CC BY
24
УДК 004.725.7; 004.942
С.Н. Новиков, A.A. Буров
АНАЛИЗ ВЛИЯНИЯ СЛУЖЕБНОЙ ИНФОРМАЦИИ МЕТОДОВ МАРШРУТИЗАЦИИ НА ОБЪЕМ ДОСТУПНЫХ СЕТЕВЫХ РЕСУРСОВ
Появление технологий широкополосного доступа, внедрение широкополосных видов сервиса, таких, как IP-TV, видео по запросу, ви-деоконференцсвязь и других, привело к значительному увеличению объемов информации, передаваемой по сетям связи 11,2]. По этой причине актуальны задачи поиска методов маршрутизации, позволяющих оптимально сбалансировать поступающую на сеть связи нагрузку. Под оптимальной сбалансированностью нагрузки на сети связи обычно понимается такое распределение поступающих информационных потоков по сети связи, при котором достигается требуемое значение целевого показателя (максимум пропускной способности, минимум сквозного времени задержки при передаче сообщений и тому подобное) при выполнении заданных ограничений (например, обеспечении требуемого качества обслуживания пользователей сети). Решение подобной задачи невозможно без анализа маршрутизации на сетях связи.
В данной статье приведена классификация методов маршрутизации, а также пред ложен вариант анализа влияния методов маршрутизации на объем доступных сетевых ресурсов на сетях связи.
Классификация методов маршрутизации
Маршрутизация на сетях связи происходит в два этапа |3]:
формирование плана распределения информации на сети связи;
установление соединения.
Соответственно методы маршрутизации можно классифицировать по способу формирования плана распределения информации на сети связи, а также по способу установления соединения.
Формирование плана распределения информации на сети связи представляет собой процесс формирования таблиц маршрутизации в каждом элементе сети связи. Процесс формирования таблиц маршрутизации в свою очередь может
быть: динамическим — функционирующим во времени процессом, отображающим в течение некоторого интервала времени реальную информацию о топологии связей в сети; статическим — с заданным наперед планом распределения информации на сети связи.
Среди динамических способов формирования плана распределения информации на сети выделяются следующие фундаментальные методы, заложенные в основу современных протоколов маршрутизации |3]:
лавинные методы, позволяющие с высокой точностью собрать информацию о топологии связей в сети, параметрах каналов, задержках и тому подобное, необходимую для формирования плана распределения информации на сети связи. В лавинных методах маршрутизации используется механизм периодической широковещательной рассылки служебных пакетов, в которых передается необходимая для построения таблиц маршрутизации информация;
игровые методы, основанные на проведении ряда испытаний, предназначенных для корректировки данных, записанных в таблицах маршрутизации. Игровые методы учитывают информацию, собираемую на этапе установления соединения. При успешном установлении соединения между узлом-источником улучшается метрика участков сети, участвовавших в установлении соединения.
При статических способах план распределения информации на сетях связи, как правило, формируется администратором сети связи вручную или же на основании наперед заданных параметров, одинаковых для всех сетевых элементов. В частности, к таким параметрам могут относиться координаты сетевых элементов [3], с помощью которых можно установить логическое направление передачи сообщения. При этом вопрос установления соединения между узлом-источником и узлом — получателем сообщений решается в процессе коммутации.
Следуеттакже отметить, что игровые методы по своей сути не позволяют получить информацию о топологии соединений сети связи. Поэтому с этим они применяются в связке с другими динамическими методами или со статическими методами формирования плана распределения информации на сети связи. Главное их преимущество перед лавинными методами — меньший объем информации, генерируемой по сравнению с лавинными методами в условиях стационарной работы сетей связи. В то же время корректность работы игровых методов зависит от стабильности функционирования сети связи. При ухудшении работы сети, выходе из строя ее составляющих сведения, полученные игровыми методами, дают большую погрешность, а также ведут к увеличению объемов передаваемой служебной информации.
Процесс установления соединения между узлами-источниками и получателями сообщений состоит из коммутации сообщений втранзитных узлах. Для установления соединения между источниками и получателями сообщений также применяются различные методы коммутации. Можно выделить следующие механизмы коммутации на сетях связи (формирования маршрута): последовательный, когда в каждом сетевом элементе выбирается один из исходящих трактов передачи сообщений;
параллельный, если поиск маршрута ведется по всем возможным исходящим направлениям и в процессе поиска участвуют все исходящие тракты передачи сообщений;
комбинированный — симбиоз первых двух методов.
По своему характеру коммутация может быть: детерминированной, когда выбор исходящего тракта передачи сообщений подчиняется строгому правилу;
стохастической, когда выбор исходящего тракта осуществляется случайным образом; комбинированной — симбиоз первых двух. Необходимо отметить, что, несмотря на представленное здесь разнообразие методов — комбинаций способов формирования плана распределения информации на сети связи, принципиально возможных для маршрутизации на сетях связи, сегодня применение в виде протоколов маршрутизации нашли методы маршрутизации с лавинным (RIP, OSPF) и игровым (маршрутизация втехнологии MPLS) механизмом формирования
плана распределения информации на сети связи с детерминированным выбором исходящих трактов передачи сообщений.
Описанные методы маршрутизации позволяют сформировать план распределения информации на сети связи. На основании сформированного плана распределения информации на сети связи, а также механизмов выбора исходящих трактов в узлах связи можно получить распределение пользовательских информационных потоков по сети связи (4, 5]. В то же время для формирования плана распределения информации на сети связи и установления соединения происходит передача некоторого объема служебной информации, необходимой для функционирования методов маршрутизации. Таким образом, процесс маршрутизации на сети связи использует некоторую долю свободных сетевых ресурсов (полосы пропускания). Очевидно, что объемы служебной информации для разных методов маршрутизации могут отличаться, поэтому для передачи пользовательской информации на сети связи объем свободных сетевых ресурсов, доступных для передачи пользовательской информации, для различных методов также будет различным. В связи с этим ставится задача анализа методов маршрутизации на сети связи.
Общий анализ методов маршрутизации на сети связи
Под общим анализом методов маршрутизации будем понимать анализ влияния методов маршрутизации на пропускную способность сети связи. Задача анализа и ее решение в этом случае будут следующими.
Дано:
сеть связи, заданная своим графом, состоящим из множества вершин {А} (узловсети) и множества ребер {Ц (трактов передачи сообщений);
метод маршрутизации, применяемый на сети связи.
Требуется найти загрузку сети связи служебной информацией (объем доступных сетевых ресурсов с целью передачи пользовательской информации) в условиях уменьшения сетевых ресурсов для метода маршрутизации, применяемого на сети связи. При этом критерием оптимальности метода маршрутизации будет максимальный объе м доступ н ых сетевы х ресурсов для передачи пользовательской информации в условиях заданной неопределенности на сети связи.
Под заданной неопределенностью на сети связи будем понимать процент недоступных для использования сетевых ресурсов.
Под служебной информацией будем понимать:
информацию, генерируемую узлами сети для построения таблиц маршрутизации;
сигнальную информацию, генерируемую при установлении соединения.
Решение задачи разобьем на несколько этапов:
1) определение величины нагрузки, генерируемой маршрутной информацией;
2) определение величины нагрузки, генерируемой сигнальной информацией;
3) анализ влияния суммарной нагрузки на сеть связи.
При решении задачи для простоты рассуждений будем полагать, что нагрузка, создаваемая маршрутной и сигнальной информацией, является простейшим пуассоновским потоком и, следовательно, обладает свойством аддитивности. Будем считать, что нагрузка измеряется в бит/с.
Произведем оценку величины нагрузки, создаваемой маршрутной информацией. Положим, что для всех исследуемых методов маршрутизации блок данных, генерируемых в единицу времени, имеет одинаковую величину, равную В бит.
При лавинном методе [3] маршрутная информация генерируется через равные интервалы времени Гм каждым из N узлов путем широковещательной рассылки к блоков данных В. Очевидно, что интенсивность служебного трафика
»,-Ш. <»
' м
При игровом методе маршрутизации [3| служебный трафик, генерируемый при передаче маршрутной информации, определяется методом маршрутизации, применяемым на этапе формирования первоначального плана распределения информации на сети связи.
В случае когда первоначальный план распределения информации на сети связи вводится администратором сети вручную, нагрузка на сеть связи не создается. При комбинации игрового метода с другими методами появляется компонента, учитывающая нагрузку на сеть связи при первоначальном формировании таблиц маршрутизации. В частности, для лавинного метода
кВЫ
(2)
где Тн — время наблюдения за сетью связи. Как будет показано далее, величина нагрузки совпадаете нагрузкой, создаваемой логическим методом маршрутизации.
При логическом методе [3] маршрутная информация генерируется на этапах формирования сети и ввода новых узлов связи. Если период наблюдения за сетью, состоящей из N узлов, равен Тн, то, как и в случае с лавинной маршрутизацией,
kBN
^л т
* II
(3)
Как видно из выражения, величина нагрузки вычисляется по той же формуле, что и для лавинного метода. Однако численные значения для двух разных методов будут разные, поскольку время Гдля каждого из методов имеет разный смысл и величину.
Оценим величину сигнальной информации, проходящей по сети связи. Будем полагать, что сигнальная информация генерируется при установлении соединения между оконечными узлами с целью корректировки маршрутной информации, т. е. при игровом методе маршрутизации.
Пусть нагрузка, генерируемая сигнальной информацией, подчиняется полиномиальному закону:
„л-1
К*г=апх"+ап-1*"
, + а]х + а0,
(4)
где а, — коэффициенты пропорциональности, х — степень неопределенности в наличии доступных ресурсов сети связи.
Поскольку сигнальная информация генерируется только игровым методом маршрутизации, то общая нагрузка, создаваемая игровым методом маршрутизации, будет складываться из нагрузки. создаваемой на первоначальном этапе построения плана распределения информации (Я.., или Я.лог), а также из сигнальной информации.
Определим теперь количество доступных сетевых ресурсов (например, полосы пропускания) как сумму пропускной способности всех каналов связи Ь, образующих сеть связи, помноженную на коэффициент неопределенности доступности сетевых ресурсов х:
я=(,-х)2>=(1-х)/7- <5>
г
С ростом неопределенности на сети связи величина Л, как следует из формулы, будет изменяться линейно.
Рассмотрим теперь, как будет меняться общее количество сетевых ресурсов для каждого из методов маршрутизации.
Очевидно, что объем доступных сетевых ресурсов /? для неигровых методов будет вычисляться по выражению
I 1
или, в процентном соотношении,
р í^ \ Х \ кВА'
I. £
(6)
(7)
Для игровых методов соотношение (21) по относительной величине придет к следующему виду:
кВН
Я = {\-х)~
(апхп +ап_1хп~1 +...+а1х+а{))
I
(8)
За оптимальный будем принимать метод, который дает максимум величины /?при заданной величине неопределенности х.
Оценимтеперьвдияниединамичес ких методов маршрутизации (игрового и лавинного) на
а)
о,<
0,4
. ,— .. т. . к \ • ч V Г ■ 1
ч V
ч \\ \\ ч . Л ч 2
ч / ■ 1 к ч ч . V ЧЧ \ ч ч \ 4 1 \ м \
0,2
0,4
0,6
0.8
объем доступных ресурсов при изменении коэффициентов х и а(, а также параметров блоков данных служебной информации. Для этого заменим слагаемое
кВМ
Т^Ь
£
линейным коэффициентом у, который есть отношение нагрузки, генерируемой всеми узлами в единицу времени, к общему числу доступных сетевых ресурсов. Произведем также замену коэффициентов а, на коэффициенты
л
Далее, полагая, что сигнальная нагрузка подчиняется линейному закону с коэффициентом
а1) =0 , получаем следующие выражения:
Я = \-х-у, (9)
Д=1-х-а,'х=1-(1+а;)х. (10)
Построив графики соответствующих выражениям (9), (10) функций при фиксированных
коэффициентах;.'и а\, можно увидеть, что существует два интервала, на которых один из методов маршрутизации потребляет меньше сетевых ресурсов посравнениюсдругим. Точка пересечения графиков есть граница этих интервалов (см. рисунок).
Графики зависимостей для различных методов маршрутизации: а— игровой (/) и лавинный (2) методы: б— лавинный (7) и игровой (2) методы
Сплошной линией на рисунке а приведеназа-висимостьдля игрового (а = 0,5), штрихпунктир-ной и штриховой — для лавинного (у = 0,1 и 0,2) методов маршрутизации. На рисунке 6 сплошной линией показана зависимость для лавинного (у= 0,2), штрихпунктирной и штриховой (а = 0,5 и 0,7) — для игрового методов маршрутизации.
Учитывая особенности каждого из методов маршрутизации, атакже полученные зависимости, можно прийти к выводу, что применение конкретных методов маршрутизации актуально в определенных диапазонах неопределенности функционирования сети связи, т. е. игровой метод маршрутизации лучше применять при небольшом значении неопределенности. Используя предложенные соотношения, сведения об объемах проходящей посети связи пользовательской информации, атакже параметры генерации служебной информации реальных протоколов маршрутизации и сведения о характере работы сети (стационарный, нестационарный), можно дать качественную оценку применения того или иного метода маршрутизации на сети связи. Рассмотрим теперь количественный пример. Пусть блок данных Яимеетдлину 1000 байт. Каждый узел связи генерирует 100 блоков данных маршрутной информации. Сеть связи состоит из 100 узлов. Суммарная пропускная способность всех каналов связи равна 10 Мбит/с. Период генерации маршрутной информации в сети связи лавинным методом маршрутизации равен 30с. Сигнальная информация, генерируемая игровым методом маршрутизации, подчиняется линейному закону с постоянным коэффициентом а0, равным нулю, и коэффициентом а,, равным 20 Мбит/с, при 100 %-ной неопределенности. План распределения информации на сети для игрового метода задается администратором сети вручную.
Оценим объем свободных ресурсов для передачи пользовательской информации при неопределенности 10 и 50 %.
Объем свободных сетевых ресурсов при лавинном методе маршрутизации в соответствии с (6): для х = 0,1
для х= 0,5
I '
100100-1000-8
30
= 2,33 Мбит/с.
100■100■ 1 (ЮО•8 30
= 6,33 Мбит/с;
Объем свободных сетевых ресурсов при игровом методе маршрутизации: для х= 0,1
£
= (1-0,1)107 - 0,1 20 = 7 Мбит/с; для х = 0,5
I.
= (1-0,1)107 -0,5-20 = -1 Мбит/с. Знак минус последнего результата говорит о том, что объем служебной информации превышает объем сетевых ресурсов при заданной неопределенности. Это приводит к невозможности использования игрового алгоритма в подобных условиях.
Как видно из результатов вычислений, игровой метод при 10 %-ной неопределенности использует меньше сетевых ресурсов по сравнению с лавинным методом маршрутизации, тогда как при 50 %-ной неопределенности применение игрового метода не представляется возможным.
Предложенный метод анализа позволяет качественно оценить влияние применяемых на сетях связи методов маршрутизации на объем доступных для передачи пользовательской информации сетевых ресурсов. Разработанный математический аппарат наглядно иллюстрирует преимущество одного метода перед другим при заданных условиях.
Простота общего анализа методов маршрутизации и минимальный набор исходных данных (в том числе отсутствие сведений о топологии сети связи) позволяют в короткие сроки произвести оценку функционирования метода маршрутизации в заданных сетевых условиях. Полученные математические соотношения по количеству генерируемой методами маршрутизации служебной информации в совокупности со сведения ми о пользовательском трафике можно применять при детальном анализе фрагментов сети связи.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Карабуто А. Intel Developer Forum, февраль 2003: итоговый обзор, http://www.ferra.ru/online/ system/s24500/page-1.
2. 'Гурдакина Е. К 2007 году интернет-трафик увеличится в 25 раз |Статья] CNews. http:// www. cnews. ru/re views/index.shtml?2005/l 0/21/ 190420.
3. Новиков C.H. Методы маршрутизации на цифровых широкополосных сетях связи: Учеб. пособие / СибГУТИ. Новосибирск, 2000. Ч. 1. 84 с.
4. Маршрутизация и защита информации на сетевом уровне в мультисервисных сетях связи /
Буров А.А., Киселев А.А., Новиков С.Н., Сафонов Е.В., Солонская О.И.; Под ред. С.Н. Новикова; ГОУ ВПО СибГУТИ. Новосибирск, 2004. 221 с. (Деп. в ВИНИТИ 04.11.04, № 1732-В2004. Информация о статье в БУ: Депонированные научные работы. 2005. № I).
5. Novikov S.N., Burov А.А. Modeling of the Routing Process Occurring in Communication Networks with Guaranteed Quality of Service // The IEEESiberian Conference on Control and Communications, SI BCON-2003—2003. Tomsk, 2003. P. 32-35.
