LSRвх, LSR2, ... , LSRn-1, LSRвих> з наступними властивостями:

• вхідний маршрутизатор LSRвх поміщає в стек міток оброблюваного пакета таку по рахунку мітку, що стік здобуває глибину m;

• при всіх i (1<i<n) пакет, що надходить до LSRi, має стек міток глибини m;

• у процесі транспортування пакета від LSRвх до LSRn-1 глибина його стека міток ніколи не буває менше m;

• при всіх i (1<i<n) LSRi передає пакет LSRi+1 засобами MPLS.

Іншими словами, LSP рівня m являє собою послідовність маршрутизаторів, що починається із вхідного LSR, що вставляє в пакет мітку рівня m, містить проміжні LSR, кожний з яких ухвалює рішення щодо пересиланні пакета на основі мітки рівня m, і закінчується вихідним LSR, де рішення про пересилання приймається на основі мітки рівня m - k, де k>0, або на основі звичайних (не MPLS) процедур пересилання. Відзначимо, що від LSRn-1 до LSRn можна передавати пакети зі стеком міток глибини (m-1), оскільки мітка рівня m вихідному LSR не потрібно. Це дозволяє позбавити вихідний LSR від операцій аналізу непотрібної йому мітки й не вимагає ніяких додаткових операцій, крім простого знищення в передостанньому LSR верхньої мітки у стеці. Тобто у мережі MPLS можуть утворюватися LSP-Тунелі довільної

ступеня складності. Якщо оператор повинен вкласти один LSP-Тунель в інший LSP-Тунель, то потоку призначається розглянутий вище стек міток, як це показано на рисунку 1.4. У таких випадках MPLS-мітки містяться в стік міток на вході в кожний тунель і витягають зі стека міток на виході з тунелю. Остання мітка зі стека буде витягнута тоді, коли потік прийде на прикордонний маршрутизатор на шляху до адресата.

Таким чином, шляхом створення тунелів через трохи мережних сегментів досягається унікальна можливість MPLS управляти всім трактом передачі пакета без специфікувння в явному виді проміжних маршрутизаторів. У зв'язку із цим розглянемо трохи більше загальну схему, представлену на рисунку 1.5.

Рис.1.4 – Тунелювання через LSP

Нехай тут всі прикордонні маршрутизатори MPLS (LSR1, LSR2, LSR3 і LSR4) використовують протокол BGP і створюють комутований по міткам тракт LSP між ними (LSP1). LSR1 знає про те, що його наступний пункт призначення – LSR2, оскільки він передає дані від відправника, які повинні пройти через два сегменти мережі. У свою чергу, LSR2 знає про те, що його наступний пункт призначення – LSR3, і т.д. Ці прикордонні LSR будуть використовувати протокол LDP для одержання й зберігання міток від вихідного LSR4 аж до вхідного LSR1.

Рис.1.5 – Тунелі в мережі MPLS

Однак, щоб дані були передані від LSR1 до LSR2, вони повинні пройти через трохи (у цьому випадку три) транзитні маршрутизатори LSR. Таким чином, між двома LSR (LSR1 і LSR2) створюється окремий тракт LSP (LSP2), що охоплює LSR5, LSR6 і LSR7. Він, по суті, являє собою тунель між цими двома LSR. Мітки в цьому LSP відрізняються від міток, які LSR створили для LSP1. Це справедливо й для LSR3 і LSR4, так само як і для LSR, що перебувають між ними. Для цього останнього сегмента створюється тракт LSP3. Для досягнення цього результату, тобто для передачі пакета через два мережних сегменти використовується викладена в попередньому параграфі концепція стека влучна.

Оскільки пакет повинен випливати через LSP1, LSP2 і LSP3, він буде переносити одночасно дві окремі мітки. Пари, використовувані для кожного сегмента, що випливають: для першого сегмента – мітка для LSP1 і LSP2, для другого сегмента – мітка для LSP1 і LSP3. Коли пакет залишає першу мережу й приймається прикордонним маршрутизатором LSR3, той видаляє мітку для LSP2 і заміняє її на мітку для LSP3, заміняючи при цьому мітку LSP1 усередині пакета на мітку наступного пересилання. Маршрутизатор LSR4 видаляє обидві мітки перед відправленням пакета адресатові.

1.4 Висновки до розділу

У даному розділі зроблено порівняльний аналіз основних технологій транспортних мереж NGN, виявлено їх сильні та слабкі сторони. Сформульовані тут вимоги до таких систем виявляють недоцільність використання ATM чи IP у чистому вигляді, тому технології маршрутизації MPLS стають де-факто стандартом для маршрутизації в мережах наступного покоління та зближують конкуруючі «світогляди», беручи переваги кожного з них. До того ж вони дозволяють використовувати методи мережевого інжинірингу, які при застосуванні до мультипротокольної комутації за допомогою міток та її протоколах мають назву інжинірингу трафіку та дозволяють розподіляти та перерозподіляти трафік у разі необхідності.

На закінчення розгляду MPLS, хотілося б виділити ряд переваг даної технології в порівнянні з іншими технологіями базової мережі IP і IP/ATM. Серед них:

•  підвищення масштабованості мережі;

•  швидка комутація на основі міток;

•  поділ транспортного й керуючого рівнів, що дозволяє значно полегшити введення нових протоколів маршрутизації й спростити, прискорити й знизити ймовірність помилки при проектуванні встаткування;

•  забезпечення високої гнучкості в наданні нових послуг, при відносній простоті настроювання та доставка трафіку з гарантованим рівнем якості Qo;

MPLS дозволяє зменшити собівартість і поліпшити якість базових послуг;

можливість керування трафіком (Traffic Engineering). Підтримка функцій керування трафіком дає можливість маніпулювати проходженням даних по мережі таким чином, щоб можна було реалізувати нові види послуг;

•  при побудові VPN на базі MPLS відпадає необхідність в додатковому шифруванні інформації й інших мір захисту доступу;

• по мережі MPLS можуть передаватися будь-які дані, тому що уміст пакета залишається незмінним протягом усього шляхи, заміняються лише мітки;

•   забезпечує робочі характеристики мереж 2 і 3 рівня;

•  MPLS реалізує механізми, що дозволяють призначати більше високий пріоритет чутливим до пропускної здатності мережі типам трафіку, наприклад, відео потокам.

Перераховані достоїнства роблять MPLS досить багатообіцяючою технологією. Уже сьогодні найбільші компанії пропонують готові MPLS-Рішення, здатні не тільки підвищити якість роботи мереж, але й значно розширити можливості їх застосування. Технологію швидкої комутації на основі міток підтримують пристрою Cisco, Juniper, Nortel, Lucent і ряду інших великих виробників устаткування. Розширюється й область застосування MPLS. Крім споконвічної мети – підвищення якості магістральних мереж операторів, MPLS починає поширюватися на мережі доступу. Використання MPLS у корпоративних мережах з більшим трафиком, безсумнівно, більше виправдано, чим у невеликих LAN, так як ізоляція трафика в локальних мережах не є проблемою для більшості користувачів, а вимоги до захисту реалізуються, як правило, на рівні додатків, що дозволяє досить просто відокремити одного користувача від іншого. А забезпечення Qo економічно більш вигідно реалізувати збільшенням потужності комутаторів. У локальній мережі застосування MPLS для відділення неінформаційного трафика від трафика даних.

Впровадження MPLS не повинне викликати які-небудь додаткові утруднення в порівнянні з іншими протоколами, що базуються на IP. Природно, необхідно враховувати ту обставину, що маршрутизатори мережі MPLS повинні підтримувати дану технологію, це є обов'язковою умовою для відкриття LSP-тракту.

2 ОБҐРУНТУВАННЯ ВИБОРУ МЕТОДА ОПТИМІЗАЦІЇ ТРАНСПОРТНОЇ МЕРЕЖІ ІР/MPLS

2.1 Traffic Engineering системи MPLS

2.1.1 MPLS-TE

Під терміном Traffic Engineering розуміють методи і механізми збалансованого завантаження всіх ресурсів мережі за рахунок раціонального вибору шляху проходження трафіку через мережу. Механізм управління трафіком надає можливість встановлювати явний шлях, яким передаватимуться потоки даних. Необхідність наявності цього механізму і серйозність розробок удосконалень в напрямі підтверджується створенням у складі Групи розробки інженерних задач інтернету (IETF) робочої групи Traffic Engineering (TEWG) і виданням нею свого основного документа: RFC 3272 «Overview and Principles of Internet Traffic Engineering» [13]

При традиційній маршрутизації IP-трафік маршрутизується за допомогою передачі його від однієї точки призначення до іншої і слідує до пункту призначення по шляху з найменшою сумарною метрикою мережевого рівня.

Слід відмітити, що за наявності в мережі декількох рівноцінних альтернативних маршрутів трафік ділиться між ними, і навантаження на маршрутизатори і канали зв'язку розподіляється збалансованіше. Але якщо маршрути не є повністю рівноцінними, розподіл трафіку між ними не відбувається.

Ще один істотний недолік традиційних методів маршрутизації трафіку в мережах IP полягає в тому, що шляхи вибираються без урахування поточного завантаження ресурсів мережі. Навіть якщо найкоротший шлях вже перевантажений, то пакети все одно посилатимуться цим шляхом. Наявна збитковість методів розподілу ресурсів мережі - одні з них працюють з перевантаженням, а інші не використовуються зовсім. Ніякі методи QoS цю проблему вирішити не зможуть: потрібні якісно інші механізми. Технологія управління трафіком - достатньо ефективний механізм використання ресурсів мережі.

Функція MPLS Traffic Engineering (TE) дозволяє мережі сервіс-провайдеру емулювати можливості інжинірингу трафіку, що існують в мережах 2-го рівня, таких як Frame Relay і АТМ. Інжиніринг трафіку на рівні 3 дозволяє контролювати окремі мережеві маршрути, знижуючи ймовірність переповнювання і підвищуючи економічність передачі IP-трафіку в мережах, що маршрутизуються. Мета інжинірингу трафіку на рівні 3 полягає в тому, щоб максимально задіяти в роботі всі мережеві ресурси. Зазвичай в мережах IP є багато альтернативних маршрутів, по яких трафік передається до місця призначення. Якщо покладатися тільки на протоколи маршрутизації, то деякі маршрути виявляться переповненими, тоді як інші простоюватимуть [22].

Інжиніринг трафіку MPLS:

• створює єдиний підхід до інжинірингу трафіку. За допомогою MPLS можливості інжинірингу трафіку вводяться на 3-й Рівень, що дозволяє оптимізувати маршрутизацію IP-трафіку з урахуванням обмежень, що накладаються ємністю і топологією мережевої магістралі;

• маршрутизує потоки трафіку по мережі з урахуванням доступних мережевих ресурсів;

• використовує «маршрутизацію з урахуванням обмежень», тобто вибирає для передачі трафіку найбільш короткий маршрут, що відповідає вимогам (обмеженням) даного потоку. У MPLS ТЕ трафік має вимоги до смуги пропускання, вимоги до середовища передачі, вимоги пріоритетності і т.д.;

• розпізнає мережеві збої та відмови, що міняють топологію мережі, і пристосовується до нового набору обмежень.

При цьому завдання TE в RFC 2702 «Requirements for Traffic Engineering Over MPLS» [12] формулюється як мінімізація максимального коефіцієнта використання ресурсу по всіх ресурсах мережі для нанесення найменшого збитку трафіку.

Інжиніринг трафіку дозволяє сервіс-провайдеру запропонувати своїм користувачам кращі послуги з контрольованою пропускною спроможністю і часом затримки. Це досягається завдяки класифікації даних і передачі цих даних по тунелях, що відповідають вимогах даного трафіку.

Інжиніринг трафіку MPLS знімає необхідність в ручному настроюванні мережевих пристроїв на підтримку певних маршрутів. Замість цього ви можете скористатися функціональністю MPLS Traffic Engineering, яка розпізнає топологію мережі і встановить динамічні маршрути за допомогою автоматичної сигналізації. При визначенні маршрутів в мережевій магістралі ця функція враховує смугу пропускання і об'єм потоку трафіку. І нарешті, MPLS Traffic Engineering має механізм динамічної адаптації, який підвищує відмовостійкість магістралі.

Слід відмітити, що інжиніринг трафіку працює тільки з протоколами Link State Routing Protocols (IS-IS, OSPF) і не працює з протоколами Distance Vector Routing Protocols (RIP, EIGRP). Для вирішення завдання TE в протоколи OSPF і IS-IS включені нові типи оголошень для розповсюдження по мережі інформації про номінальну і незарезервовану (доступну для потоків TE) пропускну спроможність кожного зв'язку. Таким чином, ребра результуючого графа мережі, що створюється в топологічній базі кожного маршрутизатора, будуть маркіровані цими двома додатковими параметрами (мал. 2.1).

Маючи в своєму розпорядженні такий граф, а також параметри потоків, для яких потрібно визначити шляхи TE, маршрутизатор може знайти раціональне рішення, що задовольняє, наприклад, одному з сформульованих вище обмежень на коефіцієнти використання ресурсів мережі, забезпечивши тим самим її збалансоване завантаження.

Для спрощення завдання оптимізації вибір шляхів для деякого набору потоків може здійснюватися по черзі, при цьому обмеженням є сумарне завантаження кожного ресурсу мережі. Зазвичай вважається, що внутрішньої продуктивність маршрутизатора вистачить (в середньому) для обслуговування будь-якого трафіку, який здатні прийняти інтерфейси маршрутизатора. Тому в якості обмеження виступають тільки максимально допустимі значення коефіцієнтів завантаження каналів зв'язку, що встановлюються індивідуально або

Рисунок 2.1 –  Граф мережі

ж мають спільне значення. Розв’язання задачі визначення маршруту з урахуванням обмежень отримало назву Constrained-based Routing, а протокол OSPF з відповідними розширеннями - Constrained SPF, або CSPF [5]

Зрозуміло, що пошук шляхів TE по черзі знижує якість рішення - при одночасному розгляді всіх потоків можна знайти раціональніше завантаження ресурсів. У прикладі, показаному на мал. 2.2, обмеженням є максимально допустиме значення коефіцієнта використання ресурсів, рівне 0,65.

У варіанті 1 рішення було знайдено при черговості розгляду потоків 1 -> 2 -> 3. Для першого потоку був вибраний шлях A-B-C, оскільки в цьому випадку він, з одного боку, задовольняє обмеженню (всі ресурси уздовж шляху - канали A-B, A-C і відповідні інтерфейси маршрутизаторів виявляються завантаженими на 0,5/1,5 = 0,33), а з іншої - володіє мінімальною метрикою (65 + 65 = 130). Для другого потоку також був вибраний шлях A-B-C, оскільки і в цьому випадку обмеження задовольняється - результуючий коефіцієнт використання виявляється рівним (0,5 + 0,4) /1,5 = 0,6. Третій потік прямує по дорозі A-D-E-C і завантажує ресурси каналів A-D, D-E і E-C на 0,3.

Рішення 1 можна назвати задовільним, оскільки коефіцієнт використання будь-якого ресурсу в мережі не перевищує 0,6.

Рисунок 2.2 –  Варіанти завантаження ресурсів

Проте існує кращий спосіб, представлений у варіанті 2. Тут верхнім шляхом A-B-C були направлені потоки 2 і 3, а потік 1 - по нижньому шляху A-D-E-C. Ресурси верхнього шляху виявляються завантажені на 0,46, а нижнього - на 0,5, тобто в наявності рівномірніше завантаження ресурсів, а максимальний коефіцієнт використання по всіх ресурсах мережі не перевищує 0,5. Цей варіант може бути отриманий при одночасному розгляді всіх трьох потоків з урахуванням обмеження min (max Ki) або ж при розгляді потоків по черзі в послідовності 2->3->1.

Проте у сучасному устаткуванні застосовується варіант MPLS TE з послідовним розглядом потоків. Він простіше в реалізації і ближче до стандартних для протоколів OSPF і IS-IS процедур знаходження найкоротшого шляху для однієї мережі призначення [17].

У технології MPLS TE інформація про знайдений раціональний шлях використовується повністю - тобто запам'ятовується не тільки перший транзитний вузол, як в основному режимі маршрутизації IP, а всі проміжні вузли шляху разом з початковим і кінцевим, тобто маршрутизація проводиться від джерела. Тому достатньо, щоб пошуком шляхів займалися тільки прикордонні мережі LSR, а внутрішні - лише поставляли їм інформацію про поточний стан мережі, яка необхідна для ухвалення рішень. Такий підхід володіє декількома перевагами в порівнянні з розподіленою моделлю пошуку шляху, лежачою в основі стандартних протоколів маршрутизації IP:

1. він дозволяє використовувати "зовнішні" рішення, коли шляхи знаходяться якою-небудь системою оптимізації мережі в автономному режимі, а потім прокладаються в мережі;

2. кожен з прикордонних LSR може працювати за власною версією алгоритму, тоді як при розподіленому пошуку на всіх LSR необхідний ідентичний алгоритм, що ускладнює побудову мережі з устаткуванням різних виробників;

3. такий підхід розвантажує внутрішні LSR від роботи по пошуку шляхів.

Після знаходження шляху, незалежно від того, знайдений він був прикордонним LSR або зовнішньою системою, його необхідно встановити. Для цього в MPLS TE використовується спеціальний протокол сигналізації, який уміє поширювати по мережі інформацію про явний (explicit) маршрут.

Відновлення послуг за допомогою інжинірингу трафіку. У MPLS ТЕ існує метод відновлення послуг. Це досягається за допомогою функції захисту каналів або швидкої переадресації (Link Protection або Fast Reroute).

Функція FRR може захистити від збою індивідуальний канал. Час комутації захищених каналів FRR підібраний так, щоб відповідати стандартам SONET/SDH (близько 50 мс).

Це означає, що кожен канал LSP може бути захищений за допомогою резервного маршруту, який починає працювати з моменту відмови каналу, незалежно від головного маршрутизатора (head-end-router). Ця технологія відрізняється від простого захисту каналу, коли саме головний маршрутизатор активізує роботу резервного каналу.

Рисунок 2.3 – Захищений канал з комутацією по мітках

Якщо ви використовуєте FRR, головний маршрутизатор навіть не знатиме про відмову. З погляду цього маршрутизатора, тунель TE діятиме як завжди.

На рисунку 2.3 показаний процес Fast Reroute. Канал між R6 і R5 захищений за допомогою Fast Reroute. У разі збою R6 визначить, що канал не працює, і відразу ж передасть всі дані в резервний тунель TE через {R2,R3,R4} до R5. Важливо пам'ятати, що дані або трафік з мітками, передаваний резервним каналом, обов'язково повинен потрапляти на маршрутизатор, підключений до іншого кінця захищеного каналу [8].

У приведеному прикладі трафік передається по резервному каналу дуже довгим шляхом. Це не так важливо, оскільки механізм захисту каналу вже запущений, трафік передається, мережа знає про збій і приймає заходи до пошуку оптимальнішого маршруту. Після відновлення каналу за допомогою таймерів оптимізації маршруту буде відновлений і первинний LSP.

2.1.2 Використання ТЕ-трактів

Для балансування навантаження набір з двох чи більше LSP можна використати для маршрутизації між двома кінцевими точками з урахуванням потреб сукупного трафіку. Визначена в [12] модель TE-тракту дозволяє враховувати таке балансування. TE-трактом називається сукупність з одного або більшої кількості LSP, що використовуються для задоволення потреб перенесення сукупного трафіку між двома точками відповідно до визначеного класу обслуговування. TE-тракт описується своєю зарезервованою пропускною здатністю і набором TE-параметрів (наприклад, клас обслуговування, затримка...). Зауважимо, що для балансування навантаження набір з двох чи більше LSP можна використати для маршрутизації між двома кінцевими точками з урахуванням потреб сукупного трафіку. Концепція TE-тракту дозволяє враховувати такі балансування. Коли TE-тракт складається з більш ніж одного LSP, необхідний механізм балансування навантаження, щоб обрати LSP, який використовуватиметься для маршрутизації даного потоку. Сьогодні виділяється два основних підходи до розгортання магістралей TE в мережах провайдерів: тактичний і стратегічний. Тактичний підхід полягає в розміщенні декількох TE-трактів, таким чином, щоб обійти перевантажені сегменти мережі. Стратегічний підхід полягає в поєднанні прикордонних маршрутизаторів з набором TE-трактів. Ці TE-тракти використовуються для перенесення всього трафіку або деяких конкретних його класів трафіку між прикордонними маршрутизаторами. Далі ми орієнтуємося на стратегічний підхід MPLS-TE.

При стратегічному підході TE-тракти спочатку обчислюються за допомогою прогнозування матриці трафіку, а потім вже можуть бути адаптовані в залежності від зміни трафіку чи топології (наприклад, пошкодження мережі). Одноразово налаштовані TE-тракти використовуються завжди для маршрутизації потоків між прикордонними маршрутизаторами. Оскільки резервація смуги пропускання в MPLS-TE є чисто логічною, гарантувати її мають  додаткові механізми. Контролюючі механізми відповідають за те, аби TE-тракт не використовував ширину смуги пропускання, що перевищує зарезервовану. Такий контроль можна виконати на основі окремих потоків, виконуючи контроль на вхідних потоках (базуючись на запрошуваній потоком смуги пропускання та наявної пропускної здатності у ТЕ-тракті), і далі контролювати кожен потік окремо, або на основі сукупності, обмежуючи сукупний рівень трафіку в межах ТЕ-тракту. Адаптація розміру TE-тракту до зміни трафіку вимагає знання фактичного навантаження TE-тракту. Дані можуть спиратися на вимірюване навантаження трафіку на прикордонних маршрутизаторах або на сукупну смугу пропускання, запрошувану кожним потоком в режимі контролю на основі окремих потоків.

2.1.3 Функціональна архітектура системи маршрутизації MPLS-TE

У цьому розділі ми пропонуємо загальну архітектуру для опису системи маршрутизації MPLS-TE (рис. 2.4). Це функціональна архітектура, що допомагає в реалізації великого спектру рішень [11]. Вона складається з набору функцій, які називають також будівельними блоками. Деякі з них працюють на маршрутизаторах, інші можуть розміщатися або на маршрутизаторах або на одному чи більшій кількості мережевих серверів. Розрізняються стандартні MPLS-TE блоки і специфічні блоки експлуатації:

• Стандартні функції MPLS-TE включають функцію визначення топології ТЕ, що забезпечується протоколом IGP-TE (або OSPF-TE, або ISIS-TE) і функцію сигналізації LSP, забезпечується протоколом RSVP-TE. Ці стандартні функції знаходяться в маршрутизаторах.

• Специфічні функції експлуатації включають функції агента ТЕ-тракту, обчислення шляху TE-тракту, адаптації та використання TE-тракту Ці функції можуть бути розташовані в маршрутизаторах або винесені на один або декілька серверів. Функція TE-менеджера завжди розташована на мережевому сервері.

У розділах нижче, ми орієнтуємося на п'ять будівельних блоків, що відповідають за оптимізацію ресурсів: TE-Manager (TM), TE-Trunk AGent (TAG), TE-Trunk Computation (TC), TE-Trunk ADaptation (TAD), TE-Trunk Utilization (TU)

Рисунок 2.4 – Загальна архітектура систем маршрутизації MPLS-TE

TE-Manager

TE-Manager (TM) являє собою функціональний орган, який приймає рішення встановлення/видалення/зміни TE-тракту, спираючись на прогнозування матриці трафіку (1), тобто набір сукупних вимог трафіку між кожною парою прикордонних маршрутизаторів. Він посилає запити встановлення/видалення/зміни TE-тракту одному або декільком агентам TE-тракту (2). Ця функція необов’язкова (факультативна), TE-тракт може бути визначений оператором або безпосередньо в налаштуваннях агентів TE-тракту.

TE-Trunk Agent

TE-Trunk Agent (TAG), є серцем архітектури. Він контролює створення/зміни/видалення TE-тракту в мережі. Він координує дії блоків TE-менеджера, адаптації TE-тракту, обчислення шляху TE-тракту, використання TE-тракту і сигналізації LSP. Він обробляє спрямовані ТЕ-менеджером (1) запити встановлення/видалення/зміни TE-тракту, і запити зміни TE-тракту, спрямованих блоком адаптації TE-тракту (3). Агент надсилає запит розрахунку TE-тракту блоку обчислення шляху TE-тракту (4). Після обчислення шляхів менеджер TE-тракту розсилає запити встановлення LSP модулю RSVP-TE (7), щоб прокласти TE-LSP уздовж обчислених шляхів.

Одноразово встановлене TE-LSP, заноситься TAG в базу даних TE-тракту, що містить інформацію про створені ТЕ-тракти (обмеження TE-тракту, шляхи TE-трактів і т.д.) (8). Він також повідомляє блок використання TE-тракту (9) про створений TE-тракт і відповідні LSP. У "мережевому режимі", агент має зв’язуватися з блоками IGP-TE (10) та сигналізації LSP, щоб отримувати повідомлення про пошкодження мережі (зв’язку/вузла) чи TE-LSP. Цей зв'язок дозволяє TAG виявляти пошкодження і викликати блок обчислення шляху TE-тракту, щоб переадресувати TE-тракти шляхом, що уникає пошкоджені елементи.

TE-Trunk Path Computation

TE-Trunk Path Computation (ТС) є одним з основних будівельний блоків в системах маршрутизації MPLS-TE. Він повинен знайти шляхи TE-тракту за допомогою бази даних трафік інжинірингу (TED) (5), яку поповнює IGP (6) і з огляду на потреби TE-тракту. ТС обробляє запити агента TE-тракту. Запит може відноситися до одного TE-тракту або їх набору. Запит може бути проханням встановлення тракту або його зміни. На виході для даного тракту маємо шлях або багато шляхів, чия сукупна пропускна спроможність вдовольняє запитувану трактом.

TE-Trunk Adaptation block

TE-Trunk Adaptation block (TAD) займається адаптацією розміру TE-тракту відповідно фактичному навантаженню. Він збільшує розмір TE-тракту (тобто збільшує сумарну ширину смуги пропускання, виділену для TE-тракту), для передбачення проблеми перевантаження, коли навантаження між двома вузлами зростає, а також зменшує розмір TE-тракту таким чином, щоб не витрачати невикористану смугу пропускання, коли навантаження між парою вузлів зменшується. Перевірки навантаження TE-тракту можна зробити керовані часом, коли воно періодично перевіряється блоком адаптації в базах даних використання TE-тракту (13), або керовані подіями, у цьому випадку блок використання TE-тракту повідомляє адаптаційному блоку, що TE-тракт перевантажений або наближається до того (12). Зауважимо, що цей блок не є обов'язковим і може не використовуватися в деяких системах маршрутизації MPLS-TE.

TE-Trunk Utilization

Блок TE-Trunk Utilization (TU) відповідає за (1) – визначення шляху трафіку усередині TE-тракту, (2) - визначення шляху вхідних потоків всередині ТЕ-LSP (вибір LSP серед набору LSP тієї чи іншої магістралі), (3) – контроль трафіку в TE-тракті (обмеження швидкості), (4) - перевірка фактичного навантаження TE-тракту, і, опціонально, (5) - контроль вхідних потоків всередині TE-трактів. Визначення шляху трафіку усередині TE-трактів, на головному маршрутизаторі може покладатися на IGP (наприклад, магістраль вважається ланкою SPF обчислень), на BGP (наприклад, всі шляхи досягнення кінця магістралі маршрутизуються всередині магістралі), або, нарешті, на статичні маршрути всередині магістралі. Визначення шляху окремих потоків всередині LSP даного TE-тракту, можна зробити або заздалегідь, коли зроблено контроль вхідного потоку, або в реальному часі, спираючись на хеш-функцію, що виконується потоками. Контроль трафіку, тобто обмеження швидкості на прикордонних магістральних маршрутизаторах, можна зробити на основі окремих потоків або на основі сукупного трафіку. Контроль навантаження TE-тракту полягає в оновленні фактичним його рівнем бази даних використання TE-тракту. Ця база даних включає в себе актуальні навантаження LSP. Дані можуть спиратися на вимірюване навантаження трафіку на прикордонних маршрутизаторах або на сукупну смугу пропускання, запрошувану кожним потоком в режимі контролю на основі окремих потоків. Ця інформація може потім використовуватися блоком адаптації TE-тракту з метою передбачення перевантаження в магістралі та забезпечення адаптації до змін матриці трафіку. Він може крім того, використовуватися для контролю вхідних потоків. У режимі визначених потоків блок використання TE-тракту може обробляти запити вхідних потоків. Після прийому запиту вхідного потоку він консультується з базою даних використання TE-тракту (11), і якщо є LSP з достатніми ресурсами, новий потік приймається та база даних використання TE-тракту оновлюється. В іншому разі запит вхідного потоку буде відхилено. Якщо немає TE-тракту з достатньою смугою пропускання, блок використання TE-тракту може запросити у блока адаптації TE-тракту збільшити розмір TE-тракту для забезпечення достатньої пропускної спроможності для нового потоку (12).

2.1.4 Застосування архітектури: Опції поширення та виконання функцій

У попередньому розділі ми запропонували функціональну архітектуру систем MPLS-TE, яка включає окрім стандартних блоків MPLS-TE особливі елементи, такі як TE-Trunk Computation, TE-Trunk Adaptation, and TE-Trunk Utilization. Ця архітектура може допомогти класифікувати MPLS-TE механізми і покращити модель систем MPLS-TE. Система маршрутизації MPLS-TE дійсно відповідає особливостям реалізації цієї архітектури. Блоки загальної архітектури можуть розташовуватися в різних елементах (централізовано на серверах мережі або розподілено на прикордонних маршрутизаторах). Продуктивність системи маршрутизації MPLS-TE в поняттях масштабованості, реактивності і оптимальності в підсумку залежить від різних варіантів втілення, включаючи перерозподіл функцій. Перш ніж перейти до обговорення цих варіантів, опишемо деякі критерії класифікації.

Критерії класифікації MPLS-TE

Для опису різних підходів до реалізації системи маршрутизації MPLS-TE визначається кілька критеріїв. Ми розрізняємо наступні:

1. Шкала часу:

• Offline (Off - Автономна): Базуючись на прогнозованих матрицях трафіку періодично обчислюються та створюються TE-тракти. Цей режим дає більше часу на обчислення. Це означає, що немає адаптації TE-тракту і переорієнтації LSP при пошкодженнях мережі. У цьому режимі, поновлення може  забезпечуватися обчисленням запасного TE-тракту.

Online (On - Мережева): TE-тракти модифікуються (зміна розміру TE-тракту, зміна маршруту LSP, створення/видалення LSP), у відповідності з еволюцією матриці трафіку або мережевим пошкодженням. У такому режимі, час обчислення шляху має бути мінімальним аби забезпечити швидкий відклик.

2. Метод обчислення шляху:

• Coordinated (Coo - Координований): Шляхи TE-трактів обчислюються беручи до уваги всі запити TE-трактів.

• Uncoordinated (Unc - Некоординований): Шлях (и) TE-тракту з даного прикордонного маршрутизатора обчислюються без урахування ТЕ-трактів, що створюються іншими головними LSR.

3. Розподілення функцій:

• Centralized (Cen - Централізована): Функція знаходиться на єдиному обчислювальному елементі

• Distributed (Dis - Розподілена): Функція розподілена на декількох обчислювальних елементах.

Розподілення функцій

В цьому розділі ми обговоримо розподіл кожної функції архітектури та її вплив на продуктивність системи MPLS-TE. Деякі функції можуть бути лише розподілені, інші - лише централізовані, решта можуть бути або розподілені або централізовані. Коли дві функції розташовані на різних елементах (наприклад, одна знаходиться на прикордонному маршрутизаторі, а інша перебуває на сервері TE), для зв’язку між ними необхідний протокол комунікації. Натомість, коли дві функції перебувають на одному елементі (наприклад, прикордонному маршрутизаторі), немає необхідності в будь-яких протоколах комунікацій, і їхня взаємодія може просто спиратися на програмне забезпечення інтерфейсу (наприклад, API).

• Протоколи MPLS-TE (RSVP-TE і IGP-TE) розподілені на маршрутизаторах (але IGP-TE може пасивно запускатись на блоці обчислення шляху, коли він є централізованим, щоб поповнювати TED).

• Блок використання TE-тракту має бути розподіленим, оскільки він відповідає за маршрутизацію вхідних в ТЕ-тракт потоків і за вимірювання навантаження TE-тракту на прикордонних маршрутизаторах. Централізація цього блоку може вплинути на час відгуку системи MPLS-TE, через велику кількість інформації, якою будуть обмінюватися прикордонні маршрутизатори і TE-сервер.

• За визначенням, TE-менеджер завжди централізований.

• Агент TE-тракту може бути централізованим на мережевому сервері або розподіленим по прикордонним маршрутизаторам. В розподіленому режимі, він підтримує тільки TE-тракти, для яких він є головним. У централізованому сценарії, агент TE-тракту має глобальні знання всіх TE-трактів і потрібен комунікаційний протокол для обміну даними з прикордонними маршрутизаторами (з сигналізацією LSP), щоб запустити налаштування LSP при пошкодженні в мережі. Це може відбуватися, наприклад, за допомогою стандартного протоколу управління (SNMP). Зауважимо, що в централізованому режимі, повідомлення відмови мережі будуть керовані подією (наприклад, SNMP пасткою), з тим щоб звести до мінімуму кількість інформації, обмінюваної між прикордонними маршрутизаторами і TE-сервером.

• Адаптаційна функція TE-тракту завжди пов'язана з агентом ТЕ-тракту, тобто якщо TAG централізований/розподілений, TAD також відповідно централізована/розподілена. Якщо TAD централізований, між блоком використання TE-тракту на прикордонних маршрутизаторах і адаптацією TE-тракту необхідний протокол комунікації, щоб отримувати навантаження LSP. Динамічне виявлення навантаження LSP повинне бути кероване подією, щоб звести до мінімуму обсяг інформації обміну між прикордонними маршрутизаторами і TE-серверами (блок використання TE-тракту посилає сигнал блоку адаптації тільки при досягнення порогу, і це дозволяє уникнути останньому постійних консультацій в базі даних використання TE-тракту). Рознесення цих двох функції (адаптації TE-тракту та агента TE-тракту) недоцільне і вимагатиме обміну великою кількістю інформації.

• Блок обчислення шляху TE-тракту може бути як розподіленим, так і централізованим. (1) Якщо агент TE-тракту централізований, блок обчислення шляху TE-тракту також повинен бути централізованим (режим координації) оскільки рознесення цих двох функцій нераціональне і потребуватиме обміну великих обсягів інформації. (2) Але якщо агент TE-тракту розподілений, блок обчислення шляху TE-тракту може бути розподіленим або централізованим. Коли агент TE-тракту розподілений і блок обчислення шляху TE-тракту централізований, TC стає некоординованим, тому що перелік агентів ТЕ-тракту направляють запити незалежно від один одного.

2.2 Оптимізація мереж IP/MPLS за заданими показниками QoS

2.2.1 Обґрунтування критеріїв оптимізації

Для покращення розповсюдження інформації у мережах MPLS, які дедалі більше поширюються в магістральних мережах зв’язку України та іноземних держав (пояснення причин та зазначення переваг мультипротокольних мереж з комутацією за допомогою міток наведені в попередніх розділах), а оптимізація за допомогою трафік інжинірингу не враховує вартість побудови та експлуатації мереж. А в умовах ринку, що розвивається, кількість коштів необхідних для початку експлуатації мережі та надання послуг передачі даних надважлива і задача мінімізації затрат при досягненні пристойної якості зв’язку, який би відповідав потребам користувачів, є завжди актуальною.

Оптимальними особливостями нової технології MPLS, використовуваної в регіональних і глобальних мережах є введення декількох класів сервісу (Class of Service), а також показників якості обслуговування цих класів, зокрема середньої затримки, її варіації і частки втрачених пакетів. Однією з цілей впровадження технології MPLS є забезпечення заданої якості обслуговування потоків різних класів. Висока вартість телекомунікаційного устаткування мереж MPLS - маршрутизаторів і каналів зв'язку, прагнення найкращим чином використовувати комунікаційні ресурси мереж, і в першу чергу пропускні спроможності каналів зв’язку обумовлює як першочергові задачі оптимізації характеристик мереж MPLS. Ці задачі складаються з вибору пропускних спроможностей (ВПС) та розподілу потоків (РП).

Сутність задачі полягає в мінімізації вартості мережі при деяких обмеженнях. Такими обмеженнями можна вважати параметри середньої затримки розповсюдження для окремих класів потоків , середньої ймовірності втрати пакету (Packet Lost RatioPLR) та затримки на розповсюдження сигналу між окремими парами вузлів для відповідних класів потоків. Необхідно розглянути 2 останні види обмежень окремо, у вигляді побудованих математичних моделей. Хоча математичний апарат і буде досить схожий, але при об’єднанні в одну задачу всіх обмежень, її формулювання та розв’язання стає вкрай важким та громіздким, тому виходить за рамки даної дипломної роботи [19]

2.2.2 Оптимізація мережі з обмеженнями на відсоток втрачених пакетів

Задача вирішується за допомогою методів теорії графів та теорії масового обслуговування, тому зробимо математичну модель нашої мережі. Вона може бути задана у вигляді орієнтованого графу , де   множина вузлів мережі,  - множина каналів зв’язку. Задані пропускні спроможності каналів зв’язку , а також матриця вимог в розподілі каналів усіх класів , , де  інтенсивність потоку -го класу, який необхідно передавати з ВЗ  у вузол

Необхідно знайти такі маршрути передачі і розподілу потоків всіх класів , при яких забезпечуються обмеження на середню затримку  і на частку (ймовірність) втрати пакетів -го класу .

У роботі [16] для потоку -го класу пріоритету і умови, що обслуговування відбувається з відносними пріоритетами отриманий вираз для  – середньої затримки повідомлень.

  (2.1)

Ймовірність втрати пакетів класу  в КЗ  дорівнюватиме ймовірності стану, коли всі тимчасові канали виділені під потік  класу в лінії зв'язку  будуть зайняті дорівнює:

,   (2.2)

де  - пропускна спроможність базового каналу (наприклад, );

- число каналів у ЛЗ () виділених для передачі потоку -го класу;

- число пакетів у буфері комутатора під чергу -го класу;

- нормуючий множник.

Тоді ймовірність того, що не відбудеться втрат пакетів -го класу ні в одному з каналів мережі буде рівна:

     (2.3)

А ймовірність (частка) втрачених пакетів -го класу буде рівна:

   (2.4)

Потрібно знайти такі маршрути передачі всіх вимог і розподіл потоків всіх класів  при якому б виконувалися умови:

     (2.5)

,        (2.6)

Цю задачу можна вважати узагальненою задачею РП. Вона є комбінованою задачею, що складається з пари задач ВПС та РП. Алгоритм її розв’язання містить декілька етапів, що складаються з кінцевої кількості однотипних ітерацій.

Розглянемо алгоритм розв’язання узагальненої задачі РП на прикладі потоків трьох класів . Алгоритм складається з (2k+1) етапів на кожному з яких вирішується певне завдання РП потоків відповідного класу k по відповідному обмеженню.

1 етап. На цьому етапі вирішуємо задачу розподілу потоку класу  при обмеженнях .

Етап складається з поетапних ітерацій, на кожній з яких знаходимо розподіл потоків чергової вимоги.

1а ітерація.

1. Знаходимо початкову умовну метрику:

   (2.7)

2. Вибираємо першу вимогу  з матриці  і знаходимо найкоротший шлях .

3. Розподіляємо потік від вимоги  і знаходимо:

   (2.8)

Кінець першої ітерації.

kта ітерація.

Нехай вже проведені (k-1) ітерацій і знайдений розподіл потоків . Розглянемо кту ітерацію.

1. Знаходимо умовну метрику:

   (2.9)

2. Вибираємо чергову вимогу  з матриці  і знаходимо найкоротший шлях   в  матриці .

3. Перевіримо можливість передачі вимоги  шляхом :

   (2.10)

Якщо умова (3.10) виконується, то розподіляємо потік від вимоги  по шляху  і знаходимо:

  (2.11)

І переходимо до 1го кроку наступної (k+1)ї ітерації. В іншому разі продовжуємо поточну ітерацію кроком 4.

4. Шукаємо такий шлях  мінімальної довжини між вузлами  та , для якого виконується умова , де  - резерв шляху  по пропускній спроможності, що визначається згідно формули (3.10).

5. Передаємо потік від вимоги  і знаходимо новий розподіл потоків:

  (2.12)

Вказані ітерації проводимо до повного розподілу потоку вимог класу 1. В результаті отримуємо розподіл потоків РП  такий, що .

Переходимо до другого етапу.

Другий етап. На цьому етапі будуємо допустимий потік, який задовольняє обмеженню:

     (2.13)

Перш за все перевіряємо умову (2.13).  Якщо вона виконується, то можна відразу ж переходити на етап 3. В іншому разі виконуємо другий етап, починаючи з першої ітерації.

kта ітерація.

1. Знаходимо умовну метрику:

    (2.14)

2. Знаходимо найкоротші шляхи в метриці, яку попередньо знайшли (2.14):

3. Знаходимо потік по найкоротших шляхах  в метриці .

4. Перевіряємо умову можливої оптимізації розподілу потоків  по величині :

    (2.15)

Якщо умова (2.15) виконується, то можна переходити на крок 5, інакше зупиняємо виконання задачі. Завдання РП не вирішуване при заданих пропускних спроможностях каналів  і матриці вимог на обслуговування .

5. Відшукуємо першу вимогу  для якого виконується нерівність (2.16):

  (2.16)

де  - шлях передачі вимоги , який використовується в поточному розподілі ,

- найкоротший шлях в метриці .

Для вимоги  здійснюємо збурювання потоку і перенаправляємо його з шляху  на шлях . І знаходимо:

(2.17)

6. Перевіряємо умову . Якщо так, то закінчуємо другий етап, інакше збільшуємо клас  і переходимо на крок 4 другого етапу, вибираємо наступну вимогу, що задовольняє умові (2.15).

В результаті обчислення етапу 2 отримаємо допустимий розподіл потоку класу 1, для якого:

    (2.18)

Третій етап

На цьому етапі перевіряємо виконання для потоку  обмеження на частку (ймовірність) втрати пакетів:

    (2.19)

Якщо (2.19) виконується, то третій етап пропускаємо та переходимо до четвертого. Якщо ж ні, то шукаємо такий розподіл потоку  при якому виконуються обидва обмеження (2.18) і (2.19). З цією метою формуємо допоміжне завдання: знайти такий розподіл потоку , для якого б виконувалося:

за умов

Для цієї мети використовуємо комбіновану метрику:

   (2.20)

де

1а ітерація.

1. Для потоку  обчислюємо метрику , , а  вибираємо за умови .

2. Вибираємо найкоротші шляхи в метриці  і потік по найкоротших шляхах . Перевіряємо можливість поліпшення потоку:

   (2.21)

Якщо вона існує (нерівність виконується), то переходимо до третього крок, в іншому разі – зупиняємо виконання, бо потік не може бути покращений і завдання РП не має розв’язків.

3. Знаходимо першу вимогу  для якого:

   (2.22)

де  - поточний шлях передачі вимоги () для потоку,  - найкоротший шлях для вимоги () у метриці . І перенаправляємо потік вимоги  зі шляху  на шлях  і знаходимо новий розподіл потоків:

 (2.23)

Перевіряємо умову:                  (2.24)

Якщо умова (2.24) виконується, то закінчуємо третій етап, коли ж ні - переходимо на крок 2 наступної ітерації. Кроки 2-4 повторюваний до тих пір, поки умова (2.24) не почне виконуватися.

Далі переходимо до знаходження розподілу потоку другого класу , до того ж так, щоб не були порушені обмеження (2.18) і (2.19) для потоку . Для цього виконуємо етапи 4, 5 які аналогічні етапам 2 і 3. При цьому, розподіл потоку  знаходимо на пропускних спроможностях каналів, що залишилися, а щоб не порушувалися обмеження (2.18) і (2.19) використовуємо бар'єрну або штрафну функцію для потоку . В якості бар'єрної функції використовуємо:

(2.25)

а як штрафна:

(2.26)

Отже, запропонований алгоритм розв’язання задачі розподілу потоків (узагальненої форми) при врахуванні обмежень на середню затримку пакетів відповідних класів та на відсоток втрачених пакетів. Для врахування обмеження на час доставки інформації між двома вузлами необхідно розробити трішки інакший алгоритм.

2.2.3 Оптимізація мережі з обмеженнями середньої затримки для потоку та між визначеною парою вузлів

Як і попереднє завдання, ця задача вирішується за допомогою методів теорії графів та теорії масового обслуговування, тому зробимо математичну модель мережі [10]. Вона може бути задана у вигляді орграфу , де   множина вузлів мережі,  - множина каналів зв’язку,  - питомих набір пропускних спроможностей (ПС) каналів, вартість .

Матриця вимог вхідних потоків відповідних класів , , , де  інтенсивність потоку -го класу, який необхідно передавати з ВЗ  у вузол , обмеження на середню затримку для класів потоків , , а також обмеження на часткові затримки між заданими парами вузлів , де

Необхідно обрати такі пропускні спроможності каналів зв’язку  і знайти розподіл потоків всіх класів , при яких вартість мережі є мінімальною і при цьому в повному обсязі забезпечуватимуться обмеження на середню затримку. Можна описати математичну модель задачі таким чином:

Знайти       (2.27)

при обмеженнях

      (3.28)

       (3.29)

       (2.30)

Припущення, що обслуговування потоків окремих класів сервісу (CoS) в каналах пріоритетне, з відносними пріоритетами, що убувають із зростанням номера класу (тобто ) в роботі було отримано за допомогою виразу для

  (2.31)

де

- потік, класу i в КЗ (r,s).

Розглянемо величину затримки між вузлами  для потоку класу :

  (2.32)

      де   - маршрут передачі потоку класу  від вузла i до j.

Алгоритм ВПСРП

Дане завдання є комбінованим завданням, що складається з пари завдань ВПС і РП. Опишемо алгоритм її розв’язання. Він складається з попереднього етапу і скінченного числа однотипних ітерацій.

На попередньому етапі знаходимо пропускні спроможності каналів зв’язку  і початкові розподіли потоків всіх класів . Після того переходимо до виконання першої ітерації.

(+1)итерация

Нехай вже проведено  ітерацій і знайдені поточні ПС  та розподіл потоків , а також величина загальної вартості .

1. Для заданих пропускних спроможностей  вирішуємо задачу РП і знаходимо новий розподіл потоків всіх класів

      (2.33)

2. Для знайдених потоків  розв’язуємо задачу ВПС і знаходимо нові ПС всіх каналів  і вартість мережі .

3. Порівняння. Якщо , де  - задана точність, то можна завершувати виконання завдання. Знайдені ПС  і розподіл потоків всіх класів  - шукані, якщо нерівність не виконується, то збільшуємо  і переходимо до наступної ітерації.

Алгоритм розв’язання задачі ВПС

Розглянемо тепер задачу ВПС, що описується моделлю (2.27)-(2.30) при фіксованому РП .

Дане завдання відноситься до задачі дискретного програмування і для її розв’язку пропонується використовувати метод ПАВ. Він складається з двох  процедур  та .

Процедура (відсів по обмеженням)

Дана процедура складається з відсіву по обмеженням (2.28) і (2.29). Нехай визначена початкові множини допустимих варіантів по кожному каналу .

Здійснюємо відсів нижніх значень пропускних спроможностей.

Процедура відсіву для каналів зв’язку  по обмеженню (2.28) має вигляд:

  (2.34)

Тут відсіваються всі нижні значення ПС , де  - максимальне значення ПС  при якому виконується (2.31).

Аналогічний вигляд має процедура відсіву  по обмеженнях (2.29). Вона записується для КЗ () так:

  (2.35)

Вказану процедуру повторюємо зі всіма КЗ  і всіма потоками  В результаті отримуємо зменшення множини варіантів , .

Процедура .

У ній відбувається відсів по величині критерію .

Спочатку задається величина порогу відсіву

    (2.36)

Запишемо процедуру відсіву для каналу зв’язку :

   (2.37)

Тут відсіваються всі верхні значення ПС:  , де  - мінімальне значення ПС, з якого починає виконуватися (2.38). Вказану процедуру повторюємо зі всіма КЗ .

Позначимо отриману множину варіантів через .

Можливі 3 випадки:

а)  для всіх , тобто відсіву немає, тоді необхідно зробити перехід на процедуру , із звуженою множиною варіантів, для чого обираємо поріг ;

б)  , тобто немає допустимих варіантів. Тоді знову перехід на процедуру  із розширенням множини варіантів для чого обираємо ;

в)  і  для всіх . Тоді переходимо на процедуру .

Вказану послідовність процедур ,  повторюємо доти, доки не отримаємо таку скорочену множину варіантів по всім каналам зв’язку,  з яких допустимий варіант можна буде вибрати звичайним перебиранням.

Кінець роботи алгоритму. Отримана мінімальна вартість побудови мережі буде оптимальною для забезпечення потреб споживачів із заданими вимогами до середньої затримки для окремих видів трафіку, пропускної здатності, відсотку втрачених пакетів.

2.3 Оптимізація на основі імітаційного моделювання

При проектуванні та оптимізації сучасних телекомунікаційних мереж виникає безліч проблем - починаючи від вибору виробників устаткування й стандартів до спроби пророкування, як же ця мережа буде працювати - за якими законами, і з якою ефективністю. Всі частіше при проектуванні застосовують програми, що дозволяють віртуально не тільки побудувати, але й перевірити в роботі цю мережу, тому що деякі «підводні камені» не видні відразу при побудові структурної схеми, розробки конфігурації мережі.  Більш ніж двадцятилітній розвиток транспортних мереж дозволило нагромадити великий досвід їхньої побудови й експлуатації, що мав потребу в систематизації, узагальненні й виробленні рекомендацій з побудови таких систем.

На ринку програмного забезпечення представлено зараз досить багато таких програм, але більшість таких програм платні й коштують «чимало». Серед комерційних програм найбільш популярні наступні пакети:

  •  COMNET III виробництва Caci Products Co.;
  •  BONe Designer виробництва Cadence Inc.;
  •  OPNET Modeler виробництва Mil3 Inc.

Всі перераховані програмні продукти моделювання мають практично адекватні набори можливостей, надаваних користувачеві. Принципове розходження полягає тільки в мові програмування використовуваного для реалізації користувальницьких функцій і протоколів. Також існують програми, розповсюджувані на безкоштовній основі. Звичайно вони відрізняються відсутністю підтримки користувачів і деяких можливостей, однак є й приємні виключення - програма NS2 (Network Simulator 2).

NS є обєктно-орієнтованим програмним забезпеченням, що використовує дві мови програмування: її ядро реалізоване мовою C++, а мовою скриптів є  Object oriented Tool Command Language (OTcl), він використовується як інтерпретатор. Такий підхід є компромісом між зручністю використання й швидкістю (базова архітектура програми наведена на мал.1). В NS як системна мова використовується C++, що дозволяє забезпечити:

  •  високу продуктивність;
  •  робота з пакетами потоку на низькому рівні абстракції моделі;
  •  модифікування ядра NS з метою підтримки нових функцій і протоколів.

Як мова програмування високого рівня абстракції використовується мова скриптів OTcl, що дозволяє забезпечити ряд позитивних властивостей, властивій мові Tcl:

  •  простота синтаксису;
  •  простота побудови сценарію моделювання;
  •  можливість з'єднання воєдино блоків, реалізованих на системних мовах програмування й маніпуляції ними.

NS містить великий набір протоколів, таких як TCP, UDP, а так само дозволяє реалізовувати різні типи додатків. Серед них: ftp, telnet, http, які використовують TCP у якості основного транспортного протоколу.

Два основних елементи моделювання: вузли й посилання.

Вузли містять наступні компоненти:

  •  адреса, збільшується на одиницю, у міру створення вузлів;
  •  список сусідніх вузлів;
  •  список агентів;
  •  ідентифікатор типу вузла;
  •  модуль маршрутизатора.
  •  Посилання з'єднують вузли. Посилання містять наступні елементи:
  •  head_: вхідна крапка, указує на перший об'єкт у посиланні;
  •  queue_: посилання на черговий елемент у посиланні;
  •  link_: посилання на елемент створюючий посилання;
  •  ttl_: посилання на елемент, що маніпулює ttl у кожному пакеті;
  •  drophead_: посилання на об'єкт, що є головним у черзі елементів.

Рис. 2.5 – Базова архітектура NS2

Іншим важливим елементом NS є модель із затримками. У реальній мережі, існують чотири компоненти складові комплексну затримку, що випробовує пакет:

  •  необхідний час для обробки пакета на кожному вузлі;
  •  час, необхідний вузлу для розміщення пакета по посиланню;
  •  час, необхідний пакету для перекриття посилання;
  •  час, у плині якого пакет чекає свого обслуговування в черзі.

В NS-2 на рівні ядра реалізовані майже всі відомі протоколи мереж зв'язку й відбувається постійне обростання новими протоколами. Серед найбільш актуальних на даний момент можна відзначити наступні: MPLS, IPv6, OSPF, RSVP, протоколи бездротового зв'язку, web caching і багато хто інші. Реалізовано ціле сімейство дисциплін обслуговування черг: RED, WFQ, CBQ, SFQ і т.д. Також можлива реалізація власного протоколу в рамках програми.

Технологія  комутації  міток MPLS [2] поєднує  принципи  комутації  пакетів  і комутації  каналів  у  телекомунікаційних  мережах.  Мітка  являє  собою,  по-суті, ідентифікатор деякого віртуального  каналу й доставка пакета, доповненого  міткою, не вимагає  перегляду об'ємних таблиць маршрутизації. У наш час комутація міток є основною технологією  для  рішення  проблеми  підвищення  продуктивності  магістральних  мереж,  що обумовлює актуальність задач оцінки продуктивності і якості обслуговування мереж MPLS.

Тепер, щоб розглянути сутність нашого аналізу, необхідно визначити, чи досить він проведений, щоб почати опис використовуваної нами імітаційної моделі.  

NS-2 (Network Simulator 2) являє собою симулятор для дискретних подій, використовуваний, в основному, для  досліджень в області мережних технологій. Він як симулятор є відкритим джерелом і був розроблений в 1989 році. Дуже багато різних моделей вкладені в дану програму, а реалізована вона проектом VINT в BL, Xerox PARC і UCD. В NS-2 коди пишуться на C + + і TCL, а MPLS модуль для цього симулятора називається MNS (MPLS Network Simulator). В MNS реалізовані майже всі необхідні функції. В NS-2 MNS був обраний із цих причин. Крім того, MPLS-TE патч Д. Каллегарі й Ф. Витуцці також надає допомогу в моделюванні.  

Для того, щоб установити NS-2, рекомендується використовувати NS-Аllinone дистрибутив. Він містить у собі всі програми, використовувані NS-2, такі, як Xgraph, TK, NAM і TCL, але для цього аналізу потрібна TCL-підпрограма, тому що вона одна використовується в патчі.

2.4 Висновки до розділу

Проведений аналіз методів інжинірингу трафіку показав існуючі підходи до функціонування архітектури ТЕ та їхні недоліки і гібридний підхід, який при деякому ускладненні архітектури та функціонування системи, дозволяє зменшити або нівелювати вплив тих недоліків. Також оцінено переваги використання переважного обслуговування замість звичайної CSPF маршрутизації для збільшення ресурсу виробітки магістралей (зменшення максимального навантаження), а також зменшення відкинутих чи заблокованих потоків у випадку пошкодження мережі.

В цьому розділі обґрунтовано необхідність оптимізації мереж MPLS за такими критеріями як: середня затримка розповсюдження для окремих класів трафіку, ймовірність втрати пакету визначеного класу, а також середня затримка розповсюдження між парами кореспондуючих вузлів. Побудовано математичну модель та алгоритм знаходження мінімальної вартості мережі при заданих обмеженнях на показники якості обслуговування.

Також в результаті аналізу показано можливість оптимізації транспортної мережі IP/MPLS на основі імітаційного моделювання в середовищі Network Simulator 2, що значно поліпшить продуктивність та ефективність роботи даної мережі.


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

76903. Поясничное сплетение - строение, топография, нервы и области иннервации 180.18 KB
  Длинные нервы подвздошноподчревный подвздошнопаховый бедреннополовой запирательный бедренный латеральный кожный нерв бедра участвуют в иннервации кожи и мышц живота таза промежности и бедра. Его латеральная кожная ветвь иннервирует кожу ягодицы и бедра в верхнелатеральных отделах. Кроме того он снабжает кожу мошонки больших половых губ передней и медиальной поверхности бедра. Запирательный нерв для мышц таза и бедра.
76904. Крестцовое сплетение, его нервы и области иннервации 181.06 KB
  Источниками сплетения являются передние ветви IVVго частично поясничных и верхних четырех крестцовых спинномозговых нервов. При объединении с копчиковым сплетением в источники входят передние ветви пятого крестцового и копчикового спинальных нервов. Поясничнокрестцовый ствол возникает из части передней ветви IV поясничного и всей передней ветви V поясничного нервов.
76905. Седалищный нерв, его ветви. Иннервация кожи нижней конечности 182.03 KB
  Иннервация кожи нижней конечности. Седалищный нерв самый крупный и длинный в человеческом теле является смешанным нервом содержащим чувствительные двигательные и вегетативные волокна. Они происходят из передних ветвей IV V поясничных и первых трех крестцовых спинномозговых нервов.
76906. Черепные нервы. I, II пары черепных нервов. Проводящий путь зрительного анализатора 181.6 KB
  Они составляют проводниковую часть обонятельного и зрительного анализаторов. Оба имеют общее происхождение, т.к. развиваются как производные переднего мозгового пузыря, его нижней стенки. Оба несут восходящие (чувствительные) нервные волокна, соединяющие рецепторные поля анализаторов с подкорковыми центрами обоняния и зрения и, таким образом, входят в сенсорную систему.
76907. Глазодвигательный, блоковый, отводящий нервы 181.24 KB
  Глазодвигательный блоковый и отводящий нервы связаны в одну группу по причинам: единого происхождения и развития обусловленного передними головными миотомами из которых возникают мышцы глазного яблока; схожим строением волокон которые имеют нисходящее направление и по функции являются двигательными; общностью иннервации глазных мышц. Корешки нерва выходят на основании головного мозга в межножковой ямке по медиальной поверхности ножек мозга где для них имеется борозда. Ресничный узел лежит на латеральной полуокружности влагалища...
76908. Тройничный нерв. V пара черепных нервов, ее ветви, топография и области иннервации 185.93 KB
  V пара тройничные нервы правый и левый смешанные: чувствительные двигательные вегетативные. Нервы развиваются вместе с производными первой висцеральной дуги челюстями и жевательными мышцами кожей лица слизистой полости носа и рта. Ствол тройничного нерва возникает при объединении чувствительного и двигательного корешков на выходе из мозга.
76909. Лицевой нерв, его топография, ветви и области иннервации 181.44 KB
  VII пара включает два нерва лицевой и промежуточный смешанные нервы двигательные парасимпатические и чувствительные. Промежуточный нерв нередко обозначают как XIII пару и тогда в VII паре остается только лицевой – двигательный нерв. Нерв выходит из мозга в поперечной борозде между мостом и продолговатым мозгом латерально от оливы направляясь по задней черепной яме к внутреннему слуховому проходу куда вступает вместе с VIII парой.
76910. Преддверно-улитковый нерв. VIII пара черепных нервов и топография ее ядер. Проводящие пути органов слуха и равновесия 183.89 KB
  Преддверная и улитковая части VIII пары объединяются во внутреннем слуховом проходе и направляются через заднюю черепную яму к мозговому стволу к его поперечной борозде между мостом и продолговатым мозгом где латеральнее лицевого и промежуточного нервов входят во внутрь моста и заканчиваются синапсами на ядрах вестибулярного поля моста. Вестибулярное поле находится в латеральных углах ромбовидной ямки на него проецируются два улитковых и четыре вестибулярных ядра залегающих в вентролатеральных отделах моста. Улитковые ядра: переднее и...
76911. Языкоглоточный нерв. IX пара черепных нервов, их ядра, топография и области иннервации 180.17 KB
  IX пара языкоглоточные нервы смешанные развиваются из заднего мозгового пузыря. Корешки нерва 45 выходят позади оливы продолговатого мозга и сливаются в короткий ствол. Чувствительные узлы нерва: верхний в яремном отверстии нижний в области каменистой ямки височной кости содержат псевдоуниполярные нейроны центральные отростки которых формируют чувствительный корешок нерва.