МЕТОДИКА ЭКСПРЕСС-АНАЛИЗА УСТОЙЧИВОСТИ ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ МУЛЬТИСЕРВИСНОЙ СЕТИ СВЯЗИ Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

МЕТОДИКА ЭКСПРЕСС-АНАЛИЗА УСТОЙЧИВОСТИ ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ МУЛЬТИСЕРВИСНОЙ СЕТИ СВЯЗИ

Гель Валентин Эдуардович,

ФГКВОУ ВПО "Военная академия связи имени Маршала Советского Союза С.М.Буденного" Министерства обороны Российской Федерации, г. Санкт-Петербург, Россия, gel@rambler.ru

Вовк Валерий Васильевич,

Главное управление связи ВС РФ, Москва, Россия, Ключевые слова: сеть, устойчивость

GUS_l@mil.ru функционирования, надежность, живучесть

Информация об авторах:

Куделя Виктор Николаевич, ведущий специалист, д.т.н., ЗАО "Институт Сетевых Технологий", г. Санкт-Петербург, Россия Гель Валентин Эдуардович, начальник научно-исследовательского центра, к.т.н., доцент, ФГКВОУ ВПО "Военная академия связи имени Маршала Советского Союза С.М.Буденного" Министерства обороны Российской Федерации, г. Санкт-Петербург, Россия Вовк Валерий Васильевич, начальник управления, управление связи ВС РФ, Москва, Россия

Для цитирования:

Куделя В.Н., Гель В.Э., Вовк В.В.. Методика экспресс-анализа устойчивости функционирования мультисервисной сети связи // T-Comm: Телекоммуникации и транспорт. 2021. Том 15. №7. С. 23-27.

For citation:

Kudelya V.N., Gel V.E., Vovk V.V. (2021) Method of rapid analysis of stability functioning multiservice communication network. T-Comm, vol. 15, no.7, pр. 23-27. (in Russian)

DOI: 10.36724/2072-8735-2021-15-7-23-27

Куделя Виктор Николаевич,

ЗАО "Институт Сетевых Технологий", г. Санкт-Петербург, Россия, Kudelia.Viktor@int.spb.ru

Manuscript received 14 April 2021; Accepted 14 May 2021

Постоянное совершенствование архитектуры мультисервис-ных сетей связи (МСС) обусловлена потребностью в сетях, обладающих производительностью в десятки Тбит/с. Технология маршрутного параллелизма относится к технологиям коммутации 1Р-пакетов и подразумевает обмен пакетами с использованием некоторого множества маршрутов между отправителем и получателем - маршрутной подсистемы. Существующие сети связи являются многополюсными [1,2] и, в этой связи, термин "пропускная способность сети" теряет смысл. Исходя из этого, используется термин "производительность сети". Такая производительность требует развития методов комплексного анализа устойчивости сети и организации её функционирования. То есть устойчивая МСС рассматривается в двух аспектах: структурном и функциональном. При этом устойчивость функционирования определяется структурными характеристиками МСС. В настоящей статье рассматриваются модели устойчивости и функционирования 1Р-сетей с маршрутным параллелизмом [3], а также методика экспресс-анализа их устойчивости.

7ТТ

Технологическая концепция мультисервисной сети связи с маршрутным параллелизмом

Технология маршрутного параллелизма относится к технологиям коммутации 1Р-пакетов и подразумевает обмен пакетами с использованием некоторого множества маршрутов между отправителем и получателем - маршрутной подсистемы. В этом случае мультисервисная сети связи с маршрутным параллелизмом - это распределенные средства управления и коммутации, объединенные протоколом мультимаршрутиза-ции и реализующие несколько служб доставки на основе:

- маршрутного параллелизма доставки потоков 1Р-пакетов;

- структурно-динамической адаптации к дестабилизирующим факторам (механизмы обеспечения устойчивости функционирования сети);

- многомаршрутной коррекции ошибок в сети (механизмы обеспечения качества обслуживания) [4];

- программируемое^ структуры сети.

Модель устойчивости мультисервисной сети связи

Обобщая различные аспекты устойчивости [1, 2, 5] в работе под устойчивостью функционирования понимается способность сети выполнять свои функции при выходе из строя части элементов сети в результате воздействия дестабилизирующих факторов, то есть способность сети максимально эффективно использовать обобщенную производительность всех исправных элементов сети (сетевых узлов) и пропускную способность предоставляемых ресурсов связи (каналы, тракты и т.д.). Будем

считать, что МСС компонуется сетевыми узлами пг, пг 6 N; г =1,2,...,п с одинаковыми характеристиками. Сетевой узел представляет всю совокупность устройств, входящих в узел (включая ресурсы связи) и обеспечивает мультимаршрутиза-цию ]Р-пакетов.

Пусть МСС находится в состоянии ту е Е0 = {1,2,..., п}, если в маршрутной подсистеме имеется т маршрутов ме^ду сетевыми узлами п, и пг. Тогда модель устойчивости МСС определяется структурой из N сетевых узлов со следующими характеристиками:

Характеристика Символ Зависимость

Множество маршрутов в маршрутной подсистеме между сетевыми узлами пх и п, М{п- ) -

Упорядоченное множество маршрутов в маршрутной подсистеме между сетевыми узлами п и п1 М у Му е М(п■ ')

Мощность множества маршрутов т т = М ^ )|

Мощность допустимого множества функ- т Доп т Доп ^ т

Свойства

Каждый маршрут в маршрутной подсистеме имеет условный вес

Число маршрутов способное удовлетворить требования к качеству обслу-

ционирующих маршрутов

Мощность упорядоченного множества функционирующих маршрутов ту ту < тдо„

Производительность сетевого узла №СУ -

Коэффициент готовности сетевого узла кГ СУ -

Производительность маршрута Иг п ^ = ииДИсу

Коэффициент готовности маршрута к п п кГг ~ ПкГСУ 1

Производительность маршрутной подсистемы П(тДо„ ) а(тДо„ ) = кП Х хД(т - тДоп ) X х е(т, ^ ) к = 1,2,... Д(т - тДоп) = Г1, т ^ тя„„ I0, т < тДоп

Функция производительности е(т, ц) s(m, М) = тдоп х

живания МСС, то есть удовлетворяет требованиям принципа оптимально' сти

И-су и кг су учитывают характеристики всей со^ вокупности устройств и ресурсов связи по параллельно-последовательной схеме (метод разложения Шеннона-Мура)_

Л ^ Изад и кп > кг31

Заданные ЗНаЧеНИЯ Изад и к г зад, обеспечивают возможность решения задач коррекции ошибок на множестве маршрутов

Отказы сетевых узлов из состава маршрутов

(вплоть до N ~ к) и восстановления отказавших, приводят только к увеличению или уменьшению задержек и/или потерь (искажений) пакетов

Устойчивая МСС - это сеть, поддерживающая функционирование допустимого количества маршрутов тдоп между п„ и

пг. Допустимое количество маршрутов определяется на множестве (избыточности) сетевых узлов в МСС. Количество сете-

(

О и N - к

Доп

вых узлов переменное и заключено ме^ду кдоп - минимально допустимое число работоспособных узлов, гарантирующее наличие тдоп). кдоп обеспечивается системой восстановления. Все исправные узлы включаются в МСС и участвуют в реализации маршрутного параллелизма, что приводит к уменьшению задержек, потерь и искажений пакетов.

Современные сети связи обязательно включают в себя систему восстановления и, в силу естественной избыточности сети, процесс восстановления заключается, как правило, в исключении отказавших и включение восстановленных сетевых узлов. Будем считать, что ремонтные работы в МСС осуществляются системой восстановления, состоящей из некоторого количества устройств. Будем полагать также, что для формирования в МСС виртуальных конфигураций имеются специальные средства (узлы центра). Узлы центра предназначаются для выполнения следующих функций:

- формирование новых структур (подсетей, маршрутных подсистем) МСС за счет оперативного перераспределения сетевых узлов с участков сети с малой загрузкой на участки, требующие восстановления, а также из оставшихся работоспособных и вновь отремонтированных узлов;

- динамическая маршрутизация (формирование и/или корректура маршрутов) МСС с целью достижения соответст-

Т-Сотт Том 15. #7-2021

вия между требованиями к задержкам, потерям (искажениям) и числом маршрутов, используемых для реализации маршрутного параллелизма.

Таким образом, в МСС с маршрутным параллелизмом заложены гибкие структурные возможности для виртуализации структуры. В данном случае устойчивость МСС рассматривается только в структурном аспекте, то есть, считаем, что в МСС обеспечиваются возможности для достижения необходимого количества параллельно функционирующих маршрутов mдоп, состоящих из к исправных сетевых узлов.

k Е{кДоп, кДоп + Iv^ П}.

Модель функционирования мультисервисной сети связи

В отличие от других понятий устойчивости (живучести, надежности) в МСС устойчивость определяется и понятием «функционирование» - возможностью сети адаптироваться к изменению условий функционирования в результате воздействия внешних дестабилизирующих факторов. Исходя из этого, при построении МСС должна обеспечиваться не только возможность обеспечения тдоп количество маршрутов в маршрутной подсистеме (как следствие обеспечиваться избыточность сетевых узлов кдоп) но и рациональное использование тдоп для обеспечения максимально возможной производительности &(тДоп) и требуемого качества обслуживания. Для МСС с маршрутным параллелизмом это возможность рационального, а в идеале оптимального, распределения потоков IP-пакетов в маршрутной подсистеме (инжиниринг трафика).

В RFC 2702 «Requirements for Traffic Engineering Over MPLS» изложены общие рекомендации Internet Engineering Task Force (IETF) по решению задачи инжиниринга трафика (TE), где в качестве целевой функции оптимизации маршрутов используется выражение:

min(max кт)

где кж - коэффициент использования /'-го маршрута.

Другим вариантом постановки задачи TE является поиск такого набора маршрутов, в котором значение коэффициента использования не превысит некоторый заданный порог к

И (ns ^nt) 3 •

В производимом сегодня оборудовании применяется вариант MPLS TE с последовательным рассмотрением потоков и поиском маршрутов по очереди. Он проще в реализации и ближе к стандартам для существующих протоколов маршрутизации процедурам нахождения кратчайшего пути. В этом случае при появлении новых потоков, или изменении интенсивности существующих, или изменение характеристик маршрутов задача инжиниринга трафика может быть не решена.

Методика экспресс-анализа устойчивости функционирования мультисервисной сети связи

Исходные данные для экспресс-анализа устойчивости функционирования мультисервисной сети связи с маршрутным параллелизмом представлены в таблице.

Данные Символ Примечание

Интенсивность входящего потока к

Интенсивность входящего потока на г-м маршруте К

Интенсивность обработки пакетов на маршруте Mi Производительность г'-го маршрута

Коэффициент ГОТОВНОСТИ маршрута кП

Коэффициент простоя kHi кп, = 1" кп

Время простоя маршрута Tni Время простоя маршрута, учитывает не только простои в несправном состоянии (ремонт) оборудования из состава маршрута, но и простои в исправном состоянии, при техническом обслуживании оборудования и т.д.

Объем потока V

Постановка задачи: Оптимизировать коэффициент использования набора маршрутов в маршрутной подсистеме Kи (п, щ). То есть задача ставится практически также как и в RFC 2702, но для маршрутной подсистемы, а именно максими-

зировать функцию K

И (n, )

= П Pfcm , É Pi = 1, где В этом

- i'vHi i=1 i=1

случае

P =-

к À

■ вероятность нахождения пакета в i-том мар-

шруте. В МСС задача ТЕ может заключаться и в поиске такого набора маршрутов, в котором значение коэффициента использования маршрута не превысит некоторый заданный порог

Ки п ^п, )з. То есть требуется определить коэффициент использования набора маршрутов в маршрутной подсистеме с блоком распределения потоков при оптимальном использовании маршрутов. Пусть имеется тдоп разнородных по производительности и устойчивости функционирования маршрутов. Выберем достаточно большой промежуток времени Т такой, чтобы в течение этого промежутка все маршруты могли функционировать как в исправном, так и неисправном состояниях,

То

т.е. т — To + Tn, тогда получим кы =-O—, т о, - время

и, т + т

1 m

использования маршрута по назначению. Алгоритм экспресс-анализа включает следующие шаги:

Шаг алгоритма Содержание шага Ограничения

Шаг 0 Ввод исходных данных ^, кп кт Tm ^ i ' = ^ т Доп

Шаг 1 Расчет по формуле тДоп T K — ГТ P ЛИ(n, ^n, ) И riT Т '=1 TOi + Lm Функция Ки п ^п,) представляет собой произведение коэффициентов, каждый из которых зависит только от одной переменной \

Шаг 2

Шаг 3

Шаг 4

Шаг 5

Шаг 6

Шаг 7

Шаг 8

Шаг 9

Определение коэффициента по формуле = п

Определение коэффициента по формуле

Ci Мri (1 + MпкП1Тт)

Расчет вероятности нахождения пакета в г-том маршруте по формуле

P =-

D X C - C ^ Dt - X

тДо.

х 1 с i=1

Определим коэффициент простоя по формуле

кП1 = -

Т

± тт.

Т + Т

' / ¡. 1 1 и

Определим коэффициент использования всех маршрутов маршрутной подсистемы по формуле

Упорядочим множество M. Мерой качества работы маршрута в этом случае служит максимальный коэффициент использования i-ro маршрута при обслуживании потока объемом v, в порядке увеличения Kш max i таким образом, чтобы маршруту с номером 1 соответствовало

KHVmax i ~ max {КИГmax i }, ^

m Доп

маршруту с номером mДап -

K и

i{K И

Расчет

= 2 Di - Dm

s с i=1

Cm.

Определяем подмножество ту функционирующих маршрутов упорядоченного множества Му из системы неравенств

Хв, й 4 < Хв(м;,ту = 1,(1 +1) < тл

тдоп

ХВт,„, ^ 4 <2 М,кП, тУ = тДс

Искомое решение конкретной задачи может оказаться как внутри ограниченной области М-мерного пространства, так и за её пределами. Однако при ограниче-

решение находится только в области набора маршрутов

Известно, что такая функция при условии принятых ограничений в М-мерном евклидовом пространстве является одноэкстремаль-ной и отсюда вероятность нахождения пакета в г'-том маршруте, который максимизирует производительность маршрутной подсистемы т Доп. Формула для Р1 определяет для условий максимума КИ^ ) без учета одного из достаточных условий его существования р ^ 0 .

Параметром включения к-го маршрута будет такая интенсивность входящего потока Xвк, при которой для выполнения условий максимума функции

Ки() при увеличении входящего потока необходимо включать в функционирование г-ый маршрут упорядоченного множества

М у

Параметр ХВтопределяется из формулы для Р при условии Р = О

Для

тДоп

X Н-,kг i=1

Далее, определив по заданной интенсивности входящего потока подмножество функционирующих маршрутов ту, по формуле для Рг находим вероятность попадания пакета в маршруты, а по формуле для КИ ^ ^) - коэффициент использования маршрутной подсистемы.

Определим подмножество ту функционирующих маршрутов и допустимую интенсивность входящего потока ^доп по заданной величине КИ^^п). Обозначим через КИУБт средний коэффициент использования, соответствующей параметру . Подставляя в значение р и , после нескольких преобразований получаем

KMVB1 KMVmaxl;

K

Cm

MVBnty

(

Dm

2 D - Dm^

\

Cm

C —

C2d.

DC

m > 2

"у У

Подмножество функционирующих маршрутов m упоря-

доченного множества венств

M

у определяется из системы нера-

KHVBl < KHV3 , my

^HVB(i+1) — KHV3 < KHVBi, my ~ i;

к < K

^MVS — MVBmn

my = m

Доп

Решение ту = 0 при киуы < киуз означает, что заданный коэффициент при выбранном варианте использования набора маршрутов реализован быть не может. Допустимая интенсивность входящего потока ^доп при определенном числе

функционирующих маршрутов ту и заданном Кшз получается из

m

KHv3m -1=1

1=1

ZC2

D

m ч

KMv3m' i=1

m Л

z C2

D

my

-4Km\ SC,

\доп

2Kr,

Литература

1. Рябинин И.А. Надежность и безопасность структурно сложн^1х систем. СПб.: Политехника, 2000. 248 с.

2. Монахов О.Г., Монахова Э.А. Исследование топологических свойств регулярных параметрически описываемых структур вычислительных систем // Автометрия. 2008. №2. С. 56-67.

T-Comm Том 15. #7-2021

НИИ я <2 И к, искомое

! = 1

m

m

т

i=1

i=1

2

2

i=1

Bm

i=1

:=1

3. Куделя В.H., Гель В.Э Технологическая концепция защищенной сети передачи данных с маршрутным параллелизмом // Научно-технический сборник №100. Труды Академии. СПб.: ВАС, 2017. С. 247-262.

4. Viktor Kudelya, Valentine Gel, Valeriy Vovk. Technological model and sustainability assessment methodology of the multiservice

communication network functioning // T-Comm: Телекоммуникации и транспорт. 2021. Том 15. №6. С. 70-74.

5. Хорошевский В.Г. Модели функционирования больше-масштабных распределённых вычислительных систем // Электросвязь. 2004. №10. С. 30-43.

METHOD OF RAPID ANALYSIS OF STABILITY FUNCTIONING MULTISERVICE COMMUNICATION NETWORK

Viktor N. Kudelya, Institute for Networking Technology, Saint-Petersburgt, Russia, Kudelia.Viktor@int.spb.ru Valentine E. Gel, Military Academy of Communications, Saint-Petersburg, Russia, gel@rambler.ru Valeriy V. Vovk, General Directorate of communications, Moscow, Russia, GUS_l@mil.ru

Abstract

Continuous improvement of the architecture of multi-service communication networks (MCN) is due to the need for networks with a capacity of tens of Tbit/s. Existing communication networks are multi-pole [1,2] and, in this regard, the term "network bandwidth" loses its meaning. Based on this, the term "network performance" is used. Such performance requires the development of methods for complex analysis of network stability and organization of its functioning. Usually, the network stability is considered in two aspects: potential and structural. This article discusses the models of stability and functioning of IP networks with route parallelism [3], as well as the method of express analysis of their stability.

Keywords: networking, resilience, reliability, survivability, structural switching. References

1. I. Ryabinin (2000). Reliability and security of structure-sophisticated systems. SPb.: Politechnika. 248 p.E. .

2. O. Monakhov, E. Monakhova (2008). Analysis of topological properties of the regular parametric-described structures of computer systems. Avtometria. Vol. 2. P. 56-67.

3. V.N. Kudelya, V.E. Gel. Technological concept of a secure data transmission network with route parallelism. Scientific and technical collection. No. 100. Proceedings of the Academy. St. Petersburg: VAS, 2017. - pp. 247-262.

4. Viktor Kudelya, Valentine Gel, Valeriy Vovk. (2021). Technological model and sustainability assessment methodology of the multiservice communication network functioning T-Comm. 2021. Vol. 15. No. 6. P. 70-74.

5. V. Khoroshevskiy (2004). Models of operating of big distributed computer systems. Electrosvyas. No.10. P. 30-43.