Содержание к диссертации
ПЕРЕЧЕНЬ УСЛОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ 5
ВВЕДЕНИЕ 8
1. АНАЛИЗ СОВРЕМЕННОГО СОСТОЯНИЯ И ТЕНДЕНЦИЙ РАЗВИТИЯ
IP СЕТЕЙ 14
Общая оценка состояния IP сетей 14
Современные требования к IP сетям 15
Методы повышения эффективности функционирования сетей 17
1.3.1. Методы предоставления качественного обслуживания в IP сетях 18
Схемы интегрированных услуг 18
Схемы дифференцированного обслуживания 20
Сравнение схем обслуживания IntServ и DiffServ 23
1.3.2. Методы управления трафиком и балансирования сетевой нагрузки 24
Технология многопротокольной коммутации на основе меток 24
Методы балансирования сетевой нагрузки 26
Сравнение технологии MPLS и методов балансирования
нагрузки на основе протоколов маршрутизации 29
1.3.3. Методы повышения качества протоколов маршрутизации 29
1.4. Определение направления исследований 31
Основное направление исследований 32
Вспомогательные исследования 34
1.5. ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ 1 35
2. МЕТОДЫ И СРЕДСТВА РАСПРЕДЕЛЕННОГО УПРАВЛЕНИЯ
СЕТЕВЫМИ РЕСУРСАМИ 37
2.1. Метод динамического балансирования сетевой нагрузки 37
Основные процедуры и алгоритмы метода динамического балансирования нагрузки па основе локальной информации 39
Процедура локальной сигнализации 45
Расширение метода с целью учета QoS-требований 47
Совместное использование предложенного метода и процедуры локальной сигнализации 48
Выводы 49
2.2. Методы управления канальными метриками маршрутизации 50
Метод адаптивного изменения значения канальных метрик 51
Метод управления набором альтернативных маршрутов 52
Выводы 54
2.3. Метод распределенного управления ресурсами каналов связи 55
2.3.1. Определение эффективной пропускной способности канала связи
на базе локальной информации 57
Вычисление эффективной пропускной способности канала связи ... 61
Субоптимизация буферной задержки 64
2.3.2. Применение метода распределенного управления ресурсами
каналов связи 66
2.3.2.1. Применение метода для общесетевого планирования 67
2.3.3. Выводы 68
2.4. Выводы по главе 2 68
3. АНАЛИЗ МЕТОДОВ И СРЕДСТВ ПОВЫШЕНИЯ ЭФФЕКТИВНОСТИ
РАБОТЫ ПРОТОКОЛОВ МАРШРУТИЗАЦИИ 71
3.1. Варианты изменения протокола маршрутизации OSPF 71
Процедура Hello на базе дуплексного режима обмена пакетами 73
Быстрое признание капала связи вышедшим из строя 76
Быстрое восстановление записей в таблице состояния связей 80
Совместное использование разработанных изменений 83
3.2. Улучшение взаимодействия протокола маршрутизации с
протоколами и моделями сетевого уровня 85
Быстрое выявление изменения состояния канала связи средствами сетевого уровня 86
Приоритетное обслуживание важной сигнальной информации
в сетях с дифференцированным обслуживанием 90
3.3. Выводы по главе 3 94
4. ПРАКТИЧЕСКОЕ ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ПРЕДЛОЖЕННЫХ МЕТОДОВ
И СРЕДСТВ 95
4.1. Повышение производительности IP сетей за счет применения
МЕТОДА ДИНАМИЧЕСКОГО БАЛАНСИРОВАНИЯ НАГРУЗКИ 95
Описание сценария экспериментов 96
Анализ полученных результатов 98
Выводы 103
4.2. Планирование пропускной способности резервных каналов связи 104
Описание сценария экспериментов 105
Анализ полученных результатов 106
Выводы ПО
4.3. Приоритетное распространение сигнальной информации 111
Описание сценария экспериментов 112
Анализ полученных результатов 113
Выводы 117
4.4. Выводы поглаве4 118
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 120
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 122
ПРИЛОЖЕНИЯ 141
Планирование и проведение экспериментов 141
Разработанное и использованное программное обеспечение 144
Протокол маршрутизации OSPF 144
Метод балансирования сетевой нагрузки на основе локальной информации 146
Модули сбора и первичной обработки статистической информации.... 148
Еенератор псевдослучайных чисел 151
3. Модель глобально-оптимального распределения нагрузки 151
ПЕРЕЧЕНЬ УСЛОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИИ
3G сети третьего поколения мобильной связи
AF гарантированная передача данных (Assured Forwarding).
AIMD Additive-Increase and Multiplicative-Decrease
API Application Programming Interface
ATM Asynchronous Transfer Mode
BE схема обслуживания с наибольшим усилием (Best Effort)
BTS базовая станция (Base Transceiver Station)
CBR модель с постоянной скоростью передачи битов (Constant Bit Rate)
CBQ обслуживание на основе классов (Class-Based Queuing)
CRC16 16 битная циклически избыточная проверка (Cyclic Redundancy Check)
DB база данных (Database)
EF высокоприоритетная передача данных (Expedited Forwarding)
DiffServ схемы дифференцированного обслуживания (Differentiated Services)
DLLB метод динамического балансирования нагрузки на основе локальной
информации (Dynamic Localized Load Balancing)
DRTM схема обслуживания Dynamic Real Time - Modified
DSCP поле DiffServ в заголовке IP (Differentiated Service Code Point)
GOL глобально-оптимальное распределение (Global Optimal Load distribution)
HTTP Hypertext Transfer Protocol
ICMP Internet Control Message Protocol
IETF Internet Engineering Task Force
IGMP Internet Group Multicast Protocol
IntServ схемы интегрированных услуг (Integrated Services)
IP Internet Protocol
IS-IS Intermediate System to Intermediate System протокол маршрутизации
LB методы балансирования нагрузки (Load Balancing)
LS состояние связей (Link State)
LSA Link State Advertisement
LSP Label Switched Path
MATE MPLS Adaptive Traffic Engineering
MC особо важная информация (Mission Critical)
МІВ Management Information Base
MPLS технология многопротокольной коммутации на основе меток (Multi-
Protocol Label Switching)
МТ генератор псевдослучайных чисел Mersenne Twister
NAP точка доступа к главной сети (Network Access Point)
NRT Non Real Time
NS-2 UCB/LBNL/VINT Network Simulator 2.Ib9
OMP Optimized Multipath
OSPF Open Shortest Path First
OTCL объектно-ориентированная версия языка Tool Command Language
QoS качество обслуживания (Quality of Service)
PHB тип локального поведения (Per Hop Behaviour)
RAN есть с радиодоступом (Radio Access Network)
RED схема случайного раннего обнаружения (Random Earlier Detection)
RFC Request for Comments
RIP Routing Information Protocol
RNC Radio Network Controller
RSVP протокол резервирования ресурсов (Resource Reservation Protocol)
RT трафик реального времени (Real Time)
RTT время пересылки в прямом и обратном направлениях (Round Trip Time)
SAP точка доступа к подсети (Subnetwork Access Point)
SAR простая поочередная маршрутизация (Simple Alternate Routing)
SDH Synchronous Digital Hierarchy
SICS Шведский Институт Компьютерных Наук (Swedish Institute of Computer
Science)
SIMA Simple Integrated Media Access DiffServ model
SLA соглашение об уровне обслуживания (Service Level Agreement)
SME малое или среднее предприятие (Small or Medium sized Enterprise)
SNMP Simple Network Management Protocol
TCP Transmission Control Protocol
TOS тип услуг (Type of Service)
TEWG Traffic Engineering Work Group
UDP User Datagram Protocol
VBA Visual Basic for Applications
WFQ взвешенное справедливое обслуживание (Weighted Fair Queuing)
Введение к работе
Актуальность проблемы. Компьютерные сети, построенные на базе Internet Protocol (IP), находят все более широкое применение в различных областях деятельности. Мировой оборот телекоммуникационной отрасли в 2001 году составил 1.4 триллиона долларов США [1]. Наиболее динамично развивающимися странами в области телекоммуникаций являются Россия и Китай. Рост размеров, усложнение структуры, увеличение количества используемых приложений, а также кризис, наблюдаемый в странах западной Европы и США с 2001 года, заставляют пересматривать подходы к управлению сетевыми ресурсами с целью повышения производительности сетей. Поддержка необходимого качества обслуживания за счет установки новых каналов связи и более современного сетевого оборудования требует значительных начальных материальных вложений и приводит к увеличению операционных расходов. С учетом скорости увеличения размеров сетей, стратегия роста «вширь» становится все менее приемлемой. Ключевой задачей становится обеспечение предсказуемого качества обслуживания пользователей в сетях большого размера с высокой нагрузкой.
Как показали результаты исследований [17, 19], протоколы и модели, применяемые в настоящее время, не обеспечивают требуемого качества обслуживания в сетях большого размера с высокой нагрузкой. Одной из главных причин этого являются ограничения, накладываемые протоколами и моделями сетевого уровня.
Разработке методов и средств повышения производительности IP сетей, посвящено много научно-исследовательских работ, большая часть которых была опубликована в течение последних двух лет. Большинство решений построены на использовании методов глобальной оптимизации и моделей централизованного управления. Предлагаемые методы позволяют значительно повысить производительность сетей, однако им свойственны следующие недостатки:
низкая скорость реакции на изменения в сети;
ограничение размеров и внутренней сложности сети;
высокие операционные расходы.
Существует потребность в методах и средствах, преодолевающих недостатки, указанные выше, и обеспечивающих увеличение производительности IP сетей до уровня, соизмеримого с существующими решениями. Удовлетворение данной потребности является предметом рассмотрения работы. Научные и практические результаты, полученные в диссертационной работе, были использованы в научных и научно-методических разработках в проекте - «Интегрированная система подготовки кадров и фундаментальных научных исследований в области информатики» (регистрационный номер 142), раздел - «Технологии и средства разработки сетевых приложений», Федеральной целевой программы «Интеграция», что также подтверждает актуальность работы.
Цель и задачи работы. Целью работы является повышение производительности IP сетей, за счет эффективного использования имеющихся ресурсов и новых технических возможностей. В рамках данной цели были определены следующие задачи:
Исследование путей повышения производительности IP сетей в современных условиях. Анализ факторов, влияющих на эффективность использования сетевых ресурсов.
Исследование возможности создания методов и средств эффективного управления сетевыми ресурсами на основе локальной информации, доступной на уровне сетевых маршрутизаторов.
Разработка комплекса методов и средств управления использованием сетевых ресурсов, обеспечивающих адаптируемость сети к происходящим изменениям, и предоставляющих качественное обслуживание пользовательскому трафику во время переходных процессов.
Оценка зависимости производительности IP сетей от характеристик протоколов сетевого уровня и, в частности, протокола маршрутизации. Разработка и оценка эффективности вариантов изменения протоколов маршрутизации для IP сетей, функционирующих в условиях высокой нагрузки. Разработка моделей прямого взаимодействия протокола маршрутизации с протоколами и схемами сетевого уровня.
Методы исследований. При проведении исследований в диссертационной работе были использованы подходы и методы теории графов, теории управления,
теории вероятностей и математической статистики, методы оптимизации и исследования операций, теории массового обслуживания, теории множеств, комбинаторного анализа и математической логики. Оценка характеристик разработанных решений осуществлялась с применением методов компьютерного моделирования.
Основные научные результаты.
Метод управления потоками данных в IP сетях основанный на распределенном динамическом балансировании сетевой нагрузки для заданного набора альтернативных маршрутов.
Методы управления канальными метриками маршрутизации, повышающие эффективность использования сетевых ресурсов за счет изменения набора альтернативных маршрутов.
Метод распределенного управления ресурсами каналов связи, основанный на статистическом анализе ресурсных потребностей пользователей в зависимости от текущей нагрузки в сегменте сети.
Варианты уменьшения объема сигнальной информации и сокращения продолжительности переходных процессов в сети в рамках возможностей протокола маршрутизации Open Shortest Path First (OSPF).
Методы сокращения продолжительности переходных процессов и уменьшения нагрузки на маршрутизаторы и каналы связи сети, основанные на прямом взаимодействии протокола маршрутизации с протоколами и схемами сетевого уровня.
Новизна полученных результатов.
Метод управления потоками данных основанный на распределенном динамическом балансировании сетевой нагрузки отличается от альтернативных подходов алгоритмом принятия решений, построенным на использовании локальной информации и хэш-таблиц, что позволяет осуществлять динамическое балансирование нагрузки в сетях большего размера, обеспечивая высокую скорость реакции сети на происходящие изменения и низкие операционные расходы.
Методы управления канальными метриками маршрутизации построены на алгоритмах, использующих локальную информацию, и могут использоваться в
сетях значительно большего размера, чем существующие методы централизованного управления метриками маршрутизации.
Метод распределенного управления ресурсами каналов связи построен на использовании современных технических возможностей маршрутизаторов и позволяет перейти от моделей статического выделения ресурсов к динамическому распределению сетевых ресурсов в соответствии с текущими потребностями пользователей.
Варианты уменьшения объема сигнальной информации и сокращения продолжительности переходных процессов в сети, разработаны в рамках возможностей, предоставляемых стандартным протоколом маршрутизации OSPF, и требуют незначительных затрат на реализацию в сети.
Методы сокращения продолжительности переходных процессов и уменьшения нагрузки на маршрутизаторы и каналы сети построены на использовании средств сетевого уровня и организации их прямого взаимодействия с протоколом маршрутизации, что позволяет отказаться от использования моделей межуровневого взаимодействия и резервирования ресурсов.
Научная значимость и практическая ценность работы.
В работе предложены и исследованы методы децентрализованного управления использованием сетевых ресурсов, позволяющие обеспечить качественное обслуживание пользовательских потоков данных в условиях асимметричного распределения нагрузки в сети. Использование распределенного управления ресурсами позволяет сократить задержку принятия решения, обеспечивает масштабируемость сети и может применять в сетях с высокой нагрузкой. В рамках предложенных методов предусмотрены возможности удовлетворения требований предъявляемых потоками данных к качеству обслуживания (QoS-требования), что позволяет использовать предложенные методы при построении IP сетей качественного обслуживания.
На базе предложенных методов и в рамках возможностей предоставляемых сетевым уровнем IP сетей, разработаны практически реализуемые алгоритмы и схемы обслуживания, позволяющие гибко управлять параметрами каналов связи и распределением потоков данных, и освобождающие сетевого оператора от рутинной работы по поддержанию эффективного функционирования сети.
Применение предложенных методов позволяет увеличить производительность сети в интервале от уровня, получаемого при стандартной маршрутизации, до уровня методов с централизованным управлением. Благодаря совместимости предложенных методов со стандартными протоколами и схемами IP сетей, переход на их использование может производиться постепенно, а стоимость их реализации и обслуживания значительно ниже, чем для методов централизованного управления ресурсами сети. Использование предложенных методов позволяет уменьшить дисбаланс нагрузки, сократить число перегруженных участков сети, уменьшить потери и время задержки пакетов в сети, и обеспечивает дополнительную защиту передачи данных.
Реализация результатов работы. Результаты диссертационной работы были использованы в процессе обучения студентов специальности 220200 -«Автоматизированные системы обработки информации и управления». Также, результаты диссертационной работы использовались ООО «АйТи-Груп» в проектах, направленных на разработку методов и средств, повышающих эффективность использования каналов связи и маршрутизаторов IP сетей. Предложенные в работе методы и средства были реализованы на платформе NS-2. Разработанный набор модификаций протоколов маршрутизации был реализован в рамках протокола OSPF. В настоящее время проводятся консультации о возможности реализации некоторых из предложенных методов в маршрутизаторах производимых компанией Nokia, в частности, метода приоритетного распространения сигнальной информации и метода динамического балансирования нагрузки па основе локальной информации.
Апробация работы. Основные результаты диссертации были представлены на Всероссийской научной конференции «Управление и информационные технологии - 2003» (апрель 2003), VIII Санкт-Петербургской Международной Конференции «Региональная Информатика - 2002» (ноябрь 2002), Международной конференции «Quality of Service over Next-Generation Internet» (август 2002), Международной конференции «Internet Performance and Control of Network Systems III» (июль 2002), 24" Международной конференции «Information Technology Interfaces» (июнь 2002).
Публикагцш. По теме диссертации опубликовано 12 печатных работ, из них 6 статей и тезисы к шести докладам на международных и всероссийских научно-технических конференциях.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех разделов, заключения, списка литературы, включающего 166 наименований, и трех приложений. Основная часть работы изложена на 121 странице машинописного текста и содержит 8 таблиц и 21 рисунок.
Первая глава посвящена анализу состояния современных IP сетей. В главе приводится описание наиболее известных и интересных с научной и практической точек зрения предложений по повышению производительности IP сетей. Производится определение задач на диссертационную работу, и обосновывается выбор подходов к их решению.
Вторая глава посвящена описанию методов и средств, предложенных для решения основной задачи диссертационной работы. Основными объединяющими идеями для предложенных методов и средств является передача части функций управления трафиком на уровень сетевых маршрутизаторов, и создание более «разумной» сети способной эффективно управлять имеющимися ресурсами.
В третьей главе предлагается описание методов и средств, предложенных для решения вспомогательных задач диссертационной работы. Предлагается набор изменений протоколов маршрутизации, а также новые модели взаимодействия протокола маршрутизации и протоколов и моделей сетевого уровня. Предложенные модели и изменения протоколов маршрутизации позволяют повысить производительность IP сетей и сократить расходы на обслуживание протоколов и моделей сетевого уровня.
В четвертой главе предлагаются примеры практического применения основных методов и средств, предложенных во второй и третьей главах.
В приложении дано описание основных подходов и методов, использованных при планировании и проведении экспериментов, приводится краткое описание программных модулей, разработанных и использованных в диссертационной работе. Также приводится описание модели идеального распределение нагрузки (GOL), применяемой при определении интервала потенциального увеличения значения показателей для моделей с распределенным управлением ресурсами.
