Исследование моделей оценки качества функционирования мультисервисной сети связи с адаптивной маршрутизацией



В данной статье рассматривается неиерархическая мультисервисная сеть (МСС), которая построена с использованием технологии коммутации пакетов.

Ключевые слова: мультисервисная сеть (Мульти-СС), сеть связи (СС), адаптивная маршрутизация, коммутация пакетов, линия связи, качество услуг связи.

Главные цели работы алгоритмов маршрутизации — исключение перегрузки на участках сети, а также обеспечение эксплуатации ресурсов. Одним из основных моментом в работе является точное распределение потоков. Требования к качеству передачи информации высокое, потому что происходит рост пропускной способности и объема информации для передачи.

Цель данной работы — разбор и исследование чувствительности исследуемой сети к отказам спецоборудования. Оно установлено на разных сетевых участках: линии связи, аппаратура систем передачи и т. д. Исследование работы основываются и опираются на математической модели, которая позволяет дать оценку и просчитать характеристику качества функционирования (КФ) сети на пути установления виртуального соединения.

1. Мультисервисная сеть связи

Преимущественно точное определение звучит примерно так: «Мульти-СС — это сеть связи, которая построена в гармонии и согласии с идеей сети самого последнего поколения, которая позволяет оказывать большой набор услуг без ограничения и которая обладает самой легкой возможностью по их управлению, персонализации и созданию новых услуг».

Обратимся к совершенствованию современных СС. Улучшение и развитие мира информации пришло к тому, что компьютеры возникли практически везде, как раз из-за чего завязалась и наступила борьба между простыми и общепринятыми телефонными услугами а также альтернативными методами и приемами передачи данных. В процентном соотношении телефонный трафик стремительно сокращается и ослабевает с каждым годом, месяцем и днём. Поэтому с большой уверенностью можно утверждать, что через некоторое время передача данных опередит его по самым важным параметрам: общему объему, важности для пользователя и ценности для оператора.

Внимание и интерес всех инженеров объясняется как раз тем, что ни одна технология коммутации каналов все еще никак не может всецело целиком удовлетворить все запросы мульти-СС.

Сейчас необходимость подробного и досконального планирования сетей, перечня всех услуг для предложения на рынке ощутимо и заметно увеличилась. Задача проектирование плана сетей двойного назначения, во-первых, это требует учета всей специфики их назначения, построения и использования. Во-вторых, нужно пунктуально точно понимать, каким образом конструировать и воздвигать глобальную мульти-СС для обеспечения новых услуг. На данный момент преимущественное большинство операторов познают и осознают, что никакого другого варианта, если не построение мульти-СС, нет. Даже более того, некоторым сетям телефонии и передачи данных в ходе построения новой сети придется убраться с рынка.

2. Критерии выбора сетевых технологий

Базовые сетевые технологии можно пускать в ход для построения двух видов сетей: магистральных транспортных и интегрированных мультисервисных. Для безукоризненного выбора базовой сетевой технологии необходимо подробно исследовать и освоить точные требования к будущей цифровой сети.

Критериями выбора сетевой технологии послужат:

– количество предоставляемых услуг;

– качество обслуживания QoS (Quality of Service);

– масштабируемость сети;

– стоимость сети;

– окупаемость инвестиций;

– увеличение результативность и производительность распоряжения сетью и организаций (органов), в кругу интересов которых она сформировывается;

– совместимость с существующей системой кабельных линий связи;

– совместимость с имеющимся сетевым оборудованием;

– возможность совместимости или взаимосвязи с альтернативными сетями.

Подробней надо будет остановиться на самом качестве обслуживания QoS. Возникновение новых услуг и рост с подъёмом мультимедийных приложений прямо начистоту связаны с усилением и расширением требований ко всей сети. Качество — это предоставление и оказание всем пользователям и приложениям в сети понятного, удобного и доступного сервиса по доставке данных. Параметры же качества обслуживания можно разбить на три группы:

– пропускная способность (минимальная, средняя и максимальная скорость передачи);

– задержки передачи пакетов (средние и максимальные величины задержек и вариаций задержек);

– надежность передачи (уровень потерь и искажений пакетов)

Измерение и определение всех этих параметров вырабатывается за определенный промежуток времени. Чем меньше этот временной интервал, тем жестче требования предъявляются к сети, итак, получается видно что это предъявляется к абсолютно всем ее элементам.

Делая выбор к качеству обслуживания, неизбежно надлежит разделять всех пользователей по первостепенности обслуживания, что особенно весомо принципиально для крупных мультисервисных корпоративных сетей. Между клиентом и провайдером данных услуг может быть заключено «соглашение об уровне обслуживания» (Service Level Agreement, SLA), в котором оговариваются:

– плата за обслуживание в зависимости от выбранного уровня обслуживания;

– параметры QoS для данного уровня (максимальная задержка и вариации, пропускная способность, максимальное время восстановления сети после аварий и т. д.);

– методы измерений вышеуказанных параметров;

– штрафные санкции за необеспечение требуемого QoS;

– любые другие дополнительные статьи по обоюдному согласию.

3. Модель службы QoS

Модель службы QoS состоит из элементов, выполняющих функции, рис. 1.1:

– обработка входящего трафика в соответствии с требованиями качества обслуживания;

– осуществление QoS-сигнализации в сети для поддержания качества обслуживания «end-to-end»;

– обеспечение возможности управления распределением ресурсов сети (политика, определение потоков, учет и т. д.).

Одними из самых значительно важных механизмов обеспечения QoS являются: обслуживание очередей и кондиционирование трафика. Первый тип механизмов может поддерживать различные алгоритмы обработки пакетов (от простейшего FIFO (First input First output), «первый пришел — первый обслужен», до сложных алгоритмов взвешенного обслуживания).

Рис. 1. Модель службы QoS

Слова расширяемость и масштабируемость сети очень часто пытаются использовать как синонимы, но это совершенно разные термины, понять это можно по их определению. Расширяемость сети — это возможность добавлять отдельные сетевые элементы (например, дополнительных пользователей, служб), наращивать сегменты сети доступа и заменять действующую аппаратуру на более мощную и современную. В свою очередь, масштабируемость сети позволяет наращивать число сетевых элементов (узлов) и протяженность трактов в очень широких пределах, притом не снижая пропускную способность транспортных магистралей.

4. Адаптивная маршрутизация

Это метод выбора направления передачи пакетов. Он рассматривает все изменения сети СПД. Используя узлы связи, подбираются маршруты, реагируя на изменение топологии и нагрузки. Из опыта эксплуатации можно вынести следующее: задержки доставки пакетов оказываются сравнимы с теми же, как и при фиксированной многопутевой маршрутизации. При передаче команд надежнее всего использовать лавинную маршрутизацию (простую), а при доведении донесений — распределенную (адаптивную). Адаптивная маршрутизация принято разделять на следующие виды:

– Локальная. Основывается на использовании информации, имеющейся в каждом отдельном узле СПД. Она состоит из таблицы маршрутизации, данных о текущем состоянии выходных каналов и длины собственных очередей пакетов.

– Распределенная. Базируется на использовании информации, которая была получена от ближних узлов сети. Каждый узел сети формирует таблицы маршрутов ко всем соседним узлам связи. Для каждого маршрута указывается расчетное время доведения пакета. В процессе работы сети узлы регулярно обмениваются с соседними узлами этими таблицами. Полученные данные используются для корректировки времени доведения пакетов по маршрутам.

– Централизованная. Основывается на использовании информации полученной от центра маршрутизации сети СПД. Любой узел формирует сообщения о состоянии собственных каналов связи и всех длин очередей на них, после этого передает их в центр маршрутизации. Специальная система обрабатывает полученные сведения. На этой основе формирует таблицы для каждого узла связи и рассылает их по узлам.

– Гибридная. Основывается на использовании таблиц, периодически рассылаемых центром маршрутизации. Сочетаются с анализом собственных очередей и текущего состояния собственных каналов связи. Этот способ — комбинация локального и централизованного способов, поэтому он эффективнее.

В книге «CISCO Internetworking Technology Overview» сказано, что алгоритмы маршрутизации могут быть классифицированы по нескольким различным типам:

– статическими или динамическими;

– одномаршрутными или многомаршрутными;

– одноуровневыми или иерархическими;

– с интеллектом в главной вычислительной машине или в роутере;

– внутридоменными и междоменными;

– алгоритмами состояния канала или вектора расстояний. [1]

5. Адаптивная маршрутизация по методу LLR (наименее загруженного пути)

Интернет протоколы, которыми на сегодняшний день пользуется большинство провайдеров, базируются на простом принципе кратчайшего пути. Несмотря на кажущуюся простоту, данная стратегия может привести к ряду проблем:

– кратчайшие пути разных источников могут пересекаться и вызывать перегрузку канала;

– нагрузка, передаваемая по кратчайшему пути, может быть слишком велика для него, в то время как более длинный путь может обладать достаточными ресурсами.

«Принудительная маршрутизация» (Constraint Based Routing) — концепция, которая сможет решить перечисленные выше проблемы и обеспечить качество обслуживания, с точки зрения маршрутизации. QoS-маршрутизация принимает во внимание не только топологию сети, но и параметры маршрутизируемого потока, доступность ресурсов, а также некоторые дополнительные параметры, которые может устанавливать дополнительно администратор сети. Применение данной концепции может позволить найти пусть и более длинный, но менее загруженный путь, по сравнению с кратчайшим, но более перегруженным. Благодаря этой технологии нагрузка на сеть будет распределяться более равномерно по всем каналам.

Задача разработки таких реализаций протоколов QoS-маршрутизации, минимизирующих перечисленные выше теоретические недостатки, является на данный момент наиболее актуальной. [3]

Адаптивные алгоритмы предполагают измерение с определенным промежутком времени характеристик каналов и постоянное планомерное изучение топологии маршрутов. Если пункт назначения достижим не одним, а большим количеством путей, то системе следует сделать выбор, этот выбор, в свою очередь, осуществляется на основании оценки всех маршрутов. Обычно каждому сегменту, составляющему маршрут, присваивается некоторая величина — оценка этого сегмента. Каждый протокол маршрутизации использует свою систему оценки маршрутов. Эта оценка называется метрикой.

Сейчас проблема заключается в том, что подавляющая доля алгоритмов учитывает только топологию связей, что может отрицательно сказаться на качестве предоставляемой услуги. Существуют подходы к решению проблемы маршрутизации, берущие в расчет как топологию, так и загрузку (flow-based routing).

В данном случае рассматривается адаптивная маршрутизация по методу LLR (наименее загруженного пути).

Предлагаю проанализировать путь между узлами 1 и 2, состоящий из трех линий: первая линия имеет в наличии 10 единиц доступной полосы пропускания, вторая линия — 5 и третья — 7. Допустим, у нас есть входящие запросы, каждый из которых требует определенное количество единиц полосы пропускания. Каково максимальное количество запросов, которые может обслужить представленный на рисунке путь? Следует учесть, что данный путь будет одновременно обрабатывать максимум пять дополнительных запросов. Если количество запросов превысит количество единиц доступной полосы пропускания, то линия в середине пути в этом случае будет недоступна. Таким образом, определяем доступность всего пути, выбирая минимальное значение количества единиц доступной полосы пропускания: min{10, 5, 7} = 5. Из этого следует сделать вывод, что линия в 5 единиц доступной полосы пропускания определяет ширину всего пути (рисунок 2):

Рис. 3. Ширина пути

Рассмотрим топологию сети, представленную на рисунке 3, с доступной полосой пропускания, отмеченной на каждой связи.

Рис. 3. Пример топологии сети

Теперь рассмотрим три возможных пути между узлами 1 и 5, таблица 3.1:

Таблица 1

Возможные пути между узлами 1 и 5.

Третий путь, 1–4–5, имеет широкую полосу пропускания и считается оптимальным. [1]

Заключение

Как итог проделанной работы можно увидеть возможность количественной оценки отказоустойчивости мультисервисной сети связи. Из этого следует сделать вывод, что можно оценить способность мульти-СС соответствовать указанным требованиям к качеству обслуживания входящих вызовов в условиях возникновения отказавших элементов сети.

Предложенный метод основан на численном решении системы нелинейных алгебраических уравнений, которые описывают процесс распределения ресурсов сети между неоднородными информационными потоками в условиях применения механизма адаптивной (динамической) маршрутизации по схеме LLR.

Литература:

1. CISCO Internetworking Technology Overview http://citforum.ru/nets/ito/index.shtml (дата обращения 12.10.2018 г.).
2. Мультисервисная сеть связи — https://ru.wikipedia.org/wiki (дата обращения 15.11.2018).
3. Мультисервисная сеть связи http://znetwork.narod.ru/Theory/MSS.htm (дата обращения 15.11.2018).
4. Адаптивная маршрутизация по методу LLR — http://docplayer.ru/46737710-Ocenka-vliyaniya-povtornyh-vyzovov-na-funkcionirovanie-multiservisnoy-seti-s-adaptivnoy-marshrutizaciey.html (дата обращения 29.11.2018).
5. Адаптивная маршрутизация — http://juice-health.ru/internet/726-adaptive-routing (дата обращения 29.11.2018).
6. Адаптивная маршрутизация — https://studopedia.ru/15_67926_adaptivnaya-marshrutizatsiya.html (дата обращения 29.11.2018)
7. Qos — https://ru.wikipedia.org/wiki/QoS (дата общения 12.10.2018).