Оптимальное объединение потоков трафика сети IP/MPLS в дискретные транзитные потоки, передаваемые в сети DWDM Текст научной статьи по специальности «Компьютерные и информационные науки»

Оптимальное объединение потоков трафика сети IP/MPLS в дискретные транзитные потоки, передаваемые в сети DWDM

Ключевые слова: туннели, дополнительные ребра графа, перемаршрутизация, транзитные потоки, граф сети.

Решается задача оптимального создания туннелей в сети DWDM на базе потоков сети IP/MPLS или задача группирования (grouping), которая формулируется как целочисленная задача линейного программирования. При этом в граф, описывающий существующую сеть IP/MPS или ее фрагмент, вводятся дополнительные дуги, которые соответствуют дугам сети DWDM. Выбор дополнительных дуг при маршрутизации соответствует переводу трафика ив сети IP/MPS в сеть DWDM.

Морозов СА, аспирант МТУСИ Сергеева Т.П., к.т.н, ФГУП ЦНИИС

Решаемая в данной статье задача группирования заключается в объединении всех проходящих по одной трассе потоков нижнего ранга в тракты верхнего ранга. В сети IP/MPLS, естественно, не существует выделенных трактов, а имеются, проходящие по известным маршрутам LSP, туннели или VPN, которые будем называть потоками. Поэтому под трактами нижнего ранга подразумеваются потоки, выраженные в единицах некоторой минимальной пропускной способности. Под трактами верхнего ранга понимаются тракты, входящие кадр G.709 оптического канала сети DWDM. В настоящее время оптические сети переходят на новое направление, называемое ASON (Automatic Switched Optical Network). Транспортная инфраструктура сети ASON строится с учетом текущего и перспективного трафика услуг реального и нереального времени [3]. Таким образом, в современных сетях основное значение принимает трафик IP. Управление сетью ASON производится с помощью протокола GMPLS, который управляет введением и выведением трактов из сети IP/MPLS в сеть DWDM.

В настоящее время сеть IP/MPLS испытывает непродуктивную загрузку транзитным трафиком, который с помощью предложенного метода может быть переведен из этой сети в сеть DWDM на так называемые тракты верхнего ранга.

Очевидно, что чем длиннее маршрут такого организованного тракта верхнего ранга, тем эффективнее выполнено объединение. Это объясняется тем, что при организации транзита в сетевых узлах сети IP/MPLS на каждом участке требуются затраты производительности маршрутизаторов, которые можно существенно уменьшить, если передача потоков производится на уровне трактов верхнего ранга в сети DWDM. Таким образом, критерием оптимальности при группировании будет минимум общего количества транзитных потоков в сети IP/MPLS на всех участках.

Формально-математически задача представляется следующим образом. Есть множество узлов V, множество заявок D и множество звеньев М, соединяющих узлы. Исходными данными являются граф исходной сети G(V,M). граф сети с добавленными ребрами G'(V,M ), граф заявок H(V,D и R - список разрешенных путей в графе G* [1,2]. Добавленные ребра описывают тракты верхего ранга, которые могут быть выбраны в задаче. У графов G, G*n Н общее множество узлов V. Множество ребер М* в графе G* состоит из неориентированных ребер графа G с добавлением некоторого подмножества //* ребер, описывающих организуемые сквозные потоки, т.е. множество М* = Например,

для организации потока между несмежными узлами s и t вводится дополнительное прямое ребро (s,t).

С каждым элементом множества заявок (иу) е О связываем с1т - заявку между узлами и и V, а также Я и V, VII - множество путей для этой заявки, которые проходят по ребрам сети, в том числе по добавленным ребрам. Пусть хи/ - доля заявки с1ш, проходящей по г-му тому пути (г е выраженная в числе тракта-

тов низшего ранга, а 1т - число трактов верхего ранга на т-м ребре. Для простоты полагаем, что стоимость прохождения тракта по каждому ребру равна единице. Очевидно, что при организации сквозного потока по одному дополнительному ребру графа в* стоимость будет меньше, чем при прохождении этого потока по нескольким ребрам графа в.

Поэтому цель состоит в том, чтобы минимизировать стоимость прохождения трактов по ребрам. Очевидно, что при организации сквозного потока по одному дополнительному ребру графа в* стоимость будет меньше, чем при прохождении этого потока по нескольким ребрам графа в.

Поэтому цель состоит в том, чтобы минимизировать стоимость прохождения трактов по ребрам, т.е. задача сводится к решению целочисленной задачи многопродуктового потока минимальной стоимости [4,5].

тт, (1)

теМ*

при условии, ЧТО

X - kZm = °> "»€//*

uveDreRuv vu

Z Z'm-C -kZm<0, meM,

uveD reR„.

'£x'm=d„, w, v є D,

(2)

(3)

tL =

if

else,

хгт > 0, Zm > 0 (integer)

Ограничение (2) на пропускную способность введенных дополнительных ребер осуществляет объединение потоков низшего ранга в тракты потока верхнего ранга с коэффициентом группирования к, который для тракта STM-1, например, равен 63.

Решение задачи может производиться с помощью стандартного пакета, например, LP SOLVE работающего в среде UNIX. Количество непрерывных переменных, практически, неограниченно. Количество целочисленных переменных в задаче, которая может быть решена с помощью этого пакета, не превышает двухтрех десятков. Однако при решении задачи на практике число вводимых дополнительных дуг часто ограничено еще меньшей величиной, так как можно использовать декомпозицию задачи, разбивая сеть на отдельные магистрали или фрагменты. Вводимые ребра могут интерактивно задаваться оператором в виде набора раз-

личных вариантов, из которых после решения задачи выбирается наилучший. Эти варианты могут составляться путем последовательного введения совокупностей всего из нескольких ребер, т.е. задача будет решаться только для нескольких целочисленных переменных.

Анализ полученных результатов расчета можно автоматизировать, в том числе с помощью графических интерфейсов. Однако, если для фрагмента сети задачу группирования можно решить с помощью описанного выше метода, то ее решение для сетей реальных размеров вынуждает использовать эвристический алгоритм. В эвристическом алгоритме, используется способ направленного перебора вариантов.

Опишем этот алгоритм.

Для образования тракта высшего ранга производится попытка для каждой существующей на сети трассы найти совпадающие с ней участки других трасс, на которых можно организовать совместный тракт высшего ранга.

Алгоритм состоит из 3-х этапов:

- Объединение 0-рода представляет собой организацию тракта высшего ранга для одной заявки (point to point).

- Объединение I рода осуществляет объединение всех заявок, которые начинаются или оканчиваются в одних и тех же узлах.

- Объединение II рода объединяет заявки, которые имеют промежуточную общую часть на трассах, т.е. на трассах заявок имеется две точки расформирования или разрыва.

Выбранная последовательность выполнения операций по объединению трактов несет в себе элементы оптимизации и уменьшения перебора.

Поясним работу алгоритма последовательно, начиная с самого начала его работы.

Первой выполняется операция по объединению Cl-рода, которое может быть выполнено, если заявка между конечными узлами имеет достаточную величину. Для организованных таким способом трактов эффективно резервирование SNCP 1+1.

На следующем этапе выполняется объединение I рода. При этом трассы всех заявок сортируются по длине в нисходящем порядке и образуют для каждой длины I трасс отдельные массивы V(l). Внутри этих массивов трассы сортируются в порядке убывания величины заявки. Обозначим максимальную длину трассы на сети Imax. Массив, содержащий трассы с длиной Imax является самым верхним в результате проведенной сортировки.

Для этого начиная с массива V(lmax-1), который в этом случае считается базисным, выполняется процедура последовательного сравнения очередной базисной трассы со всеми трассами в верхнем массиве V(lmax), который считается верхним по отношению к массиву V(lmax-1). При положительном результате со всей базисной трассой должен полностью совпадать участок трассы верхнего массива при совпадении одного из конечных узлов.

В этом случае величины заявок по этим трассам складываются и это объединенное значение суммарной величины приписывается базисной трассе. Если это объединенное значение находится в заданном диапазоне для выделения тракта, то формирование тракта считается выполненным. Оставшийся необъединенным участок трассы переносится в другой массив V(l), соответствующий ему по длине. После того, когда все трассы базисного массива V(lmax-1) просмотрены, должно производиться расформирование тех объединенных заявок, которые не смогли осуществить объединение в тракты длиной lmax-1 на уровне базового массива.

На следующем этапе производится переход к следующему по порядку нижнему массиву V(lmax-2), все трассы которого также последовательно назначаются базисными, т.е. они должны сравниваться со всеми трассами верхних массивов, которыми уже являются два массива V(lmax) и V(lmax-1 ).Эта процедура продолжается до просмотра всех массивов V(l). Объединение II рода отличается лишь тем, что не требуется совпадения конечных узлов, т.е. выделение тракта высшего ранга, соответствующего базисной трассе может производиться, начиная с любого узла верхней трассы.

Практическое решение задачи группирования эвристическим методом позволяет получить результаты, которые отличаются от точного метода не более, чем на 3-5%. Однако для получения таких результатов требуется специальная организация структур исходных данных, чтобы максимально сократить время перебора.

С помощью эвристического алгоритма могут решаться задачи с несколькими сотнями узлов, что соответствует размерности магистральных сетей IP/MPLS. Время решения задачи на современных персональных компьютерах составляет несколько секунд.

Блок-схема эвристического алгоритма приведена на рис. 1.

Рис. 1. Блок-схема эвристического алгоритма объединения трактов

1. Сергеева Т.П., Тетекин Н.Н., Design of Reliable Transport SDH Networks, Proc. of DRCN-2000 (Design of Reliable Communication Networks workshop), Munich, Germany, April 2000.

2. Minoux, Network synthesis and optimum network design problems: Models, solution, method and applications, Network

3. ITU-T Recommendation G.8080/Y.1304 (02/2012) Architecture for the automatically switched optical network.

4. Шварц М. Сети связи: Протоколы, моделирование и

5. Шварц М. Сети связи: Протокопы, моделирование и

Optimal Aggregation of IP/MPLS Network Flows into Discrete Cross Flows

of a DWDM Network

Morozov S.A, postgraduate student, Moscow Telecommunications and Informatics Technical University,

Sergueeva T.P., ph.d., Central Telecommunications Research Institute

Abstract

The paper considers a problem of optimal DWDM tunnels creating on a basis of IP/MPLS network flows or a grouping problem which is formulated as an integer linear programming task. Supplementary arcs mapping DWDM network arcs are inserted into the graph which models existing IP/MPLS network or a segment of the latter. Choice of the supplementary arcs for traffic routing corresponds to rerouting of IP/MPLS network traffic to the DWDM network.

Keywords: tunnels, graph supplementary arcs, rerouting, cross flows, network graph