CC BY
62
устойчивость функционирования сетей
с программируемой коммутацией пакетов
DOI 10.24411/2072-8735-2018-10064
Куделя Виктор Николаевич,
ЗАО "Институт Сетевых Технологий", г. Санкт-Петербург, Россия, Kudelia.Viktor@int.spb.ru
Вовк Валерий Васильевич, Ключевые слова: сеть, устойчивость
Главное управление связи ВС РФ, функционирования, надежность, живучесть,
Москва, Россия, GUS_1@mil.ru структурная коммутируемость.
Увеличение доли услуг на основе пакетных сетей и экспоненциальный рост объема передачи triple-play (аудио, видео и данных) заставляет операторов связи искать решения для транспорта пакетного трафика. IP-сети должны быть управляемыми, масштабируемыми, обеспечивать высокое качество обслуживания (Quality of Service, QoS) и безопасность связи, иметь такой же уровень устойчивости (надежности, живучести) сопоставимый с Synchronous Digital Hierarchy (коэффициент готовности 99,999%). Современные требования к пакетному транспорту могут быть удовлетворены далеко не во всех регионах мира. Для поддержки требований высокого уровня (видеочаты, видеопотоки высокого разрешения и т.п.), имеются сетевые ресурсы в Азиатско-Тихоокеанском регионе, Западной Европе, Центральной и Восточной Европе и Северной Америке. Однако, для поддержки таких передовых приложений, как телевидение сверхвысокой четкости (UHDTV) и наиболее современные сетевые игры, сетевые ресурсы имеются только в отдельных странах, например, в Южной Кореи и Японии. Что касается РФ, то наиболее технологически развитый оператор Единой Сети Электросвязи РФ ПАО "Ростелеком" гарантирует только надежность и только 99,7%. В этой связи в статье даётся изложение теоретических основ формирования на сетях связи наложенных программируемых структур сетей с программируемой коммутацией. Описаны структурные характеристики и перспективные структуры сетей с программируемой коммутацией. Сети связи, являются сложными многофункциональными (муль-тисервистными) системами, которые состоят из большого числа разнородных по своим свойствам устройств, по показателям надёжности и живучести, по назначению, по условиям функционирования и т.д. Обычно выделяются два аспекта устойчивости: аппаратурный и структурный. Статья посвящена структурному понятию устойчивости, которое отражает функционирование сети в целом (устойчивости функционирования) в зависимости от состояния узлов и линий связи.
Информация об авторах:
Куделя Виктор Николаевич, ведущий специалист, доктор технических наук, ЗАО "Институт Сетевых Технологий", 199048, г. Санкт-Петербург, Россия
Вовк Валерий Васильевич, начальник направления, Главное управление связи ВС РФ, Москва, Россия
Для цитирования:
Куделя В.Н., Вовк В.В. Устойчивость функционирования сетей с программируемой коммутацией пакетов // T-Comm: Телекоммуникации и транспорт. 2018. Том 12. №4. С. 43-47.
For citation:
Kudelya V.N., Vovk V.V. (2018). Resilience in software-based packet-switching networks. T-Comm, vol. 12, no.4, pр. 43-47. (in Russian)
r I Л
Введение
На фоне постоянного экспоненциального роста объема передаваемого трафика [0] для его обработки естественно вытекает необходимость наращивать возможности сети. Производители решают эту проблему увеличением производительности оборудования. Такая ситуация выглядит как неэкономное и нерациональное использование существующей инфраструктуры. Тогда как основная нагрузка сосредоточена на некоторых участках сети, остальная часть сети используется довольно слабо. Топология современной глобальной сети по результатам многочисленных исследований отнесена к классу small-world графов [0J. Особенностью таких |рафов является матая средняя длина пути ii |рафе и повышенная связность сети [0]. В настоящее время проблеме устойчивости сложных систем уделяется значительное внимание [0, 0]. Однако по проблематике устойчивого функционирования именно сетей связи, можно вспомнить только наиболее основательный труд [01, в котором представлены теоретические основы структурной надежности сетей с коммутацией пакетов. Существенными недостатками указанных работ являются:
-достаточно сложные модели оценки надежности сетей связи;
— модели устойчивости не связаны с моделями функционирования: моделями распределения потоков, моделями обеспечения качества обслуживания и безопасности связи.
Требования к устойчивости функционирования сети определены ГОСТ Р 53 111 -2008 [0], где устойчивость функционирования сети определяется, прежде всего, связностью - возможностью существования маршрутов доставки информации между корреспондирующими узлами сети. Там же дана рекомендация - устойчивость сети электросвязи будет достаточной, если структура построения сети такова, что обеспечивает три независимых маршрута для основных направлений связи. На настоящее время выбор структуры построения сети ограничен типовыми структурами, которые предлагались еще в 90-х годах прошлого столетия [0J и здесь необходимо учитывать значительный опыт, полученный различными исследователями при анализе и синтезе боль-шемасштабных вычислительных систем, например [0, 0J.
Структурные характеристики сети с программируемой коммутацией
Для анализа характеристик структуры сети используем следующие показатели: структурные задержки, диаметр структуры, средний диаметр структуры, структурная коммутируемость и структурная устойчивость.
Структурные задержки при обмене сообщениями между узлами сети определяются расстоянием между узлами S иг, сопоставленными с взаимодействующими узлами. Для оценки структурных задержек в сети используется диамегр d и средний диаметр d структуры. Диаметр структуры сети -максимальное расстояние, определенное на множестве кратчайших путей между граничными узлами всевозможных их пар:
d = max{dj
" . (1)
с1 -расстояние, т.е. минимальное число рёбер, образующих маршрут из узла $ в узел /; е {0,1,...Л"-1}; п, - число узлов, находящихся на расстоянии £ от любого
выделенного узла графа С .
Показателем, оценивающим структурную коммутируемость сети, является векгор-функция
<ы (п-г-\)\
(3)
средний диаметр rf = (д? - ])"' £ In,
(2)
в которой координата K.h(G,kr>k'г) есть вероятность реализации в сети при заданной структуре G и коэффициентах готовности кг,к'г соответственно одного узла и линии связи
h одновременно существующих непересекающихся взаимодействий между парой узлов s и /,
Структурная устойчивость сети оценивается вектор-функцией
UG,kr,k,r) = {Lr(G,kr,ktr)}
У
reEM={2,3,...,N} (4)
Здесь {Lr(G,k r,k' г)} -вероятность существования совокупностей маршрутов ранга Г (т.е. подмножества из г — d +1 работоспособных узлов, связность которых устанавливается через работоспособные линии к'г —> 1) между каждой парой
узлов при заданной структуре G, коэффициентах готовности к,.,к', узлов и линий связи соответственно.
Введенные показатели позволяют осуществить с достаточной полнотой анализ струкгурных возможностей сети и анализ её структурной устойчивости, в частности. Прикладное значение введённых показателей следующее.
Диаметр d и средний диаметр d - это структурные характеристики, связанные с производительностью сети. Диаметр структуры сети определяет максимально необходимое число транзитных узлов при обмене сообщениями между корреспондирующими узлами, следовательно, он является количественной характеристикой для максимальных структурных задержек. Средний диаметр структуры сети можно использовать в качестве показателя, оценивающего средние задержки при выполнении взаимодействий между каждой парой корреспондирующих узлов s и t ■
По значениям координат вектор-функции структурной коммутируемости K(G,kr,k'r) можно судить относительно
возможностей сети по реачизации обменов пакетами между её корреспондирующими узлами. Данная характеристика важна для анализа структур сети, использующих процедуры инжиниринга трафика (Traffic Engineering), При инжиниринге графика сеть программным способом разбивается на некие совокупности маршрутов из s в t. Максимальное число маршрутов в сети для каждой пары этих узлов определяется величиной
(Я-2)! (п — с/ — 1)!
Тогда, например, координата Кh(G,kr,k,r) будет характеризовать приспособленность структуры к генерации в преде-
где
>/=2 (n-jy
лах сети необходимого количества h ( 1 < fo < V >' )
Ti(n-d-1)!
маршрутов для реализации механизмов инжиниринга трафика.
Координаты вектор-функции структурной устойчивости сети характеризуют приспособленность сети в условиях, прежде всего, отказов узлов к порождению маршрутов уже тех или иных рангов, следовательно, её приспособленность к решению задач инжиниринга трафика на поражённой структуре.
В частности, координата L (G,kr,k'r) определяет возможности структуры по реализации нагрузки (количества потоков) на сеть с '[ребуемым качеством.
Подмножество координат ¿G,kr>k'г\...,
L,.(G,&r,£', )} характеризует приспособленность сети к формированию адаптирующихся независимых маршрутов, допускающих автоматическое изменение своих рангов от гu до г *,
Ici—1
где г0 < [I_I_]. 1 < г *, с — |С| ~ мощность множества кор-
респондирующих узлов,
Ici - 1
M—]-
целое число. При
г* = 2
вектор-функция структурной
устойчивости будет характеризовать её способность к формированию на ней виртуальных образований, обладающих устойчивостью.
Перспективные структуры сети
с программируемой коммутацией
Рассмотрим структуры, удовлетворяющие требованиям к реализации инжиниринга трафика в сети, то есть перспективные для формирования масштабируемой сети с программируемой структурой. Основой для разработки перспективной структуры сети послужили достижения компьютерной индустрии, где получили распространение п -мерные структуры вычислительных систем, реализующие «массовый параллелизм», известные как циркулярные (Circulant Structures) или D -графы.
По определению ¿) -граф (циркулярная струкгура, есть 1раф
G вида: {Лг;сУ1,со1,...,соя},вк(т)м:
- N - множество вершин графа;
-вершины помечены целыми числами i но модулю N, следовательно, / е {1,2,...,л};
-вершина / соединена ребром (является смежной) с вершинами i±(»|)(»î)111)iB11(mod(JV-l);
N
О < (О, < о»,... < со < — : 2 ;
- п - мощность множества ^ .
Графы G вида; |ЛР;1,©„—,<»„}> т-е- DB-графы с единичной образующей (Loop Networks - петлевые структуры), интенсивно изучаются в последнее время.
В циркулянтных структурах при полном переносе какой-либо подструктуры (всех вершин подструктуры на одно и тоже расстояние в одном из направлений) все её свойства сохраняются.
Таким образом, циркулянты позволяют простыми средствами реконфигурации осуществить виртуализацию структуры сети и следовательно:
-реализовать режимы многомаршрутной доставки (инжиниринга трафика), не ориентированные на физическую структуру сетей связи, предоставляющих телекоммуникационные ресурсы в интересах сети с программируемой коммутацией;
-реализовать режимы программного изменения структуры сети;
-реализовать режимы программируемой коммутации в виртуальной конфигурации;
- как следствие, исключать отказавшие узлы из совокупностей маршрутов, а значит, обеспечить устойчивость сети.
В качестве структур сети, допускающих масштабирование (изменение числа узлов без коренной перекоммутации) уже имеющихся межузловых связей, также можно использовать -графы. В такие графы вкладываются
О -графы. Л (Л'', V, £) -|раф - это неориентированный однородный 1раф с числом и степенями вершин соответственно N, V и значением обхвата £ (длина (количество узлов) кратчайшего цикла в графе называется обхватом). При V — 2 Л(N,v,g)-граф является простым циклом с N вершинами.
Диализ и синтез структуры сетей с программируемой коммутацией
Введённые показатели (1)-(4) в равной степени пригодны и для анализа и для синтеза, как физической структуры сети, так и виртуальных конфигураций в рамках физической структуры. Получение аналитических выражения для координат вектор-функций структурной коммутируемости сети (3) и структурной устойчивости (4) является задачей, разрешимой лишь для частных случаев. Для расчёта этих показателей используют либо метод статистического моделирования Монте-Карло, либо можно воспользоваться (для расчёта устойчивости) методикой предложенной в [0].
Проблема синтеза структур заключается в поиске таких графов С*, которые позволяли бы на реальной (физической) структуре сети программно формировать виртуальные конфигурации максимально приспособленные для реатизации многомаршрутной доставки. Если при проектировании сети преследуется цель её адаптации под какой-либо набор потоков различного вида сообщений с требованиями обеспечения качества обслуживания, то физическая структура С * должна быть максимально приспособлена для программной настройки виртуальных маршрутов в интересах механизмов коррекции ошибок в сети. Если же требуется достичь устойчивости сети, то структура в * должна быть адаптируема под программирование устойчивых виртуальных конфигураций. Или же требуется максимизировать эффективность использования узлов (инжиниринг- трафика) или сократить задержку, то определяется структура С *, которая минимизирует задержки при транзитном обмене пакетов между узлами.
Проблема синтеза структуры сети может быть сформулирована с ориентацией на любой из структурных показателей (])-(4). Однако, учитывая то, что устойчивые сетевые структуры, как правило, формируются за счёт введения достаточной маршрутной избыточности (связности), дадим следующую постановку: найти структуру О*, которая обес-
T-Comm Vol.12. #4-2018
7ТЛ
печивала бы максимум координаты вектор-функции структурной устойчивости (4), т.е. та =
при заданных значениях N ,г,у,кг,к' г- Структура О*,
для которой выполняется (5) является оптимальной. В упрощённом виде постановку задачи можно ограничить поиском С * в некотором классе структур, например в классах О - или
//(Лг^,^)-)рафов. Проблема синтеза оптимальных структур
больших сетей относиться к сложным проблемам. В практике синтеза больше мае штабных (супер) вычислительных систем эта задача решается при помощи статистического моделирования, то есть с использованием мощных вычислительных средств. Трудоёмкость поиска С * можно заметно снизить, если воспользоваться двумя, приведенными в [0] гипотезами.
Гипотеза I. Структура б *, при которой достигается Ь ы (С*) ~ максимум устойчивости сети, обеспечивает и
Ьг(С*) — максимум устойчивости маршрутов ранга г < N ■
Гипотеза 2. Структура с минимальным (средним) диаметром относится к С *, т.е. обладает максимальной структурной устойчивостью.
Справедливость вышеприведенных гипотез подтверждена результатами статистического моделирования структур вычислительных систем [0].
Оптимальные структуры сети с программируемой коммутацией
Основываясь на гипотезах, оптимальными считаются структуры С *, имеющие при заданных N и степени вершин V минимальный диаметр. Существуют алгоритмы синтеза оптимальных структур для конкретных классов графов. Для практических целей созданы и пополняются каталоги оптимальных структур £) - и Л (М, V, £) -графов. Гиперкубы весьма популярны при формировании сетей межмашинных связей в боль-шемасштабных вычислительных системах. Представляет интерес сравнить структурные характеристики гиперкубов, оптимальных £).- и -графов. В таблице 1 отражены
результаты сравнения названных структур по степени у, диаметру d и среднему диаметру ¿1 для одинаковых N = Т вершин графов. Как видно из таблицы размеры большемаш-табных вычислительных систем не уступают размерам крупномасштабных сетей связи. Степень вершин £> -графа равна
степени гиперкуба или (в случае нечётной степени) меньше на единицу.
Таблица I
Сравнительная характеристика структур графов
гч II Гиперкуб Циркулянт Л(Л^,£)-граф
v = d d V d d V g d d
64 6 3,0 6 4 2,5 6 6 3 2,29
256 8 4,0 8 4 3,3 8 6 3 2,70
512 9 4,5 8 5 4,02 9 6 3 2,81
1024 10 5,0 10 5 4,04 10 6 4 3,01
2048 11 5,5 10 6 4,70 И 6 4 3,47
4096 ¡2 6,0 12 6 4,68 12 6 4 3,57
8192 !3 6,5 12 6 5,34 13 6 4 3,78
16384 ¡4 7,0 14 6 5,38 14 6 4 3,83
32768 15 7,5 14 7 6,09 15 6 4 3,89
Из таблицы следует, что структуры с меньшим диаметром имеют большее количество ребер, например удвоение числа вершин в гиперкубе увеличивает его диаметр только на единицу. Диаметры £) - и Л(jV,v,,?)-графов значительно меньше
диаметров гиперкубов даже при одинаковых (или меньших на единицу) степенях их вершин. Более того, Drt- и Л(N,v,g)-
графы обладают и меньшими средними диаметрами по сравнению с гиперкубами. То есть в £) - и J7(JV,V,g)-графах максимальные структурные задержки будут значительно меньше. Рассматриваемые показатели для Л(Л',у^)-графов при
g > 4 являются самыми лучшими: так диаметры для оптимальных Л (N, V, g) -графов оцениваются величиной 0.21 log, N, в то время как в гиперкубах - log, jV .
Таким образом, в D - и Л(¡V, графах максимальные структурные задержки будут значительно меньше, при этом степени вершин v и , как следствие, количество ребер в графе позволяют значительно повысить структурную коммутируемость сети для реализации многомаршрутной доставки.
Численный анализ показал, что крупномасштабная сеть с программируемой коммутацией при существующей физико-технологической базе может обладать структурной устойчивостью.
Заключение
Областями применения сети с программируемой коммутацией могут быть:
— существующие сети передачи данных, в которых возросли требования по обеспечению качества обслуживания, обобщенной пропускной способности, устойчивости функционирования и где целесообразно сохранить совместимость средств маршрутизации и коммутации;
- новые сети с программируемой коммутацией пакетов, связанные с обеспечением устойчивости функционирования автоматизированных систем управления критически важными объектами.
Литература
1. Cisco visual networking index: Forecast and methodology, 20162021, Cisco systems, S. Jose, CA, Jim. 2014, www.eisco.com. (05.03.2018)
2. Alberl /f.. Bambási A.-L. Statistical mechanics of complex networks // Reviews of modern physics. 2002, T. 74, № 1, C. 47.
3. Krioukov D., Fall K., Brady A., others. On compact routing for the Internet // CM S1GCOMM Computer Communication Review. 2007. T. 37, №3. C. 41-52.
4. Егунов MM. Шувалов В.П. Анализ структурной надёжности транспортной сети // Вестник СибГУТИ. 2012. № 1 . С. 54-60.
5. Рябишш И.А. Надежность и безопасность структурно сложных систем. СПб.: Политехника, 2000. 248 с.
6. Мизин И.А.. Богатырев В.А., Кулешов А.П. Сети коммутации пакетов / Под ред. Семенихина B.C. М.: Радио и связь, 1986. 408 с.
7. ГОСТ Р 531II Устойчивость функционирования сети связи общего пользования. Требования и методы проверки. М.: Стандар-тинформ, 2008.
8. Захаров Г.П. Методы исследования сетей передачи данных. М.: Радио и связь. 1982. 208 с.
9. Хорошевский В.Г. Модели функционирования больше масштабных распределённых вычислительных систем // Электросвязь. 2004. №10. С. 30-43.
10. Монахов О.Г., Монахова Э.А. Исследование топологических свойств регулярных параметрически описываемых структур вычислительных систем // Автометрия. 2008, №2. С, 56-67.
7ТТ
COMPUTER SCIENCE
RESILIENCE IN SOFTWARE-BASED PACKET-SWITCHING NETWORKS
Viktor N. Kudelya, Institute for Networking Technology, Saint-Petersburgt, Russia, Kudelia.Viktor@int.spb.ru Valeriy V. Vovk, General Directorate of communications, Moscow, Russia, GUS_l@mil.ru
Abstract
Increasing share of packet-switching network service, and exponential growth of the triple-play (audio, video and data) traffic amount enforces telecom providers to look for advanced solutions of packet-based communication. IP-based networks are required to be manageable, scalable, as well as to provide high quality of service and network security, and to have as resilience (reliability, survivability) level as SDH networks with 99,999% coefficient of readiness. Up-to-date requirements for packet-based networking could not be totally met worldwide. To meet high-level service requirements for video-chats and HD video-streaming, a lot of network resources are presented in Asian-Pacific region, Europe and North America. However, to supply as up-to-date applications as ul-tra-HDTV streaming and game-networking, sufficient network resources are pre-sented in a few countries only, for example in South Korea and Japan. In Russia, the most technologically advanced telecom provider Rostelecom guarantees only 99,7% of reliability. So this article presents the theoretical basics of the building of software-based structures to overlay on top of core networks: software-based packet-switching networks. Telecommunication networks are sophisticated multi-service systems, and consist of many various devices, which have different fea-tures in reliability and survivability, as well as various technical specifications. Generally, there are two kinds of resilience: hardware-oriented and structure-oriented. This article is dedicated to the structure-oriented resilience, which de-scribes network operation in whole and in dependence of the status of network nodes and links.
Keywords: networking, resilience, reliability, survivability, structural switching.
References
1. Cisco visual networking index: Forecast and methodology, 2016-2021, Cisco systems, S. Jose, CA, Jun. 2014, www.cisco.com. (05.03.2018)
2. Albert R., Barabisi A.-L. (2002). Statistical mechanics of complex networks. Reviews of modern physics. Vol. 74. No. 1, p. 47.
3. Krioukov D., Fall K., Brady A., others (2007). On compact routing for the Internet. ACM SIGCOMM Computer Communication Review. Vol. 37. No. 3, pp. 41-52.
4. Egunov M. (2012). Analysis of the structural reliability in transport networks. Vestnik SibGUTI. Vol.1, pp. 54-60.
5. Ryabinin I. (2000). Reliability and security of structure-sophisticated systems. SPb.: Politechnika.
6. Mizin I., Bogatyrev V., Kuleshov A. (1986). Packet Switching Networks. Moscow.
7. GOST R 53111 Resilience of general networks. Requirements and methods of testing. M: Standartinform. 2008.
8. Zakharov G. (1982). Methods of analysis of data networks. Moscow.
9. Khoroshevskiy V. (2004). Models of operating of big distributed computer systems. Electrosvyas. Vol.10, pp. 30-43.
10. Monakhov O., Monakhova E. (2008). Analysis of topological properties of the regu-lar parametric-described structures of computer systems. Avtometria. Vol.2, pp. 56-67.
Information about authors:
Viktor N. Kudelya, leading specialist, Dr., Institute for Networking Technology, Saint-Petersburgt, Russia Valeriy V. Vovk, head of the department, General Directorate of communications, Moscow, Russia
( I ■N
