Структурный и параметрический синтез наложенной сети ip/mpls поверх сети wdm с применением модели, представленной в виде многослойного графа

Размещено на http://www.allbest.ru/

МИНИСТЕРСТВО ТРАНСПОРТА И СВЯЗИ УКРАИНЫ

Кафедра сетей связи

Реферат на тему:

"СТРУКТУРНЫЙ И ПАРАМЕТРИЧЕСКИЙ СИНТЕЗ НАЛОЖЕННОЙ СЕТИ IP/MPLS ПОВЕРХ СЕТИ WDM С ПРИМЕНЕНИЕМ МОДЕЛИ, ПРЕДСТАВЛЕННОЙ В ВИДЕ МНОГОСЛОЙНОГО ГРАФА"

Одесса 2013

Введение

Переход от индустриального общества к информационному является характерной чертой современного этапа развития мировой цивилизации. Создание высокоэффективной телекоммуникационной среды стало важной национальной проблемой. Без ее решения проблематично построение информационного общества и внедрение достижений информационных технологий в сферы производства, бизнеса, науки, образования, медицины и культуры. Общие подходы к построению перспективных телекоммуникационных систем нашли отражение в концепции сетей связи следующего поколения - NGN (Next Generation Network), обеспечивающих предоставление широкого набора услуг с гибкими возможностями по управлению, персонализации и созданию новых услуг за счет унификации сетевых решений.

Важной составляющей современных мультисервисных сетей являются транспортные сети. Несмотря на очень большой разброс степени развития транспортных сетей в Украине, да и в мировом масштабе, современную ситуацию в целом можно охарактеризовать следующими тезисами: основной средой передачи стационарных сетей являются волокна оптических кабелей; основным транспортным средством являются системы передачи синхронной цифровой иерархии (SDH); технологии спектрального уплотнения (Wavelength Division Multiplexing WDM), пакетные технологии (ATM, IP, Ethernet и др.) используются в той или иной степени в зависимости от конкретных условий и уровня развития сети.

Таким образом, существующие транспортные сети, составляющие NGN, представляют собой смешанные оптико-электронные сети. Волоконно-оптические кабели, оснащенные системами передачи со спектральным уплотнением (WDM), обеспечивают высокую эффективность передачи телекоммуникационных сигналов между сетевыми узлами.

Современные требования к формированию услуг влекут за собой целесообразность применения на транспортном уровне пакетных технологий. Эти технологии (ATM, IP, Ethernet и др.), являющиеся электронными, изначально не предназначались для использования в сетях дальней связи. По этой причине они не обладают развитыми в достаточной мере функциями передачи и недостаточно эффективно используют возможности оптических кабелей.

Оптические технологии существующих сетей, напротив, весьма эффективно используют среду передачи, обеспечивая высокую пропускную способность. Однако сеть прозрачных оптических каналов, образованная этими технологиями, пассивна, то есть не содержит механизмов управления абонентскими потоками.

Сочетание оптических сетей и наложенных на них сетей с пакетными технологиями образуют универсальную транспортную среду. В результате существующие транспортные сети представляют собой различные варианты многослойных структур. Каждая из наложенных сетей может иметь отличную от нижележащей топологию.

Наиболее перспективными при построении мультисервисных транспортных сетей является использование такой структуры, которая содержит IP/MPLS сеть, наложенную поверх оптической сети WDM. Эффективное решение задач структурного и параметрического синтеза данного класса сетей требует совместного синтеза топологий каждого из уровней, решения задач выбора маршрутов и использования подхода, базирующегося на представлении синтезируемой телекоммуникационной системы как единого целостного объекта. Решению задачи структурного и параметрического синтеза наложенной сети IP/MPLS поверх сети WDM с использованием математической модели, представленной в виде многослойного графа, посвящена данная статья.

сеть наложенная граф многослойный

1. Общая характеристика синтезируемой наложенной сети IP/MPLS

Связи между узлами сети IP/MPLS обеспечиваются опорной транспортной сетью, для которой IP/MPLS сеть является наложенной. В качестве опорной транспортной сети может использоваться сеть WDM (Wavelength Division Multiplexing) в зависимости от требуемой пропускной способности каналов сети IP/MPLS. В данной сетевой архитектуре некоторые или все узлы сети поддерживают не только технологии транспортной сети, но и технологию IP/MPLS. Узел, поддерживающий технологию IP/MPLS, называется Label Switched Router (LSR). Пограничные узлы сети обязательно должны поддерживать функции обеспечения объединения трафика с коммутацией пакетов, поступающих от абонентов сети. Узлы сети, находящиеся в ядре сети, могут поддерживать, а могут и не поддерживать функциональность IP/MPLS. Связь между узлами LSR обеспечивается физическими линиями связи (или световыми путями, в зависимости от используемой технологии опорной сети) и могут транзитно проходить через несколько узлов опорной транспортной сети, не поддерживающих IP/MPLS функциональность. Узлы LSR и каналы связи между ними образуют IP/MPLS сеть, наложенную на опорную транспортную сеть.

Таким образом, при проектировании данного класса сетей необходимо определять топологию обоих сетей: топологию транспортной сети и топологию сети IP/MPLS. Это означает, что мы должны определить:

-- какие узлы транспортной сети должны поддерживать функциональность MPLS;

-- каким образом должны быть связаны узлы LSR через опорную транспортную сеть;

-- какую величину пропускной способности должны иметь соединения между LSR.

В простейшем случае в качестве решения можно предложить конфигурацию сети, в которой поддержка функций MPLS осуществляется только в пограничных узлах. В этом случае нам необходимо установить логическое соединение между всеми парами пограничных LRS узлов и привести их пропускную способность в соответствие с величинами передаваемых потоков. Преимуществом такого решения является то, что мы уменьшили затраты, связанные с установкой оборудования MPLS в узлах ядра транспортной сети. К недостаткам можно отнести то, что в этом случае для каждого соединения между LSR нам необходимо выделять отдельный канал связи, что приводит к нерациональному использованию пропускной способности каналов связи опорной транспортной сети.

Другим крайним решением является установка оборудования MPLS во всех узлах транспортной сети. В этом случае мы можем более полно использовать пропускные способности каналов связи транспортной сети за счет использования статистического мультиплексирования и группового использования каналов связи при передаче информационного трафика. Платой за это будет увеличение затрат, связанное с установкой оборудования MPLS в узлах сети.

В общем случае, решением задачи является установка оборудования MPLS в некоторой части узлов транспортной сети, так чтоб обеспечить компромисс между затратами на оборудование узлов сети с функциями MPLS и расходами, связанными с неполным использованием пропускной способности каналов связи.

Дополнительным эффектом, позволяющим увеличить степень использования пропускной способности каналов связи, является то, что на практике пропускная способность каналов связи наращивается дискретно большими порциями. Это приводит к тому, что для обслуживания соединения между LSR могут выделяться каналы связи с пропускной способностью, намного превышающей необходимую величину для обслуживания данного трафика, появляется большая величина неиспользуемой пропускной способности сети. Агрегирование трафика позволяет уменьшить эффект квантования пропускной способности и более полно ее использовать.

При синтезе транспортной сети, содержащей IP/MPLS сеть, наложенную поверх оптической сети WDM, необходимо учитывать особенности формирования маршрутов в этой сети. Так, сеть WDM состоит из множества узлов с установленными в них оптическими мультиплексорами, которые соединены между собой волоконно-оптическими линиями связи. Для передачи трафика между абонентскими узлами в оптической транспортной сети WDM необходимо определить световой путь, используемый для этого, а затем каждому из световых путей необходимо назначить длину волны таким образом, чтобы в каждом из оптических каналов не было двух потоков с одинаковой длиной волны.

2. Анализ публикаций

Как было уже сказано выше, синтезируемая телекоммуникационная транспортная сеть имеет многоуровневую структуру, образованную наложенными сетями. Известные ранее подходы при решении задач проектирования используют последовательное решение задач проектирования для каждого из уровней отдельно [1, 2]. При этом результаты проектирования на одном из уровней являются исходными данными для остальных уровней сети. При этом в процессе проектирования не учитываются взаимосвязи и взаимозависимости между уровнями. В результате, итоговый вариант конфигурации сети не является оптимальным, а в ряде случаев может привести к нестабильной работе проектируемой сети при эксплуатации.

Учет многоуровневой структуры современных телекоммуникационных систем требует разработки новых математических моделей, которые позволяли бы адекватно описывать существующие физические и логические связи между элементами системы на разных ее уровнях, разных видов иерархий и эффективно решать задачи структурного и параметрического синтеза при их проектировании.

Учет многоуровневой структуры телекоммуникационных систем, образуемой наложенными сетями, можно произвести за счет разделения системы на логическую и физическую сети [3, 4]. При этом топология каждой сети описывалась графом. Каждое ребро логической сети представлялось в виде потока, протекающего по физической сети. Использование данного подхода ограничивалось обычно двумя уровнями. При проектировании сетей с большим количеством уровней задача сводилась к двухуровневому случаю, решение задачи осуществлялось за счет последовательного проектирования каждого уровня с использованием результатов как исходных данных для проектирования соседнего уровня, что не дает оптимального решения задачи в целом.

Дальнейшим развитием идеи разделения структуры наложенных сетей на логическую и физическую является модель многослойной сети [5, 6]. Каждая наложенная сеть, входящая в состав моделируемой сети, называется слоем. Каждой слой описывается графом, при этом множество вершин графа верхнего слоя является подмножеством вершин нижнего слоя. Для многослойной сети вводится дополнительное ограничение, что каждый канал верхнего слоя соответствует одному или нескольким путям в нижнем слое. Использование описанной модели позволяет решать задачу нахождения структуры каждого уровня телекоммуникационной сети комплексно для всей системы.

С использованием модели многослойной сети в работах [5, 7] решалась задача структурного и параметрического синтеза сетей MPLS. При этом основное внимание уделено эффекту, связанному с дискретными значениями допустимых величин пропускных способностей каналов связи и производительности оборудования узлов сети. Метод проектирования телекоммуникационных сетей MPLS c учетом эффекта статистического мультиплексирования рассмотрен в работе [8]. Этот метод позволяет также решать задачу определения мест расположения узлов с коммутацией пакетов и оптимизации виртуальной топологии сети. Ряд других работ [9, 10] также посвящен задаче определения мест расположения узлов сети с функциями MPLS. Во всех указанных выше работах задача решалась для случая передачи по сети трафика типа "точка-точка" (unicast трафик).

В работе [11] рассматривается задача определения множества multicast -деревьев, совместно использующих сетевые ресурсы, так чтобы минимизировать максимальную загруженность каналов связи, используемых в логических соединениях. Оптимальное решение задачи обеспечивается за счет определения оптимальных маршрутов передачи информации при известных пропускных способностях каналов связи. Метод проектирования телекоммуникационной системы с multicastтрафиком, рассмотренный в работе [12], учитывает требования по параметрам QoS для различных видов трафика.

При структурном и параметрическом синтезе IP/MPLSсети, наложенной поверх оптической сети WDM, необходимо решать задачу выбора маршрутов (световых путей) и назначения им длин волн в нижележащей сети WDM. Поскольку назначение комбинации светового пути и длины волны являются сложными задачами, при решении задачи выбора маршрута и назначения длины волны (Routingand Wavelength Assignment, RWA) используется подход, базирующийся на декомпозиции задачи на две подзадачи: задача выбора световых путей и задача назначения длин волн. В работе [13] предложен способ решения задачи RWA для нескольких запросов, где использовалась формулировка задачи как задача целочисленного линейного программирования, а также эвристики, базирующейся на использовании теоремы о максимальном покрытии, что гарантирует высокое качество получаемого решения.

Общим недостатком модели многослойной сети является то, что она не позволяет описывать структуру многоуровневой системы, имеющей множественные связи между элементами разных уровней, а также потенциальные связи, которые необходимо учитывать при решении задач структурного синтеза.

Для устранения данного недостатка в работах [14, 15] предложена математическая модель современных телекоммуникационных систем, содержащих наложенные сети, представленная в виде многослойного графа.

В работе [16] предложена методика описания современных телекоммуникационных систем, имеющих многоуровневую структуру, образованную наложенными сетями. Описание телекоммуникационных систем многослойными графами позволяет учитывать свойства многослойных сетей. С помощью этой модели впервые удалось отобразить логические и физические связи, имеющие место в реальных телекоммуникационных системах, что позволило учесть эти связи при проектировании систем в целом как единого целостного объекта.

3. Предметная постановка задачи синтеза сети MPLS, наложенной поверх сети WDM

Проектируемая сеть (рис. 1) выполняет функции, относящиеся к уровню транспорта концепции NGN. В качестве телекоммуникационных технологий, используемых в данной сети, используются технология WDM. Поверх указанной сети организовывается наложенная IP/MPLS сеть. Через проектируемую сеть передаются информационные потоки c групповой адресацией.

Для учета эффекта статистического мультиплексирования в данной работе используется упрошенная модель информационного потока [17]. Каждый информационный поток, передаваемый по каналам связи, характеризуется двумя параметрами: средним значением f , Мбит/с и величиной всплеска ? f . При выборе необходимой величины пропускной способности канала связи cij принимаем, что ее величина должна быть равна сумме средних значений потоков, передаваемых по каналу связи, плюс величина всплеска с максимальным значением.

Рис. 1 Исходная структура синтезируемой наложенной сети

4. Синтез математической модели наложенной сети IP/MPLS в виде многослойного графа

Суть решаемой задачи заключается в определении совокупности структур на различных уровнях абстрактного описания проектируемой транспортной сети.

Каждая структура характеризуется множеством входящих в нее элементов и связями между этими элементами. Каждый из элементов и каждая связь характеризуется набором параметров, величины которых должны быть известны в результате решения задачи структурного и параметрического синтеза наложенной сети IP/MPLS поверх сети WDM. Часть структур в проектируемой системе при решении задачи считаются известными и являются исходными данными. Между абстрактными структурами проектируемой сети существует связь, которая выражается в зависимости между топологиями рассматриваемых структур и параметрами их элементов и связей. Частично взаимные связи заданы в качестве исходных данных, остальные взаимосвязи необходимо определить из предметной постановки задачи во время синтеза ее математической модели.

Для решаемой нами задачи в качестве исходных данных являются:

-- структура, описывающая информационные связи между узлами источниками и потребителями информации, а также параметры этих связей;

-- наборы допустимых значений, которые совместно могут принимать параметры элементов и связей структур;

-- местоположения узлов проектируемой сети.

Проектируемая сеть имеет многоуровневую технологическую архитектуру, образуемую наложенными сетями. Для ее описания удобно использовать в качестве математической модели многослойный граф.

Построим математическую модель решения задачи с использованием многослойных графов.

Согласно общей методике решения задачи синтеза мультисервисных телекоммуникационных систем с использованием многослойных графов мы должны синтезировать начальный избыточный многослойный граф MLG ? ??,V ,E? . Для этого мы должны выполнить следующие шаги:

-- выделить в синтезируемой сети отдельные наложенные слои;

-- каждый слой описать графом, описывающим связи на каждом из слоев;

-- задать ребра, образующие связи между слоями;

-- присвоить ребрам и вершинам МСГ MLG набор величин, характеризующих значения параметров соответствующих элементов и связей моделируемой системы.

Из анализа предметной постановки задачи можно выделить следующие уровни (рис. 2) синтезируемой транспортной сети, имеющие наложенный принцип:

-- уровень информационных потоков, передаваемых в синтезируемой транспортной сети;

-- уровень сети IP/MPLS, определяемый узлами LSR и каналами связи между ними;

-- уровень оптической сети, определяемый узлами сети, где установлены оптические кроссконнекторы, и оптическими каналами связи и линиями связи;

-- уровень световых путей, описывающий маршруты передачи оптических сигналов и используемые при этом длины волн.

Рис. 2 Многослойный граф, описывающий структуру проектируемой сети

Согласно общей методике структурного синтеза с использование многослойного графа опишем каждый из наложенных уровней графом соответствующего слоя многослойного графа.

Синтезированный многослойный граф MLG используется для решения задачи проектирования сети MPLS с определением:

-- мест установки узлов LSR;

-- маршрутов передачи потоков в сети IP/MPLS;

-- пропускных способностей каналов связи сети IP/MPLS;

-- топологии оптической транспортной сети WDM;

-- световых путей и привязки длин к ним.

VI. Исследование эффективности предложенного метода синтеза

Экспериментальное исследование метода структурного и параметрического синтеза наложенной сети IP/MPLS поверх сети WDM заключается в сравнительном анализе предложенного в работе метода решения задачи, который базируется на применении многослойного графа, с методом, который предусматривает последовательный синтез топологий сетей на каждом из ее уровней, определения мест установки узлов LSR и решения задач выбора световых путей и привязки длин волн.

При применении альтернативного метода (без учета многослойной структуры синтезируемой сети) суть решаемой задачи сводилась к задаче оптимального распределения потока, который обеспечивал бы минимальное количество используемых оптических каналов связи. Критерием оптимальности в обеих задачах выступала стоимостная функция с одинаковыми значениями, входящих в нее удельных параметров.

Анализ приведенных результатов показал, что использование метода, базирующегося на применении многослойного графа, позволяет получить структуру сети, которая по своим стоимостным показателям меньше стоимости структуры, полученной альтернативным методом в среднем на 7 - 11 %.

Выигрыш по стоимости объясняется тем, что при выборе мест установки оборудования LSR в узлах сети не учитывались световые пути и возникающие внутренние блокировки. Это привело к необходимости использования большего количества LSR и оптических линий связи, затраты на которые не удается скомпенсировать за счет передачи по каналам WDM сети группового потока. Объединение индивидуальных потоков между каждой из пар взаимодействующих LSR позволяет уменьшить количество выделяемых каналов в опорной сети и может способствовать уменьшению затрат на развертывание сети.

Использование многослойного графа при решении данной задачи позволяет комплексно подойти к выбору мест установки LSR, обеспечивающих группирование и перегруппирование потоков, передаваемых между абонентами сети и задачи выбора маршрутов передачи групповых потоков в опорной сети так, чтобы минимизировать затраты на развертывание сети.

5. Оборудование

OptiSwitch 9000 совмещает функции маршрутизатора, системы IP/MPLS и транспорта WDM на единой платформе

Компания MRV, ведущий поставщик решений для городских IP сетей и волоконнооптических линий связи, представила новую уникальную линейку маршрутизирующих коммутаторов OptiSwitch 9000 (OS9000) первую в отрасли систему операторского класса для городских сетей Ethernet, объединяющую функции агрегации соединений Gigabit Ethernet, предоставления услуг Ethernet/IP/MPLS и транспорта WDM на единой платформе.

OS9000 обеспечивает расширенные услуги доступа для оптических сетей Ethernet с предоставлением услуг , т.е. передачи голоса, видео и данных. Эти маршрутизаторы дают возможность агрегировать трафик от устройств FTTX или DSLAM и обеспечивать предоставление заданного уровня качества услуг (QoS) для различных приложений, защиту информации, управление полосой пропускания, а также расширенные возможности управления для удаленного мониторинга и конфигурирования.

Платформа OS9000 поддерживает такие спецификации форума Metro Ethernet, как ELine (point to point Ethernet Virtual Circuit) и ELAN (multipoint to multipoint Ethernet Virtual Circuit), которые реализованы на основе мощных процессоров ASIC, обеспечивающих туннелирование и предоставление требуемой полосы пропускания для каждого приложения или абонента сети.

Использование функций ELAN и ELine совместно с модулями WDM позволяет системе OS9000 работать с несколькими независимыми сервисами на отдельных длинах волн, что дает возможность предоставления расширенных соглашений об уровне сервиса (SLA) в городских сетях значительной протяженности.

Устройства семейства OS9000 имеют компактные размеры (2U), оптимизированные для использования в точках присутствия и офисах операторов связи, где свободное место в телекоммуникационных стойках крайне ограничено. При росте числа абонентов сети OS9000 обеспечивает легкий и низкий по стоимости путь к масштабированию системы.

Первая выпущенная в данной линейке модель (OS90244C) имеет 24 порта GigabitEthernet со сменными трансиверами SFP (могут использоваться для установки любых типов интерфейсов для дальностей до 120 км, а также для длин волн CWDM), слот для модулей WDM (до 8 каналов CWDM) и два места на лицевой панели для установки источников питания переменного или постоянного тока. 4 из указанных портовGigabitEthernet являются комбинированными и могут по выбору задействовать как разъемы для SFP, так и встроенные порты 10/100/1000BaseT.

Комбинация сервисов WDM, Ethernet и IP/MPLS на единой платформе OS9000 дает операторам возможность быстрого выбора метода предоставления услуг для новых абонентов без усложнения топологии сети. Системы OS9000 обеспечивают простую миграцию от физического уровня WDM к Ethernet операторского уровня и сервисам MPLS путем удаленной программной настройки без необходимости замены оборудования. (Дальнейшее развитие аппаратной платформы OS9000 предполагает также поддержку технологий DWDM и 10 Giga bit Ethernet.) Платформа OS9000 обеспечивает стандартные возможности защищенного сетевого внесетевого управления, включая поддержку SNMPv3, SSHv2, SCP, RADIUS и иерархической политики администрирования. Используя эти функции, оператор может осуществлять доступ к счетчикам трафика на любом интерфейсе и получать статистику реального времени по каждому потоку данных и сервису для осуществления биллинга, планирования сети и мониторинга QoS. Кроме того, средства диагностики OS9000 включают мониторинг физических параметров оптических и медных соединений Ethernet. Система цифровой диагностики модулей SFP предоставляет полную информацию о качестве и параметрах оптических соединений, позволяя оперативно обнаружить причины возможных неполадок еще до их возникновения. Функция удаленной диагностика медного кабеля, поддерживаемая на медных портах OS9000, обеспечивает тестирование подключенных к ним кабелей и определяет дефекты в заделке соединителей RJ45 или обрывы в кабеле UTP.

Определив суть неисправности, оператор может затем удаленно отключить проблемный порт и сообщить абоненту, какой коммутационный шнур, разъем или кабельную линию необходимо проверить и заменить.

Выводы

При синтезе IP/MPLS сети, наложенной поверх оптической сети WDM, необходимо учитывает процессы, протекающие на различных ее уровнях и определять топологии каждой из ее сетей. Для решения этой задачи можно использовать модель в виде многослойного графа, которая позволяет адекватно описать структуру проектируемой сети, учесть взаимосвязь процессов на разных ее уровнях и представить проектируемую телекоммуникационную сеть как единый целостный объект.

При описании IP/MPLS сети, наложенной поверх оптической сети WDM, многослойный граф должен содержать следующие слои: слой информационных потоков, слой IP/MPLS сети, слой оптической сети, слой световых путей.

За счет синтеза потоковой модели на многослойном графе решаемую задачу можно свести к задаче нахождения многослойного подграфа минимальной стоимости и распределения потоков в нем, обеспечивающего выполнение ограничений, накладываемых потоковой моделью. Данная задача, в свою очередь, может быть сведена к задаче смешанного линейного программирования и может быть решена стандартными математическими пакетами.

По результатам сравнительного анализа метода структурно-параметрического синтеза IP/MPLS сети, наложенной поверх сети WDM, оптимальной согласно критерию минимума стоимости установлено, что применение предложенного метода позволяет получить структуру сети на 7 - 11 % меньшей стоимостью в сравнении с методами, базирующимися на последовательном проектировании каждого уровня.

Разработанная методика рекомендуется для использования в проектных организациях, на этапах проектирования вновь строящихся или реконструируемых телекоммуникационных систем с числом узлов до нескольких десятков.

Список литературы

1. Gerstel O., Ramaswami R. Optical layer survivability: a services perspective // IEEE Communications magazine. - 2000. - Vol. 38, № 3. - P. 104-113.

2. Sahasrabuddhe L., Ramaswami R., Mukherjee B. Fault Management in IPOverWDM Networks: WDM Protection Versus IP Restoration // IEEE Journal on Selected Areas in Communications. - 2002. - Vol. 20, Issue 1. - P. 21-33.

3. Haider M., Mazurek M., Dymora P. Designing of multichanel optical communication systems topologies criteria optimization // Informatica. - 2003. - Vol. 1. - P. 277-284.

4. Хайдер М. Эффективный метод проектирования и реконфигурации вычислительной системы с многоканальными связями // Проблеми програмування. - 2006. - № 2-3. - P. 701-707.

5. Knippel A., Lardeux B. The MultiLayered Network Design Problem // European Journal of Operational Research. - 2007. - Vol. 138, Issue 1. - P. 87-99.

6. Guolong Zhu, QingjiZeng, Tong Ye, Junjie Yang Joint network design in multilayer networks // Proceedings of SPIE. - 2003. - Vol. 5282. - P. 460-469.

Размещено на Allbest.ru