CC BY
125
АНАЛИЗ ТРАНСПОРТНЫХ ПРОГРАММНО-КОНФИГУРИРУЕМЫХ СЕТЕЙ (T-SDN) С УПРАВЛЯЕМЫМ ОПТИЧЕСКИМ УРОВНЕМ С ЦЕЛЬЮ ПОЛУЧЕНИЯ МОДЕЛИ, ПОЗВОЛЯЮЩЕЙ ОЦЕНИТЬ ВОЗМОЖНОСТЬ ПРЕДОСТАВЛЕНИЯ СЕРВИСА BANDWIDTH ON DEMAND
Деарт Владимир Юрьевич,
Московский технический университет связи и информатики, Москва, Россия, [email protected]
Фатхулин Тимур Джалилевич,
Московский технический университет связи и информатики, Москва, Россия, [email protected]
DOI 10.24411/2072-8735-2018-10063
Ключевые слова: транспортные программно-конфигурируемые сети (T-SDN), пропускная способность, технология, формат модуляции, шаг сетки частот, суперканал, мультидоменная сеть, транспондеры.
Предметом исследования является технология транспортных программно-конфигурируемых сетей -T-SDN (Transport Software-Defined Networks) с управляемым оптическим уровнем. Цель статьи - проанализировать функционирование транспортных программно-конфигурируемых сетей для создания комплексной модели, позволяющей оценить возможность предоставления сервиса Bandwidth on Demand. Проводится исследование факторов, которые влияют на предоставление гарантированной полосы пропускания для пользователя между двумя центрами обработки (ЦОД) в мультидоменной T-SDN. Методологическую основу статьи составляют методы теоретического анализа, сравнительный и описательный методы, а также метод обобщения. В статье рассмотрены предпосылки для внедрения сервиса Bandwidth on Demand, такие как необходимость обеспечения сетевой транспортной инфраструктуры для технологии SDN, организации маршрута между двумя ЦОД с гарантированной большой пропускной способностью и поддержки предоставления облачных сервисов для решения общих задач в режиме реального времени. Предлагается использование технологии Super Channel, которая дает возможность в широком диапазоне изменять пропускную способность канала для пользователя. Осуществлено сравнение традиционной сетевой архитектуры с архитектурой транспортных программно-конфигурируемых сетей. Преимуществом новой архитектуры является значительное уменьшение времени предоставления сервиса по запросу клиента. Рассмотрены различные варианты построения архитектуры транспортных программно-конфигурируемых сетей. Исследованы технические характеристики существующих и перспективных транспондеров от наиболее известных производителей с целью получения обобщенных характеристик. Показано, что наиболее подходящими для использования в T-SDN являются транспондеры компаний Nokia (fAlcatel-Lucent), Huawei и Т8. В результате работы предложена схема комплексной модели, позволяющей оценить влияние всех параметров мультидоменной транспортной программно-конфигурируемой сети на возможность предоставления сервиса Bandwidth on Demand. Предлагаемая модель представляет собой мультидоменную систему с двумя уровнями контроля (использованием доменных контроллеров и общесетевого контроллера), обеспечивающую предоставление сервиса Bandwidth on Demand между двумя ЦОД, посредством организации между ними супер-канала (Super Channel). В заключении сделаны выводы о том, что разрабатываемая система моделирования может использоваться как готовый продукт.
Информация об авторах:
Деарт Владимир Юрьевич, профессор, 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 транспортных программно-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. Том 12. №4. С. 35-42.
For citation:
Deart V.Yu., Fatkhulin T.D. (2018). Analysis of transport software-defined networks (T-SDN) with controlled optical layer to obtain a model providing assesment of the possibility of bandwidth on demand service. T-Comm, vol. 12, no.4, pр. 35-42. (in Russian)
T-Comm Vol.12. #4-2018
Введение
В настоящее время все большее распространение получает технология SDN (Soñware Deímed Networks). Для внедрения в полной мере технологии SDN необходимо обеспечить сетевую транспортную инфраструктуру, которая позволяла бы динамически использовать все сетевые ресурсы, как оптической сети, так и сети ÍP/MPLS для организации потоков данных из конца в конец без изменения аппаратной части. Одновременно с этим быстрое развитие ЦОДов и облачных сервисов (Infrastructure as a Service - IaaS, Platfonn as a Serv ice - PaaS, Software as a Service - SaaS) привело к тому, что с целью реализации облачного сервиса необходимо обеспечить маршрут между двумя ЦОД с гарантированной большой пропускной способностью. Важно, что созданное соединение может быть необходимым только на время решения общих задач. Такое соединение получило название связи между ЦОД (Data Center Interconnect). Организация маршрута должна выполняться в режиме реального времени и с обеспечением необходимой гарантированной пропускной способности, при этом может понадобиться изменить параметры оптического уровня.
Таким образом, оптимальным для решения такого рода вопросов считается использование транспортных программно-конфигурируемых сегей (T-SDN), реализующих сервис Bandwidth on Dcmand (предоставление полосы пропускания по требованию пользователя). Дтя получения комплексной модели, позволяющей оценить влияние всех параметров мультидо-менной T-SDN сети на возможность предоставления сервиса, необходимо исследовать сетевую транспортную инфраструктуру, возможные вариангы архитектуры транспортных программ! ю-конфигурируемых сетей (T-SDN), а также провести сравнение технических характеристик существующих и перспективных транспонлеров с целью получения обобщенных характеристик транс пондеров, которые буду г использоваться как набор исходных данных для моделирования.
Сетевая инфраструктура транспортных программно-конфигурируемых сетей подробно рассмотрена в работе [3], в которой оценены технические возможности для создания канала с динамически изменяющейся пропускной способностью для создания Snper Channel и предоставления сервиса Bandwidth on Demand
Архитектура транспортных
программно-конфигурируемых сетей
В традиционной архитектуре транспортных сетей выделяют три уровня управления [1,2]: уровень централизованной системы эксплуатации (operation support system - OSS), уровень системы управления сетью (network management system — NMS) и системы управления элементами сети (eíe-nienl management system - EMS), а также уровень транспортной сети WDM/OTN/IP/MPLS (рис. í). Выделяют «южный» интерфейс (SouthBound Interface), обеспечивающий взаимодействие с сетевыми элементами (СЭ), и «северный» интерфейс (NorthBound Interface), который обращен к OSS. При этом на «северном» интерфейсе необходимо реализовать мульти-технологический и мульти-вендорный интерфейс поддержки системы эксплуатации (MTOSI - multi-technology operations system interface), а на «южном» интерфейсе возможно использование протоколов управления сетевыми интерфейсами, таких как Q/3, SNMP, TL1.
Функционирование OSS позволяет выполнять ряд следующих задач: управление инвентаризацией (Resource/ Inventory Management); управление производительностью (Performance Management); управление неисправностями (Fault Management); контроль за выполнением задач по устранению неисправностей (Trouble Ticketing); управление качеством предоставляемых услуг (SLA Management); управление нарядами на активацию услуг (Order Management); работу системы предупреждения мошенничества (Fraud Management); применение модуля планирования и развития услуг (Service Provisioning Management); управление безопасностью (Security Management); применение модуля учета (Accounting Management).
Выполнение всех этих задач осуществляется но иерархическому принципу (от OSS к NMS, потом к EMS, который в свою очередь управляет сетевыми элементами, такими как маршрутизаторы, коммутаторы или фотонные коммутаторы (Photonic Switch). В традиционных системах управления решение таких иерархических задач является сложным и длительным процессом. При создании нового маршрута для IP потока с необходимостью перенастройки оптических транспонлеров, коммутаторов и маршрутизаторов может понадобиться время от нескольких часов до нескольких дней,
В транспортных программно-конфигурируемых сетях (рис. 1) взаимодействие между приложениями (OSS, BoD -Bandwidth on Demand, OVPN - Optical VPN) и контроллером SDN происходит через надежный сервисно-ориентированный интерфейс (Representational State Transfer Application Programming Interface - REST API), который обеспечивает удобное управление посредством простых операций. На «южном» интерфейсе используются протоколы реального времени, такие как РСЕР (Path Computation Element Protocol) и OpenFlow, обеспечивающие обмен информацией между контроллером и сетевыми устройствами в режиме реального времени.
Рис. I. Сравнение традиционной сетевой архитектуры с архитектурой T-SDN
Такая модель T-SDN соответствует стандартам ONF и IETF. При этом в ней можно выделить уровни инфраструктуры, управления, уровень оркестрации и уровень приложений, Важно отметить, что T-SDN ориентированы в основном на предоставление транспортных сервисов, таких как предоставление полосы пропускания по требованию пользователя BoD (Bandwidth on Demand), создание различных VPN (OVPN). В рамках настоящего исследования особый интерес представляет внедрение сервиса гю предоставлению полосы
пропускания по требованию пользователя BoD, механизм создания которого был подробно рассмотрен в плоскости транспортной инфраструктуры [3].
В T-SDN решение задач по управлению транспортными СЭ производится таким образом, что процесс предоставления услуги пользователю автоматизирован, а изменения сетевой инфраструктуры будут согласованными и для других транспортных сервисов проходят без ухудшения их качества.
На настоящий момент активно ведутся исследования и разработки в области T-SDN. Особый интерес представляют научные исследования ряда зарубежных компаний, которые имеют практический опыт по внедрению SDN, Так, свое видение архитектуры T-SDN предлагает китайская компания Huawei (рис. 2) [8],
На уровне инфраструктуры представлены сетевые узлы городской сети (Metro) и узлы ядра сети (Backbone), которые выполняют функции оптических коммутаторов (Photonic Switch) с поддержкой технологий WDM/OTN. Отдельно представлено взаимодействие ЦОДов через DC (Data Center) контроллер. Основной задачей этого уровня является пересылка данных с одного порта на другой, т.е. обеспечение процесса передачи данных (Data plane). Для управления сетевыми элементами используется «южный» интерфейс контроллера зоны (Domain Controller). Транспортный SDN контроллер является основным элементом плана управления и обеспечивает выполнение следующих функций:
- абстрагирует информацию о сетевых элементах в инфраструктурном уровне;
- получает информацию о состоянии сетевых ресурсов в реальном времени через «южный» интерфейс;
- обеспечивает передачу управляющих команд к сетевым элементам для создания и поддержки процессов передачи данных (Data Plane);
- обеспечивает адаптацию сети к возникшим изменениям инфраструктуры для обеспечения нормального процесса передачи данных через сеть;
- обеспечивает взаимодействие с верхними уровнями ор-кестрации и приложений через стандартные интерфейсы (North Bound Interface).
Функции уровня оркестрации предоставляют обзор топологии сети (Topology View), управление сетевыми ресурсами из конца в конец, определение модели предоставления сервисов (Service Model) и управление политиками {Policy Management). При этом с SDN контроллером взаимодействие производится через стандартные «северные» интерфейсы.
Уровень приложений представлен открытой сервисной платформой, которая обеспечивает поддержку как приложений, разрабатываемых компанией Huawei, так и приложений поставляемых другими производителями.
Использование систем сетевого управления NMS и централизованной эксплуатации OSS обеспечивает выполнение основных функций управления сетевыми элементами FCAPS:
- (F) Fault Management - управление отказами;
- (С) Configuration Management - управление конфигурацией;
- (A) Accounting Management - учёт;
- (Р) Performance Management - управление производительностью;
- (S) Security Management - управление безопасностью.
При эволюционном переходе от традиционных сетей к
T-SDN эти системы являются незаменимыми сетевыми функциями.
На «южном» интерфейсе (SB1) могут использоваться следующие протоколы: РСЕР (Path Computation Element Communication Protocol) и OSPF (Open Shortest Path First). «Северный» интерфейс (NBI) построен согласно концепции REST, которая определена IETF, что обеспечивает гибкость, простоту и масштабируемость взаимодействия SDN контроллера и приложений.
Другим примером архитектуры T-SDN является концепция компании Netcracker [9], Этот пример интересен для исследования тем, что рассматривается мультидоменная структура для крупных и протяженных транспортных сетей. Имеется большая транспортная сеть, которая делится на отдельные домены (рис. 3), в каждом из которых устанавливается свой T-SDN Domain контроллер, управляющий всеми сетевыми элементами домена.
Application BoD [Р + Optical OVPN/VTS Automation 3rf Party APP
OSS
I I I
I
NMS
Qx IDC
Orchestrât orí ^^^^^^^^^^^^^^ NetMatrix Topology View Service Mode Policy .....
A Restful API -
г ч 1 ¡Controller i Restful API
Transport SDN Domain -Controller DC Controller
* X 1
С4»
Leased Line Customer
Enterprise
Рис. 2. Архитектура сети T-SDN компании Huawei
На верхнем уровне для осуществления координации как доменных контроллеров, так и контроллеров ЦОДов используется общесетевой T-SDN контроллер. Именно он обеспечивает установление сервисов из кон на в конец. Контроллер имеет иерархическую структуру, так как очень высоки требования к производительности для управления такой сетью. В качестве контроллера нижнего уровня применяется доменный Т-$ОИ контроллер, а верхнего - общесетевой контроллер T-SDN (рис. 4). Доменный контроллер управляет только частью сети и берет на себя функции управления непосредственно транспортными сетевыми устройствами. Контроллер верхнего уровня управляет только доменными контроллерами, такое абстрагирование от общения с сетевой инфраструктурой позволяет повысить производительность системы. Задачи по управлению сетью декомпозируются и делегируются когроллерам нижнего уровня. Контроллер верхнего уровня принимает данные о работе домена, обрабатывает их и предпринимает дальнейшие действия.
Сеть доменного Сеть контроллера
Другими словами, контроллер верхнего уровня воспринимает целую группу устройств как одно устройство. Такая концепция, с одной стороны, позволяет избежать значительных накладных расходов и улучшить производительность, с другой — дает возможность просматривать сеть целиком, вместе с кросс-доменными соединениями, которые не могут быть проконтролированы на доменном уровне, так как не находятся в зоне видимости доменного контроллера Т^ОЫ. Такой подход позволяет прокладывать клиентский сервис по всей сети: от точки входа в сеть провайдера, ло точки выхода из нее, и, как следствие, эффективно управлять использованием сети, оптимизацией прокладки пути, надежностью и доступность [о сервиса.
Сравнение технических характеристик
существующих и перспективных транспондеров
В настоящее время существует множество предложений по реализации T-SDN с использованием различных транс-понлеров. С целью получения обобщенных показателей трансиондеров, используемых в моделировании, проведем сравнительный анализ существующих и перспективных транспондеров, используемых в мудьтисервиеных транспортных платформах от наиболее известных телекоммуникационных компаний; Nokia (f'Alcalel-Lucent), Cisco, Iluawei, Juniper Networks и российского производителя T8. Технические характеристики взяты из официальной документации с сайтов компаний. В качестве основных показателей для сравнения будем использовать наиболее важные факторы:
1) поддерживаемые скорости передачи;
2) применяемые форматы модуляции;
3) используемая сетка частот, поддержка Flexible grid;
4) максимальное количество каналов;
5) рабочие диапазоны;
Результаты сравнения транспондеров по перечисленным критериям представлены в сводной табл. 1.
Таблица !
Компанияп мyj1ыт! сервисная транспорт-пая платформа Скорости передачи, Гбвт/с Форматы модуляция Сетка частот, ГГц (Flex-und) Максимальное количество кана.тн Рабочие диапазоны
NokiaU'AI-catel-Lucent), (1830 PSS емкость 19.2 Тбит/с, 23.2 Тбиг/с*) 1.25,2.5, 4. 10,11,40, 43, 100, 200, 250, 400 (2*200 или 1x400»), 500 (5*100 или 24250) MRZ, BPSK, DPSK, 8-QAM, QPSK. DP-QPSK, DP-NRZ BPSK, DP-16QAM. 37.5*, 50.62.5. 75*, 100 192 (96 в С и 96 в L) по 100 Гбит/с, 58 по 400 Гбит/с* С, L, S*
Cisco, (ONS 154545, емкость 19,2 Тбит/с. NCS 6000 емкость до 128 Тбит/с) 1.25,2.5, 10, 40, 100, 200, 400 (2*200), 1000 (Super Channel) NRZ, R2-DQPSK. DQPSK, DPSK, DP-QPSK, DP-I6QAM 50, 100 192 (96 к С и 96 в L) по 100 Гбит/с С, L
Huawei. {Optix OSN 9800, емкость 25,6 Тбит/с) 1.25,2.5, 10, 40, 100 200. 400. 1000 и 2000 (Super Channel) MRZ. RZ, DP-BPSK, DP-QPSK 50, 100 37.5-400 40 (сетка ЮОГГц), 80 (сетка 50 ГГц) С
Juniper Networks, (BTI 7800 емкость, 9,6 Тбит/с) 10,40, 100. 200, 400(2x200) NRZ, DP-QPSK, DP-I6QAM 50, 100, 200 96 в С по 100 Гбит/с С
Т8, {«Волга» смкость 19,2 Тбит/с, 27 Тбит/с*) 2.5,10, 40, 100,150, 200, 400 (2*200), 1000* NRZ, NRZ ADPSK, DPSK, DP-QPSK, DP-8QAM, DP-I6QAM JJ*, 50, 100 192(96 в С и 96 в L) по 100 Гбит/с, 270* но 100 Гбит/с<С+и С, L
* показатели, которые могут быть достигнуты при внедрении современных технических решений
Для исследования следует рассматривать не все возможные скорости передачи (платформы поддерживают большой диапазон скоростей от Мбит/с до Тбит/с), а только те, которые реально могут использоваться для обеспечения предоставления сервиса между двумя ЦОД,
Рис, 4. Формальное представление T-SDN на разных уровнях
Транспондеры всех производителей поддерживают наиболее применяемые скорости передачи 10, 40 и 100 Гбит/с. Однако этого недостаточно для организации Super Channel с требуемой скоростью передачи, так как необходимые промежуточные значения могут быть значительно меньше или больше указанных скоростей, что приведет к неэффективному использованию ресурсов сети, а, следовательно, и к значительным материальным затратам. Самым широким набором скоростей передачи обладают транспондеры компании Nokia (fÄlcatel - Lucent) [4], также транспондеры компаний Cisco и Т8 поддерживают скорости передачи, которые позволяют гибко организовывать Super Channel, так, например, они реализуют возможность передавать канал 400 Гбит/с, используя две поднесущих по 200 Гбит/с, Стоит отметить, что компания Nokia (fAlcatcl-Luccnt) сейчас ведет разработки по организации канала в 400 Гбит/с на одной несущей.
Поддерживаемые скорости передачи во многом определяются используемыми форматами модуляции. Для низкоскоростных каналов (до 10 Гбит/с включительно) подходит формат модуляции NRZ. Он поддерживается всеми предложенными транспондерами. Для реализации канала в 40 Гбит/с существует множество форматов модуляции, наиболее применяемыми считаются DPSK, RZ-DQPSK, NRZ ADPSK {поддерживаются транспондерами компаний Nokia (fA 1 cate 1-Lucent), Cisco и T8), а также DP-QPSK при когерентном варианте приема. Компания Huawei для указанной скорости передачи предлагает использовать формат модуляции DP-BPSK. Для высокоскоростных каналов 100 Гбит/с и 200 Гбит/с необходимо использовать форматы модуляции DP-QPSK и DP-16QAM соответственно. Из рассматриваемых транспондеров только оборудование компании Huawei пока не поддерживает формат модуляции DP-16QAM. Применение форматов модуляции больших порядков ведет к значительному сокращению длины регенерационного участка [5, 6J. Так, оптимальным форматом модуляции для скорости 1 ООГбит/с является DP-QPSK (регенерационпый участок более 4000 км (максимум 8000 км) при сетке частот в 50 ГГц и около 2600 км при сетке частот 30 ГТц), а для скорости 200 Гбит/с - DP-16QAM (регенерационпый участок составляет 500-1022 км). Для канала в 40 Гбит/с с форматом модуляции DPSK регенерационпый участок составляет около 1600 км [10], а для формата модуляции NRZ ADPSK -2000 км. Создание высокоскоростных каналов в 400 Гбит/с, 1 Тбит/с и более в настоящее время требует применения технологии Super Channel.
Используемая сетка частот определяет максимальное количество поднесущих в используемом спектральном диапазоне, Все транспондеры поддерживают стандартную сетку в 50 и 100 ГГц [7], однако такая сетка не дает возможность гибкого изменения пропускной способности при создании Super Channel. Технология Flexible grid позволяет гибко использовать спектральный диапазон. Эту технологию поддерживают транспондеры компаний Nokia ((Alcatel-Lucent), Huawei и Т8. Компания Nokia (lAlcatel-Lucent) уже сейчас позволяет использовать сетку частот в 50, 62,5 и 100 ГГц, что обеспечивает емкость системы передачи в 19,2 Тбит/с, а использование сетки с шагом в 37,5 ГГц позволит в будущем значительно увеличить емкость системы. Сетка частот компании Huawei может иметь шаг от 37,5 до 400 ГГц, тем са-
мым увеличивая емкость системы до 25,6 Тбит/с. Компания Т8 предлагает использовать нестандартный шаг сегки частот в 33 ГГц. Уже активно проводятся лабораторные испытания системы с таким шагом и 270 поднесущими, что дает возможност ь увеличить емкость системы передачи до 27 Тбит/с [10].
Большинство исследуемых трапепопдеров поддерживают С и L рабочие диапазоны. Только транспондеры компании Huawei и Juniper Networks работают в настоящее время в широко используемом С- диапазоне. Важно отметить, что активно ведутся лабораторные испытания транспондеров компании Nokia (fAlcatel-Lucent), поддерживающих работу и в S-диапазоне. Эти исследования позволят в будущем значительно увеличить пропускную способность.
Максимальное количество каналов во многом определяется функционалом, поддерживаемым транспоцдером (применяемые сетка частот, форматы модуляции и рабочие диапазоны), Транспондеры компаний Nokia (fAlcatel-Lucent), Cisco и Т8 поддерживают до 192 каналов (по 96 в С и L-диапазоне) с шагом сетки частот в 50 ГГц и канальной скоростью 100 Гбит/с. Транспондеры компаний Huawei и Juniper Networks работают только в С-диапазоне, но у транспондеров компании Huawei имеется поддержка технологии Flexible grid, что позволяет достигать уже сейчас пропускной способности 25.6 Тбит/с, в то время как пропускная способность системы передачи компании Juniper Networks достигает лишь 9,6 Тбиг/с (96 каналов). Применение технологии Flexible grid позволяет системе передачи компании Nokia (fAlcatel-Lucent) поддерживать до 58 каналов по 400 Гбит/с с сеткой частот в 75 ГГц, в результате чего пропускная способность увеличивается до 23,2 Тбит/с. Оборудование компании Т8 позволит в будущем иметь до 270 каналов по 100 Гбит/с.
Проанализировав основные технические характеристики трапепопдеров от ведущих производителей можно прийти к выводу, что не все транспондеры поддерживают технологии Flexible grid и Super Channel. Наиболее функциональным является транспондер компании Nokia (fAlcatel-Lucent), поддерживающий большой спектр скоростей передачи и соответствующих необходимых форматов модуляции, технологию Flexible grid, а также перспективный S-диапазон. Все это позволяет гибко изменять пропускную способность капала для пользователя, что позволит обеспечить сервис Super Channel. Также необходимыми характеристиками обладают транспондеры компаний Huawei и Т8, хотя транспондеры компании Huawei пока работают только в С-диапазоне, но поддерживают технологию Flexible grid.
Для получения комплексной модели, позволяющей оценить влияние всех параметров мультидоменной T-SDN сети на возможность предоставления сервиса Bandwidth on Demand, наиболее важными являются следующие результаты проведенного анализа. При моделировании обязательно нужно учитывать конкретные тины транспондеров от определенного производителя, так как это имеет важное значение для создания Super Channel. Так, обобщенные показатели транспондеров получены на основании данных о технических возможностях и перспективных разработках компаний Nokia (fAlcatel-Lucent), Huawei и Т8. В таблице 2 представлены форматы модуляции, скорости передачи и сетки частот, которые поддерживаются применяемыми в моделировании транспондерами.
7ТТ
Транспондеры поддерживают работу в С и L диапазонах, что позволяет применять разрабатываемую модель к большинству современных систем передачи, однако при необходимости модель может учитывать и перспективный S-диапазон. Время перенастройки транспондеров составляет 50 мс [9J. Максимальное расстояние передачи без регенерации ограничено как используемым форматом модуляции, так и выбранным шагом сетки частот. Для низкоскоростных поднесущих до 10 Гбит/с включительно использование форматов модуляции NRZ дает возможность передавать их на расстояние до 10 ООО км без регенерации в сетке частот е шагом в 50 ГГц. Применение шага в 37,5 ГГц уменьшает регенерационный участок незначительно, так как ширина спектра излучения лазера относительно невелика. Для поднесущих со скоростью передачи 40 Гбит/с с форматом модуляции DPSK, применяемых вместе с другими разнородными под несущими, дальность передачи составляет 1600 км f 10], а для формата модуляции NRZ ADPSK - 2000 км. Выбор формата модуляции зависит от набора поддерживаемых в сети транспондерами форматов модуляции и от расстояния между сетевыми элементами. Для поднесущих со скоростью передачи 100 Гбит/с, использующих формат модуляции DP-QPSK, дальность передачи для сетки частот в 50 ГГц составляет более 4000 км (80 каналов), а для сетки частот 33 ГГц около 2600 км (до 270 каналов в перспективе). Для поднесущих со скоростью передачи 200 Гбит/с, используется только формат модуляции DP-16QAM, а максимальная дальность передачи может быть 1022 км. Для суперканала со скоростью передачи 400 Гбит/с (2 =<200Гбит/с. шаг сетки частот 50 ГГц) дальность передачи составляет 300-500 км.
Скорость ][<-'ptMDlIH, Фирм Я 1 Шаг сетки частот,
Гбит/с модуляпня ГГц
1.25 NRZ 50, при создании
2.5 NRZ Super Channel
10 NRZ 37,5
40 DPSK, NRZ ADPSK, RP-QPSK
100 DP-QPSK
200 DP-16QAM 50
По результатам проведенного анализа получен набор исходных данных по использованию транспондеров с программным управлением, при этом уч тены ограничения при реализации (по полосе пропускания, дальности передачи для используемых видов модуляции и числа поднесущих), а также приведены диапазоны возможных значений с учетом существующих технических возможностей и перспективных решений.
Описание модели дли исследования мультидоменнон транспортной программно-конфигурируемой сети (T-SI1N)
Схема комплексной модели, позволяющей оценить влияние всех параметров мультидоменнон T-SDN сети на возможность предоставления сервиса Bandwidth on Demand, представлена на рис. 5. Модель включает в себя два ПОД, между которыми необходимо обеспечить предоставление сервиса Bandwidth on Demand посредством организации супер-канала (SuperChannel). Модель представляет собой мультидоменную T-SDN систему с двумя уровнями контро-
ля. На верхнем уровне для осуществления координации доменных контроллеров используется общесетевой T-SDN контроллер, Именно он обеспечивает установление сервиса из конца в конец. В качестве контроллера нижнего уровня применяется доменный T-SDN контроллер, который управляет только частью сети и берет па себя функции управления непосредственно транспортными сетевыми устройствами. Задачи по управлению сетью декомпозируются и делегируются котроллерам нижнего уровня. Контроллер верхнего уровня принимает данные о работе домена, обрабатывает их и предпринимает дальнейшие действия, он воспринимает целую группу устройств как одно устройство. Важно отметить, что он видит сеть целиком вместе с кросс-доменными соединениями, Модель может использоваться на сети с m доменами, однако для наглядности будет моделироваться сеть с двумя доменами. Соединение но требованию устанавливается клиентом с помощью приложения для планировки полосы пропускания, размещенного на общесетевом контроллере.
Параметры запрошенного соединения передаются через «северный» интерфейс API NBI общесетевого контроллера. API Northbound позволяет пользователям и приложениям запрашивать сервисы SDN непосредственно с уровня управления. Параметры соединения могут включать в себя UNI источника и назначения, пропускную способность, максимальную задержку, уровень защиты (1 + 1, 1:1 и др.). Кроме того, соединение может быть сразу создано на определенное время или па специально запланированное время в будущем, или на неопределенный срок. Приложение планировщика сначала проверяет запрос на требуемую максимальную общую пропускную способность, а затем применяет модуль вычисления пу ти PCE (path computation element) для определения возможности обеспечения пути. Если общесетевой контроллер определяет, что домены могут его обеспечить, то создается соединение либо сразу, либо на запланированное время через общесетевой контроллер. Доменные контроллеры также используют PCE для определения наилучшего пути в доменах и выдают команды посредством OpenFIöw транспортным СЭ для установления двунаправленного соединения.
Транспортные сетевые элементы (1...п) могут обмениваться служебной информацией с доменным контроллером по протоколу OpenFlow. У каждого СЭ определены типы транспондеров для конкретной оптической несущей.
Дня технической реализации исследовательской модели был разработан исследовательский стенд. Он представляет собой набор виртуальных машин (ВМ), эмулирующих компоненты мультидоменнон T-SDN, Программной основой для стенда является OS Linux Ubuntu 14.07 LTS с гипервизором KVM, который используется для управления и взаимосвязи В VI (рис. 6). Взаимосвязь ВМ выбрана па основе проведенного анализа и полученной схемы моделирования (рис. 5). Исследовательский стенд состоит из 6 виртуальных машин: ВМ для каждого доменного контроллера, ВМ общесетевого контроллера, для эмуляции 2 доменов и сети, построенной по традиционной архитектуре, используется программная среда Mininet (3 виртуальные машины). В качестве SDN-контроллера выбрана платформа ONOS - Open Network Operating System. Трафик генерируется при помощи программы D-ITG, Distributed Internet Traffic Generator. Такая исследовательская модель позволяет получать все необходимые данные для оценки возможности предоставления сервиса Bandwidth on Demand.
Таблица 2
7ТЛ
COMPUTER SCIENCE
ANALYSIS OF TRANSPORT SOFTWARE-DEFINED NETWORKS (T-SDN) WITH CONTROLLED OPTICAL LAYER TO OBTAIN A MODEL PROVIDING ASSESMENT OF THE POSSIBILITY OF BANDWIDTH
ON DEMAND SERVICE
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) with controlled optical layer. The purpose of the article is to analyze the functioning of transport software-defined networks to create a complex model that allows to assess the possibility of providing the Bandwidth on Demand service. A study of factors that affect providing guaranteed bandwidth for the client between the two data centers (DCs) in the multi-domain T-SDN is conducted. The methodological basis of the article consists of methods of theoretical analysis, comparative and descriptive methods, as well as the method of generalization. The article considers the preconditions for the creation of SDN technology, such as the need to provide a network transport infrastructure for SDN technology, the organization of a route between two data centers with guaranteed high bandwidth and support for the provision of cloud services to solve common problems in real time. The use of Super Channel technology is offered, which makes it possible to vary the bandwidth of the channel in a wide range for the client. Comparison of the traditional network architecture with the architecture of transport software-defined networks is carried out. The advantage of the new architecture is a significant reduction in the time for the provision of the service at the request of the client. Different variants of building the architecture of transport software-defined networks are considered. The technical characteristics of existing and prospective transponders from the most well-known manufacturers with the purpose of obtaining generalized characteristics are investigated. It is shown that the most suitable for use in T-SDN are the transponders of Nokia (fAlcatel-Lucent), Huawei and T8. As a result of the work the diagram of the complex model is proposed, which allows to evaluate the influence of all parameters of the multi-domain transport software-defined network on the possibility of providing the Bandwidth on Demand service. The proposed model is a multi-domain system with two control layers (using domain controllers and a network controller) that provides Bandwidth on Demand service between two data centers, through the establishment of a Super Channel between them. Finally, the conclusions are drawn that the developed modeling system can be used as a ready product.
Keywords: transport software-defined networks (T-SDN), bandwidth, technology, modulation format, frequency grid, superchannel, multi-domain network, transponders.
References
1. Deart V. Multiservice communication networks. Transport networks and access networks. (2014). Moscow: Brice-M. 189 p.
2. Deart V. Multiservice communication networks. Protocols and session management systems (Softswitch / IMS). (2011). Moscow: Brice-M. 198 p.
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, pр. 4-9. (in Russian)
4. Kogan S. (2016). Perspective transport METRO-solutions for cloud network infrastructure. First Mile. No. 8, pp. 38-49.
5. Treshchikov V.N., Gurkin N.V., Novikov A.G., Nanii O.E. (2012). The Russian DWDM equipment with channel speed of 100 Gbit/s. T-Comm. No. 4, pp. 65-67.
6. Tretshchikov V.N. (2013). Development of a DWDM system with a capacity of 25 Tb/s. Photon-Express. Vol. 2. No. 106, pp. 24-28.
7. Fatkhulin T.D., Gordienko V.N. (2013). Analysis of the ways of development of spectral channel multiplexing technology in WDM. Fundamental problems of radio electronic instrument making. Vol. 13. No. 4. pp. 130-134.
8. Huawei official website, T-SDN Overview http://developer.huawei.com/ru/ict/Products/SDN/Components/Forum/Banner/en-T-SDNOverview (viewed 23.09.2017)
9. Controller for T-SDN https://habrahabr.ru/company/netcracker/blog/276643/ (viewed 23.09.2017)
10. T8 official website, Catalogue of DWDM systems "Volga", http://t8.ru/wp-content/uploads/2017/04/Catalog-T8-2017-Volga_rus.pdf (viewed 23.09.2017)
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
T-Comm Tом 12. #4-2018
