ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ВНЕШНИХ ДЕСТРУКТИВНЫХ ВОЗДЕЙСТВИЙ НА ЭЛЕМЕНТЫ МУЛЬТИСЕРВИСНОЙ СЕТИ СВЯЗИ Текст научной статьи по специальности «Компьютерные и информационные науки»

УДК 004.056

Исследование влияния внешних деструктивных воздействий на элементы мультисервисной сети связи

С. Н. Новиков, С. А. Петров

В работе приведены результаты имитационного моделирования протоколов маршрутизации MPLS и OSPF в условиях внешних деструктивных воздействий на элементы МСС. При моделировании использовались программные продукты Opnet Modeler v 14.0 и Graphical Network Simulator 3 v 1.3.13 (GNS3).

Ключевые слова: мультисервисная сеть связи, маршрутизация, MPLS, OSPF, внешние деструктивные воздействия, имитационное моделирование.

1. Постановка задачи

Многочисленные исследования доказывают значительное влияние протоколов сетевого уровня на параметры QoS приложений мультисервисных сетей связи (МСС). Данный факт стимулирует производителей телекоммуникационного оборудования к исследованию, разработке и внедрению новых, более совершенных программно-аппаратных комплексов, реализующих процедуры маршрутизации. Вместе с тем такие комплексы являются структурообразующими для МСС. Это означает, что изменение методов маршрутизации всегда влечет за собой серьезные материальные затраты и проведение глобальных организационно-технических мероприятий на действующих сетях. Желательно иметь универсальные комплексы, реализующие процедуры маршрутизации, способные поддерживать любые технологии формирования пакетов пользовательской информации (ATM, IP всех версий, Ethernet и т.д.). В результате был разработан протокол MPLS [1], реализующий «статистический» метод формирования плана распределения информации (ПРИ) [2]. Применение MPLS совместно с другими сетевыми технологиями (ATM, IP всех версий, Ethernet и т.д.) обеспечивает QoS неограниченного спектра приложений и не требует значительных материальных затрат на действующих МСС.

«Статистический» метод формирования ПРИ организует маршрут по накопленной статистики ранее установленных соединений. Это является достоинством данного метода и одновременно серьезным недостатком. Можно предположить, что в условиях внешних деструктивных воздействий на элементы МСС из-за отсутствия статистической информации данный метод не сможет оптимально решать задачи процедур маршрутизации.

В работе [3] было проведено исследование данного предположения. Процесс использования сетевых ресурсов, необходимых для реализации анализируемых методов маршрутизации в МСС, предложено описывать (в общем случае) полиномиальной зависимостью:

rrout) = .xn + ^,хп-1 +... + a _x + Qq (1)

üj; i = 0, n - коэффициенты, значения которых зависят от применения метода маршрутизации (ROUT) на сети связи.

0 < x < 1 - переменная, которая определяет степень недоступности общих сетевых ресурсов. Здесь под общим сетевым ресурсом МСС, содержащей S узлов коммутации,

R o = Z rij [бит/с] (2)

j, j=1; j * j

понимается совокупность средних пропускных способностей линий связи за время наблюдения T

1 T _

rij = lim -j jt)dt; i, j = 1, S; i * j [бит/с].

T ^да T о

Переменная x имеет следующий физический смысл.

1. Влияет на величину средних сетевых ресурсов, необходимых для организации маршрутизации. Действительно,

{X = 0, то используются минимальные сетевые ресурсы при процедуре ROUT;

X=1, то используются максимальные сетевые ресурсы при процедуре ROUT.

2. Определяет часть сетевых ресурсов, которые подвержены внешним деструктивным воздействиям ). В этом случае средние сетевые ресурсы, оставшиеся после воздействия

(t) на МСС, определяются выражением:

R'o = (1 _x)-Ro = (1 _x)- Z rj [бит/с]. (3)

i,j=1;i * j

В этом случае средние сетевые ресурсы, доступные для передачи информации того или иного приложения МСС, определяются выражением:

Ru = Rq_R(ROUT) [бит/с]. (4)

В результате, подставляя (1), (2), (3) в выражение (4) и преобразуя с учетом особенностей OSPF и MPLS, был получен теоретический результат, утверждающий, что в условиях внешнего деструктивного воздействия, при котором примерно 30 % сетевых ресурсов МСС выходит из строя, целесообразно применять «лавинные» методы формирования ПРИ (например, OSPF) по сравнению со «статистическим».

Однако предложенный подход имеет значительное ограничение - не учитывается структура сети. В этой связи представляет интерес проведение дополнительного исследования данного результата.

2. Выбор среды имитационного моделирования МСС в условиях влияния внешних деструктивных воздействий

В условиях отсутствия возможности проведения натурного эксперимента влияния внешних деструктивных воздействий в качестве инструментария выберем имитационное моделирование и проведем анализ существующих программных средств моделирования МСС.

В табл. 1 приводятся функциональные возможности и особенности некоторых из известных коммерческих и свободно распространяющихся программных продуктов имитационного моделирования телекоммуникационных систем (ТКС).

Таблица 1. Сравнение функциональных возможностей и особенностей некоторых из извест-

ных программных средств имитационного моделирования ТКС

Продукт Реализация OSPF и MPLS Настройка библиотеки устройств Мониторинг пакетов сети По-строение графиков Генерация отчетов Написание и подключение собственных модулей Развитый графический интерфейс Простота освое вое-ния Стоимость, USD

Opnet Modeler ДА - ДА ДА ДА - ДА - ~ 20 000

SES/Strategizer ДА ДА ДА ДА ДА ДА - ДА ~ 10 000

NetMaker XA ДА ДА ДА ДА ДА ДА ДА - ~ 10 000

COMNET III ДА ДА ДА ДА ДА ДА - - ~ 20 000

GPSS World Student Version - ДА - ДА ДА - - - Бесплатно

NET-Simulator - - ДА - ДА - ДА ДА Бесплатно

Network Simulator-2 ДА - ДА ДА ДА ДА - - Бесплатно

Cisco Packet Tracer Student Только OSPF ДА ДА - - - ДА ДА Условно бесплатно*

Graphical Network Simulator 3 ДА ДА ДА - - ДА ДА ДА Бесплатно

OMNeT++ INET Framework ДА ДА ДА ДА ДА ДА ДА - Бесплатно

AnyLogic PLE - ДА - ДА ДА ДА ДА ДА Бесплатно

* Программа распространяется бесплатно, но доступна только зарегистрированным слушателям и инструкторам Сетевых академий Cisco, а также выпускникам программы Cisco Networking Academy.

Анализ функциональных возможностей средств моделирования ТКС, представленных в табл. 1, позволяет сделать вывод, что наиболее приемлемыми программными продуктами для решения поставленной задачи является Opnet Modeler v 14.0 [5] и Graphical Network Simulator 3 v 1.3.13 (GNS3) [6].

Opnet Modeler позволяет моделировать МСС, обладает всем необходимым для достижения поставленной цели функционалом и является бесплатной в рамках версии Academic Edition, свободно распространяющейся компанией OPNET Technologies по программе University Program.

Однако Opnet Modeler имеет недостаток - настройки сетевого трафика и сетевых элементов в этой программе закрыты от пользователя.

В отличие от Opnet Modeler, GNS3 позволяет проводить и контролировать настройки всех сетевых элементов моделируемой сети связи.

3. Выбор структуры мультисервисной сети связи

Для имитационного моделирования выбрана характерная для МСС «ячеистая» структура (рис. 1 а). В ее составе пять локальных сетей связи (LAN 1 ^ LAN 5), десять маршрутизаторов (Routerl ^ Router10) и один сервер (Server).

Каждая локальная сеть:

- организована на базе технологии Fast Ethernet;

- на транспортном уровне поддерживается протоколами TCP и UDP;

- содержит 10 компьютеров, подключенных к коммутатору по принципу «звезда»;

- генерирует трафик видеоконференции (Video Conferencing, VC) со скоростью 1350

кбит/с (размер кадра 128*120 пикселей, частота 10 кадров/сек, разрешение 9 бит на пиксель).

Рис. 1. Изменение общего сетевого ресурса в ходе одного имитационного испытания

Выбор видеоконференции обоснован тем, что именно данное приложение является характерным для МСС и предъявляет высокие требования к QoS.

Локальные сети и сервер подключены к соответствующим маршрутизаторам с помощью кабелей, поддерживающих семейство технологий Ethernet, 100 Мбит/с.

В качестве сервера в Opnet Modeler v 14.0 выступал сервер Sun Ultra. Учитывая, что в качестве приложения выбрана только видеоконференция, организованная на базе клиент-серверной архитектуры, то характеристики сервера Sun Ultra выбраны минимальными: одноядерный процессор с частотой 333 МГц с поддержкой операционной системы Solaris.

В программе GNS3 в качестве сервера выступал виртуальный сервер, созданный в программном продукте виртуализации VirtualBox от компании Oracle на базе операционной системы Windows Server 2012 R2.

4. Описание функционирования анализируемой мультисервисной сети связи в условиях внешних деструктивных воздействий

Процесс исследования влияния внешних деструктивных воздействий на элементы МСС подразумевает следующий сценарий испытаний имитационного моделирования. В одном испытании сеть функционирует в течение 30 минут. Первые 5 минут сеть работает в штатном режиме. На 5-й, 10-й и 15-й минутах последовательно выводятся из строя (в настройках используемых программ) соответственно 9-й (Router9), 5-й (Router5) и 6-й (Router6) маршрутизаторы.

Маршрутизаторы взаимодействуют между собой на канальном уровне по протоколу PPP (Point-to-Point Protocol) и соединены сетевым кабелем с одинаковой, заранее определенной (в каждом имитационном испытании) пропускной способностью r = 1 Гбит/с, r = 100 Мбит/с и r = 10 Мбит/с. Таким образом, последовательный вывод из строя маршрутизаторов и постепенное снижение пропускной способности сетевого кабеля имитирует процесс внешнего деструктивного воздействия. В каждом испытании маршрутизаторы поддерживают только один из двух протоколов: OSPF либо MPLS. Сценарий 30-минутного испытания одинаков для обоих протоколов.

Порядок выхода маршрутизаторов из строя представлен на рис. 2.

Внешние деструктивные воздействия на МСС

Router9 Router5 Router6

h

0 5 10 15 30 T [мин]

Отсутствие внешних деструктивных воздействий на МСС

Рис. 2. Порядок выхода маршрутизаторов из строя

Учитывая заданную структуру МСС и одинаковые пропускные способности сетевых кабелей (в каждом имитационном испытании), соединяющих маршрутизаторы, общий сетевой ресурс анализируемой структуры МСС в отсутствии внешних деструктивных воздействий определяется:

Яо = 12 ■ г. (5)

Введем следующие обозначения:

Я0г);' = 1,4 - общий сетевой ресурс анализируемой МСС в одном имитационном испытании на соответствующем интервале времени, который определяется:

(6)

На рис. 3 представлено изменение структуры анализируемой МСС и соответствующего общего сетевого ресурса в ходе одного имитационного испытания на интервалах моделирования: а) 0 ^ 5 минут, б) 5 ^ 10 минут, в) 10 ^ 15 минут, г) 15 ^ 30 минут.

f Ro} = 12 r интервал моделирования 0 -5 минут;

(2) Ro = 9 r интервал моделирования 5 - 10 минут;

(3) Ro = 7 r интервал моделирования 10 -15 минут;

(4) I Ro = 6 r интервал моделирования 15 - 30 минут.

5. Анализ результатов имитационного моделирования

На рис. 3-5 представлены результаты имитационного моделирования анализируемой МСС с поддержкой протоколов MPLS и OSPF с использованием Opnet Modeler v 14.0 при пропускных способностях сетевого кабеля r = 1 Гбит/с, r = 100 Мбит/с и r = 10 Мбит/с. Здесь Nттерь - количество потерянных пакетов VC за единицу времени.

| ~*~itime_average (in IP.Traffic Dropped (packets/sec)) [*—

■ basic-mpls_ppp_1 G_new-DES-1

■ basic-ospf _ppp_1 G-DES-1

Рис. 3. Пропускная способность r = 1 Гбит/с

Рис. 4. Пропускная способность r = 100 Мбит/с Рис. 5. Пропускная способность r = 10 Мбит/c

На рис. 6-8 представлены результаты имитационного моделирования анализируемой МСС с поддержкой протоколов MPLS и OSPF с использованием GNS3 v 1.3.13 при пропускных способностях сетевого кабеля r = 1 Гбит/с, r = 100 Мбит/с и r = 10 Мбит/с.

6000

5000

4000

ЗООО

2000

1000

10 15 20

Рис. 6. Пропускная способность г = 1 ^ит^

25

30

N потерь

900

вое 700 600 500

адо зоо 200 100 о

N потер ь

MPLS

OSPF

Рис. 7. Пропускная способность г = 100 Мби^ Рис. 8. Пропускная способность г = 10 Мби^

С учетом (6) рассчитаем значение коэффициента неопределенности состояния сетевых ресурсов х в (1) (степень недоступности общих сетевых ресурсов анализируемой сети) [1] по следующему правилу:

х = ; ■ = 14.

Яо

Опустим индекс г при XI и проведем нормирование результатов моделирования:

N п

N = 1 -

' потерь

дгО) потерь (тах)

; j = 1,3,

где N(¿^ь (тах); 7 = 1,3 - максимальное значение Nп0терь в каждом из трех испытаний

имитационного моделирования.

Полученные результаты расчетов представлены соответственно на рис. 9-14.

N

1

0,9 0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 0

-MPLS -OSPF

N

1

0,9 0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 0

- MPLS OSPF

S

x=0

x=0,25 x=0,42 x=0,5

x=0 x=0,25 x=0,42 x=0,5

N

Рис. 9. Нормированные результаты моделирования в Opnet Modeler v 14.0 при r = 1000 Мбит/с

1

0,9 0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 0

-MPLS -OSPF

\

Рис. 10. Нормированные результаты моделирования в GNS3 v 1.3.13 при r = 1000 Мбит/с

N

1

0,9 0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 0

-MPLS -OSPF

! \ \ *

l Л \ " / /

x=0 x=0,25 x=0,42 x=0,5

x=0

x=0,25 x=0,42 x=0,5

Рис. 11. Нормированные результаты моделирования в Opnet Modeler v 14.0 при r = 100 Мбит/с

Рис. 12. Нормированные результаты моделирования в GNS3 v 1.3.13 при r = 100 Мбит/с

Л'

1

0,9 0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 02 ОД 0

-MPLS -OSPF

X

А. \ \

\ \ V

\\

\\

\

\

\

Лт

1

0,9 0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 0J 0 2 0,1 О

Л 1Т>Т с

Mr'Lo OSPF

/ \ / \ \ \

\ > \ 1 /

х=0 х=0.25 х=0.42 х=0.5

х=0 х=0.25 х=0.42 х=0.5

Рис. 13. Нормированные результаты моделирования в Opnet Modeler v 14.0 при r = 10 Мбит/c

Рис. 14. Нормированные результаты моделирования в GNS3 1.3.13 при r = 10 Мбит/с

6. Заключение

Результаты имитационного моделирования подтверждают, что в условиях внешних деструктивных воздействий, при которых примерно 30 % сетевых ресурсов МСС выходит из строя, целесообразно применять «лавинный» метод формирования ПРИ по сравнению со «статистическим».

Литература

1. RFC 3031. Multiprotocol Label Switching Architecture, January 2001.

2. Новиков С. Н. Классификация методов маршрутизации в мультисервисных сетях связи // Вестник СибГУТИ. 2013. № 2 (25). С. 92-96.

3. Новиков С. Н. Анализ влияния методов маршрутизации на объем доступных сетевых ресурсов // Науч.-техн. ведомости СПбГПУ. 2009. С. 41-47.

4. RFC 5340. OSPF for IPv6, July 2008.

5. OPNET is now part of Riverbed Steel Central. Внутренний ресурс официального сайт компании Riverbed Technology. [Электронный ресурс].

URL: http://www.riverbed.com/products/steelcentral/opnet.html?redirect =opnet (дата обращения: 9.10.2015).

6. GNS3. The software that empowers network professionals. Внутренний ресурс официального сайта компании GNS3 Technologies. [Электронный ресурс].

URL: https ://community. gns3. com/software (дата обращения: 21.08.2015).

Статья поступила в редакцию 08.02.2016

Новиков Сергей Николаевич

к.т.н., профессор кафедры БиУТ СибГУТИ (630102, Новосибирск, ул. Кирова, 86 ) тел. (383) 2-698-245, e-mail: snovikov@ngs.ru

Петров Сергей Анатольевич

специалист по информационной безопасности (630102, Новосибирск, ул. Кирова, 86) тел. 8-983-312-60-40, e-mail: iamsergey9@mail.ru

Investigation of external destructive influence on the elements of multiservice communication network

S. Novikov, S. Petrov

In this article, the results of MPLS and OSPF simulation routing protocol in external destructive influence environment on the elements of multiservice communication network are presented. While simulating, Opnet Modeler v 14.0 and Graphical Network Simulator 3 v 1.313 (GNS3) software products were used.

Keywords: multiservice, communication network, routing, MPLS, OSPF, external destructive influence, simulation