CC BY
54
DOI: 10.15587/2312-8372.2018.135778
РОЗРОБКА МОДЕЛ1 ПРОГРАМНО-КЕРОВАНОГО МАРШРУТИЗАТОРА З АДАПТИВНИМ ВИБОРОМ АЛГОРИТМ1В ОБСЛУГОВУВАННЯ ЧЕРГ
Романчук В. I., Климаш М. М., Бешлей М. I., Панченко О. М., Пол1щук А. В.
Об'ектом досл1дження е процеси управлтня ресурсами черг у мережевих пристроях телекомушкацтних мереж.
Одним з найбтъш проблемних мгсць е неефективне управлтня чергами в мережевих пристроях, що призводитъ до пог1ршення якост1 обслуговування. В Их основi покладен переважно децентрализован! алгоритми управлтня ресурсами, що реал1зуютъся на окремих вузлах мережi. Другим важливим недолтом е реалiзацiя статичног ручног стратеги розподыу каналъних ресурЫв, процес управлтня яких не завжди адекватний профыю вхiдного трафту. Крiм того, в процеЫ управлтня не координуютъся ршення, отримат на окремих мережевих вузлах в конкретт моменти часу.
Для усунення зазначених недолтв пропонуетъся використати удосконалений метод обслуговування черг у мережевих пристроях, одне з ключових вiдмiнностей пропонованого тдходу полягае в тому, що ведетъся контролъ за часом перебування в чергах пакетiв. I в умовах перевищення допустимого часу очтування пакет передаетъся на чергу iз нижчим прюритетом та першочерговим обслуговуванням. Це дае можлив^тъ тдвищити ефектившстъ розподыу мережевих ресурЫв за критерiем якостi обслуговування.
Для реалiзацii даного тдходу розроблено моделъ програмно-керованого маршрутизатора, яка на вiдмiну вiд вiдомих, мае модулъну структуру та дае змогу в режимi реалъного часу вiдтворювати роботу телекомушкацтног мережi будъ-яког конф^урацп. Прототип маршрутизатора передбачаетъся використати для адаптивного обслуговування навантаження маг^тралъного рiвня. У порiвняннi з аналогiчними системами, створеними на основi обладнання CISCO, заявлена моделъ забезпечуе конкурентн переваги за гарантованою яшстю обслуговування визначених потоюв реалъного часу з одночасним зменшенням вартостi та складностi Их налаштування. За умов достатнъог продуктивностi апаратного забезпечення прототипу маршрутизатора, заявлена моделъ реалiзуетъся розробленим програмним забезпеченням. Це забезпечуе виграш за оперативнктю доставки вiдповiдних потоюв реалъного часу, а саме зниження затримок при гх опрацюваннi сягае 40 %, зниження джитеру - 35 %.
Ключов1 слова: мулътисервiсна мережа, яюстъ обслуговування, розподт ресурЫв, моделъ програмно-керованого маршрутизатора.
1. Вступ
Сучаст телекомуткацшт мережi (ТКМ) opiemoBam на надання абонентам широкого спектру послуг, кожна з яких при передавант характеризуемся piзнoтипними вимогами щодо мережевих ресуршв. Невпинне зростання потошв шформаци приводить до модертзаци телекомуткацшних мереж як в частит обладнання вузтв мереж^ так i щодо постшного розширення пропускних здатностей кaнaлiв передавання для зростаючого обсягу потокового трафшу та забезпечення якост його передавання. Збшьшення обсяпв трафшу реального часу (голос, ввдео)
створюе ряд проблем та вимагае застосування нових методiв ресурсно! оптимiзацii, протоколiв управлiння i, вiдповiдно, замiни обладнання.
Саме тому вивчення структури й особливостей трафшу в одному з li локальних сегментiв може стати основою для розроблення пiдходiв i збiжностi алгоритмiв автоматизацп, алгоритмiв безпеки й ефективного функцiонування новiтнiх прототитв програмованих мультисервiсних мереж з високим рiвнем доступу. Так механiзми повинт базуватись на удосконалених методах розподiлу ресурсiв, що мають високу масштабоватсть, швидкодiю, гнучшсть, захищенiсть, низьку операцшну складнiсть та ресурсоемнiсть. Одним iз методiв забезпечення якост обслуговування рiзних видiв трафiку е використання системи обслуговування з прюритетами. При цьому система обслуговування на основi фшсованих прiоритетiв мае iстотний недолiк. Дана система не в змозi забезпечити необхвдний рiвень QoS низькопрiоритетним потокам.
Тому актуальним е дослвдження забезпечент якост надання послуг реального часу шляхом тдвищення ефективност прiоритезацii клашв обслуговування в процес1 управлiння чергами. А також розробки нових методiв, алгоршмв i моделей управлiння шформацшними потоками у програмно-керованих вузлах мультисервшно! телекомунiкацiйноi мережi.
2. Об'ект дослщження та його технолог1чний аудит
Об'ектом досп1дження е процеси управлшня ресурсами черг у мережевих пристроях телекомуткацшних мереж.
При виборi транспортно!' телекомуткацшно!" технологи i конкретних мережевих протоколiв, зокрема, на яких грунтуеться NGN, важливим е врахування !х можливостей щодо пiдтримки та забезпечення якост обслуговування (Quality of Service, QoS ). З огляду на особливу затребуватсть наскрiзного (end-to-end) QoS на перше мшце в архiтектурi управлшня трафшом виходять рiшення саме мережевого рiвня еталонно!' моделi взаемодп ввдкритих систем. Серед процесiв мережевого рiвня важливу роль вiдiграють завдання управлшня чергами, тому що саме неефективне управлшня чергами в мережевих пристроях призводить до неконтрольованого зростання затримок i рiвня втрат пакетiв. Як показав проведений аналiз, в сучасному мережевому обладнаннi реалiзовано безлiч механiзмiв керування чергами як з точки зору !х формування та обслуговування (FIFO, PQ, CQ, WFQ, CB WFQ), так i запобiгання перевантаження (RED, WRED, ECN, SPD). 1х основною особливiстю i ключовим недолшом е переважання ручних налаштувань в ходi конфiгурацil обладнання. Це не дае змогу оперативно реагувати на змiну стану завантаженост1 маршрутизатора та мережi в цiлому, а також на варiацiю характеристик трафiку.
3. Мета та задач1 досл1дження
Метою роботи е розроблення функционально!' моделi програмно-керованого маршрутизатора для адаптивного вибору алгоритму обслуговування черг тд час виникнення флуктуацiй користувацького навантаження.
Для досягнення поставлено!' мети необхiдно виконати таш задачi:
1. Розробити програмно-апаратну платформу мультисервiсноi корпоративно! мережi з адаптивним конфпуруванням ресурсiв.
2. Дослвдити ефективнiсть запропонованих рiшень та розробити рекомендацп щодо практичного використання отриманих в роботi результат!в в сучасних i перспективних телекомунiкацiйних мережах.
4. Дослщження кнуючих р1шень проблеми
В основному Bei роботи, як присвячет методам оптимiзацiï використання мережевих pecypeiB, здебiльшого, носять теоретичний характер, пов'язаний 3i створенням нових алгоpитмiв управлшня, що робить ïx важко peалiзованими в peальнiй мepeжi оператора зв'язку. 1ншим нeдолiком icнyючиx мeтодiв е використання комплексного тдходу до управлшня шформацшними потоками без урахування особливостей кожного типу трафшу, що генеруеться piзними мережевими додатками [1]. Пвдвищення якост обслуговування iнфоpмацiйниx потошв також частково досягають шляхом вдосконалення апаpатноï cкладовоï - використанням бyфepноï cоpтyвальноï пам'ят чи сортувальних мереж [2]. Програмний шлях покращення показнишв QoS полягае в використант комбiнацiй базових диcциплiн обслуговування черг на мережевому piвнi [3] та полiпшeннi алгоритму керування iнфоpмацiйними потоками на базi WRR (Weighted Round Robin - зважений мехатзм кругового обслуговування) у вузлах телекомуткацшних мереж. У той самий час, штенсивтсть тpафiкy реального часу може бути високою, що призведе до переповнення черги для високопрюритетних пакепв, що призведе до ix вiдкидання. При цьому значна частина пам'ятi вxiдного буферу може залишатися практично не задiяною. Як результат - неефективне використання ресурсу маршрутизатора та низька якшть обслуговування [4].
Icнyючi техтчт методи управлшня трафшом в мережевих пристроях (шейтнг i полiciнг) виявляються малоeфeктивнi при оброблент тpафiкy. Зокрема, для зменшення втрат алгоритм полiciнг вимагае збшьшення пpопycкноï здатноcтi каналу, в результат! чого зменшуеться його використання (знижуеться yтилiзацiя), а алгоритм шeйпiнгy вносить затримки. Це може бути неприйнятним при обpоблeннi потокiв реального часу [5].
В робот! [6] була запропонована стохастична параметризована модель трафша на оcновi pанiшe вiдомоï cтоxаcтичноï кpивоï. Запропоновано метод, який дозволяе отримати оптимальнi (за коeфiцiентом використання мереж^ параметри цiеï модел1 при ввдомих вимогах до якост обслуговування i властивостей мультисервшно^ мepeжi. Перевага pозpоблeноï модeлi в поpiвняннi з традицшними пiдтвepджyетьcя проведеними розрахунками та моделюванням з використанням реального мультимедшного тpафiка. В pоботi [7] розглядаються методи ощнки якосл обслуговування в мультисервшних мережах пepeдачi даних зi змiшаним типом тpафiка. Аналiзyютьcя базовi фактори, що впливають на яшсть обслуговування: затримки i втрати. Дат фактори до^джуються в зв'язку з piзними типами поток1в даних: еластичних, нееластичних. В доcлiджeннi [8] запропоновано мехатзм прюритезацн тpафiка i подальшоï його обробки в вузлах мережг Кpитepiем оптимiзацiï е зменшення затримки пакета в бyфepi пристрою.
Деяк автори пропонують виpiшити другу проблему за допомогою динамiчноï змiни pозмipy черг iндивiдyально для кожного класу тpафiкy. Такий метод може допомогти, але мае серйозний недолш, який полягае в мexанiзмi pозподiлy пам'ят [9]. Пepepозподiл пам'ятi черг може виявитися довготривалим з урахуванням кшькосп черг та динамiчноcтi iнтeнcивноcтi навантаження. Бiльшe того, у процес перерозподшу пам'ятi, iншi процеси, наприклад, пакепв, будуть змyшeнi зачекати до поки не завершиться процес пepepозподiлy пам'ят [10].
Таким чином, результати аналiзy дозволяють зробити висновок про те, що для одночасного забезпечення piзниx вимог до паpамeтpiв QoS мультисервшних послуг в cиcтeмi зв'язку необхвдно впроваджувати новi алгоритми керування трафшом. Ц1
алгоритми, в свою чергу, повинт враховувати особливост рiзних видiв послуг 1 забезпечувати ефективне використання ресурсiв мережа Потрiбнi гнучк рiшення в мережних пристроях, як грунтуються на ощнювант i прогнозуваннi стану ресурсiв, обсяп навантаження та полягають у правильному !х балансуваннi.
5. Методи дослщжень
На даний момент шнуе велика кшьшсть засобiв для моделювання мережних процешв, як дозволяють тестувати запропоноват алгоритми та оцiнювати ефективнiсть конкретного ршення. Проте серйозним недолiком бшьшост з таких засобiв е те, що вони використовують статистичнi методи та анал^ичт залежност для розрахунку стану системи в певний момент часу. Таким чином, година роботи реально! мережi може моделюватися протягом десятшв секунд, що не е ефективним, коли моделювання виконуеться у реальному чаш, наприклад, моделювання алгоршмв роботи з пам'яттю мережевого пристрою, формування та обслуговування черг пакепв у маршрутизаторi.
Саме тому у робот розроблено модель програмно-керованого маршрутизатора, яка працюе в режимi автоматичного вибору алгоршмв обслуговування черг для забезпечення гарантовано! якост .
Найтиповшим елементом в структурi е потш пакетов. Тож, найпершим видiлено об'ект «Потт». Вш являе з себе багатовимiрний масив, де в стовпщ перше значення е деяким унжальним ключем (ввдлш часу для пакетов). А iншi значення - набiр nараметрiв, що характеризують конкретний елемент (тип пакету, прюритет, адреса одержувача, необхвдна мiнiмальна та бажана пропускна спроможнiсть, допустим! вимоги до QoS та iн.). Також в цьому об'екп реалiзовано ще ряд методiв: визначення параметра Херста, визначення пачечносп потоку, визначення його статистичних характеристик та ш
Для кожного випадку потiк потрiбно задавати згiдно сво!х правил, наприклад, для мультисервiсних послуг - послвдовтсть пакетiв, розподiленим за певним законом, що описуються реальними властивостями та !х прiоритет за певний промiжок часу. Тому необхвдно створити об'ект - «Генератор початкового потоку». Вш повинен зчитувати необхвдний потiк iз заданого джерела, або сам його генерувати за наданими принципами.
Так само у вшх структурах е «Робочий елемент». Це власне програмно-керований мережевий пристрш (маршрутизатор, комутатор), який обробляе пакети згiдно принцiв апаратно! архiтектури та включае у себе елементи, що вносять у систему поняття обмеженост ресурсiв: смуга пропускно! спроможностi каналу в 1Р мережг Цей об'ект дуже специфiчний для кожно! задачi. Але його можна описати в глобальному масштабi через так! параметри:
- робочий ресурс (потужтсть процесора фiзичноi (вiртуалiзованоi машини), максимально можлива пропускна спроможнiсть);
- стан (усталет робочi параметри);
- змта стану (нове завдання, поломка);
- стутнь завантаження ^процесора, буферного ресурсу, каналу зв'язку та ш).
Так як завжди е група «робочих елементiв», що працюють спшьно, то необхiдно
створити iнтегруючий об'ект - «Система», яка завжди буде описувати роботу елеменпв у сукупностг Його параметрами будуть: масив «робочих елементiв», стан системи, змта стану системи, загальносистемш та середш показники завантаження. Останнш основний об'ект - «Розподшьник» - об'ект, який здшснюе
через «потоки» взаемодш мiж об'ектами «генератор початкового потоку» та «система», виршуючи при цьому поставлену задачу розподшу потошв. Його параметрами е цший ряд об'екпв, що вирiшують pi3Hi типовi задачi. Перелiчимо ix нижче. Найважливiшим об'ектом-параметром е об'ект «Керування», який вирiшуе задачi розподiлу вхвдного (виxiдного) потоку пакетов в «Розподтъник» мiж виxiдними (вxiдними) потоками. Для ощнки адекватност запропонованих наукових ршень видiляеться черговий об'ект-параметр «Оптимизация».
В даному випадку програмно-керований маршрутизатор з перспективою на майбутне мае можлившть накопичувати iнформацiю минулих рiшень, початкових даних й уточнювати прийнят! ршення, виходячи з цього обсягу шформаци. За дану функцiю вiдповiдае об'ект-параметр - «Пам'ятъ». Можливост застосування прогностичного контролю диктують появу об'екта-параметра «Прогноз». Вс цi об'екти описують загальн принципи взаемодй' моделi з задачами прогнозу, оптимiзацii та iн. А реальн методи прогнозу, оптимiзацii та in задаються в успадкованих об'ектах, що дозволяе легко змiнювати вживаний метод, не змшюючи структуру всiеi моделi.
Дана програмна модель мережевого пристрою була реалiзована програмними засобами динамiчноi об'ектно-орiентованоi мови програмування С++. Загальний вигляд програмно!" моделi представлений нижче за допомогою UML-дiаграми - рис. 1.
В-ф Row
Sj). initiafce^arrayji fjjnn-param, 'array_oF_param$) О average q despereion Q deviation
— G htist
О sfieejter(r.:art, fength_ske): Röw О sloe_time(staft, lengöt_sbce) r Flow О stcejypeftype): Flow Фд length: Integer params : Array j uneqparam: Array
Bj^t Baäancer
rtSafiTefsvitem, flow, шаги Q drawjdata: String
0 Generator |
¡пЬаЙ2е(5с-иг-:е_йгесюгу; type_ofJa;v, mode, "params)
Q generate_flow : Row -1
Q (aw_heavy_taSk3. b, *params) Q lawjTcrmal(mean, dko-, "params) О tewjxessontlyafflda, "jwüns) О taw_unifiyin(' params) Q readjdata
Q speaaljSstriution^pararis) inputjdafcajTom Jte : Array ф] mods: Stwg ÖJ typejofJaw: String
je, made, 'param«)
Q <Hjtput_data: Array о woricj^ftttinocte, "parens) CjT] flow:Flow manage: Manage memory r Memory optimize fen : Opümizatian
precfct : Predci -
■5?j system ■ System
□ Ü5 System
<4
Рис. 1. UM
Я
irebaSze(T ode, "Würfcjjni*; Rxnum О aöd_tfemeflt(. пт<_игЛ) 0 changejäemerftfrümbv}
Q de!ete_efement(*n umber) О generaJ_system_statist)c: Air а у
Q new.statiS^cv.'jdata, "control) О statst>c_elements; Array q status ¡Array * elements: Array mode: Rxnum size: Integer
"j Workjjrit
initiafize[Liiq_pafam, wodtjesource, "pararra) О new_status(f j. jdats, "control) c О status:Array i^] mode: Fixnum ] params; Array
El Manage
initialize t-":e_sys'em) О ne«_status{:cpar'arra) О resdtCask) * < Q startfask) _
Q statistic : Am у -
¡5-Tj status : Ajray
55 Optimization
init>alize(inout_dabr target) • Q kriterty(!erget) _
о startt-ask) t I
Q statistic: Array ■
data: Array fj] target: String
S-ф Predict
niBafeeCSow, time _ofj* edict, "paran-.s)
Q result: Array -
• flow I Flow fig] hurst: Rxnum ф] par am ; Array pred<t: Array
T л
В ш Memory
initialiie(struit^e_of_meniory): Hash Q fofgetCriumbers) Q teamC"stati5tic) |
■ О u5ejnemory(*rujn-bers): Агтау ■ (¿п structure: Hash
5tatiSbc_inform: Array iid : integer Viorfc_resource: Array
ML-дiаграма програмно!" моделi вiртуальноi тестово!" платформи мережi
нового поколшня
Слвд ввдзначити, що кольори стрiлок не несуть додатково! iнформацii, а лише полегшують сприйняття. Для оцiнки ефективност запропонованих рiшень у робот! створено вiртуальну тестову платформу з використанням iнструменту QtCreator (версiя 5.2). Перевагою цього шструменту е те, що створет на ii основi програми можуть бути скомпiльованi для роботи на будь-якш операцiйнiй системi, наприклад, Windows, Linux або Mac.
Основою для розробки вiртуалiзованих мережевих компоненив е мережевi API, як надаються програмiстам у формi сокетiв. Сокет - це об'ект, який поеднуе IP-адресу кшцевого пристрою та TCP порт програмного процесу на операцшнш системi кшцевого пристрою. Дат передаються мiж сокетами у потоковому режимi по мiрi ix надходження на передавач. У розробленiй платформi сокет вiдповiдае фiзичному порту справжнього мережевого вузла. Таким чином, забезпечуеться абстракция вiд канального рiвня i вся увага зосереджуеться на обробщ даних на рiвнi мережевому рiвня. Щоб повнiстю абстрагуватися вiд канального рiвня, створено вiртуальний IP-пакет, з яким можуть працювати вузли тестово! платформи. Мережевий стек, задiяний у розробленiй тестовiй платформi ввдображено
Рис. 2. Мережевий стек розроблено! тестово! платформи мережi нового поколшня
На oснoвi розроблено! тестово! платформи розроблено програмну модель IP-маршрутизатора (дaлi VNR-вipтуaлiзoвaний мережевий маршрутизатор) та генератор мережевого трафшу.
Центральним елементом в apхiтектуpi VNR е буфер без блокування, pеaлiзoвaний на oснoвi бiблioтеки Boost верси 1.53. Для кожного класу тpaфiку у буфеpi створюеться окрема черга з заданою довжиною. Пакети потрапляють в буфер через сокети. Сокет ввдповвдае порту фiзичнoгo маршрутизатора. Кожен сокет
обробляеться в окремому потощ, який читае iнформацiю по Mipi 11 надходження i створюе вiртуальний IP-пакет (рис. 3).
Вiртуальний маршрутизатор
В1ртуальний IP пакет
Процес 1
1
Даш
В1ртуальний маршрутизатор
Процес n
{
Мережева комушкацшна платформа
4: Транспортний
piBeHb
3: Мережевий ршень
2: Канальний рiвень
1: Фiзичний рiвеньl
Передача даних
Данi
Даш
4: Транспортний рiвень
Даш
3: Мережевий рiвень
Даш
2: Канальний рiвень
1: Фiзичний рiвень
Система 1
Система 2
Лопчне з'еднання на кожному i3 рiвнiв Реалiзацiя комушкацп
Рис. 3. Органiзацiя процесу передавання вiртуального IP-пакету
Коли пакет сформовано, потш перерахуе контрольну суму CRC i записуе пакет у чергу буфера ввдповвдно щодо класу трафшу, пiсля чого потш готуеться до отримання нового пакету. Завдяки такому мехатзму можна моделювати будь-який тип пакету чи протоколу.
Архкектура розробленого VNR представлена на рис. 4 i складаеться з об'ектiв, що моделюють конкретнi функци маршрутизатора. Так процеси, як прийом та передавання пакетов моделюються в паралельних потоках [11]. Для зчитування пакетов з буфера використовуеться окремий потш, який моделюе функци маршрутизацн. Такий потiк може реалiзувати будь-який заданий алгоритм обробки черги. Потiк зчитуе пакет з черги, аналiзуе його IP-адресу та здшснюе 11 пошук у таблиц маршрутизацн. Якщо запис у таблиц маршрутизацн знайдено, потш збшьшуе значения поля TTL на одиницю. Шсля чого змiнюе значения поля ToS, а саме до значения затримки, записаного в цьому полi, додае затримку набуту пакетом у процес його обробки на поточному маршрутизатора Пiсля цього пакет надсилаеться до пункту призначення через вiдповiдний вихвдний порт.
Графiчний штерфейс користувача (графiчний монiторинг, налаштування napaMeTpiB, _програмне-керування)_
Мережева комушкацшна платформа Рис. 4. Архтктура вiртуaльного мережного маршрутизатора (VNR)
Вихвдт порти перебувають пiд керуванням окремого потоку, який реaлiзуе функци менеджера вихвдних портов. Для автоматизованого режиму роботи користувач мае змогу налаштовувати параметри моделi в режимi реального часу за допомогою грaфiчного штерфейсу. Що дае змогу динaмiчно змiнювaти швидшсть обробки пaкетiв, правила маршрутизацп, параметри портгв та встановлювати маршрути через декшька послiдовно з'еднаних мережних пристро!в. Основне вiкно для налаштування пaрaметрiв VNR вiдобрaжено на рис. 5. Для проведення експеримепив у робот! створено утверсальний генератор трафшу, в основi якого використана розроблена тестова платформа. Використовуючи сокети, генератор пiдключaеться до комутатора та створюе вiртуaльнi IP-пакети з заданого розмiру та пересилае !х на вiртуaльний маршрутизатор. Генератор дае змогу вибрати профшь трафшу в зaлежностi вiд експерименту. Перший тип генерацп - це генеращя на основi випадкових послiдовностей. Для цього бiблiотекa Boost мiстить ряд генерaторiв випадкових чисел, як працюють на основi зaконiв розподiлу Ерланга, Паретто, та можлившть генерувати значения, розподшент за броунiвським рухом. Для aнaлiзу мережного трaфiку використано шструмент пiд назвою TCPUMP. У результата збору щею утилiтою отримано дат про потоки та пакети, що надходили на вибрат порти транспортно! мережi Нaцiонaльного уиiверситету «Львiвськa полтхтка» (Укра!на) [13, 14] (рис. 6).
Main Window
mm
^закрыть I
Керування маршрутизатором Мониторинг вхщних ¡нтерфейав Затримка обслуговування пакет®
-Налаштування сервера для встановлення вхщних з'еднанн
Порт службового ¡интерфейсу для | <034
пщ'еднання I-
Пщ'еднаЫ мережев1 пристроТв
^J [запустити службовий сервер] [зупинити службовий сервер]
Пристрм 192.168.0.100 1нтерфейс №1 готовий Пристрм 192.168.0.100 1нтерфейс №2 готовий Интерфейс
Пристрм 192.168.0.100 1нтерфейс №2 готовий ========1нтерфейс
========1нтерфейс
: 55129 пщ'еднаний передавати даик : 55130 гнд'еднаний передавати даик №2 не активний: з' :55131 пщ'еднаний передавати даик №2 не активний: з' №1 не активний: з'
до першого ¡нтерфейсу. до другого ¡нтерфейсу.
еднання закрито ===== до другого ¡нтерфейсу.
еднання закрито = 'еднання закрито =
Server started. Listening on port: 1234
^Налаштування параметр® маршрутизаци' Швидккть обробки (пакетю/секунду):
у ,| Швидккть обробки: 100 пак./с (10 мс)
Налаштування вихшних ¡нтерфейав
1нтерфейс №3: Фгаична адреса: 1192.168.0.100
I Лопчна адреса (порт): |9998
|[nterface3|
Router
llnterfaceil
Рис. 5. Основне bïkho для налаштування napaMeTpiB VNR
x 106 Профiль трафiку
6 -I-1-1-1-г
го IZ
100 200 300 400
Час, мс
500
600
а
Пстограма поступлених пакелв
4.5
6
4
2
0
0
0.5
Probability Function
4.5 x 106
Рис. 6. Iмовiрнiсно-стaтистичний aнaлiз вихвдного трaфiку корпоративно! шфокомуткацшно! мережi: а - профiль вхщного трaфiку; б - гiсторгaмa поступлених пaкетiв; в - густина розподшу трaфiку; г - фуикцiя розподшу трaфiку
Збiр трaфiку проводився протягом чотирьох годин i п'яти хвилин. В результата aнaлiзу отриманих результатав, виявлено, що у трaнспортнiй мережi передаеться в основному шiсть клашв трaфiку, якi вiдповiдaють специфшаци МСЕ-Т. Велика частина трафшу - це потоки реального часу VoIP та IPTV.
1
0
x
6. Результати дослщження
У робота [12] розроблено модифшований метод управлшня чергами M-CBWFQ (Modified - Class-Based Distributed Weighted Fair Queuing) в мультисервшних вузлах
функцютально-opieHTOBaHoii корпоративно! мережг Одна з ключових вiдмiнностей пропонованого рiшення полягае в тому, що ведеться контроль за часом перебування в чергах пакепв i, в умовах перевищення допустимого часу очшування, пакет передаеться на чергу i3 нижчим прiоритетом та першочерговим обслуговування. Використання даного методу в мережевих пристроях дае змогу тдвищити ефективнiсть розподiлу мережевих ресуршв за критерiем якост обслуговування. Для перевiрки ефективност запропонованого алгоритму M-CBWFQ налаштовано тестову платформу вiдповiдно до схеми на рис. 7, а. Побудована тестова платформа складаеться з чотирьох маршрутизаторiв, як з'еднанi мiж собою, i з двох генераторiв трафiку. Кожен маршрутизатор i генератор встановлюеться на окрему фiзичну машину, параметри яко! е такими: модель процесора Intel E2200, обсяг оперативно! пам'ят 3 Гб. Вс фiзичнi машини з'еднанi за допомогою одте! локально! мережi, максимальна швидшсть каналiв яко! становить 100 Мбiт/с. Кожен маршрутизатор налаштований таким чином, що обробляти в середньому 100 пакетов в секунду зi всiх вхщних iнтерфейсiв. Це означае, що для обробки одного пакету потрiбно близько 10 мс. Така продуктивтсть вибрана з метою вiзуального вiдображення процесу обслуговування пакетов у реальному часг Biдповiдно до цього були налаштоват генератори трафiку. Для оцiнки ефективност алгоритму M-CBWFQ створено маршрут, який проходить через усi створенi маршрутизатори. Цей маршрут починаеться з генератора (VNG1) i проходить через усi VNR. Останнiй VNR вiдправляе уи пакети знову до VNG1. VNG мае порт, що дозволяе отримувати пакети. Таким чином, VNG може вщм^ити пакет i, отримавши його назад, обчислити загальну затримку (RTT - час обходу петл^ пакету вздовж маршруту. Профшь трафiку, отриманий внаслiдок монiторингу реально! транспортно! мереж^ представлений на рис. 7, б. VNG1 призначений для генерування мультисервшного трафiку рис. 7, в.
100
200 300
Час, секунди
400
500
0
б
1нтенсивнкть вихщного навантаження VNG1
Рис. 7. Програмно-апаратний комплекс мультисервшно! функцiонально-орiентовано! корпоративно! мережг а - тестова платформа мережц б - профiль входного трафiку; в
- iнтенсивнiсть вихщного навантаження на VNG1; г - штенсивтсть вихiдного навантаження на VNG2; д - схема налаштування тестово! платформи для перевiрки ефективностi запропонованого алгоритму M-CBWFQ
Другий генератор (VNG2) налаштовано на генеращю одного потоку 1РТУ з мiжпакетним iнтервалом, що дорiвнюе 20 мс (рис. 7, в). Розмiр кожного пакету в цьому потощ - 1400 байт. Параметри для генераци цього потоку взято на основi усереднення параметрiв 1РТУ потошв, отриманих внаслiдок монiторингу локально! мережi за допомогою WireShark. Другий генератор налаштований таким чином, щоб цiлеспрямовано вносити випадкову затримку в усi пакети 1РТУ потоку, що дае змогу наочно ощнити ефект роботи алгоритму M-CBWFQ. Варто зазначити, що кожен вiртуальний маршрутизатор дае змогу динамiчно включати та виключати алгоритм M-CBWFQ прямо у процесi обслуговування трафшу. Моделювання проводилося протягом 200 с. Схема налаштування тестово! платформи для перевiрки ефективностi запропонованого алгоритму M-CBWFQ показано на рис. 7, д.
На рис. 8, а вщображено тривалшть обходу петлi кожним пакетом, що повернувся на перший генератор, а на рис. 8, б - тривалшть обходу петлi кожним пакетом згенерованого 1РТУ потоку на другому генераторг
Експеримент складався з двох етатв. На першому етат використовувався алгоритм CBWFQ на вшх УNR. Другий етап розпочався на 2000 номерi пакету пiсля використання першого етапу, у якому M-CBWFQ автоматично включився.
Затримка передавання з кшця в кiнець на VNG1
Р
1600 1400
1200
, 1000 ге
Ц 800
^ 600 ге
т 400 200 0
0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000
Номер пакету
а
Затримка передавання з кшця в кшець на VNG2
3000 4000
Номер пакету
6000
'ис. 8. Порiвняння часових показнишв якост обслуговування iснуючого та пропонованого методу управлшня чергами: а - тривалшть обходу петлi пакетами агрегованого потоку на першому генераторi УNG1; б - тривалшть обходу петлi пакетами пакетами 1РТУ потоку на другому генераторi УNG2
На першому етат експерименту середне значення тривалостi обходу петлi для пакетов агрегованого трафiку складаеться як iз затримки пакетiв IPTV потоку, так i з затримки пакетов агрегованого потоку. З отриманих графiкiв тривалост обходу петлi для IPTV потоку можна зробити висновок, що затримка пакепв IPTV в деякi моменти зростала до 150-300 мс, що на 150 мс бшьше, тж критична затримка.
На другому етат, коли включено алгоритм M-CBWFQ, середня затримка пакетов IPTV потоку зменшилася у 2 рази та забезпечено яшсне сприйняття вiдео потоку при втратах до 3 %. Пакети IPTV потоку, затримка яких перевищувала критичну, маршрутизатор зберiгав у високопрюритетну чергу i безперервно обслуговував цю чергу аж до моменту, коли черга ставала пустою. Шсля цього маршрутизатор знову перемикався на обслуговування пакепв з низькопрiоритетних черг (рис. 9).
1СНУЮЧИЙ СБШРО
Втрати паке™ у буферi 1РТУ
диене #3 - Мах, ¡Иге = 23
1
I-I-1---1---г---1---1---р-■-<->-1---1--->
а ю 44 а И юв
Чижунпн
Завантаження буфера !РТУ
Чаг, гекунди
Завантаження буфера 2
* У
|- ■ ---^---------1---------1---------1---------1---------1---------1---------1
О 10 71) 30 -»й 50 но 70 £0
Чад секунди
Завантаження буфера 3
а
ЗАПРОПОНОВАНИЙ M - CBWFQ
L
Час, сскунди
Втрати паке™ у буферi IPTV
Queue #3 ■ IPTV. Max.size = 23
I-
Завантаження буфера IPTV
Час, секунде
Завантаження буфера 2
---------1---------1
|-I---1---1-t---I-1-1-1---- •-1 ---'---1-«---'---1-'---'---i
0 10 » 30 -»0 Si w
4.ic, секунды
Завантаження буфера 3
б
Рис. 9. Порiвняння завантаженостi черг рiзно! прiоритетносiт: а - завантаження буферiв та втрати в умовах використання шнуючого методу CBWFQ; б - завантаження буферiв та втрати в умовах використання запропонованого методу
M-CBWFQ
Запропоноват ршення дозволять виробляти динамiчну адаптивну настройку системи управлiння яшстю обслуговування, забезпечуючи гарантовану як1сть усiм шфокомуткацшним послугам в мережах нового поколшня, побудовано! на програмно-керованих маршрутизаторах та комутаторах.
7. SWOT-аналiз результат1в досл1джень
Strengths. У порiвняннi з аналопчними системами, створеними на основ1 обладнання CISCO, заявлена модель маршрутизатора забезпечуе конкурентн1 переваги за гарантованою як1стю обслуговування визначених поток1в реального часу з одночасним зменшенням вартост! та складностi налаштування мережних пристро!в передавання даних. За умов достатньо! продуктивност! апаратного забезпечення
прототипу маршрутизатора, обрано! з прикладних MipKyBaHb для визначених застосувань, заявлена технолопя реалiзуеться розробленим програмним забезпеченням. Це забезпечуе виграш за оперативнiстю доставки ввдповвдних потошв реального часу, а саме зниження затримок при !х опрацюваннi сягае 40 %, зниження джитеру - 35 % (наприклад, при передаваннi трафiку IPTV). При цьому з'являеться можливiсть реалiзацii високоефективного шифрування з метою захисту даних мереж спецiального призначення. Базовими показниками для отриманих оцiнок стали результати вимiрювань трафiку на маршрутизаторах компани CISCO сери 2800. Даш технологи володшть особливо значними перевагами в умовах динамiчно змшно! та масштабовано! структури мережних систем, особливо тих, що потребують значно! оперативностi доставки даних реального часу.
Weaknesses. Для досягнення високо! продуктивност маршрутизатора необхвдно встановлювати розроблене програмне забезпечення на високопродуктивних серверах. Це призводить до збшьшення вартостi виробництва.
Opportunities. Заявлена модель реалiзуеться з програмною емулящею на серверних платформах iз необхвдним рiвнем продуктивностi, а також, в перспектива
- замiною програмного забезпечення дшчих маршрутизаторiв, як продуктов, як володiють потенцiйними можливостями щодо вдосконалення !х iмовiрнiсно;
- часових характеристик, зокрема при обслуговувант великих обсяпв навантажень.
Рiшення е переспективним для мереж, як потребують застосування ефективних методiв шифрування, що створюють додатковi затримки у мережних вузлах. Пропонована модель забезпечуе збереження якост надання заданих мультимедiйних послуг за рахунок пiдвищення адаптивност транспортного сегменту телекомуткацшно! мережi при оперативному розширеннi зон покриття територш системами широкосмугового радюдоступу. А також при !х масштабувант в польових та важкодоступних умовах за допомогою нестацюнарних або квазштацюнарних вузлiв.
Threats. При впровадженнi даного продукту у виробництво тдприемству необхвдного придбати потужнi сервери, на яких ставиться розроблене програмне забезпечення програмно-керованого маршрутизатора.
Основнi прямi конкуренти - ршення Cisco Systems (приблизно 32 % ринку), D-link (приблизно 17 % ринку). Конкуренти на сьогодт не мають можливост! ввдтворити технологiчнi результати, не маючи доступу до методичного та алгоршмчного забезпечення заявлено! технологи без проведения вщповвдних дослвджень, випробувань, моделювання. Товари-замiнники ввдсутт (висновок за результатами лабораторних експериментальних випробувань). Основним бар'ером входу на ринок е ввдсуттсть зв'язк1в iз виробниками, а саме технологiчноi лши для виробництва лiнiйки комутаторiв та маршрутизаторiв, з програмним забезпеченням, яке реалiзуе заявлену модель.
8. Висновки
1. Розроблено модель програмно-керованого маршрутизатора з набором сучасних механiзмiв та алгоршмв обслуговування iнформацiйних поток1в. На основ1 моделi маршрутизатора розширено набiр фуикцiональних можливостей пристрою, зокрема, режимом розгортання вiртуальних вузлiв з можливштю гнучкого управлiння структурними параметрами та можливштю автоматизованого вiдновлення працездатностi. А також сформовано залежтсть мiж структурно-функцюнальними параметрами та параметрами якостi обслуговування.
Для ощнювання ефективност запропонованих рiшень у poôoTÏ створено програмно-апаратну платформу функщонально-орiентованоï корпоративно! мережi з використанням тструменту QtCreator (версiя 5.2). На основi розроблено! тестово! платформи реалiзовано розроблену модель вiртуалiзованого програмно-керованого маршрутизатора, який володiе функщею адаптивного вибору алгоритму обслуговування черг в умовах явища випадкових сплесшв трафiку, характерних для мультисервшних мереж нового поколiння. Адекваттсть розроблених моделей пiдтверджено на основi дослiдження iмовiрнiсних властивостей трафiку мультисервшно! корпоративно! мережi та порiвняння iз характеристиками роботи реальних маршрутизаторiв.
2. В результата проведення iмiтацiйного i практичного експерименту доведено, що застосування розроблених моделей та методiв надання iфокомунiкацiйних послуг в телекомунiкацiйних мережах, призводить до покращення якостi обслуговування потошв реального часу, а саме в середньому у 2 рази знижуе затримку обслуговування та зменшуе ймовiрнiсть втрат пакетiв на 3 %.
Л1тература
1. Dynamic weighted round robin in crosspoint queued switch / Divanovic S. et al. // 2013 21st Telecommunications Forum Telfor (TELFOR). Belgrade, 2013. P. 109-112. doi: http://doi.org/10.1109/telfor.2013.6716184
2. Yfoulis C. A., Xanthopoulos C. Dynamic Router Buffer Sizing: An SLA-Based QoS Evaluation // 2010 Third International Conference on Communication Theory, Reliability, and Quality of Service. Athens, 2010. P. 104-109. doi: http://doi.org/10.1109/ctrq.2010.25
3. Khan A. A., Mir and Najeeb-ud-din R. N. Buffer aware arbiter design to achieve improved QoS for NoC // TENCON 2017 - 2017 IEEE Region 10 Conference. Penang, 2017. P. 2494-2499. doi: http://doi.org/10.1109/tencon.2017.8228281
4. Research of on-board optical burst switching weight-weighted round robin assembly algorithm based on the QoS guarantee / Liao S. et al. // 15th International Conference on Optical Communications and Networks (ICOCN). Hangzhou, 2016. P. 1-3. doi: http://doi.org/10.1109/icocn.2016.7875732
5. Barreiros M., Lundqvist P. Policing and Shaping. QOS-Enabled Networks: Tools and Foundations. Vol. 1. Wiley Telecom, 2016. P. 101-116. doi: http://doi.org/10.1002/9781119109136.ch6
6. Deploying QoS-assured service function chains with stochastic prediction models on VNF latency / Lei T. H. et al. // 2017 IEEE Conference on Network Function Virtualization and Software Defined Networks (NFV-SDN). Berlin, 2017. P. 1-6. doi: http://doi.org/10.1109/nfv-sdn.2017.8169837
7. Quality of service in networks with self-similar traffic / Hirchoren G. A. et al. // 2017 XVII Workshop on Information Processing and Control (RPIC). Mar del Plata, 2017. P. 1-5. doi: http://doi.org/10.23919/rpic.2017.8214328
8. Qianlin L., Hongwei D., Qing C. Performance evaluation of polling scheme with different priority service // 2016 8th IEEE International Conference on Communication Software and Networks (ICCSN). Beijing, 2016. P. 58-63. doi: http://doi.org/10.1109/iccsn.2016.7586599
9. Bisoy S. K., Pandey P. K., Pati B. Design of an active queue management technique based on neural networks for congestion control // 2017 IEEE International
Conference on Advanced Networks and Telecommunications Systems (ANTS). Bhubaneswar, 2017. P. 1-6. doi: http://doi.org/10.1109/ants.2017.8384104
10. Bahaweres R. B., Fauzi A., Alaydrus M. Comparative analysis of LLQ traffic scheduler to FIFO and CBWFQ on IP phone-based applications (VoIP) using Opnet (Riverbed) // 2015 1st International Conference on Wireless and Telematics (ICWT). Manado, 2015. P. 1-5. doi: http://doi.org/10.1109/icwt.2015.7449215
11. Investigation the modified priority queuing method based on virtualized network test bed / Beshley M. et al. // The Experience of Designing and Application of CAD Systems in Microelectronics. Lviv, 2015. P. 1-4.
doi: http://doi.org/10.1109/cadsm.2015.7230779
12. Method for processing multiservice traffic in network node based on adaptive management of buffer resource / Romanchuk V. et al. // 2018 14th International Conference on Advanced Trends in Radioelecrtronics, Telecommunications and Computer Engineering (TCSET). Lviv-Slavske, 2018. P. 1118-1122. doi: http://doi.org/10.1109/tcset.2018.8336390
13. Investigation and Simulation of System for Data Flow Processing in Multiservice Nodes Using Virtualization Mechanisms / Klymash M. et al. // 2017 IEEE First Ukraine Conference on Electrical and Computer Engineering (UKRCON). Kyiv, 2017. P. 989-993. doi: http://doi.org/10.1109/ukrcon.2017.8100397
