Оценка отказоустойчивости корпоративных сетей IP-телефонии Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

ИНФОРМАЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ В БИЗНЕСЕ

ОЦЕНКА ОТКАЗОУСТОЙЧИВОСТИ КОРПОРАТИВНЫХ СЕТЕЙ IP-ТЕЛЕФОНИИ

Е.Я. Дупин,

стажер-специалист Департамента системных решений IBS, магистрант 2 года обучения, IBS-МФТИ, e-mail: EDupin2@ibs.ru.

А.Е. Александрович,

кандидат технических наук, доцент МИФИ,

Адрес: г. Москва, 127433, Дмитровское шоссе, д. 9б, ООО «ИБС».

Г

Рассмотрена проблема анализа надежности отказоустойчивой корпоративной систе мы IP-телефонии. Из-за сложности и большой размерности системы для решения проблемы предложено использовать приближенные методы расчета надежности: метод минимальных путей и метод минимальных сечений. С целью получения адекватных оценок надежности системы введено понятие типового направления связи.

л

4=

j

Ключевые слова: отказоустойчивость, метод минимальных сечений, метод минимальных путей, приближенные вычисления, резервирование систем.

В последнее время существенно возросло количество проектов, связанных с организацией корпоративной IP-телефонии — коммуникационных систем, предназначенных для внутренней и внешней связи сотрудников офиса на базе сетей передачи данных. Как показала практика [1], подобные системы позволяют существенно повысить эффективность функционирования офиса с точки зрения оперативности решаемых бизнес-проблем, а так же существенно сэкономить на междугородней связи. В современном бизнесе качественная и надежная связь — это совершенно необходимое условие нормальной и эффективной работы любой корпорации.

В связи с широким распространением таких систем возникает проблема обеспечения качества телефонной связи, достигаемой, прежде всего за счет ее надежности и отказоустойчивости. Поэтому наряду с потребностью в широкой функциональности корпоративных информационных систем, на передний план выходят требования к максимальной надежности. Это весьма актуально для бизнеса, где сбой системы или ее временной простой оборачиваются порой внушительными финансовыми потерями.

В связи с этим, на сегодняшний день задача разработки отказоустойчивой системы IP-телефонии является весьма актуальной. Также весьма актуален

БИЗНЕС-ИНФОРМАТИКА №1(11)-2010 г

45

ИНФОРМАЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ В БИЗНЕСЕ

вопрос выбора из нескольких вариантов наиболее отказоустойчивой архитектуры.

К преимуществам IP-телефонии можно отнести богатый функционал, возможность улучшить взаимодействие сотрудников, сократить издержки на междугороднюю связь и, одновременно, упростить обслуживание системы.

Отличием систем IP-телефонии от традиционных коммуникаций, является глубокая интеграция с IP-сетью. При проектировании сети IP-телефонии следует учитывать, что сеть должна быть более надежной по сравнению с обычной сетью передачи данных, это обусловлено тем, что традиционные приложения IP-сети (почта, Интернет, передача данных) могут работать и с обрывами связи, но при использовании приложений реального времени такие обрывы связи недопустимы.

Для обеспечения безотказной работы компонентов системы IP-телефонии, необходимо обеспечить их резервирование, устранение единой точки отказа, физическое разнесение коммуникаций, интеграцию всей системы для обеспечения функций балансировки нагрузки и переключения компонентов в случае выхода из строя любого модуля системы.

На сегодняшний день не существует абсолютно надежных систем. При проектировании отказоустойчивых систем применяются два подхода. Первый подход — построение системы только из отказоустойчивых компонентов. Второй подход.— проектирование отказоустойчивой системы из не отказоустойчивых компонентов, но с применением избыточности. В этом случае система может продолжать свое функционирование, если выйдут из строя один или несколько подкомпонентов системы. [2]

Но кроме проблемы проектирования надежной системы, существует и проблема оценки уже спроектированной системы по ряду параметров отказоустойчивости. Одним из таких параметров отказоустойчивости является коэффициент готовности.

Коэффициент готовности — вероятность того, что система окажется в работоспособном состоянии в любой произвольный момент времени, исключая планируемые периоды, в течение которых применение системы по назначению не предусматривается. Если есть возможность оценить ряд архитектур по данному параметру отказоустойчивости, это может дать шанс выбора наиболее надежной архитектуры.

Существуют два принципиальных подхода к оценке отказоустойчивости систем: аналитический и имитационный [3].

46

Аналитический подход основан на математических моделях. К его преимуществам можно отнести: возможность быстрого расчета приближенных математических моделей с оперативным графическим представлением и исследованием результатов моделирования. К недостаткам относится трудность, а иногда и невозможность адекватного учета в модели разнотипных параметров, например, вероятностных и детерминированных.

Имитационный подход основан на имитации работы системы и сбора статистики. Преимуществом является возможность получения достоверных оценок для сколь угодно сложных систем с учетом самых различных параметров и факторов. К недостаткам можно отнести сложность организации исследований на основе изменения параметров модели. Необходимо каждый раз перекомпилировать имитационную модель при изменении хоть одного параметра модели. Иногда сложность построения адекватной имитационной модели системы сравнима со сложностью построения аппаратного прототипа системы, так что программная модель теряет всякий смысл.

Рассмотрим концептуальную логическую схему отказоустойчивой системы IP-телефонии.

Предполагается, что сеть IP-телефонии спроектирована по 3-х уровневой системе и имеет уровень доступа, уровень представления и уровень ядра.

Уровень доступа является ближайшим к пользователю и предоставляет ему доступ к ресурсам сети, чем и объясняется его название.

Уровень распределения обеспечивает объединение потоков данных уровня доступа и служит точкой перехода к уровню ядра.

Основной задачей уровня ядра является обеспечение наиболее быстрой коммутации между двумя областями распределения.

В системе для обеспечения надежности используется резервирование ее основных компонентов: коммутаторов и серверов (рис. 1). Система предназначена для многоэтажного офиса (N3— число этажей), на каждом этаже которого расположены Ng подразделений. Каждое подразделение имеет свой маршрутизатор телефонных звонков (коммутатор нулевого каскада), обозначаемый как КО. Каждый коммутатор нулевого каскада соединен с IP-телефонами сотрудников. Число IP-телефонов обычно примерно равно числу сотрудников в одном подразделении. Логическая схема системы телефонии одного этажа приведена на рис. 2.

БИЗНЕС-ИНФОРМАТИКА №1(11)-2010 г

ИНФОРМАЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ В БИЗНЕСЕ

Рис. 1. Логическая структура системы IP-телефонии многоэтажного офиса

На рис. 1 и 2 приняты следующие обозначения:

КО — коммутатор каскада 0, представляющий собой коммутатор уровня доступа ЛВС,

К1 — коммутатор каскада 1, представляющий собой коммутатор уровня распределения ЛВС, п1 — кратность резервирования коммутатора первого каскада,

К2 — коммутатор каскада 2, представляющий собой коммутатор уровня ядра ЛВС, п2 — кратность резервирования коммутатора второго уровня,

КЗ — коммутатор каскада 3, представляющий собой коммутатор серверной фермы,

С — сервер IP-телефонии, пЗ — кратность резервирования сервера IP-телефонии.

Выходной каскад представляет собой оборудование, предназначенное для внешней связи:

Коммутатор

IP-телефоны уровня доступа ЛВС

Каскад 0 Каскад 2

Рис. 2. Логическая структура системы IP-телефонии одного этажа офиса

БИЗНЕС-ИНФОРМАТИКА №1(11)-2010 г

47

ИНФОРМАЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ В БИЗНЕСЕ

выход в Интернет, соединение с удаленными офисами фирмы и общей телефонной сетью.

Для дальнейшего анализа надежности такой системы сделаем следующие упрощающие предположения:

♦ пренебрегаем надежностью IP-телефонов пользователей,

♦ рассматриваем только звонки внутри здания (по статистическим оценкам — 80-85% всего трафика),

♦ пренебрегаем надежностью каналов проводной связи.

Эти упрощающие предположения и допущения не носят принципиальный характер и могут быть легко отменены на заключительном этапе расчета надежности системы.

При попытке оценки отказоустойчивости сложных структур возникают определенные трудности, связанные, к примеру, с тем, что полученная система имеет большое количество элементов и имеет произвольную сложную структуру. Данную структуру нельзя (или очень сложно) привести к простому последовательно-параллельному виду. Заметим также, что даже при сделанных упрощениях число компонентов системы достаточно велико. Например, при количестве этажей офиса N3 =13, при количестве отделов Ng =10 и при дублировании компонентов всех каскадов (n1=n2=n3=2) общее число системных компонентов (серверов и коммутаторов) составляет 13*10+13*2+2+2*2=162.

В такой ситуации целесообразно использовать приближенные методы расчета. Известными приближенными методами аналитического расчета надежности произвольных информационно-вычислительных структур являются метод минимальных путей и метод минимальных сечений.

По методам минимальных путей и сечений можно рассчитать, соответственно, верхнюю и нижнюю граничные оценки вероятности безотказной работы системы c произвольной структурой [2,4].

Введем следующие показатели (параметры) надежности системных компонентов:

GK0 — коэффициент 0-го каскада. готовности коммутатора

GK11 — коэффициент 1-го каскада. готовности коммутатора

GK2 — коэффициент 2-го каскада. готовности коммутатора

GK3 — коэффициент 3-го каскада. готовности коммутатора

Gc — коэффициент готовности сервера 3-го каскада.

Коэффициент готовности каждого из этих устройств легко определяется, исходя из исходных статистических данных по отказам компонентов:

G —

t

t + tB

где t — средняя наработка на отказ соответствующего компонента,

tB — среднее время восстановления соответствующего компонента.

Готовность одного пути системы определится как:

G — G N° N3 G G G G

^PATH yj.K 0 2L7K 3^C

Общее значение коэффициента готовности для всей системы GC запишется по методу минимальных путей как:

Gc — 1 - (1 - Gpath )

Z1N3 *n2*n3

Аналогичные расчеты по методу минимальных сечений приводят к следующей оценке надежности системы:

Gc=G™№-GnyT<h(l-GD)*W-(l-GDGcF)

С помощью полученных формул произведен расчет показателей отказоустойчивости для всей системы в целом, а также был предложен вариант оценки отказоустойчивости всей системы исходя из пользовательской оценки качества связи.

Для этого введено понятие типового направления связи (ТНС) — оборудования системы, отвечающего за безотказность одного сеанса связи (телефонного звонка). Фактически, готовность ТНС системы IP-телефонии представляет собой оценку надежности системы с точки зрения ее произвольного пользователя.

Используя концепцию ТНС, получим:

по методу минимальных путей:

GpATH = GK0 GK1 GK2GK3GC

_-I_sI _s-i *h2*w3

^THC _1 v1 ^PATH )

по методу минимальных сечений:

Gmc= GK0\l-(l-GKir)2(l-(l-GK2y2)(l-(l-GK3Gcf)

48

БИЗНЕС-ИНФОРМАТИКА №1(11)-2010 г

ИНФОРМАЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ В БИЗНЕСЕ

_ _ _ _ Надежность резервированной системы, полученная методом минимальных путей Надежность резервированной системы, полученная методом минимальных сечений ........... Надежность нерезервированной системы

Рис. 3. Зависимость надежности ТНС сети IP-телефонии от времени

GTCH 1

0.9

0.8 0.7 0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1

0 450 900 1350 1800 22500 2170 3150 3600 4500 4500 t, ч

Нерезервированная система ........... Резервированная система

Рис. 4. Зависимость надежности всей сети IP-телефонии от времени

БИЗНЕС-ИНФОРМАТИКА №1(11)-2010 г

49

ИНФОРМАЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ В БИЗНЕСЕ

Вообще говоря, показатель Gmc характеризует надежность одного, хоть и произвольного сеанса связи. Чтобы данный показатель более адекватно оценивал интегральное качество связи для конкретного пользователя системы, необходимо ввести параметр Nab — число абонентов, с которыми необходима связь одному пользователю системы для эффективной организации его рабочих процессов.

Тогда изменится выражение для GpATH:

G _______G 1+^аь G Njg G G

N^PATH K 0 ^Kl 2°K3°C

Изменится также выражение готовности системы методом минимальных сечений.

чающих различным уровням требований к их надежности. Исследована зависимость уровня надежности от кратности резервирования основных компонентов.

На рис. 3 представлены результаты расчета зависимости надежности ТНС сети IP-телефонии от времени, полученные методом минимальных путей и минимальных сечений для резервированной системы и для сравнения приведена зависимость надежность от времени для нерезервированной системы.

Из рисунка хорошо видно, что при использовании метода минимальный путей и минимальных сечений можно получить верхнюю и нижнюю оценки надежности системы.

^с=^Г‘'ь(1-(1-^1)л1)ЛЬ(1-(1-^2Г2)(1-(1-^з^с)л3)

При выводе расчетных соотношений предполагалось, что нужные пользователю абоненты могут находиться на всех этажах офиса.

На основе полученных формул были проведены расчеты и исследования надежности проектируемой корпоративной системы IP-телефонии многоэтажного офиса фирмы. По результатам исследований проведен сравнительный анализ различных вариантов сетей IP-телефонии, отве-

На рис. 4 представлены результаты расчета зависимости надежности всей сети IP-телефонии от времени, полученные методом минимальных сечений для двух вариантов системы. базового — без резервирования компонентов и для резервированной системы.

Разработанная методика анализа может быть использована при оценке отказоустойчивости IP-сетей, использующих многокаскадное резервирование каналов связи, содержащих большое число компонентов и имеющих сложную структуру. ■

Литература

1. Росляков А.В., Самсонов М.Ю., Шибаева И.В. IP-телефония..— М.: Эко-Трендз, 2003.

2. Основы теории надежности. Под редакцией Половко А.М, Гурова С.В. — СПб: БХВ-Петербург. — 2006. — 704 с.

3. Искусство моделирования и имитации. Шмидт Б. Пер. с нем. под редакцией проф. Ивашкина Ю.А. и проф. Конюха В.Л..— М.: Изд. МЭИ, 2003.

4. Надежность технических систем. Под редакцией Ушакова И.А. — М.: Радио и связь. — 1985. — 605 с.

50

БИЗНЕС-ИНФОРМАТИКА №1(11)-2010 г