Анализ влияния использования протоколов MPLS и RSVP на надежность сети NGN

В статье проведено аналитическое исследование работы протоколовMPLSи RSVPв сети NGN. Показано эффективное использование протоколов MPLSна уровне ядра и RSVPна уровне доступа сети NGN. Получены графики зависимости качества обслуживания по параметруR и целесообразности внедрения технологий RSVPи MPLSот количества абонентов. Сделаны выводы по полученным результатам и показаны основные моменты влияния работы протоколов на надежность сети NGN.

Ключевые слова: качество обслуживания, NGN(NextGenerationNetwork), вероятность отказа, многопротокольная коммутация по меткам, протокол резервирования ресурсов, маршрутизатор, передача пакетов, сеть доступа, уровень ядра.

Введение

Вопросы качества обслуживания — одни из наиболее актуальных при предоставлении любых услуг связи. Высокое качество обслуживания представляет интерес не только для конечного пользователя, но и для самого поставщика услуг. Пользователи стремятся использовать высококачественные сети, а это означает увеличение годовых доходов операторов. Задача оператора сети связи — найти оптимальное решение для удовлетворения, как собственных интересов, так и интересов потребителей услуг.

1.                  Качество сервиса

Традиционная телефонная сеть была создана таким образом, чтобы гарантировать высокое качество услуги даже при больших нагрузках. IP- телефония, напротив, не гарантирует качества, причем при больших нагрузках оно значительно падает. Отсутствие гарантированного качества обслуживания при передачи речи по сетям с маршрутизацией пакетов компенсируется появлением таких технологий, как многопротокольная коммутация по меткам — Multiprotocol Label Switching (MPLS), протокол резервирования ресурсов — Resource Reservation Protocol (RSVP), дифференциальное обслуживание разнотипного трафика — Differentiated Services (DiffServ). Поддержка механизмов качества обслуживания — Quality of Service (QoS) позволяет предоставлять ресурсы сети NGN(Next Generation Network) тем приложениям, которым они нужны в наибольшей степени [1]. Например, можно резервировать определенную полосу пропускания под голосовые пакеты, а данным, менее критичным к задержкам (передача файлов по сети), назначать меньший приоритет. Избежать заторов в NGN-сетях, вызванных разнородным трафиком, можно лишь за счет дифференциации качества обслуживания. Для реализации механизмов QoS в заголовке IP-пакета предусмотрено поле типа сервиса размером 8 бит (Type of Service, ToS), которое задает характер обработки пакета в процессе транспортировки последнего. Первые три бита этого поля образуют подполе приоритета пакета (precedence). Приоритет может быть от самого низкого-0 до самого высокого-7. Поле тип сервиса содержит также три бита, определяющие критерий выбора маршрута. Выбор осуществляется между тремя альтернативами: малой задержкой, высокой достоверностью и высокой пропускной способностью. Установленный бит D (delay) говорит о том, что маршрут должен выбираться для минимизации задержки доставки данного пакета, бит T — для максимизации пропускной способности, а бит R — для максимизации надежности доставки [2]. Во многих сетях улучшение одного из этих параметров связано с ухудшением другого. На практике приходится делать выбор между малыми задержками, высокой пропускной способностью и высокой надежностью.

2.                  MPLS

Аббревиатура MPLS расшифровывается как “многопротокольная коммутация с использованием меток” (Multiprotocol Label Switching, MPLS). “Многопротокольность” в название технологии означает, что средства MPLS применимы к любому протоколу сетевого уровня. MPLS позволяет быстро направлять пакеты центральными маршрутизаторами — LSR. В каждый пакет, который поступает в MPLS-сеть, входящим граничным маршрутизатором — LER инкапсулируется метка MPLS. Внутри MPLS-сети маршрутизация производится по метке, т. е. решение о продвижении пакета принимается после просмотра таблицы коммутации, а не маршрутизации, что значительно сокращает время передачи пакета по сети. При выходе пакета из MPLS-сети метка исключается и пакет маршрутизируется с помощью применяемых в данной сети методов маршрутизации. Значение метки уникально для каждой пары смежных LSR [3].

Сеть MPLS делится на две функционально различные области — ядро и граничную область. Ядро образуют устройства, минимальным требованием к которым является поддержка MPLS и участие в процессе маршрутизации трафика для того протокола, который коммутируется с помощью MPLS. Маршрутизаторы ядра занимаются только коммутацией. Внутри ядра сети коммутаторы игнорируют информацию сетевого уровня в заголовках пакетов и определяют дальнейший маршрут их следования исключительно на основе меток. Когда коммутатор получает помеченный пакет, его пересылающая компонента ищет в таблице пересылки нужную запись (по номеру входного порта и входной метке), извлекает из нее выходную метку, выходной интерфейс и адрес следующего смежного устройства. Затем коммутатор заменяет входную метку выходной (эта процедура называется label swapping) и передает пакет на выходной интерфейс для дальнейшего продвижения по маршруту LSP. Когда пакет достигает конца маршрута LSP, выходной коммутатор тоже обращается к своей таблице пересылки. Но, поскольку на следующем шаге пакет должен быть передан уже на устройство, не поддерживающее метки, коммутатор удаляет метку и отправляет пакет, используя обычный алгоритм маршрутизации. Все функции классификации пакетов по различным FEC, а также реализацию таких дополнительных сервисов, как фильтрация, явная маршрутизация, выравнивание нагрузки и управление трафиком, берут на себя граничные LSR. В результате интенсивные вычисления приходятся на граничную область, а высокопроизводительная коммутация выполняется в ядре, что позволяет оптимизировать конфигурацию устройств MPLS в зависимости от их местоположения в сети. Таким образом, главная особенность MPLS — отделение процесса коммутации пакета от анализа IP-адресов в его заголовке, что открывает ряд привлекательных возможностей. Каждый из классов FEC обрабатывается отдельно от остальных — не только потому, что для него строится свой путь LSP, но и в смысле доступа к общим ресурсам (полосе пропускания канала и буферному пространству). В результате технология MPLS позволяет очень эффективно поддерживать требуемое качество обслуживания, не нарушая предоставленных пользователю гарантий. Применение в LSR таких механизмов управления буферизацией и очередями, как WFQ или CBQ, дает возможность оператору сети MPLS контролировать распределение ресурсов и изолировать трафик отдельных пользователей [4].

Итак, при использовании технологии MPLS соответствие между пакетом и потоком устанавливается один раз, на входе в сеть MPLS, в то время как в обычных IP-сетях любой маршрутизатор, находящийся на пути следования пакета, анализирует заголовок пакета, чтобы определить, к какому потоку этот пакет относится, и выбрать направление для пересылки к следующему маршрутизатору. Следовательно, протокол MPLS упрощает процесс продвижения пакетов в сети NGN, поскольку на промежуточных LSR происходит не обычная маршрутизация, а высокоскоростная коммутация на основании информации в метке [5].

Протокол MPLS является во многом протоколом “конструирования трафика”, а не протоколом QoS. Маршрутизация MPLS используется для образования виртуальных каналов в NGN-сетях, причем предполагается, что для этих каналов маршрутизаторы сети выделяют определенные ресурсы. При этом потоку трафика, следующему вдоль виртуального пути, гарантируются параметры QoS, Такие как пропускная способность или максимальный уровень задержек. Однако сам способ резервирования и поддержки качества обслуживания остается за пределами протокола MPLS, он только создает виртуальный канал и может переносить в поле метки требования QoS. Резервирование пропускной способности для виртуального канала MPLS может выполнять как администратор, так и другой протокол, например RSVP. Архитектура MPLS не зависит от конкретного протокола, поэтому в сети NGN могут применяться разные протоколы сетевой сигнализации. Очень перспективно в данном отношении — использование RSVP для совмещения резервирования ресурсов и организации LSP для различных потоков [6].

3.                  Качество обслуживания в сетях MPLS

Обеспечение функций QoS — это важнейший компонент технологии MPLS. В MPLS сети QoS-информация передается в поле CoS заголовка MPLS-метки. То есть, MPLS QoS базируется на CoS-битах MPLS-метки [7]. MPLS QoS достигается посредством выполнения двух главных логических шагов:

Таблица 1

MPLS QOS

Иными словами, в MPLS-сети используются следующие QoS функции: Механизм CAR (Committed access rate), применяющийся к входящему трафику для установки поля MPLS QoS. В ядре сети используется предоставление дифференцированных услуг с использованием механизмa WFQ (Weighted Fair Queuing) и анализа битов поля MPLS CoS (Class of service) пакета [8].

4.                  Протокол RSVP

Протокол резервирования ресурсов (RSVP) был разработан как сигнальный протокол, предназначенный для предварительного бронирования определенных сетевых ресурсов с целью их последующего использования для установления определенного сеанса. Протокол функционирует следующим образом: источник посылает сообщение PATH приемнику, в котором специфицируются параметры трафика, планируемого для передачи.

Каждый маршрутизатор, находящийся на пути сообщения PATH перенаправляет это сообщение следующему узлу. При получении сообщения PATH приемник отправляет сообщение RESV. RESV использует тот же маршрут, что и PATH. Маршрутизаторы определяют могут ли они удовлетворить эти RESV-запросы. Если нет, они отказываются от резервирования. Если да, то они отсылают запрос следующему маршрутизатору. Отправитель, получив запрос на резервирование считает резервирование состоявщимся.

Для поддержания ресурсов в резервированном состоянии сообщения PATH и RESV периодически повторяются, а соседние маршрутизаторы обмениваются сообщениями Hallo.

RSVP — это сигнальный протокол QoS, который позволяет конечным приложениям, требующим определенные гарантированные услуги, проводить сквозную сигнализацию своих QoS-требований. Протокол RSVP сигнализирует о запросах резервирования ресурсов по доступному маршрутизируемому пути в сети. При этом RSVP не производит собственную маршрутизацию; напротив, этот протокол был разработан для использования других, более мощных, протоколов маршрутизации. При определении пути для данных и управляющего трафика RSVP полагается на используемый в сети протокол маршрутизации. После того как информация протокола маршрутизации адаптируется к изменениям в топологии сети, запросы резервирования протокола RSVP переносятся на новый путь. Подобная модульность помогает протоколу RSVP эффективно функционировать совместно с любой службой предоставления информации о маршрутах [9].

5.                  Работа протокола RSVP

Конечные системы сети NGN используют протокол RSVP для запрашивания у сети определенного уровня QoS от имени потока данных приложения. RSVP- запросы передаются по сети при прохождении каждого узла, который используется для передачи потока. Протокол RSVP пытается зарезервировать ресурсы для потока данных на каждом из этих узлов. RSVP-совместимые маршрутизаторы помогают доставить нужные потоки данных в нужную точку назначения. Резервирование всегда должно следовать по одному и тому же одноадресному пути или по многоадресному дереву. В случае выхода из строя линии связи маршрутизатор должен сообщить об этом RSVP-демону, чтобы генерируемые им RSVP-сообщения передавались по новому пути

6.                  Стили резервирования

Запрос резервирования включает в себя набор опций, которые в совокупности называются стилем. Одна опция резервирования определяет способ резервирования различными отправителями в пределах одной сессии. Другая опция резервирования контролирует выбор отправителей. RSVP-резервирование ресурсов для потока можно разбить на два главных типа: индивидуальное и общее.

6.1.            Индивидуальное резервирование

Индивидуальное резервирование (distinct reservations) применяется в тех приложениях, в которых несколько источников данных могут отправлять информацию одновременно. В видеоприложениях каждый отправитель генерирует индивидуальный поток данных, для которого необходимо осуществлять отдельное управление доступом и планирование очереди на всем пути к получателю. Следовательно, для такого потока необходимо осуществлять отдельное резервирование ресурсов для каждого отправителя и для каждого канала в пути. Индивидуальное резервирование происходит для отправителя и устанавливается с помощью стиля резервирования с фиксированным фильтром (Fixed Filter –FF). Стиль FF использует опции: «четкое» (distinct) резервирование и «явный» (explicit) выбор отправителя. Символически запрос на резервирование в стиле FF можно представить как FF(S{Q}), где S-это отправитель, а Q-объект FlowSpec; эта пара параметров образуют дескриптор потока. RSVP позволяет применение нескольких простых стилей резервирования FF одновременно, при этом формируется список дескрипторов потоков: FF(S1{Q1}, S2{Q2},...)

Самый простой случай индивидуального резервирования ресурсов наблюдается на примере приложения с одноадреным трафиком, где есть только один отправитель и один получатель. Таким образом, простой запрос со стилем FF создает точно заданное резервирование для информационных пакетов от определенного отправителя, без совместного использования ресурса с другими отправителями в пределах одной и той же сессии.

6.2.            Общее резервирование

Общее резервирование (shared reservation) применяется в тех приложениях, в которых несколько источников данных не склонно передавать одновременно, например цифровые аудиоприложения, такие, как приложения VoIP. В этом случае, поскольку в любой отдельно взятый промежуток времени разговор ведет небольшое число людей, информация передается лишь небольшим ограниченным количеством отправителей. Такой поток не нуждается в отдельном резервировании ресурсов для каждого отправителя, для него необходимо всего лишь одно резервирование, которое при необходимости можно будет применить к любому отправителю в группе.

В терминах протокола RSVP такой поток называется общим потоком (shared flow); он устанавливается с помощью общего явного или группового резервирования. При общем явном (Shared Explicit — SE) резервировании потоки, которые резервируют сетевые ресурсы указываются отдельно. Стиль SE использует опции: «разделенное” (shared) резервирование и «явный» (explicit) выбор отправителя. Таким образом, стиль резервирования SE формирует одно резервирование, которое совместно используется несколькими отправителями. Символически запрос на резервирование в стиле SE можно представить как SE((S1,S2) {Q}), где S1,S2,…-отдельные отправители, требующие резервирования ресурсов, а Q-объект FlowSpec.

С помощью группового фильтра (Wildcard Filter — WF) полоса пропускания и характеристики задержки могут быть зарезервированы для любого отправителя. Такой фильтр не позволяет указать отправителей отдельно — он принимает всех отправителей, на что указывает установка адреса источника и порта в ноль. Символически запрос на резервирование в стиле WF можно представить как WF(*{Q}), где символ “*” представляет собой групповой символ выбора отправителей, а Q — объект FlowSpec.

Протокол RSVP не позволяют объединять индивидуальное резервирование с общим резервированием, так как эти модели абсолютно несовместимы. Не допускается также объединение явного и произвольного выбора отправителей, так как это может вызвать предоставление не заказанных услуг получателю, который указал тип услуг явно. Таким образом, стили WF, SE и FF не совместимы [10].

7.                  Типы услуг

Протокол RSVP предоставляет два типа интегрированных услуг, которые получатели могут запрашивать с помощью сообщений RSVP RESV: службу регулируемой нагрузки и службу гарантированной битовой скорости.

7.1. Регулируемая нагрузка

Служба регулируемой нагрузки (control load service) обеспечивает гарантию того, что зарезервированный поток достигнет своего пункта назначения с минимальным вмешательством со стороны трафика, доставляемого без гарантий. Как правило, служба регулируемой нагрузки применяется при передаче трафика Internet-приложений, чувствительных к перегрузкам в сети. Такие приложения отлично работают в незагруженных сетях, но при перегрузке “сразу приходят в негодность”.

7.2. Гарантированная битовая скорость

Служба гарантированной битовой скорости (guaranteed bit rate service) обеспечивает ограничение задержки без отбрасывания датаграмм, удовлетворяющих параметрам трафика, в условиях отсутствия сбоев в работе сетевых компонентов или изменений в информации о маршрутах во время жизни потока. Эта служба гарантирует минимальное вмешательство со стороны трафика, доставляемого без гарантий, изоляцию зарезервированных потоков и числовое выражение максимальной задержки очереди. Максимальная задержка очереди — это задержка передачи PATH-сообщения от источника до получателя. Служба гарантированной битовой скорости лучше всего подходит для тех приложений масштаба реального времени, которые позволяют воспроизводить аудио- и видеофайлы. Подобные приложения используются для нормальной работы буфер с целью компенсации неравномерности прибытия пакетов. Определяя максимальную задержку очереди, служба гарантированной битовой скорости помогает оценить необходимый размер буфера.

8. Аналитическое сравнение работы протоколов MPLS и RSVP.

1)        Объемы ресурсов, которые необходимы маршрутизатору для обработки и хранения информации RSVP, увеличиваются пропорционально числу резервирований. Т.о. поддерживая много RSVP резервирований можно получить отрицательный результат. Следовательно, RSVP имеет проблемы с масштабированием. При MPLS маршрутизатор не анализирует заголовок пакета, а узнает о следующем адресате по метке. Это экономит время и ресурсы. Следовательно, MPLS более масштабируем.

2)        RSVP определяет для трафика кратчайший маршрут. В результате сеть работает неэффективно и не решает проблем, связанных с нехваткой пропускной способности. MPLS позволяет направлять трафик через менее загруженные маршруты. Это означает более эффективную работу сетей, а также позволяет избежать проблем с нехваткой пропускной способности.

3)        При RSVP на организацию резервирований тратятся большие интервалы времени за счет большого объема служебной информации. В MPLS, если путь устанавливается впервые, то время установления соединения соизмеримо с временем при использовании технологии RSVP. А если данные передаются по уже существующему маршруту, то время установления соединения значительно сокращается.

4)        RSVP присваивает каждому маршруту определенный индекс. Это исключает просмотр таблицы маршрутизации. MPLS дает возможность ускоренного продвижения пакетов, т. к. маршрутизация заменяется коммутацией — более скоростным способом продвижения.

5)        RSVP каждый поток обслуживает отдельно, что увеличивает затраты ресурсов сети. MPLS позволяет объединить однотипные потоки и рассматривать их единым образом. Это уменьшает затраты ресурсов сети.

6)        Протокол RSVP присваивает определенный индекс каждому маршруту. Таблицы потоков могут стать настолько большими, что сеть NGN начнет давать сбои. MPLS классифицирует пакет и присваивает ему метку. Метка должна быть уникальной лишь для каждой пары смежных транзитных маршрутизаторов. В связи с этим пространство меток не будет исчерпано.

7)        Протокол RSVP устанавливает маршрут при поступлении каждого нового потока трафика. При MPLS установление маршрутов происходит только при изменении топологии сети или получении соответствующей управляющей информации.

8)        RSVP и MPLS может использоваться в паре с Frame Relay или ATM.

9)        При RSVP маршрутизаторы должны обладать большими вычислительными ресурсами, большими объемами памяти и функциями, поддерживающими RSVP. При MPLS транзитным маршрутизаторам не требуются ни большие объемы памяти, ни вычислительные ресурсы. Это значительно упрощает построение сети NGN в целом.

10)    При RSVP возможен несанкционированный захват или сокрытие сетевых ресурсов. Протокол MPLS может обеспечить безопасность с помощью средств шифрования, контроля доступа и аутентификации (авторизации) пользователей.

11)    RSVP и MPLS позволяет обслуживать мультикастные приложения.

12)    Время реакции на обрыв связи в протоколе RSVP измеряется в миллисекундах (0,001), а в MPLS в микросекундах (0,000001).

Вывод

Можно сделать вывод, что применение протокола RSVP вряд ли выйдет за пределы корпоративных сетей и его применение именно на участке абонентского доступа повышает надежность сети NGN. Передача мультимедиа приложений с использованием RSVP в пределах частных сетей оправдана более. RSVP больше пригоден для тех случаев, когда число приоритетных потоков невелико и они требуют умеренной полосы пропускания. А реализация технологии MPLS в сети крупного предприятия или по каналам глобальной сети оказывается более реальной задачей. Качество обслуживания протокола RSVP лучше при разумном количестве абонентов. А при их увеличении качество значительно ухудшается. Протокол MPLS может благополучно функционировать при значительно большем количестве абонентов. Приведем графики, наглядно показывающие сравнение технологий RSVP и MPLS.

Рис. 1. Зависимость качества обслуживания по R от количества абонентов

Рис.2. Целесообразность внедрения технологий RSVP и MPLS от количества абонентов, где K — целесообразность внедрения технологий RSVP и MPLS по стобальной шкале.

Следовательно, внедрение протокола RSVP целесообразнее при небольшом количестве абонентов на участке абонентского доступа, тогда как внедрение технологии MPLS возможно на участке ядра сети NGN. При комбинированном использовании этих двух протоколов повышается отказоустойчивость сети NGN, которая непосредственно влияет на надежность сети в целом.

Литература:

1.                            Нетес В. А. Проблемы управления сетями связи следующего поколения // 4-я Междун.конф. «Управление сетями электросвязи — основа надежности функционирования телекоммуникационной инфраструктуры». М., 2006.

2.                            М.Половко, С. В. Гуров. Основы теории надежности. С.-Петербург, 2006.- 706 с.

3.                            Спенсер Жакалоне. Коммутация меток. Computerword, 2002, № 33.

4.                            Реализация протокола MPLS в мультисервисных сетях операторского класса. Lucent Technologies, 06.2002.

5.                            Анита Карве. Качество услуг для трафика реального времени. Журнал сетевых решений/LAN, 03.1999, № 3, с.107.

6.                            Защита информации, виртуальные частные сети (VPN). Технология VIPNet. Служба рассылок Subscriber.ru, 18.12.2002, № 6.

7.                            Технология MPLS. Технологии, стандарты, протоколы,28.05.2002.

8.                            MPLS и QoS. Телеком вести, 09.04.2001.

9.                            RFC 2205. Resource Reservation Protocol (RSVP). Ver.1. Functional Specification. — September 1997.

10.                        Томас Нолл. Резервирование по сценарию RSVP. Сети, 1996, № 9.