CC BY
40
АНАЛИЗ ПРОЦЕССА СОЗДАНИЯ СУПЕРКАНАЛА С НЕОБХОДИМОЙ ПРОПУСКНОЙ СПОСОБНОСТЬЮ В СЕТИ, ПОСТРОЕННОЙ ПО ТЕХНОЛОГИИ ТРАНСПОРТНЫХ ПРОГРАММНО-КОНФИГУРИРУЕМЫХ СЕТЕЙ (Т^^
Деарт Владимир Юрьевич,
МТУСИ, Москва, Россия, [email protected]
Фатхулин Тимур Джалилевич,
МТУСИ, Москва, Россия, [email protected]
DOI 10.24411/2072-8735-2018-10152
Ключевые слова: транспортные программно-конфигурируемые сети (T-SDN), технология, скорость передачи, алгоритм, суперканал, маршрут, длина волны.
Предметом исследования является технология транспортных программно-конфигурируемых сетей (Transport Software-Defined Networks - T-SDN). Цель статьи - на основе анализа процесса создания суперканала в сети, построенной по технологии T-SDN, разработать алгоритм формирования суперканала с гарантированной полосой пропускания для пользователя. Проводится верификация разработанного программного обеспечения и сравнение результатов с Рекомендацией МСЭ-Т. Методологическую основу статьи составляют методы теоретического анализа, описательный метод, метод обобщения, а также метод синтеза. Рассмотрены предпосылки для внедрения технологии T-SDN, предоставляющей сервис Bandwidth on Demand, такие как необходимость обеспечения гарантированной полосы пропускания между ЦОД (центрами обработки данных) на время решения общих задач для реализации облачных сервисов, организации маршрута в режиме реального времени, а также изменения параметров оптического уровня. Разработанный алгоритм позволит оценить возможность создания суперканала и определить его основные параметры применительно к любой топологии существующей или проектируемой сети. При получении от пользователя требования на гарантированную полосу пропускания программное обеспечение, реализующее разрабатываемый алгоритм, начинает анализировать текущую топологию сети и занятость длин волн в рабочем диапазоне на каждом участке между сетевыми элементами. Затем для запрашиваемой скорости передачи определяется необходимое количество оптических несущих, скорость каждой оптической несущей, а также количество блоков данных (ODU) и транспортных блоков (OTU), в которых размещается пользовательский трафик. Важно отметить, что алгоритм осуществляет оптимизацию при размещении. Количество блоков данных и транспортных блоков рассчитывается таким образом, что число оптических несущих минимизируется. Программа анализирует возможность создания суперканала на всех участках между сетевыми элементами, затем по итогам анализа производится размещение используемых оптических несущих в суперканале для выбранного пути. Рассмотрен пример создания суперканала с необходимой пропускной способностью в сети, построенной по технологии T-SDN для топологии сети домена, которая позволяет учитывать возможность перестроения маршрута. В заключении сделаны выводы о том, что разработанный алгоритм в полной мере позволяет реализовать создание суперканала с гарантированной полосой пропускания для пользователя.
Информация об авторах:
Деарт Владимир Юрьевич, доцент, доцент, к.т.н., Московский технический университет связи и информатики, кафедра сетей связи и систем коммутации, Москва, Россия
Фатхулин Тимур Джалилевич, ассистент, аспирант, Московский технический университет связи и информатики, кафедра сетей связи и систем коммутации, Москва, Россия
Для цитирования:
Деарт В.Ю., Фатхулин Т.Д. Анализ процесса создания суперканала с необходимой пропускной способностью в сети, построенной по технологии транспортных программно-конфигурируемых сетей (T-SDN) // T-Comm: Телекоммуникации и транспорт. 2018. Том 12. №10. С. 23-30.
For citation:
Deart V.Yu., Fatkhulin T.D. (2018). Analysis of the process of creating a superchannel with the necessary capacity in the network organized according to transport software-defined networks (T-SDN) technology. T-Comm, vol. 12, no.10, pр. 23-30. (in Russian)
Ввеление
Принципиально новый подход к построению транспортных сетей с использованием технологии SDN (Software Defined Networks) позволяет уже сейчас значительно расширить возможности ЦОД {петров обработки данных), что в свою очередь увеличивает функционал облачных сервисов. Также на практике часто возникает необходимость обеспечить необходимую гарантированную полосу пропускания между двумя ЦОД па время решения общих задач для реализации облачных сервисов. Организация маршрута должна выполняться в режиме реального времени и с обеспечением необходимой гарантированной пропускной способности, при этом может понадобиться изменить парамепры оптического уровня. Для решения подобных задач следует использовать транспортные программно-конфигурируемые сети (Transport Soft ware-Defined Networks - T-SDN) с полностью управляемым оптическим уровнем, предоставляющие сервис Bandwidth on Demand. При наличии в сети нескольких доменов используются доменные T-SDN контроллеры и общесетевой T-SDN контроллер [5, 8].
Таким образом, технология T-SDN является основой для построения современных и перспективных транспортных сетей. Д]я реализации сервиса Bandwidth oil Demand необходимо создать суперканал между сетевыми элементами (СЭ). В настоящей работе представлен разработанный лично авторами алгоритм, на основании которого формируется суперканал для предоставления необходимой пропускной способности пользователю. Подробно технология Super Channel рассмотрена в работе [3].
Алгоритм предоставления маршрута с гарантированной
полосой пропускания для пользователя
В представленной работе рассмотрен процесс создания суперканала с необходимой пропускной способностью в сети, построенной по технологии T-SDN. Разработанный алгоритм позволит оценить возможность создания суперканала и определить его основные параметры применительно к любой топологии существующей или проектируемой сети. Решаемая задача сводится к поиску пути на оптическом уровне (DWDM/OTN) и не учитывает перемаршрутизацию на уровне IP/MPLS. В общем случае на сети используются СЭ с транспондерами, поддерживающими функции, описанные в работах [4, 6], и скорости передачи, указанные в табл. I, таким образом, рассматриваются обобщенные показатели транспондеров.
Таблица 1
Скорость Формат Шаг сетки
передачи, Гон г/с модуляции частот, ГГц
1.25 NRZ 50, при создании
2.5 NRZ Super Channel
10 NRZ 37.5
40 DPSK, NRZ ADPSK, DP-QPSK
100 DP-QPSK
200 DP-16QAM, DP-8QAM 50
несколько вариантов передачи данных от одного ЦОД к другому, наиболее используемые:
1) использование специальных объединяющих плат (несколько 10G объединяются в канал е большой пропускной способностью, например, IOOG);
2) использование объединения потоков 10G на уровне OTN (OTU 4).
Рассмотрим пример физического взаимодействия между ЦОД с использованием оборудования компании Nokia (fAlcatel-Lucent), а именно платы 112SDXI1. Настоящая плата является высокопроизводительным Ethernet мукспон-дером, поддерживающим функцию связи между ЦОД. Она может мультиплексировать до 10 клиентских сигналов 10GE (10 Гбит/с) в кадр уровня OTU 4 для передачи в сеть через оптический интерфейс OTM-Ü.4v4 (рис. 1).
0TU
На практике при построении внутренней структуры ЦОД для серверов используются транспондеры 100, т.е. со стороны ЦОД клиентские порты будут ЮС. При этом существует
й 9
Рис. 1. 11ример физического взаимодействия между ЦОД (а) и принцип работы платы 112SDX11 (б)
Хотя этот транс по и дер в общем случае называется транспондером «1000», номинальная скорость передачи данных OTU 4 на линейном интерфейсе составляет 111,809 Гбит/с, с отклонением битовой скорости ± 20 ррт. Все клиентские интерфейсы могут обеспечивать транспортировку I0GE клиентских сигналов {рис. 2). 112SDX1 I поддерживает многоскоростные и многопротокольные клиентские интерфейсы, способные передавать 4/8/10/16G, 10 Gb LAN, 40 GbE или OTU2/2е/1 f клиентские сигналы. Обеспечивается передача до 11 независимых клиентских сигналов любой комбинации, которые могут быть мультиплексированы и отправлены в линию. Может использоваться настраиваемая линейная оптика во всей полосе передачи, способная поддерживать все 88 каналов (с сеткой частот 50 ГГц в С-диапазоне) а системе WDM 1830 PSS. Линейный сигнал на выходе из платы передается в формате DP-QPSK. Важно отметить, настоящая плата выполняет операции с малой задержкой, что позволяет обеспечивать необходимое качество предоставляемых сервисов. Для повышения помехозащищенности па линейных интерфейсах могут применяться различные модификации FEC.
Таким образом, при описании процесса создания суперканала с необходимой пропускной способностью следует рассматривать следующие скорости передачи: 10 Гбит/с, 40 Гбит/с, 100 Гбит/с и 200 Гбит/с. При создании суперкапала необходимо учитывать, передается только трафик STM-64 (9.96 Гбит/с) или может передаваться Ethernet трафик со скоростью 10GE {9.96 Гбит/с при использовании GFP-T/F, 11.049 Гбит/с (EFEC) или 11.096 Гбит/с (EFEC2) при использовании CBR10G), что влияет на выбор транспондера и блоков данных (ODU2 или ODU2e), в которых передается трафик [1, 2 и 7J. В частном случае, при использовании модели для сети, на которой имеются разнородные СЭ, при построении алгоритма следует учитывать дополннтель-
ные ограничения, такие как поддерживаемые используемыми СЭ скорости передачи, соответствующие форматы модуляции и сетки частот.
Client 4 Тв Рил OTU4 I PLL»
Frame Mapper Low Latency FEC
QTU Ш
100G - Cff
OPTICAL
MODULE
"Z3T
ADC I
OH FPGA
Рис. 2. Блок-схема платы 1 12SDXI i
В общем случае соединительные участки между СЭ обозначим через Lm,n, где ш и п - индексы для обозначения номеров исходного и конечного СЭ соответственно. В качестве входных данных будем использовать:
1) оптическую сеть, заданную матрицей узлов сетевых элементов с соответствующими связями (топология сети);
2) описание сетевых интерфейсов (тип транспондера и число используемых длин волн в рабочих диапазонах Х&, и поддерживаемые уровни мультиплексирования ODU (OTN));
3) требуемую скорость передачи, для предоставления которой создается Super Channel;
4) тип трафика и используемые транспондеры.
Используемые на участке Lin„ длины воли в рабочих диапазонах зададим одномерной матрицей вида:
MLmJ1 = (X,i, ... , ^kmax)> где Xfc - определяет, используется k-ая длина волны другими пользователями или нет (1 - используется. О — не используется). Для рабочих диапазонов С и L при использовании сетки частот 50 ГГц km ах = 192, При использовании других спектральных диапазонов значение km ах будет отличаться. Максимальное количество участков между сетевыми элементами обозначим как Lmas, Значения kmax и L„ras вычисляются программой, реализующей алгоритм предоставления гарантированной полосы пропускания. Сведения о связях сетевых элементоа различными участками Lm,„ будут содержаться в двумерной матрице путей R(i, j), где количеству строк будет соответствовать количество участков (i s= 1, ... , Ln»x) которые могут быть использованы, а количество столбцов будет равно kmax (j = I, ... , kmax). Матрица может изменять свою размерность в зависимости от топологии сети и используемых диапазонов. Матрица вводится в программу, реализующую алгоритм, при помощи текстового файла «input.txt».
К исходным данным также относятся запрашиваемая полоса пропускания - Speed, GFP - флаг, показывающий, используется GFP-T/F (значение 1) или CBR10G (значение 0) для размещения 10 GE трафика. Вводятся матрицы для за-
поминания текущих состояний: UL (i) - матрица подходящих путей Lm.B, FWL (i) - матрица, определяющая первую длину волны для создания суперканала на пути Lmjl, L200 (i, j), LI0( i, j), L40(i, j) и L10(i, j) — матрицы, определяющие каждую оптическую несущую со скоростями передачи 200, 100, 40 и 10 Гбит/с и соответственно используемые длины волн. Используется несколько счетчиков, таких как SupCli -требуемое количество оптических несущих; NL — количество незанятых несущих; кг - первая свободная длина волны для создания суперканала; count UL - счетчик подходящих участков; Sch200, SchlOO, Sch40, SchlO - счетчики оптических несущих соответствующих скоростей 200, 100, 40, 10 Гбит/с; ODU4, ODU3, ODU2, ODU2e - счетчики блоков данных соответствующих уровней OTN; OTU4, OTU3, OTU2, OTU2e - счетчики транспортных блоков соответствующих уровней OTN; k2ül1, kulü, к40 - счетчики первых свободных длин волн для оптических несущих со скоростями 200, 100 и 40 Гбит/с соответственно. Используются операторы целочисленного деления - [ ] и взятия остатка от деления mod( ).
Разработанная программа предоставления маршрута с гарантированной полосой пропускания для пользователя отличается высокой гибкостью и универсальностью. Изначально пользователь запрашивает необходимую скорость передачи и определяет способы размещения Ethernet трафика — GFP-T/F или CBR10G. Программа вычисляет необходимое количество оптических несущих, скорость каждой оптической несущей, а также количество блоков данных (ODU) и транспортных блоков (OTU), в которых размещается пользовательский трафик. Важно отметить, что алгоритм осуществляет оптимизацию при размещении. Количество блоков данных и транспортных блоков рассчитывается таким образом, что число оптических несущих минимизируется. Далее загружается текстовый файл «input.txt», вычисляются значения i и j, определяется размерность матрицы R(i, j). Программа анализирует возможность создания суперканала на всех участках между СЭ и при возможности предоставления запрашиваемой скорости указывает это, записав «1» в матрице UL(i) на месте подходящего пути. Аналогично в матрице FWL(i) для этого участка указывается значение первой длины волны для создания суперканала. Сведения о состоянии матриц выводятся на экран, а также записываются в текстовые файлы «UL.txt» и «FWL.txt» соответственно. Затем по итогам анализа топологии и записям матриц UL(i) и FWL(i) производится размещение используемых оптических несущих в суперканале (сначала 200Гбит/с, затем ЮОГбит/с, 40Гбит/с и ЮГбит/с) и запись «Ь> в матрицы L200(i, j), L100(i, j), L40(i, j) и Ll0(i, j) для выбранного пути. Запись осуществляется только в матрицы используемых оптических несущих. В файлы «L200.txt», «L100.txt», «L40.txt» и «Ll0.txt» производится запись значений соответствующих матриц. Стоит отметить, что при перезапуске программы матрицы UL(¡), FWL(¡), L200(i, j), L100(i, j), L40(i, j) и Ll0(i,j) перезаписываются заново, что значительно упрощает использование программы.
Гибкость программы заключается также в том, что задав только матрицу R(i, j) через входной файл, размерность этой, а также других матриц определяется автоматически, т.е. программа становится полностью универсальной для любой топологии.
7ТТ
Таблица 2
Скорость Количество Используем ые SupCh
(Speed), оптических несущих БлокиOTN
Гбнт/с Sell 20(1 Sch100 Sch 40 Sch 10 ODU4 ODU3 ODU2
10 0 0 0 1 0 0 1 1
40 0 0 1 0 0 1 0 1
100 0 1 0 0 1 0 0 1
400 2 0 0 0 4 0 0 2
500 2 1 0 0 5 0 0 3
800 4 0 0 0 8 0 0 4
1000 5 0 0 0 10 0 0 5
Таблица 3
Скорое 1 ь Количество Используемые блоки SupCh
(Speed), оптически! несущих OTN
Гбнт/с Sch20(( SchtUO Seh4(l Sch 10 ODU4 ODU3 ODL2e
10 0 0 0 1 0 0 1 1
40 0 1 0 0 1 0 4 1
100 0 1 0 0 1 0 10 1
400 2 0 0 0 4 0 40 2
500 2 1 0 0 5 0 50 3
800 4 0 0 0 8 0 80 4
1000 5 0 0 0 10 0 100 5
Таблица 4
1 -т. и UL(i) FWL(i)
100 Гонт/с, 400Гонт/с, 500Гбнт/с, 800Гбнт/с, ЮОГйит/с,
Sch100-1 Sch200=2 Sch200=2; Sch100=1 Seh200=4 Sch200=5
LH 1 3 21 34 100 180
L|.J I 1 IS 47 95 120
L|.4 1 5 15 45 90 140
k? 1 2 20 47 100 120
Ufi 1 5 21 34 95 180
ha I 7 20 45 100 150
1 9 11 34 107 170
ki 1 I 15 45 90 120
Ц? 1 7 21 34 100 180
L4,; 1 3 21 45 95 120
Выводы
С точки зрения полученных результатов можно сделать следующие выводы: во-первых, разработанное программное обеспечение в полной мере реализует алгоритм предоставления маршрута с гарантированной полосой пропускания
для пользователя, что подтверждено результатами работы программы, представленными в таблицах № 2, 3 и 4, которые согласуются с Рекомендацией С.709/У.!331; во-вторых, при расположении оптических несущих в рабочих диапазонах выбирается первая свободная область, соответствующая необходимому количеству поднесущих; в-третьих, важно отметить, разработанный алгоритм позволяет минимизировать количество оптических несущих, что увеличивает вероятность предоставления сервиса; в-четвертых, программа отличается высоким быстродействием и гибкостью ввода входных данных; в-пятых, на основе полученных выходных файлов доменный Т-ЙЭМ контроллер задает трансйондерам какие оптические несущие использовать и как их располагать в рабочих диапазонах.
Литература
1. Деарт В.Ю Мулы «сервисные сети связи. Транспортные сети и сети доступа. М.: Брис-М, 2014. 189 с,
2. Деарт В.Ю. Мультисервисные сети связи. 11роток0ЛЫ и системы управления сеансами (Softswitch/IMS). М,: Брис-М, 2011.
198 с.
3. Деарт В.Ю,. Фатхулин Т.Д. Анализ современного состояния транспортных сетей с целью внедрения технологии программно-конфигурируемых сетей (SDN) // T-Comm: Телекоммуникации н транспорт. 2017. Том 11. №6. С. 4-9.
4. Деарт В.Ю., Фатхулин Т.Д. Анализ технических характеристик транспондеров, используемых в транспортных программно-конфигурируемых сетях {T-SDN). Тру дм международной научно-технической конференции «Телекоммуникационные и вычислительные системы — 2017». М.: Горячая линия — Телеком, 2017. С. 46-47.
5. Деарт В.Ю, Фатхулин Т.Д. Анализ транспортных программ но-конфигурируемых сетей (T-SDN) с управляемым оптическим уровнем с целью получения модели, позволяющей оценить возможность предоставления сервиса Bandwidth on Demand // T-Comm: Телекоммуникации и транспорт. 2018. Т. 12. №4. С.35-42.
6. Коган С. Перспективные транспортные METRO-решения для облачной сетевой инфраструктуры II Первая Миля, 2016, №8. С. 38-49.
7. Трещиков В Н.. Гуркин Н.В.. Новиков А.Г.. Наши) О.Е. Российское DWDM-оборудование с канальной скоростью 100 I 'бит/с // T-Comm: Телекоммуникации и транспорт, 2012, №4. С. 65-67,
8. Dear! V.. Fatkliulin Т. Analysis of [he Functioning of a MultiDomain Transport Software-Defined Network with Controlled Optical Layer. Proceeding of the 21-st Conference of FRUCT Association, Finland, 6-10 November 2017, pp. 79-87.
ANALYSIS OF THE PROCESS OF CREATING A SUPERCНANNEL WITH THE NECESSARY CAPACITY IN THE NETWORK ORGANIZED ACCORDING TO TRANSPORT SOFTWARE-DEFINED NETWORKS
(T-SDN) TECHNOLOGY
Vladimir Yu. Deart, Moscow Technical University of Communications and Informatics, Moscow, Russia, [email protected] Timur D. Fatkhulin, Moscow Technical University of Communications and Informatics, Moscow, Russia, [email protected]
Abstract
The subject of the study is the technology of Transport Software Defined Networks (T-SDN). The purpose of the article is to develop an algorithm for creating a superchannel with guaranteed bandwidth for the user based on the analysis of the process of creating a superchannel in a network constructed by T-SDN technology. Verification of the developed software and comparison of the results with the ITU-T Recommendation are carried out. The methodological basis of the article consists of methods of theoretical analysis, a descriptive method, a method of generalization, and a synthesis method. The article considers the possibilities for the introduction of T-SDN technology, providing the Bandwidth on Demand service, such as the need to provide guaranteed bandwidth between data centers (data centers) for the time of solving common tasks for realizing the cloud services; realization of the route in real time; changing the parameters of the optical level. The developed algorithm will allow estimating the possibility of creating a superchannel and determining its main parameters with respect to any topology of an existing or projected network. When receiving from the user a requirement for guaranteed bandwidth, the software that implements the algorithm being developed begins to analyze the current network topology and the employment of wavelengths in the operating range at each section between network elements. Then, the required number of optical carriers, the speed of each optical carrier, and the number of data units (ODU) and transport blocks (OTU) in which the user traffic is located are determined for the requested transmission rate. It is important to note that the algorithm performs optimization when placed. The number of data blocks and transport blocks is calculated in such a way that the number of optical carriers is minimized. The program analyzes the possibility of creating a superchannel in all areas between the network elements, then, based on the results of the analysis, the optical carriers in the superchannel are placed for the chosen path. An example of creating a superchannel with the required bandwidth in a network built using T-SDN technology for a domain network topology is considered, which allows to take into account the possibility of rebuilding the route. Finally, the conclusions are drawn that the developed algorithm fully allows to realize the creation of a superchannel with guaranteed bandwidth for the user.
Keywords: Transport Software Defined Networks (T-SDN), technology, transmission rate, algorithm, superchannel, route, wavelength. References
1. Deart V. (2014). Multiservice communication networks. Transport networks and access networks. Moscow: Brice-M, 189 p. (in Russian)
2. Deart V. (2011). Multiservice communication networks. Protocols and session management systems (Softswitch/IMS). Moscow: Brice-M, 198 p. (in Russian)
3. Deart V.Yu., Fatkhulin T.D. (2017). Analysis of current state of transport networks with the purpose of introducing software defined networks (SDN) technology. T-Comm, vol. II, no.6, pp. 4-9. (in Russian)
4. Deart V.Yu., Fatkhulin T.D. (2017). Analysis of technical characteristics of transponders used in transport software defined networks (T-SDN). Proceedings of the International Scientific and Technical Conference "Telecommunication and Computer Systems-2017". Moscow: Hot line - Telecom, pp. 46-47. (in Russian)
5. Deart V.Yu., Fatkhulin T.D. (2018). Analysis of transport software-defined networks (T-SDN) with controlled optical layer to obtain a model providing assessment of the possibility of Bandwidth on Demand service. T-Comm, vol. 12, no. 4, pp. 35-42. (in Russian)
6. Kogan S. (2016). Perspective transport METRO-solutions for cloud network infrastructure. First Mile. No. 8. pp. 38-49. (in Russian)
7. Treshchikov V.N., Gurkin N.V., Novikov A.G., Nanii O.E. The Russian DWDM equipment with channel speed of 100 Gbit/s. T-Comm, 2012, No. 4, pp. 65-67. (in Russian)
8. Deart V., Fatkhulin T. Analysis of the Functioning of a Multi-Domain Transport Software-Defined Network with Controlled Optical Layer. Proceeding of the 21-st Conference of FRUCT Association, Finland, 6-10 November 2017, pp. 79-87.
Information about authors:
Vladimir Yu. Deart, Professor, PhD, Moscow Technical University of Communications and Informatics, Department of Telecommunication Networks and Switching Systems, Moscow, Russia
Timur D. Fatkhulin, assistant, a post-graduate student, Moscow Technical University of Communications and Informatics, Department of Telecommunication Networks and Switching Systems, Moscow, Russia
