CC BY
12
УДК 681.3
ИГНАТЕНКО Е.Г., к.т.н. (ДонНТУ)
Алгоритм агрегации блоков в оптических сетях с пачечной коммутацией
Актуальность
Возрастающий процесс внедрения новых инфокоммуникационных услуг обуславливает тенденцию увеличения требований к пропускной способности телекоммуникационных сетей. Значительное увеличение пропускной способности сети возможно путем использования полностью оптических технологий обработки информационного сигнала. В связи с этим все большую популярность приобретает концепция полнооптических сетей (AON).
Наиболее перспективной концепцией полнооптической сети многими исследователями признается сеть оптической коммутации блоков (OBS), которая может служить примером сети с коммутацией каналов следующего поколения (NGN) [1,2].
Постановка цели и задач исследования
Настоящая работа посвящена разработке эффективного алгоритма агрегации блоков в оптических сетях, учитывающего изменения в поведении информационного потока в современных телекоммуникационных сетях. Под эффективностью работы алгоритма подразумевается снижение задержки передачи, вероятности потери пакетов в OBS сетях. Предложенный алгоритм в своей работе основывается на параметр пачечности входного потока, что позволяет динамически регулировать время агрегации.
Для достижения поставленной цели
необходимо решить следующие задачи:
- проанализировать существующие методы агрегации блоков в оптических сетях;
- разработать алгоритм агрегации блоков, учитывающий флуктуации во входящем потоке;
- исследовать эффективность предложенного алгоритма.
Основная коммутационная единица в OBS сети - это блок (пачка) - последовательность пакетов, коммутируемых в промежуточных узлах и совместно передающихся от входного узла к выходному. Блок занимает промежуточное (по размеру, длительности) место между такими фундаментальными объектами других видов коммутации, как вызов (сеанс) и пакет.
Каждый блок информации предваряется собственным управляющим сообщением, которое передается по сети непосредственно перед передачей блока с целью резервирования пути. В тож время сам блок информации передается через временное смещении оптическом виде-безпреобразований. Применение концепции коммутации блоков информации позволяет избежать оптоэлектрического преобразования на узлах и необходимости наличия оптического буфера.
Агрегирование блока - процедура, при которой входящие пакеты от различных источников объединяются в блок на пограничном узле OBS сети. Архитектура узласетисоптической коммутацией бло-ковприведена на рисунке 1:
Класс 1
Входной
Агрегированные блоки
Блок коммутации
Рис. 1 . Архитектура узла сети с оптической коммутацией блоков
Преобразование пакетов в оптические блоки осуществляется в пограничных узлах сети OBS в соответствии с определенным алгоритмом агрегирования. В настоящее время известны следующие алгоритмы:
1) с ограниченным временем агрегации [3];
2) с ограниченным размером блока;
3) комбинированный;
4) комбинированный с учетом прогноза [4].
При использовании алгоритма агрегации с ограниченным временем пакеты заполняют блок, который формируется в буфере до тех пор, пока не истечет определенное время таймера ( Tburst). Затем блок отсылается. Второй алгоритм, с ограниченным размером блока (Lburst),
предполагает заполнение блока пакетами до тех пор, пока не заполнится буфер. При комбинированном алгоритме формирование блока происходит в момент достижения значения Tbull^st либо Lburst. Четвертый алгоритм основывается на прогностических оценках интенсивности трафика ( Rpred). При этом каждому значению
интенсивности трафика [ R R2, . ., R] соответствует размер блока [ L1, L2,..., Ln]. Тогда в зависимости от того в какой ин-
тервал (Яп_1, Яп) попадает прогностическая оценка Я ^ выбирают размер блока ^.
Основными недостатками вышеприведенных алгоритмов являются:
5) дополнительная задержка, вносимая при формировании блока;
6) независимость от изменяющихся характеристик трафика;
7) ограниченное число возможных вариантов размера блока; нет точного описания размера выборки (прогностический метод).
Для устранения недостатков разработан алгоритм агрегации блоков на основе пачечностивходящего потока. Па-чечность описывается двумя параметра-ми:а - отношение пиковой интенсивности процесса поступления пакетов к его среднему значению в наблюдаемом интервале (й);Ъ - доля времени, в течении которого мгновенная интенсивность поступления пакетов превышает среднюю интенсивность (значение параметра пачечности Ъ заключено в интервале (0; 1 ]) [5]. Алгоритм агрегации основан на параметре Ъ, который определяется следующим методом [6]:
• подсчитывается количество пакетов - N попавших в интервал длиною ^на к-м шаге;
• интенсивность поступления паке-
тов Я в интервал ё определяется как
• интервал ё разбивается на п рав-
, ё
ных подинтервалов, длиною п — —;
п
• определяется агг (П) - количество пакетов, попавших в интервал П ;
• находится Я - скорость поступления пакетов за интервал длиною П,
ЭГГф),
1 =
h
• вычисляется агг* - общее количество пакетов в интервалах, удовлетворяющих условию Я > Я;
• определяется g - количество интервалов, удовлетворяющих условию
Яп > Я;
• рассчитывается парам етрпачечностий:
b = g ■ n
1 +
l(k) -1(k -1) 1( k -1) ,
(1)
Следует отметить, что при вычислении параметра пачечностий по формуле (1), значение параметра может превышать 1. Для корректной работы алгоритма необходимо ограничить значение пачечно-сти в переделах (0;1]. При Я(к -1) - 0 параметр пачечностийпринимает свое максимальное значение Ь — 1.
Между величиной пачечности и временем формирования блока существует некоторая функциональная связь:
T(k +1) = b(k-l) ■ T(k) b(k) v J'
(2)
т.е. время агрегации на следующем шагеТ(к+1) зависит
отвремени Т(к), вел ичиныпачечно стиЬ (к)иЬ (к-1)впредыдущих интервалах. Это означает, чтовремя агрегации уменьшается при увеличении интенсивности входящего потока, т.е. Ь(к)>Ь(к-1) и наоборот -увеличивается, в случае Ь(к)<Ь(к-1). Таким образом, время агрегации будет изменяться на каждом шаге в зависимости от степени флуктуаций во входящем по-токе.Это позволит повысить эффективность функционирования OBS сети, а именно уменьшить задержку и вероятность потери пакетов.
На основе параметрапачечности разработан алгоритм агрегации блоков, который включает следующие шаги:
Шаг 1: присвоить минимальное и максимальное значение таймера - Tmin и
Tmax .
Шаг 2: рассчитать время агрегации T(k +1) согласно формуле (2).
Если T(k +1) < Tmin ,тогда присвоить времени агрегации минимальное значение T(k +1) = Lmln. Принимать новые прибывающие пакеты до тех пор, пока не истечет время Tmin.
Шаг 3: Сгенерировать блок и отправить его в выходной порт.
Если T(k +1) > Tmax, тогда присвоить
времени агрегации максимальное значение T(k +1) = Tmax . Принимать новые прибывающие пакеты до тех пор, пока не истечет время Tmax. Перейти к шагу 3.
Иначе принимать новые прибывающие пакеты до тех пор, пока не истечет время T(k +1). Перейти к шагу 3.
Сбросить счетчик. В пакете NetworkSimulation проведено имитационное моделирование сети, в которой источники формируют трафик, описываемый распределением Парето. Топология сети для моделирования приведена на рисунке 2:
Сеть назначения
Пограничный
узел
Рис. 2 . Топология моделируемой сети По результатам моделирования получены оценки задержек и вероятностей потерь
(рис. 3-4):
Рис. 3. Зависимость задержки сети для различных алгоритмов агрегации блоков (1 - с ограниченным временем агрегации; 2 - с ограниченным размером блока; 3 - комбинированный; 4 -комбинированный с учетом прогноза; 5 - разработанный).
Рис. 4 .Зависимость вероятности потерь в сети для различных алгоритмов агрегации блоков (1 - с ограниченным временемагрегации; 2 - с ограниченным размером блока; 3 - комбинированный; 4 -комбинированный с учетом прогноза; 5 - разработанный).
Из полученных графиков видно, что использование разработанного алгоритма позволяет снизить задержку сети, вероятность потерь пакетов по сравнению с существующими решениями. На основании анализа результатов моделирования можно сделать вывод о том, что применение предложенного алгоритма может повысить эффективность функционирования оптических сетей с агрегацией блоков.
Выводы
В данной статье предложен алгоритм формирования блоков в оптических сетях с учетом пачечного характера трафика. Проведено моделирование фрагмента сети с учетом свойств самоподобия трафика на базе пакета ns2. Результаты моделирования подтверждают эффективность предложенного алгоритма. Показано, что применение разработанного алгоритма позволяет снизить задержку передачи, вероятность потери пакетов по сравнению с использованием существующих алгоритмов.
Список литературы
1. A.Garg. Analysis of burst/packet assembly techniques in high-speed optical switching network/ A. K Garg// OptikInternational Journal for Light and Electron Optics. - 2011. - Vol. 122. - Р. 616-619.
2. Y. Chen. Optimal burst scheduling in optical burst switched networks/Y. Chen, J.S. Turner, Pu-Fan Mo// Journal of light wave technology. - 2007. - Vol. 25, No. 8. -P.1883-1894.
3. B. Kantarci. Performance of OBS techniques under self-similar traffic based on various burst assembly techniques / B. Kan-tarci, S. F. Oktug, T. Atmaca // Computer Communications. - 2007. — P. 315-325.
4. M.Mangwala. Efficient burst assembly algorithm with traffic prediction / M. Mangwala, B. Sigweni, M. Nleya //Southern Africa Telecommunication Networks and Applications Conference (SATNAC), 2011.
5. D. A. Menasce. Capacity Planning for Web Performance: metrics, models, and methods/ D. A. Menasce, V. A. F. Almeida // Prentice Hall, Upper Saddle River, 2002.
6. Игнатенко Е.Г. Адаптивный алгоритм мониторинга загруженности серверов web-кластера в системе балансировки нагрузки/ Е.Г. Игнатенко, В.И. Бессараб, И.В.
Дегтяренко//НауковшращДонецькогонащ ональноготехшчногоушверситету. Серiя «Обчислювальнатехшкатаавтоматизащя». Вип. 21 (183). - Донецьк: ДонНТУ, 2011. - 193с. - С. 95-102.
Аннотации:
В статье предложен алгоритм агрегации блоков для сетей с оптической коммутацией блоков. Основной целью алгоритма является уменьшение времени задержки формирования блока. Разработанный алгоритм использует в своей работе параметр пачечности для динамической регулировки размера блока.
Ключевые слова : оптическая коммутация блоков, алгоритм агрегации блоков, пачечность.
У статп запропоновано алгоритм агрегацп блоков для мереж з оптичною комутащею блоков. Основною метою алгоритму е зменшення часу затримки формування блоку. Запропонований алгоритм використовуе в свош робот параметр па-чечносл для динамiчного регулювання розмiру блоку.
Ключовi слова:оптична комутащя блоков, алгоритм агрегаци блоков, пачечшсть.
In this paper burst assembly algorithm proposed. The main goal is to reduce burst assembly delay. Proposed burst assembly algorithm use burst parameter to dynamically control the burst length.
Keywords - Optical Burst Switching, Burst assembly algorithm, Burstiness.
