Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1 . Принципы построения сетей следующего поколения и определение места сетей Metro Ethernet как элемента транспортного уровня NGN 18
1.1. Эволюция сетей электросвязи в направлении построения NGN 18
1.2.MpflejraNGN 23
1.2.1 Основная эталонная модель 23
1.2.2 Обобщенная функциональная модель 24
1.3. Технологии транспортного слоя NGN 25
1.4. Технология Metro Ethernet 27 -
1.5. Задачи диссертационной работы 37
Выводы по главе 1 38
ГЛАВА 2. Оценка параметров QoS в сетях Metro Ethernet 39
2.1. Понятие оценки справедливого распределения ресурсов 39
2.1.1. Работы по оценке справедливого распределения ресурсов..39
2.1.2. Сравнение свойств оценок справедливого распределения...41
2.1.3. Свойства коэффициента справедливости 44
2.1.4. Расчет значений коэффициента справедливости для различных законов распределения 49
2.2. Распределение пропускной способности в сетях Metro Ethernet 52
2.3. Характеристики законов распределения вероятностен, используемые для описания различных типов трафика в сетях Metro Ethernet 56
2.3.1. Самоподобные процессы в мультисервисньтх сетях класса Metro 56
2.3.2. Характеристики самоподобных процессов 58
2.3.3. Свойства самоподобных процессов 60
2.3.4. Медленно затухающие распределения 63
2.3.5. Введение ограничения для реальных значений случайных величин 66
2.4. Определение вероятностно-временных характеристик для сетей Metro Ethernet 70
2.4.1. Расчет средних задержек в очереди с учетом влияния коэффициента справедливости 70
2.4.2. Расчет потерь с учетом влияния коэффициента справедливости 72
2.5 Имитационное моделирование процессов в сетях Metro Ethernet .73
Выводы по Главе 2 76
ГЛАВА 3 Усовершенствование протоколов покрывающих деревьев для применения в сетях класса Metro 78
3.1. Свойства стандартных протоколов построения покрываютцих деревьев 79
3.1.1. Протокол STP 82
3.1.2. Реализация STP в соответствии со стандартом 87
3.1.3. Протокол RSTP 97
3.1.4. Протокол MSTP 101
3.1.5. Основные недостатки протоколов покрывающих деревьев 105
3.2. Анализ существующих решений по улучшению характеристик классических протоколов построения маршрутов в сетях Metro Ethernet 107
3.3. Механизм выбора маршрутов, основанный на управлении трафиком ПО
3.3. J. Описание архитектуры 110
3.3.2. Управление трафиком при выборе маршрутов 112
3.3.3. Основные этапы нового механизма 114
3.3.4. Контроль трафика 116
3.4. Построение покрывающего дерева для мультикастового трафика 125
Выводы по Главе 3 130
Заключение 132
список литературы 134
- Эволюция сетей электросвязи в направлении построения NGN
- Обобщенная функциональная модель
- Понятие оценки справедливого распределения ресурсов
- Свойства стандартных протоколов построения покрываютцих деревьев
Введение к работе
Актуальность работы. Согласно принципам построения сетей следующего поколения (Next Generation Network - NGN) в качестве технологической базы построения транспортного уровня NGN предполагается использование мультисервисных технологий на основе коммутации пакетов, которые должны обеспечивать необходимый уровень качества обслуживания [86].
В рамках развития NGN как сети связи общего пользования решаются следующие задачи: плавный переход к единой транспортной технологии для переноса разных типов трафика (данные, речь, видео), предоставление новых возможностей в области развития услуг связи, построение простой и эффективной единой сети для всех видов приложений и активное развитие новых видов услуг связи.
Вопросы построения мультисервисных сетей активно исследуются в работах известных отечественных и зарубежных авторов (Б.С. Гольдштейн, А.Е Кучерявый, А.Н. Назаров, М.Н. Петров, Н.А Соколов, С.Н. Степанов, М.А. Шнепс-Шнеппе, Г.Г. Яновский, U. Black, J. Davidson, S. Fisher, J.M. Garcia, D. McDysan, D. Minoli, F.A. Tobagi).
Несмотря на большое число работ по теоретическим основам и практической реализации NGN, появившихся в последние пять лет, ряд вопросов остается открытым. К их числу следует отнести проблемы исследования вероятностно-временных характеристик мультисервисных транспортных сетей с учетом свойств самоподобия трафика, передачи мультикастового трафика на канальном уровне, создания технологии на базе коммутации пакетов на транспортном уровне сети следующего поколения, обладающей всеми атрибутами операторских сетей.
В последние годы в сетях класса Metro и территориально распределенных сетях получила признание технология Ethernet. Вместе с тем в классических сетях Ethernet вопросы, связанные с обеспечением качества
обслуживания (QoS) практически не рассматривались. Исследования, проводящиеся в диссертационной работе, решают несколько актуальных проблем внедрения таких сетей на базе концепции Metro Ethernet. Среди них необходимо отметить анализ вероятностно-временных характеристик (ВВХ) трафика в этих сетях с учетом свойств самоподобия трафика и синтез протоколов построения маршрутов в городских сетях класса Metro, которые обеспечивают балансировку нагрузки сети.
Цели и задачи исследования. Целью диссертационной работы является разработка методов улучшения характеристик сетей Metro Ethernet для возможности использования Metro Ethernet в качестве транспортной технологии сетей следующего поколения.
Для достижения поставленной цели в диссертационной работе исследуются две группы вопросов. В состав первой группы входят следующие задачи:
введение количественной меры справедливого распределения сетевых ресурсов и исследование свойств коэффициента справедливости;
решение задачи справедливого распределения пропускной способности между потоками, переносящими трафик, характерный для мультисервисных сетей;
« решение задачи определения ВВХ для потоков в сети Metro
Ethernet;
Вторую группу проблем составляют задачи, связанные с построением
маршрутов в сетях Metro Ethernet. Здесь рассматриваются следующие задачи:
в анализ недостатков классических протоколов покрывающих
деревьев;
разработка нового механизма выбора маршрута, основанного на
управлении трафиком;
разработка метода выбора корня дерева для передачи
мультикастового трафика.
Методы исследования. Проводимые исследования базируются на теории графов, теории вероятностей, теории массового обслуживания, теории фрактальных процессов и методах имитационного моделирования. Для численного анализа используется программный математический пакет Mathcad 14. Имитационное моделирование выполняется с помощью открытого пакета моделирования сетей ns2.
Научная новизна. Основные результаты диссертации, обладающие научной новизной:
на базе предложенной меры справедливости разработан метод оценки справедливого распределения ресурсов в сетях Metro Ethernet;
определены вероятностно-временные характеристики в сетях Metro
Ethernet на базе предложенной оценки справедливого распределения
ресурсов;
рассчитан коэффициент справедливости распределения ресурсов для трафика, описываемого медленно затухающими законами распределения;
проведена систематизация недостатков применения классических протоколов покрывающих деревьев в технологии Ethernet, применяемой в сетях класса Metro;
разработан механизм построения маршрутов в сетях Metro Ethernet, основанный на управлении трафиком;
предложен метод выбора корня покрывающего дерева, позволяющий уменьшить задержки протокольных блоков мультикастовых приложений.
Практическая ценность. Основными практическими результатами
диссертационной работы является получение оценок для расчета потерь и
задержек в сетях Metro Ethernet при использовании коэффициента
справедливости, и разработка метода синтеза протоколов построения маршрутов в городских сетях Metro Ethernet.
Использование результатов работы позволяют рассчитывать нагрузку для мультисервисного трафика на этапе проектирования сетей Metro Ethernet. Результаты работы могут быть использованы при эксплуатации сетей для сетей Metro Ethernet и на этапе создания оборудования коммутаторов Ethernet. Также результаты работы могут быть использованы в учебном процессе СПбГУТ им. Проф. М.А. Бонч-Бруевича.
Реализация результатов работы. Основные результаты диссертационной работы использованы в разработках ОАО «Гипросвязь СПб» и в учебном процессе СПбГУТ им. проф. М.А. Бонч-Бруевича, что подтверждается соответствующими актами внедрения.
Апробация работы и публикации. Результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на международных конференциях: JASS'2005 «IEEE Russia Northwest section» (St-Petersburg, 2005), New2an 2006 (St-Petersburg, 2006), New2an 2007 (St-Petersburg, 2006) а также на научно-технических конференциях и семинарах СПбГУТ им проф. М.А. Бонч-Бруевича.
Всего по теме диссертации опубликовано 10 печатных работ, которые включают в себя 9 статьей и одно учебное пособие. Из них 3 статьи были опубликованы в изданиях, рекомендуемых ВАК РФ.
Основные положения, выносимые на защиту:
Решение задачи справедливого распределения пропускной способности между потоками, переносящими трафик, характерный для мультисервисных сетей.
Разработка моделей оценки показателей QoS (потерь и задержек), для сетей Metro с учетом свойств самоподобия трафика.
Разработка нового механизма выбора маршрута в сетях Metro Ethernet, основанного на управлении трафиком.
4. Разработка метода выбора корня покрывающего дерева, позволяющего уменьшить задержки протокольных блоков мультикастовых приложени й.
Личный вклад автора. Основные результаты теоретических и прикладных исследований получены автором самостоятельно. В работах, опубликованных в соавторстве, соискателю принадлежит основная роль при постановке и решении задач и обобщении полученных результатов.
Структура работы. В первой главе диссертационной работы проведен обзор современного состояния мультисервисных транспортных сетей на базе концепции Metro Ethernet. Городская сеть класса Metro может быть реализована па базе различных технологий нижних уровней: SDH, ATM, MPLS, RPR, Ethernet. Стек протоколов для нижних уровней при развертывании сети, предоставляющей услуги Metro Ethernet. Наиболее эффективным методом с точки зрения капитальных вложений для вновь разворачиваемых городских сетей является построение сети на основе Ethernet-коммутаторов, соединенных оптическими линиями связи, поскольку сегодня решения на базе Ethernet являются наиболее дешевыми среди других технологий, представленных.
Для возможности использования Metro Ethernet в качестве транспортного слоя NGN сеть должна обладать атрибутами, характерными для операторских сетей:
гарантированные показатели QoS в транспортном домене для
различных типов трафика;
восстанавливаемость сети после отказа за определенное время;
управление услугами на уровне сетей операторского класса;
масштабируемость;
* поддержка цифровых каналов путем эмуляции.
В диссертационной работе рассматриваются две первые проблемы применительно к сетям Metro, использующим коммутаторы Ethernet, поскольку остальные вопросы можно считать практически решенными.
Обеспечение гарантированного качества обслуживания зависит от многих факторов, в том числе таких, как модель обслуживания, определяющая принципы распределения сетевых ресурсов. В сетях Metro Ethernet эта задача осложняется присутствием трафика, описываемого медленно затухающими законами распределения. Вопросы обеспечения гарантированного качества обслуживания в сетях Metro Ethernet рассматриваются во второй главе.
Технологические решения для сетей Metro Ethernet, обеспечивающие восстанавливаемость после отказов, связаны со схемами построения маршрутов на основе семейства протоколов STP: STP (Spanning Tree Protocol), RSTP (Rapid Spanning Tree Protocol), MSTP (Multiple Spanning Tree Protocol).
Семейство классических протоколов обладает рядом недостатков:
большое время сходимости;
« неэффективное использование ресурсов;
отсутствие поддержки параметров QoS.
Задачи улучшения классических протоколов построения маршрутов для сетей второго уровня решаются в третьей главе.
Вторая глава посвящена решению задачи количественной оценки справедливости распределения ресурсов в сетях Metro Ethernet и анализу моделей трафика с учетом свойств самоподобия в таких сетях.
На основе анализа предложенных количественных оценок справедливости ( М. Gerla [61], S. Lam [75, 76], J. Wong [41], R. Jain [35]) в диссертации для решения поставленных задач выбирается коэффициент справедливости, предложенный в работе R. Jain [35]. Далее в диссертационной работе описываются свойства коэффициента
справедливости и определяются его значения для основных распределений
случайных величин, используемых в сетях с коммутацией пакетов (Эрланга, Парето, Вейбулла и др.).
Одной из актуальных в сетях связи является задача распределения пропускной способности между пользователями и/или услугами. В соответствии с тем, что разные пользователи и услуги требуют разные пропускные способности, введен модифицированный коэффициент справедливости, учитывающий веса для каждого потока. При априорном знании пропускной способности, необходимой каждому потоку, задача справедливого распределения пропускных способностей является легко решаемой. В диссертации приведен ряд примеров, иллюстрирующих применение данной формулы модифицированного коэффициента справедливости для оценки распределения пропускных способностей между потоками в сетях Metro Ethernet.
Однако в мультисервисных транспортных сетях таких, как Metro Ethernet, требуемая пропускная способность, необходимая для конкретного потока, зависит от закона распределения этого потока и требований к параметрам QoS.
Задача распределения пропускных способностей осложняется наличием трафика, характеризуемого медленно затухающими законами распределения. Исследование свойств самоподобия случайных процессов в телекоммуникациях проводятся с конца 80-х годов прошлого столетия. В диссертационной работе О.А. Симониной [96] представлена классификация законов распределения для разных типов трафика в сетях с коммутацией пакетов. Было показано, что в транспортных сетях Ethernet трафик обладает свойствами самоподобия и описывается медленно затухающими распределениями, такими как закон Парето. Для описания процесса, обладающего свойствами самоподобия, вводится понятие ограниченного распределения. Ограниченное распределение позволяет, не меняя формы хвоста распределения, указать максимальное значение случайной величины.
В работах [21-22, 81-82] было рассмотрено ограниченное распределение Парето Р/Р/1 {1<а <2 ). На основе полученных основных параметров для закона распределения Парето рассчитан коэффициент справедливости для ограниченного распределения Парето. В данном случае коэффициент справедливости показывает, насколько агрегированный поток детерминирован, т.е. насколько предсказуем трафик. Показано, что для большей предсказуемости характеристик потока следует верхний предел случайной величины делать как можно ближе к нижней границе.
Полученные результаты применены для системы массового обслуживания (СМО) G/G/1 с учетом самоподобных процессов. Для расчетов были использованы результататы, полученные в [84]. Рассмотрено, как влияет коэффициент справедливости на потери и задержки. Аналитические результаты подтверждены результатами имитационного моделирования. На основании проведенного анализа моделей трафика в сетях Metro Ethernet с учетом свойств самоподобия показано, что для улучшения параметров QoS до требуемых нужно ограничивать длины кадров (длины пачек кадров) или снижать загрузку системы для конкретного потока.
Третья глава посвящена проблеме построения маршрутов в сетях Metro Ethernet. Вначале обсуждаются недостатки применения классических протоколов покрывающих деревьев в сетях Ethernet класса Metro, далее показана необходимость разработки новых механизмов маршрутизации на втором уровне модели OSI.
В данной главе разрабатывается метод выбора маршрутов, основанный
на управлении трафиком, позволяющий устранить недостатки протоколов
покрывающих деревьев, рассмотренных в главе 1. Предложенный метод
обеспечивает отказоустойчивость сети по критерию времени восстановления
после единичного отказа и решает задачу балансировки нагрузки. Для
построения активных деревьев метод использует уже существующий
протокол построения покрывающих деревьев, обеспечивая при этом
отказоустойчивость и балансировку нагрузки.
Предложенный в диссертации механизм включает в себя следующие этапы:
изучение топологии сети;
сбор статистки по нагрузке в сети;
обеспечение отказоустойчивости;
контроль трафика, состоящий из следующих подзадач:
о выбор маршрутов (путей),
о объединение путей,
о построение покрывающих деревьев. Показано, что предложенный метод выбора маршрутов в сети Metro Ethernet обеспечивает нормированное время сходимости сети (50 мс) за счет переключения на резервные пути. Также предложенный метод обеспечивает эффективный выбор различных конфигураций путей и позволяет обеспечить балансировку нагрузки на этапе выбора пути для VLAN, переносящих разные типы трафика.
Следующая задача, решаемая в данной главе, посвящена построению покрывающих деревьев для мультикастового трафика (приложения IP-телевидения (TPTV), видео по заказу (VoD) и др.). В диссертационной работе показано, что в случае мультикастового трафика корень мультикастового дерева должен совпадать с корнем активного дерева покрывающего дерева.
Эволюция сетей электросвязи в направлении построения NGN
В течение многих лет телефонные сети являлись основой систем электросвязи. Эти сети предназначались для передачи, главным образом, узкополосного речевого трафика (ТфОГТ, сети подвижной связи поколений 1G и 2G). В начале 90-х годов XX века трафик данных составлял порядка долей процентов от суммарного речевого трафика, но именно тогда трафик данных начал резко расти. Это явилось следствием развития сети Интернет, ее доступностью не только корпоративным, но и частным пользователям, что привело к росту объема таких услуг, как электронная почта, web-приложения и т.п.
Изменение структуры трафика оказало существенное влияние на структуру сетей. Взрывной характер роста трафика данных вызвал изменение требований к пропускной способности и производительности как сетей доступа, так и транспортных сетей. Сети передачи данных определили переход от коммутации каналов к коммутации пакетов. Развитие сетей IP привело к распространенности открытых интерфейсов, приведших к явлению «смерти расстояний».
Перечисленные процессы привели к идее создания единой сети общего пользования, поддерживающей передачу различных видов трафика, построенной на базе универсальной технологии, обеспечивающей оговоренное в рамках конкретной услуги качество обслуживания. Такая сеть получила название сети следующего поколения (Next Generation Network, NGN).
На данном этапе развития телекоммуникаций эволюция современных сетей к NGN разделяется на две задачи (рис. 1.1): - эволюция телефонных сетей к NGN: задача перехода от речи, передаваемой по сети с КК (коммутацией каналов), к речи в форме пакетов; - эволюция сетей передачи данных к NGN: проблема совместимости технологий и стандартов (обеспечение передачи трафика различных приложений в единой транспортной сети). В рамках развития NGN как единой сети общего пользования решаются задачи двух типов [86, 88]; - Краткосрочные: стирание существующей разницы в транспортировке речи и данных, предоставление новых возможностей в области развития услуг, сравнительная простота реализации и с меньшими затратами относительно существующих сетей. - Долгосрочные: построение простой и эффективной единой сети, удешевление сетевых компонентов, активное развитие новых видов услуг. В связи с этим в 2001 г. были разработаны «Концептуальные положения по построению мультисервисных сетей на ВСС России» [86], в которых представлены базовые положения концепции NGN и определены практические вопросы построения единой мультисервиснои сети на взаимоувязанной сети связи России. В «Концептуальных положениях» приведены функциональная модель NGN, архитектура единой мультисервиснои сети общего пользования (рис. 1.2), рассмотрены вопросы организации доступа и управления.
Работы по созданию следующего поколения в РФ опираются на рекомендации, по NGN разработанные Международным союзом электросвязи (ITU). В рекомендации ITU Y.200I [54] в 2004 году дается определение NGN:
«Сеть следующих поколений (NGN) - это сеть с пакетной коммутацией, пригодная для предоставления услуг электросвязи и для использования нескольких широкополосных технологий транспортировки с включенной функцией QoS, в которой связанные с обслуживанием функции не зависят от примененных технологий, обеспечивающих транспортировку. Она обеспечивает свободный доступ пользователей к сетям и конкурирующим поставщикам услуг и/или выбираемым ими услугами. Она поддерживает универсальную подвижность, которая обеспечивает постоянное и повсеместное предоставление услуг пользователям» [54].
Судя по наметившимся тенденциям развития услуг предполагается, что единая сеть должна использовать передачу информации в пакетной форме. На сегодняшний день данные - наиболее быстро растущий сегмент рынка благодаря успеху Интернет, растущему использованию электронной почты, росту трафика данных в бизнес-приложениях [87].
В связи с этим одним из важных вопросов при построении сетей следующего поколения стал вопрос выбора технологии. Согласно Концепции NGN в качестве технологической основы построения транспортного уровня мультисервисных сетей следующего поколения рассматривается технология IP. Использование технологии IP позволит реализовать ряд задач, стоящих перед мультисервисными пакетными сетями: - разработка шлюзов для взаимодействия различных сетей с сетью с коммутацией пакетов; - разработка протоколов управления шлюзами; - разработка новых протоколов сигнализации; - разработка протоколов взаимодействия между различными уровнями сети; - поддержка различных услуг и приложений для каждого вида трафика.
Обобщенная функциональная модель
Одной из основных характеристик NGN является отделение услуг от транспорта, что позволяет предлагать их отдельно и развивать независимо. Поэтому в архитеїсгуре NGN должно быть четкое разделение между функциями обслуживания и функциями транспортировки. Концепция NGN позволяет предоставлять как существующие, так и новые услуги вне зависимости от используемой сети и типа доступа.
В базовой функциональной модели NGN выделяют два слоя: транспортный и сервисный.
Транспортный слой включает в себя сетезависимые уровни OSI. Он обеспечивает перенос информации между двумя географически разделёнными точками. В частности, транспортный слой обеспечивает обмен информацией между следующими объектами: пользователь - пользователь; пользователь - сервисная платформа; сервисная платформа - сервисная платформа. В транспортном слое могут применяться все типы сетевых технологий, а именно: ориентированная на соединение коммутация каналов (connection-oriented circuit-switched - CO-CS); ориентированная на соединение коммутация пакетов connection-oriented packet-switched - CO-PS), не ориентированная на соединение коммутация пакетов (connectionless packet-switched - CL-PS).
Сервисный слой может включать в себя сложный набор географически распределённых сервисных платформ или в простейшем случае набор функций, реализованный двумя конечными пользователями. Для предоставления полного набора услуг в сервисный слой включаются прикладные функции. Примерами служб, реализуемых на данном уровне, могут быть передача речи, данных, видео или любая их комбинация. На рис. 1.3 показан принцип разделения модели NGN на два слоя. з службы (ram видеоконференции и т.п.) Обобщённая функциональная модель NGN Для построения сети, удовлетворяющей концепции Gil (Global Information Infrastructure), в функциональной модели NGN ITU выделяет три категории объектов: функции, сервисы, ресурсы.
Сервисы реализуются различными функциями с помощью доступных ресурсов. Один и тот же сервис может реализовываться разным набором функций и наоборот, одна функция может использоваться для реализации различных сервисов. Их взаимосвязь показана на рис. 1,5
Технологии транспортного слоя NGN Для возможности использования конкретной технологии в качестве іранспортного слоя NGN сеть должна обладать атрибутами, характерными для операторских сетей J70J: гарантированные показатели QoS в транспортном домене для различных типов трафика; восстанавливаемость сети после отказа за определенное время; управление услугами на уровне сетей операторского класса; масштабируемость; по;ідержка цифровых каналов путем эмуляции. 3z Функции j : о--аи» нітіш: менеджмента сервисов Функции менеджмент транспорта Щ Функцииконтрой Ж Функциональная зона передачи {transfer JUncitonaj area)
Обобщённая функциональная модель NGN
Одной из перспективных транспортных технологий в настоящий момент является технология Metro Ethernet. Основными преимуществами данной технологии, являются;
Эффективность затрат. При построении новой сети на базе Metro Ethernet стоимость оборудование ядра сети ниже, чем в других технологиях. Если используется существующее оборудование нижних уровней (SDH, ATM), необходим минимум инвестиций для адаптации этого оборудования под технологию Metro Ethernet.
Возможность предоставления соединения и полосы пропускания по требованию. Классические технологии коммутации пакетов не обладают такой возможностью (Frame Relay, ATM). Упрощение взаимодействия сетей. За счет стандартных интерфейсов (NNI, Network-Network Interface - интерфейс «сеть-сеть» и UNI, User-Network Interface - интерфейс «пользователь-сеть») взаимодействие между сетями и пользователями упрощается как с точки зрения капитальных вложений, так и с точки зрения операционных расходов. Большое кочичество уэ/се существующих пользователей. Большинство клиентов городских сетей имеет на своих площадках (Customer Premises) локальную или корпоративную сеть Ethernet, а при развитии концепции NGN и переходе на услуги «все поверх IP» таких пользователей станет абсолютное большинство.
В диссертационной работе мы будем рассматривать еще не решенные проблемы технологии Metro Ethernet. В число этих проблем входят как вопросы анализа (определение вероятностно-временных характеристик сетей) так и вопросы синтеза, в частности, разработка алгоритмов построения маршрутов в таких сетях. В этой главе мы кратко остановимся на эволюции сетей Metro Ethernet прошедших путь от локальной сети на одной шине до разветвленных структур, на базе которых строятся сегодня региональные сети общего пользования.
За свою 35-летнюю историю технология Ethernet претерпела глобальные изменения, превратившись из дешевой технологии ЛВС с разделяемой средой в технологию с необходимым для операторского класса набором атрибутов [1, 17-18, 80]. Сейчас Ethernet является перспективной технологией городских сетей, которая предлагает расширенное количество услуг по сравнению с традиционными технологиями [80]. Технология Ethernet в конце 90-х годов начала выходить за рамки локальных сетей. Высокие скорости и большие длины расстояний передачи (до десятков километров) позволили операторам использовать Ethernet сначала для передачи между зданиями (кампусные сети), а затем в городских и крупномасштабных сетях.
Понятие оценки справедливого распределения ресурсов
В начале 80-х годов прошлого столетия появилась идея использовать понятие справедливости распределения ресурсов. В распределенных системах, где существуют ресурсы, которые должны быть разделены между пользователями, справедливое распределение или равнодоступность ресурсов является важным понятием.
Ниже проведем анализ основных работ прошлых лет, посвященных задаче оценки справедливого распределения ресурсов. В этих работах справедливость либо оценивается качественно, либо количественные оценки справедливости предназначены для конкретных задач.
В работах [33, 34] дается следующее определение: «схема управления потоками справедлива, если пропускная способность для каждого пользователя, по крайней мере, настолько же велика, как и от всех остальных пользователей в данном канале».
В работе М. Gerla [26] справедливое распределение оценивается путем минимизации целевой функции, предложенной в работе R. Gallager [24]. К. Bharath-Kumar в работе [4] определил, что любой алгоритм, который распределяет нулевую полосу пропускания какому-либо пользователю -несправедлив, остальные распределения - справедливы.
Вышеперечисленные работы разделяют алгоритмы распределения ресурсов на две категории: справедливые и несправедливые. Однако в этих работах нет количественной оценки справедливости конкретного распределения. М. Marsan и М. Gerla [41] вводят количественную оценку: тшк/ \ (2-1) где //, и rjj - отношение производительности (Р) к средней двойной сквозной задержке для пользователя / иу, соответственно: 7/ - P/tR7T , .(2.2) где RTT (Round Trip Time) - задержка при двухсторонней передаче. Протокол доступа к каналу называется оптимально справедливым, если параметр равен единице. J. Sauve, J. Wong и J. Field [61] предложили измерять справедливость в терминах дисперсии сетевых задержек. В [75-76] определение справедливости было заменено квадратичным коэффициентом вариации задержек и взвешенной дисперсией задержек. Наиболее удачную меру справедливости предложил Р. Джейн (R. Jain) -коэффициент справедливости (Fairness Index) [35]: /= 4/2 (2-3) ? ;=1 где п - число пользователей, ах- случайная величина.
Коэффициент справедливости измеряет «равноправие» использования ресурсов х пользователями. Если всем пользователям доступно равное количество ресурсов в соответствии с их весами, т.е. все х, равны, то коэффициент справедливого распределения равен 1, и система справедлива на 100%. Если существует неравенство в распределении, т.е. х, не равны между собой, то данный коэффициент уменьшается, а схема, которая справедлива для малого количества пользователей, имеет коэффициент справедливости близкий к 0.
При анализе вышеприведенных работ очевидно, что справедливость подразумевает под собой равное распределение ресурсов, но нет единого мнения, о выборе критерия справедливости.
Сравнение свойств оценок справедливого распределения Если система распределяет ресурсы между п пользователями, таким образом, что /-ый пользователь получает полосу xt, тогда можно записать оценки справедливого распределения, предлагаемые в литературе, следующим образом: 1 " 1) Дисперсия о1 У(х, -/щ)2, где математическое ожидание определяется как тх =— Jxl 1-і и 2) Квадратичный коэффициент вариации С2 = а /«, о\ ҐЛ minax.} \х, 3) Отношение минимума к максимуму ( , = min, — . тахД.г7} [xj ( " Ч2 г _ V /=1 4) Коэффициент справедливости J « і=і Для наглядности дальнейшего сравнения данных оценок рассмотрим пример расчета вышеприведенных величин. Пусть некий алгоритм распределяет между тремя пользователями полосу пропускания 9 Мбит/с таким образом - 1 Мбит/с. 3 Мбит/с и 5 Мбит/с. Тогда значения вышеприведенных величин будут равны: 4)/-0,77. Введем ряд правил, по которым будем проводить сравнение выражений, количественно измеряющих справедливость распределения.
1. Независимость от числа случайных величин (числа заявок, пользователей, потоков) Оценка должна быть применима к любому числу пользователей -конечному количеству или бесконечному. Все вышеперечисленные параметры обладают данным свойством.
2. Независимость от шкалы
Оценка должна быть независима от шкалы, т.е. единица измерения не должна иметь значения. Например, если описанный в примере алгоритм распределял бы пропускные способности в 100 Мбит/с, 300 Мбит/с и 500 Мбит/с между тремя пользователями, то дисперсия была бы равна 40000, что в 10000 превышает значение, полученное в примере, хотя алгоритм остался прежним. Таким образом, это требование исключает возможность использования дисперсии в качестве оценки справедливого распределения. Квадратичный коэффициент вариации, отношение минимума к максимуму и коэффициент справедливости не подвержены воздействию шкалы.
3. Нормированиостъ
Значение метрики должно находиться между 0 и I, таким образом, максимально справедливая система должна иметь количественную оценку справедливости - 1, а полностью несправедливая система - 0. Таким образом, справедливость можно выразить в процентном соотношении.
Свойства стандартных протоколов построения покрываютцих деревьев
Однако, при работе RSTP, порт может перейти в состояние продвижения значительно быстрее - он больше не зависит от конфигурации таймеров. Порты больше не должны ждать стабилизации топологии, чтобы перейти в режим продвижения. Для того, чтобы обеспечить быстрый переход в это состояние, протокол RSTP вводит две новые переменные: пограничный порт (edge port) и порт типа «точка-точка» (pointo-point, Р2Р).
Погранії чным (Edge) портом объявляется порт, непосредственно подключенный к сегменту, в котором не могут быть созданы петли.
Например, порт непосредственно подключен к рабочей станции. Порт, который определен как пограничный, мгновенно переходит в состояние продвижения, минуя состояния прослушивания и обучения. Пограничный порт теряет свой статус и становится обычным портом связующего дерева в том случае, если получит пакет BPDU.
Порт Р2Р, обычно используемый для подключения к другим узлам, также способен быстро перейти в состояние продвижения. При работе RSTP все порты, функционирующие в полнодуплексном режиме, рассматриваются как порты Р2Р, до тех пор, пока не будут переконфигурированы вручную.
Итак, за счет уменьшения числа состояния портов и использования «альтернативных» портов введение протокола RSTP существенно уменьшает время сходимости локальной сети, примерно до 1 секунды, или чуть больше, против десятков секунд, в STP.
Моделирование RSTP в сетях Metro. Определим, какое время сходимости будет иметь сеть масштаба Metro. Для этого применим разработанный ШЕЕ пакет эмуляции протокола RSTP [58].
Смоделируем время построения быстрого покрывающего дерева в сети NxN. Значения всех параметров протокола RSTP установлены по умолчанию. Рис. 3.8., построенный по результатам моделирования, показывает результат, указывающий на то, что требуемое время возрастает с возрастанием числа коммутаторов и для сети 11x11 занимает 8 секунд. Причина в том, что изменения части топологии сети приводит к полному изменению покрывающего дерева в RSTP.
Таким образом, можно сделать вывод, что в сетях Ethernet класса Metro протокол RSTP имеет значительное время сходимости - до нескольких секунд. Несмотря на то, что RSTP уменьшает время сходимости по сравнению с STP, в больших сетях оно все-таки достигает десятков секунд, что недопустимо при передаче трафика реального времени.
Вторым важным недостатком RSTP является отсутствие механизма балансировки нагрузки. Звенья, не принадлежащие покрывающему дереву, вообще не используются, несмотря на то, что они могут иметь высокую пропускную способность, тогда как звенья, принадлежащие дереву, имеют высокую загрузку. При этом, чем ближе звено к корню дерева, тем больше его загрузка. В локальных сетях данная проблема решается на основе иерархического принципа fatree (чем ближе звено к корню, тем выше его пропускная способность). В транспортных сетях класса Metro метод fatree не подходит.
Протокол MSTP (Multiple Spanning Tree Protocol) расширяет стандарт RSTP для возможности поддержки нескольких копий STP.
Это расширение обеспечивает как быструю сходимость сети, так и возможность баланса нагрузки в сети с настроенными VLAN. Протокол MSTP является дополнением в стандарте 802.lq [32].
Протокол MSTP совместим с протоколами 802.ID STP и RSTP, и позволяет настраивать несколько независимых деревьев STP в разных VLAN - администратор может іруппировать и назначать VLAN на отдельные покрывающие деревья. Каждое такое дерево может иметь свою независимую от других деревьев топологию.
Подобная новая архитектура обеспечивает несколько разных вариантов для передачи данных и позволяет организовать баланс нагрузки. Это свойство улучшает отказоустойчивость сети к возможным сбоям, т.к. сбой соединений в отдельном дереве (маршруте передачи данных) не отразится на других деревьях и, соответственно, возможных маршрутах.
Также благодаря MSTP облегчается задача администрирования и управления крупными сетями: можно использовать резервные маршруты передачи данных путем настройки нескольких VLAN и настройкой независимых "деревьев" на поучившихся сегментах сети.
Каждое активное дерево носит название MSTI (Multiple Spanning Tree Instance). Все VLAN распределяются между MSTI, но при этом одна VLAN может быть представлена только в одном MSTI. Возможен вариант распределения, при котором все виртуальные сети принадлежат одному MSTI - этот вариант называется общее связующее дерево - CST (Common Spanning Tree).
Алгоритм MST предусматривает возможность организации нескольких регионов. Внутри каждого из регионов возможно построение нескольких независимых MSTI для групп VLAN.
Для передачи управляющих сообщений протокола и обеспечения взаимодействия с устройствами, поддерживающими протоколы STP и RSTP, протокол MSTP использует общее связующее дерево (CST). Каждый коммутатор сети должен участвовать в построении активной топологии, соответствующей CST. Построенный таким образом и размещенный территориально внутри региона фрагмент общего дерева называется внутренним деревом Spanning Tree - 1ST (Internal Spanning Tree).
С точки зрения коммутаторов, не поддерживающих протокол MSTP, каждый регион может быть представлен виртуальным коммутатором, функционирующим в полном соответствии с требованиями классического протокола STP (RSTP).
Протокол MSTP является развитием RSTP. Основное принципиальное отличие от предыдущих версий протоколов покрывающих деревьев -возможность поддерживать несколько активных топологий покрывающих деревьев. В общем случае сеть делится на регионы. Регионы связываются общим покрывающим деревом. При этом внутри каждого региона возможно построение нескольких независимых активных реализаций покрывающих деревьев -MSTI. Каждый MSTI строится по протоколу RSTP. MSTI действует только внутри региона и не может взаимодействовать с другими регионами. Для коммутаторов, не поддерживающих MSTP, регион представляется в виде виртуального коммутатора, поддерживающего STP/RSTP.
Каждый MSTI может быть сопоставлен одному или нескольким VLAN для того, чтобы различный трафик передавать с различным качеством обслуживания и/или распределять трафик or разных абонентов по различным деревьям, тем самым, достигая (географической) балансировки нагрузки и увеличения производительности сети.
Проиллюстрируем работу MSTP на простом примере. Пусть сеть состоит из 3 коммутаторов, соединенных между собой. В сети настроены 2 VLAN с идентификаторами 10 и 20. На коммутаторе 1 VLAN 10 и 20 настроены на разных портах таким образом, что трафик для обоих VLAN 10 и 20 передается по разным соединениям. На первый взгляд, такая конфигурация достаточно обычна и хорошо подходит для балансировки нагрузки при передаче трафика двух различных VLAN. Однако в сети настроен протокол STP.
