Управление информационными потоками на основе резервирования ресурсов в сетях передачи данных предприятий

Размещено на http://www.allbest.ru/

Управление информационными потоками на основе резервирования ресурсов в сетях передачи данных предприятий

Офицеров А.И., Еременко В.Т., Демидов А.В.

В процессе планирования работы сети необходимо стараться найти разумный компромисс в достижении двух противоположных целей. С одной стороны, необходимо стремиться к улучшению качества обслуживания передаваемых через сеть данных, т.е. стараться снизить задержки в продвижении пакетов, уменьшить их потери и увеличить интенсивность потоков данных за счет резервирования ресурсов. С другой стороны, необходимо стараться максимально увеличить загрузку всех ресурсов сети с целью повышения экономических показателей бизнеса, основанного на эксплуатации этих ресурсов. Компромисс в достижении вышеупомянутых целей необходимо искать на пути использования средств и механизмов борьбы с перегрузками в сети, а именно:

- осуществлять рациональную настройку параметров сетевого оборудования с целью недопущения бесконтрольного увеличения интенсивности входных потоков;

- реализовывать алгоритмы управления очередями, оптимизированные к условиям работы сетевого оборудования и к условиям сервисного соглашения относительно уровней предоставления услуг (SLA);

- оптимизировать пути прохождения информации через сеть, пытаясь максимизировать загрузку дорогостоящих элементов сети при соблюдении заданных требований к качеству обслуживания циркулирующих в ней потоков данных.

Недостатки традиционных протоколов маршрутизации.

От маршрутов прохождения информационных потоков зависят уровни загрузок маршрутизирующих устройств и каналов, что оказывает непосредственное влияние на эффективность использования сети [1].

Известно, что большинство протоколов маршрутизации, в том числе дистанционно-векторные (такие, как RIP) или по состоянию связей (например, OSPF или IS-IS), выбирают кратчайший маршрут согласно заданной метрике измерений длины маршрутов. Спецификации этих протоколов предопределяют в простых случаях при выборе маршрута учёт лишь одного параметра - количества промежуточных маршрутизирующих устройств, которые располагаются на пути транспортировки пакетов по данному маршруту. В других случаях, с целью более рационального выбора маршрута учитываются номинальные пропускные способности каналов связи, составляющих маршрут, а также уровни задержек пакетов, которые этими каналами вносятся. Однако в любом таком случае выбирается какой-то один маршрут, если не выявлен другой, абсолютно равнозначный первому с точки зрения используемых критериев выбора маршрутов. На практике абсолютно равнозначных маршрутов почти не бывает, но довольно часто возникает ситуация, когда для выбранного маршрута существуют альтернативные пути с подходящими для данных конкретных условий характеристиками. К сожалению, традиционные протоколы маршрутизации на такую альтернативу не реагируют.

Еще один недостаток традиционных методов маршрутизации - пути выбираются без учета степени текущей загрузки ресурсов сети. Другими словами, даже если кратчайший путь уже перегружен, пакеты все равно посылаются по этому пути.

Чтобы избавиться от рассмотренных выше недостатков и обеспечить возможность более эффективного использования сетевых ресурсов, в эксплуатационной практике для сетей передачи данных предприятий применяется управление информационными потоками на основе резервирования ресурсов.

Постановка задачи

Управление информационными потоками на основе резервирования ресурсов - это процесс выбора рациональных путей прохождения данных через сеть, где рациональность понимается как достижение сбалансированной загрузки всех ресурсов сети в условиях соблюдения всех требований к качеству обслуживания.

Существуют специализированные методы и механизмы осуществления управления потоками данных, которые направлены именно на обеспечение сбалансированности загрузки ресурсов при заданных требованиях к качеству обслуживания.

Процедуру управления информационными потоками начинают с анализа двух типов характеристик:

1) анализа характеристик транспортной сети - её топологии, а также производительности маршрутизирующего оборудования, размещённого в узлах сети, и каналов связи, по которым транспортируются данные между узлами этой сети;

2) анализа предложенной нагрузки на элементы оборудования сети, в частности, анализа данных о величинах скорости информационных потоков между каждой парой маршрутизирующих устройств абонентского доступа, расположенных на границах рассматриваемой транспортной сети.

Основной задачей управления информационными потоками на основе резервирования ресурсов является определение таких путей прохождения рассматриваемых потоков через сеть передачи данных предприятий, при которых загруженность всех ресурсов сети с заданными характеристиками является максимально сбалансированной.

Решение данной задачи заключается в определении для каждого рассматриваемого потока последовательной цепочки промежуточных маршрутизаторов, которые необходимо расположить на пути между входной и выходной точками этого потока. При этом, маршруты потоков следует выбирать такими, чтобы загрузка элементов сети, по возможности, была более равномерной.

Формализацию условий сбалансированности ресурсов на практике осуществляют разными способами. Например, если в качестве цели выбирают минимизацию неравномерности в загрузке сетевых ресурсов в условиях известной структуры трафика сети, то целесообразно минимизировать на множестве всех учитываемых ресурсов сети значение коэффициента загрузки того ресурса, для которого этот коэффициент имеет максимальное значение. Целевая функция оптимизации маршрутов имеет вид:

,

где -- коэффициент использования t-го ресурса.

Другим вариантом постановки задачи управления информационными потоками на основе резервирования ресурсов является поиск такого набора маршрутов, при котором значения коэффициентов загрузки всех элементов сети не превысят заданный порог K. Такой подход, как легко понять, более прост в реализации по сравнению с предыдущим, поскольку нуждается в переборе меньшего количества вариантов [2].

Агрегация потоков

Одним из основных приемов, используемых при управлении информационными потоками на основе резервирования ресурсов, является агрегация потоков, т.е. объединение потоков отдельных пользователей в один общий поток, который имеет общие входную и выходную точки в каких-либо узлах сети.

В условиях, когда по каким-либо причинам приходится маршрутизировать отдельно каждый порождаемый прикладными системами пользователей поток данных, промежуточные маршрутизирующие устройства должны сохранять слишком большие объемы информации, поскольку в большинстве случаев индивидуальных потоков может быть очень много. Ситуацию усугубляет то, что в целях маршрутизации приходится запоминать адреса всех конечных узлов и программных портов UDP/TCP для всех приложений, что ещё больше усложняет задачу. Поэтому агрегация потоков позволяет упростить задачу выбора маршрутов.

Необходимо, однако, иметь в виду, что агрегация потоков возможна лишь тогда, когда все составляющие потоки предъявляют единые требования к качеству обслуживания. На практике чаще всего приходится рассматривать несколько потоков, среди которых часть или даже все являются агрегированными.

Процесс управления информационными потоками на основе резервирования ресурсов нередко предполагает необходимость описания характеристик потоков, для которых определяются маршруты, с разной степенью детализации. Понятно, что чем выше степень детализации описания, тем точнее результаты оптимизации маршрутов.

Например, с целью более тонкой оптимизации параметров сети желательно учитывать величины возможных пульсаций трафика или, что особенно важно, требования к качеству обслуживания. Однако при этих условиях задача управления усложняется настолько, что не всегда удаётся ее решить даже приближенными методами. Поэтому во многих случаях проиходится удовлетворяться лишь субоптимальными решениями, когда в процессе определения путей прохождения потоков через сеть учитываются только вероятные значения их средних интенсивностей при условии загрузки каждого ресурса не выше определенного порогового значения. Кроме того, с целью упрощения все потоки пакетов предъявляют одинаковые требования к качеству обслуживания.

Субоптимальные методы управления информационными потоками

При решении задач управления информационными потоками в сетях передачи данных предприятий на основе резервирования ресурсов используются два субоптимальных метода:

- предварительный поиск рациональных маршрутов в фоновом режиме;

- автоматизированный поиск рациональных маршрутов в оперативном режиме с использованием расширений протоколов маршрутизации, функционирующих на основе алгоритма состояния связей.

В случае предварительного поиска рациональных маршрутов в фоновом режиме необходимо знать следующие исходные данные: топологию и производительность сети, входную и выходную точки каждого информационного потока, среднюю интенсивность каждого потока. Необходимо задать также допустимый уровень максимального значения коэффициента загрузки элементов сети, превышение которого не допускается.

Исходя из названных выше данных, реализуется процедура направленного перебора вариантов, например, с помощью специально созданной для этой цели компьютерной программы. В результате перебора по вышеуказанному критерию выбора маршрутов можно довольно точно определить маршрут для каждого потока с указанием местоположения всех промежуточных маршрутизаторов в сети вдоль каждого из выбранных маршрутов.

На рисунке показано одно из возможных решений поставленной задачи, в рамках которого гарантируется, что максимальный коэффициент загрузки каждого сетевого ресурса не превысит 0,6.

Рисунок - Пример распределения нагрузки на элементы сети, при котором коэффициент загрузки каждого элемента сети не превышает 0,6

Согласно второму способу - автоматизированному поиску рациональных маршрутов в оперативном режиме с использованием расширений протоколов маршрутизации, функционирующих на основе алгоритма состояния связей - задача управления информационными потоками на основе резервирования ресурсов решается средствами сетевой маршрутизации в оперативном режиме их функционирования. Для этого используются расширения протоколов маршрутизации, которые работают на основе алгоритма состояния связей. В настоящее время такие расширения стандартизированы для протоколов OSPF и IS-IS.

В протоколы OSPF и IS-IS в целях обеспечения возможности выполнять управление информационными потоками на основе резервирования ресурсов включены новые типы расширений. С их помощью по каналам сети распространяется дополнительная информация о номинальных и незарезервированных значениях пропускной способности каждой связи в сети. Ребра результирующего графа сети, который в этом случае должен быть создан в топологической базе каждого из маршрутизаторов, идентифицируются двумя вышеуказанными дополнительными параметрами. Получая информацию о параметрах потоков, для которых нужно найти рациональные маршруты, маршрутизатор в оперативном режиме строит результирующий граф сети, обеспечивая возможность определения субоптимального решения, удовлетворяющего одному из сформулированных выше ограничений на коэффициент загрузки элементов оборудования сети. В результате, обеспечивается сбалансированность загрузки сети в целом.

Для упрощения оптимизационной задачи выбор маршрутов в рамках определенного набора информационных потоков может осуществляться поочередно в течение нескольких этапов - сначала в рамках какой-то одной группы каналов из данного набора, потом другой группы из этого же набора и т.д. При этом в качестве ограничения может выступать пороговое значение суммарной загрузки каждого ресурса сети. Процедура нахождения маршрута с учетом ограничений получила название Constrained-based Routing, а протокол OSPF с соответствующими расширениями - Constrained SPF или CSPF.

Механизмы реализации выбранных маршрутов

После того, как задача управления информационными потоками на основе резервирования ресурсов нашла своё решение, и маршруты оказались определенными, необходимо задействовать механизм, который обеспечивал бы продвижение пакетов, относящихся к выбранному маршруту, именно через те промежуточные маршрутизаторы, которые были выбраны.

Реализация такого механизма в IP-сетях усложняется тем, что основной режим маршрутизации, широко применяемый в этих сетях, предполагает формирование маршрутов лишь одного вида - "кратчайших" маршрутов. В принципе, в IP-сетях существует возможность использования режима маршрутизации от источника (Source Routing), в рамках которого хосты - источники пакетов имеют возможность задавать точную последовательность промежуточных узлов вдоль всего пути прохождения сгенерированных этим хостом пакетов. Но режиму маршрутизации от источника присущи существенные ограничения, из-за которых в эксплуатационной практике он не получил широкого распространения.

Для поддержки в сетях передачи данных предприятий механизмов реализации маршрутов, найденных в результате выполнения процедуры управления информационными потоками на основе резервирования ресурсов, используют специальный служебный протокол, который принято называть протоколом сигнализации. Чаще всего, в качестве протокола сигнализации в IP-сетях используется протокол резервирования ресурсов RSVP (Resource reSerVation Protocol). В сообщениях этого протокола для определенного потока прописывается точный маршрут, устанавливаемый в виде последовательности IP-адресов интерфейсов промежуточных маршрутизаторов, через которые проходит рассматриваемый поток. Маршрутизирующие устройства запоминают установленные маршруты в специальных таблицах, которые имеют название "таблицы коммутации". Для того чтобы пакеты продвигались не с помощью таблиц маршрутизации, а с помощью таблиц коммутации, используется специальная технология их продвижения вдоль маршрута - MPLS (Multiprotocol Label Switching). Важным обстоятельством (с позиции управления информационными потоками на основе резервирования ресурсов) является тот факт, что эта технология позволяет передавать пакеты вдоль заранее избранного и установленного в сети пути. При этом специфика управления заключается в том, что такие пути выбираются по критериям, способствующим достижению сбалансированности загрузки ресурсов сети.

Создание ситуации, при которой верхняя граница допустимой загрузки сетевого оборудования реальным трафиком не превышается, способствует тому, что средняя длина и вариация очереди к каждому ресурсу будут находиться в определенных границах. Это означает, что величины задержек пакетов и их потери вследствие возможной нехватки места в буферной памяти с определенной вероятностью не будут превышать допустимых предельных значений. Правда, только лишь на основе соблюдения ограничений по коэффициентам загрузок ресурсов в реальных условиях эксплуатации точные значения величин задержек и потерь пакетов определить практически невозможно, хотя этот коэффициент наиболее существенным образом влияет на качественные показатели работы сети. Уточненные оценки значений задержек или процентов потерь пакетов определяются в сетях передачи данных предприятий, как правило, путем натурных измерений. Результаты таких измерений предлагаются клиентам сети в качестве основы для согласования условий сервисных соглашений об уровне обслуживания на этапе их заключения.

маршрутизирующий информационный резервирование ресурс

Заключение

Полезность решения задач управления информационными потоками на основе резервирования ресурсов в сетях передачи данных предприятий заключается в том, что информация о найденном рациональном пути может быть использована целиком, т.е. имеет место маршрутизация от источника. Поэтому непосредственно маршрутизацией занимаются только граничные маршрутизаторы сети, а внутренние - лишь присылают к ним необходимую информацию о текущем состоянии сети. Такой подход обладает несколькими преимуществами в сравнении с распределенной моделью поиска пути, который лежит в основе стандартных протоколов маршрутизации IР. Во-первых, он позволяет использование так называемых "внешних" решений, когда оптимальные маршруты находятся в автономном режиме при помощи какой-нибудь внешней системы оптимизации сети, а потом устанавливаются непосредственно в сети. Во-вторых, каждое из граничных маршрутизирующих устройств получает возможность работы в рамках собственной версии реализованного в нём алгоритма поиска, что упрощает работу в случаях использования оборудования разных производителей. В-третьих, такой подход освобождает внутренние маршрутизаторы от работы по поиску рациональных маршрутов.

Литература

1. ITU-T Recommendation E.600 (03/93) Terms and definitions of traffic engineering (Термины и определения в области инженерии трафика)

2. Конахович, Г.Ф. Сети передачи пакетных данных [Текст] / Г.Ф. Конахович, В.М. Чуприн. - К.: МК-Пресс, 2006. - 272 с.

3. Олифер, В.Г. Компьютерные сети. Принципы, технологии, протоколы [Текст] /: Учебник для вузов. 2-е изд./ В.Г. Олифер, Н.А. Олифер - СПб.: Питер, 2003. - 864 с.

4. Олифер, В.Г. Новые технологии и оборудование IP-сетей. [Текст] / В.Г. Олифер, Н.А. Олифер - СПб.: БХВ-Петербург, 2001. - 512 с.

Размещено на Allbest.ru