Содержание к диссертации
ВВЕДЕНИЕ - 6
ГЛАВА 1. АНАЛИЗ ПРИНЦИПОВ ПОСТРОЕНИЯ МАГИСТРАЛЬНОЙ
MPLS СЕТИ ПРОВАЙДЕРА СВЯЗИ 13
1.1 Анализ объекта исследований, технологий и протоколов маршрутизации в
магистральных сетях ATM, IP over ATM и MPLS 13
J ,2 Обзор методов управлення трафиком в сетях передачи данных,
классификация алгаритигов маршрутизации „,„. .... ,.,„.,.,,.„ , .. 27
1.3 Обзор целевых функций алгоритмов маршрутизации 30
L4 Выбор системы показателей качества. Формальная постановка задачи
исследования.,..,.,.,., „„„., ,..,.,.. , „,., ,., ,.,.,., „.,..„.,„...,.„.35
Выводы 45
глава 2, аішіитическая МОДЕЛЬ, ОПИСЫВАЮЩАЯ СОСТОЯНИЕ
РАВНОВЕСИЯ МАГИСТРАЛЬНОЙ MPLS-СЕТИ 47
2.1. Исследование метрик протоколов маршрутизации,...,...,...,., , 47
-
Оценивание времени задержки пакетов 55
-
Обоснование использования модели сети на основе теории макросистем,.. 63 2.5 Имитационная модель процесса маршрутизации в магистральной сети
связи ,....,...,., , ,81
Выводы „,,„„,....„.. 93
ГЛАВА 3. АЛГОРИТМ МАРШРУТИЗАЦИИ СЕТЕВОГО ТРАФИКА, УЧИТЫВАЮЩИЙ ТРЕБОВАНИЯ ПО ОБЕСПЕЧЕНИЮ КАЧЕСТВА
ОБСЛУЖИВАНИЯ 95
3.1. Анализ входного потока пакетов от сети доступа, статистический анализ
сетевого трафика... , ,.,.96
3.2 Алгоритм поиска путей в магистральной сети - 105
Выводы .V..... , , 115
ГЛАВА 4. ПРЕДЛОЖЕНИЯ ПО ТЕХНИЧЕСКОЙ РЕАЛИЗАЦИИ
АЛГОРИТМА МАРШРУТИЗАЦИИ МАГИСТРАЛЬНОЙ MPLS СЕТИ
СВЯЗИ - 117
r з
-
Описание системы анализа сетевого трафика 117
-
Предложения по технической реализации алгоритма маршрутизации 126
-
Оценка эффективности разработанного алгоритма 130
Выводы .,..,..,„., .„„ , 138
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 139
Список использованных источников 142
ПРИЛОЖЕНИЕ 1 ] 51
(і
АКФ АП АР АРПСС
мнк пэ
СеМО
смо ее
епд епк цсио
EFC1
E-LSR
1-1Г0 FR
FRAD
ISDN
Перечень сокращений
:
автокорреляционная функция
абонентский пункт
авторегрессия
авторегрессия проинтегрированного скользящего среднего
информационный процесс
макросистемная [модель]
метод наименьших квадратов
показатель эффективности
сеть массового обслуживания
— система массового обслуживания
— скользящее среднее
сеть передачи данных
система показателей качества
"— цифровая сеть с интегральным обслуживанием целевая функция
asynchronous transfer mode - асинхронный режим передачи
available bit rate — доступная битовая скорость
border gateway protocol - протокол граничного шлюза
constant bit rate — постоянная битовая скорость explicit forward congestion indication - явная индикация перегрузки
enders label switch router — граничный маршрутизатор по ~ меткам
first input first output- первый вошел - первый вышел
frame relay - ретрансляция кадров
FR assembler/disassembler — сборщик/разборщик ретранслируемых кадров
integrated Digital Network - интегрированная цифровая сеть
integrated Service Digital Network - сеть с интеграцией служб
rs-is II'
MPOA
OSPF
QoS RIP
SNMP SVC
TOS VBR
interior system - interior system - протокол открытая система -открытая система
- internet protocoi - интернет-протокол
— label distribution protocol - протокол распределения меток
- label switched paths - путь с коммутацией по меткам
~— label switch router — маршрутизатор по меткам
multi protocol over ATM - много протоколов поверх ATM
open system interrupt - взаимодействие открытых систем open shortest path first protocol - протокол, открывающий кратчайший путь Первым
— quality of service - качество обслуживания
- routing information protocol - протокол маршрутизации
Simple network management protocol "Простой протокол
управления сетью "' switching virtual channel - коммутируемые виртуальные
каналы
transport control protocol - протокол управления
транспортировкой
type of service - тип сервиса
variable bil rate - переменная битовая скорость
Введение к работе
Актуальность темы. В настоящее время для пользователей конвергентных сетей все больший интерес представляют такие службы, как видеоконфереиц-связь, доступ к web-службам и базам данных^ что соответствует мировым тенденциям развития опрасли телекоммуникаций. При этом методология обеспечения требований но качеству обслуживания разнородного трафика не является до конца разрешенной, что обусловлено противоречием между вновь возникающими службами (видеоконференц-связь) и возможностями сетил которое заключается в появлении понятия качества обслуживания в рамках служб и возможностями по его обеспечению в пределах сетевой технологии. Решение этого противоречия заключается, с одной стороны, в разработке предложений и рекомендаций, касающнхея классов обслуживания, и, с другой стороны, в появлении протоколов и технологий, позволяющих обеспечить требования по качеству обслуживания (QoS).
Современные сети строятся па основе стека протоколов ТСРЛР, однако задача обеспечения. требуемого качества в них остается не разрешенной. Конвергентные сети TP/MPLS имеют значительно большие возможности по обеспечению QoS и распределению информационных потоков, поэтому управление трафиком в рамках этого объекта наиболее эффективно.
Установлено, что фундаментальные работы известных ученых Клейнро-ка Л., Бердсекаса Д„ Галлагера Р., Вилшевского В.М-, Назарова A.R, Лохмот-ко В- В. в области управления трафиком направлены на решение задачи распределения нагрузки в условиях стационарности и не позволяют обеспечить равномерную загрузку маршрутов, что, во-первых, не соответствует современным условиям функционирования сетей и, во-вторых, — снижает вероятность обеспечения требуемого качества предоставления услуг.
Опыт эксплуатации сетей также показал, что при верном решении задач выбора пропускных способностей н распределения потоков возникают проблемы, связанные с нарушением контракта на обслуживание, что обусловлено недостаточно развитыми адаптивными алгоритмами маршрутизации.
Анализ данных алгоритмов свидетельствует о том, ^гго одни используют насыщение ветвей графа сети, обеспечивая баланс потоков, и минимизируют Бремя доставки пакета, а другие учитывают требования по QoS, но не обеспечивают равномерной загрузки сети. В работах В. 1VL Вишневского предложено- использовать аддитивные свертки различных метрик, характеризующих качество обслуживания, однако они разработаны для технологии ATM и не учитывают интегральный характер трафика.
Таким образом, целесообразна разработка метрики алгоритма маршрутизации, которая учитывала бы стохастический характер поступающей нагрузки и (Различные классы обслуживания.
Перечисленные аспекты определяют востребованность задачи, заключающейся в ситітезе алгоритма маршрутизации сетевого трафика, обеспечивающего требования tio качеству обслуживания и балансу информационных потоков.
Для этою ті работе учтены следующие особенности функционирования магистральной MPLS (multi protocol label switching — многопротокольная коммутация по меткам) сета: - на вкод магистрали поступает разнородный трафик шести классов обслуживания; топология сети близка к полносвязной; используется динамическая маршрутизация.
Исходя из перечисленных особенностей, было предложено использование интегральной метрики алгоритма маршрутизации, включающей в себя среднее время задержки и вероятность сброса пакета. Причем баланс нагрузки определяется с использованием модели сети, построенной па основе математического аппарата теории макросистем, Б свою очередь, для определения момента внесения управляющего воздействия - запуска
В механизма пересчета потоковой модели сети — предлагается использовать авторский патент "Система анализа сетевого трафика17.
На основании этого можно заключить, что тема диссертационного иселедованіія является актуальной и перспективной.
Данная работа выполнена з соответствии с одним из основных научных направлений Академии Федеральной службы охраны Российской Федерации.
Целью исследовании является синтез алгоритма маршрутизации, который, за счет использования энтропийной целевой функции позволяет учесть требования по качеству обслужичання при решении задачи обеспечения баланса информационных потоков. При этом в качестве объекта исследования з работе рассматривается магистральная сеть связи, построенная по технологии MPLS, а предметом исследования являются методы управления сетевым трафиком 1Г*Щ1горитмымаршрутиаации-
Дпя достижения указанной цели были поставлены и решены следующие задачи исследования:
1. Изучены технологии построения сетей, процессы передачи информа ции, способы управления трафиком.
Проанализированы существующие протоколы, метрики алгоритмов маршрутизации, используемые в современных магистральных сетях, методы совершенствования управления информационными потоками.
Синтезированы алгоритм и система анализа сетевого трафика, позволяющие определить потоковую1 модель источника и принять решение о необходимости изменения маршрутных схем для достижения баланса нагрузки в магистральной сети.
4. Разработана модель магистральной MPLS-сети, учитывающая требования по качеству обслуживания трафика, и определены доли потока по ветвям, обеспечивающие состояние равновесия информационных потоков.
5. На основе модели создай алгоритм маршрутизации сетевого графика, учитывающий требования по качеству обслуживания и обеспечивающий баланс информационных потоков, что повышает вероятность обеспечения требуемого качества обслуживания, б- Проведены экспериментальная проверка разработанного алгоритма и сравнительный анализ с другими алгоритмами маршрутизации.
Методы исследования, В работе использованы методы теории макросистем, систем массового обслуживания, математической статистики, анализа временных рядов и корреляционного анализа, объектно-ориентированного програм мнровалия.
Обоснованность и достоверность теоретических исследований, результатов ^математического моделирования и экспериментальной проверки предлагаемых решений подтверждается строгой постановкой обнцсй и частных задач исследования и корректным Применением апробированного математического аппарата.
Научная новизна. В диссертационной работе получены следующие результаты, характеризующиеся научной новизной: имитационная модель процесса передачи пакетов и маршрутизации, позволяющая определять зависимость времени задержки в сети от метрики протокола маршрутизации, топологии, параметров каналов передачи данных^ интенсивности поступающих потоков от сетей доступа; алгоритм и система анализа сетевого трафика, отличающееся от известных возможностью прогнозирования потоковой модели источника и способностью принятия решения о необходимости изменения маршрутных схем {на основе коэффициента корреляции Пирсона) для достижения баланса нагрузки в магистральной сети; - интегральная метрика алгоритма маршрутизации, отличающаяся применением свертки истодом идеальной точки двух показателей эффективности процесса передачи - среднего времени задержки и йероятиости потери пакета; - аналитическая модель магистральной MPLS-сети, отличающаяся от известных тем, что позволяет учесть требования по качеству обслуживания трагика и определить доли потока по ветвям, обеспечить состояние равновесия информационны* потоков; - алгоритм маршрутизации сетевого трафика^ отличающийся комплексным подходом к решению задач обеспечения требований по качеству обслуживания и баланса информационных потоков. Данный алгоритм решает задачу по управлению информационными потоками и повышает эффективность использования сетей за счет равномерной загрузки коммутационного оборудования.
Практическая значимость. На основе разработанных имитационной, аналитической моделей и алгоритма, осуществляются анализ эффективности распределения: информационных потоков в магистральной сети провайдера, а также маршрутизация трафика. В результате повышается эффективность управления информационными потоками при решении задачи распределения трафика в сетях, построенных по технологии TCP/IP MPLS с использованием математического аппарата теории макросистем в условиях предоставления интегрированных услуг пользователям.
Реализация и внедрение результатов работы.
Совокупность полученных результатов исследования является решением актуальной задачи, направленной на повышение эффективности использования ресурсов сетії и управления информационными потоками, что обеспечивает возможность практического применения разработанной модели и алгоритма в Управлении информационно телекоммуникационных технологий и систем департамента транспорта МВД России (УИТТС и С ДТ МВД России) н в ОАО ггМегаФон"Я Научный результаты работы также используются в учебном процессе Академии ФСО России, что подтверждено актом внедрения.
Основные положения, выносимые на защиту:
1. Аполитическая модель магистральной MPLS-сети связи, позволяющая определить равновесное состояние информационных потоков, а также учесть требования к качеству предоставляемых услуг.
2. Алгоритм маршрутизации сетевого трафика, обеспечивающий баланс потоков в области маршрутизации с учетом требования но обеспечению качества обслуживания,
3. Научно-технические предложения по практическому применению разработанного алгоритма, заключающиеся в формализации и алгоритмизации процесса маршрутизации трафика в магистральной MPLS-сети.
Апробации работы. Материалы, представленные в работе докладывались и обсуждались на следующих конференциях н семинарах:
3-й Межвузовской научно-практической конференции: "Перспективы развития средств связи в силовых структурах! обеспечение информационной безопасности в системах связи" (Голишшо, Пограничный институт ФСБ России,2007)
33-й Всероссийской научно-технической конференции "Сети, системы связи и телекоммуникации. Деятельность вуза при переходе на ФГОС 3-го поколения" (Рязань, 2008) - 34^й Всероссийской научно-технической конференции "Информа ционные и телекоммуникационные технологии, Подготовка специалистов для инфокоммуникационной среды" (Рязань, 2009)
Публикации,
Основные результаты исследования опубликованы в 12 научных работах, в том числе две — в изданиях, рекомендованных ВЛК РФ, получены два патента и одно свидетельство о регистрации программы для ЭВМ, Б работах, опубликованных в соавторстве и приведенных в списке использованных источников, лично соискателю принадлежат: [В9,90,93,95.100] - исследованы процессы передачи информации и предложены способы управления информационными потоками в MPLS-сети, отличающиеся применением стандартных механизмов управления с использованием интегральной метрики алгоритма маршрутизации, [88,91,9Б] - макросистемная модель мультисервисной сети связи, построенная по технологии MPLS, отличающаяся возможностью учета требований по качеству предоставляемых услуг
12 различных классов трафика н возможностью обеспечения баланса нагрузки в области маршрутизации, [24,25,92] — алгоритм, система к способ анализа сетевого трафика, отличающиеся использованием для анализа поступающих пакетов модели авторегрессии проинтегрированного скользящего среднего и принятии решения о сходстве потоковых моделей на основе коэффициента корреляции Пирсона, [99] - алгоритм маршрутизации, учитывающий требования по качеству предоставляемых услуг, отличающийся комплексныкт решением задач обеспечения баланса потоков в сети и учетом гребований по качеству обслуживания интегрального трафика.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка использованных источников и приложений. Список литературы включает 100 наименований. Объем работы 152 страниц машинописного текста, в том числе 55 рисунков и 14 таблиц.
У, ІЗ
