Сценарий управления сетью операторского класса Carrier Ethernet и оценка длительности цикла управления

УДК 621.39

Э. В. Логин, А. К. Канаев, М. А. Сахарова, А. А. Муравцов

СЦЕНАРИЙ УПРАВЛЕНИЯ СЕТЬЮ ОПЕРАТОРСКОГО КЛАССА CARRIER ETHERNET И ОЦЕНКА ДЛИТЕЛЬНОСТИ ЦИКЛА УПРАВЛЕНИЯ

Дата поступления: 04.07.2017 Решение о публикации: 10.07.2017

Аннотация

Цель: Разработка формализованного алгоритма управления сетью операторского класса Carrier Ethernet и получение с его помощью оценки длительности цикла управления для интеллектуальной системы управления (ИСУ) этой сетью. Данный сценарий управления отличается от известных учетом процессов контроля состояния элементов сети нового поколения Carrier Ethernet, выявления неисправностей и восстановления сетевых элементов с помощью базовых технологий управления состояниями элементов (технологии ОАМ) и с использованием статистически определенных интенсивностей (законов распределения) изменения состояний элементов сети Carrier Ethernet. Методы: Для решения поставленной цели применялись следующие методы: сигнатурный, статистический, нейронные сети. Результаты: Представлены принципы построения сети Carrier Ethernet и сформирована ее архитектура ОАМ. В соответствии с рассмотренными типами организации соединений в сети Carrier Ethernet и механизмами управления неисправностями на базе ОАМ разработан сценарий процесса контроля и управления сетью Carrier Ethernet. Практическая значимость: Полученный сценарий управления сетью нового поколения и оценка цикла управления ИСУ сетью Carrier Ethernet позволят сформулировать требования к перспективной системе управления, а результат оценки длительности цикла управления сетью Carrier Ethernet - определять вероятностно-временные характеристики функционирования сети и оценивать вклад различных подпроцессов в общую длительность процесса. Представленные принципы построения сети Carrier Ethernet дают возможность частично решить задачу, которая направлена на необходимость построения единой методической основы для формирования перспективной системы управления этой сетью.

Ключевые слова: Carrier Ethernet, интеллектуальная система управления, система управления, пакетные технологии, цикл управления.

Summary

*Elina V. Login, assistant, elinabeneta@yandex.ru; Andrey K. Kanayev, D. Eng. Sci., associate professor, head of a chair, kanaevak@mail.ru (Emperor Alexander I St. Petersburg State Transport University); Maria A. Sakharova, Cand. Eng. Sci., associate professor, leading research worker, zuvakamariya@mail.ru (ОАО «Radioavionika»); Alexey A. Muravtsov, Cand. Eng. Sci., head

of a chair, vsmeos@yandex.ru (Marshal of the Soviet Union Budeyniy S. M. Military Academy of Communication) CARRIER ETHERNET NETWORK OPERATION SCENARIO AND THE ASSESSMENT OF CONTROL CYCLE DURATION

Summary

Objective: To develop a formalized algorithm of carrier class network Carrier Ethernet operation and, by means of the latter, obtain an assessment of control cycle duration for intelligent control system (ISU) of the network in question. The given operation scenario is different from those currently in use by an account of processes of the new generation Carrier Ethernet network, failures' identification and reconstruction of network elements by means of core control technologies of elements' status (OAM technologies) and application of statistically defined change traffic (distributive laws) of Carrier Ethernet network elements' status. Methods: In order to achieve the objective in question the following methods were applied: signature method, statistical method and neural networks. Results: The building principles of Carrier Ethernet network were presented and its OAM architecture was formed. In accordance with the analyzed types of Carrier Ethernet network connections and failure control mechanisms on the basis of OAM, control process and Carrier Ethernet network operation scenario was developed. Practical importance: The obtained operation scenario of the new generation network and the assessment of ISU control cycle of Carrier Ethernet network makes it possible to formulate the requirements to perspective operation system, whereas the assessment result of Carrier Ethernet network operation cycle duration allows one to determine probabilistically time response characteristics of network functioning and assess the input of different subprocesses in the total process time. The presented building principles of Carrier Ethernet network make it possible to solve the task halfway, which is aimed at the necessity of building a unified methodological basis for the formation of perspective operation system for the network in question.

Keywords: Carrier Ethernet, intelligent control systems, operating system, packet technologies, control cycle.

Введение

С развитием сетевых технологий и ужесточением к ним требований активно ведутся разработки в направлении развития соответствующих систем управления. Наиболее актуальна в этой области пакетная технология операторского класса сети Carrier Ethernet (СЕ), отличающаяся широким спектром механизмов по управлению и контролю состояниями сетевых элементов (ОАМ). Но на сегодняшний день отсутствует единая методическая основа для систем управления, позволяющая обоснованно интегрировать те или иные механизмы ОАМ пакетных технологий Carrier Ethernet при проектировании перспективной системы управления сетью на основе данной технологии. Актуальной является задача формирования сценария управления и контроля состояниями элементов сети на основе представленных в настоящей работе принципов построения сети СЕ для адекватной оценки процесса функционирования интеллектуальной системы управления (ИСУ) сетью на основе такой технологии.

Объект управления - сеть СЕ

Сетевая технология Ethernet долгое время полностью соответствовала требованиям ведущих операторов связи по качеству и скорости передачи информации. Однако, несмотря на все достоинства Ethernet, ее использованию в сетях операторского класса препятствовали определенные трудности. Развитие LAN-сетей потребовало усовершенствования технологии Ethernet, что привело к разработке Ethernet операторского класса или сети СЕ. В рамках стандарта IEEE 802.3 Международной организацией Metro Ethernet Forum (MEF) разработаны рекомендации для технологии CE и дано ее определение как универсальной стандартизирующей службы и сети операторского класса. Компоненты архитектуры СЕ стандартизированы и подробно описаны в рекомендациях уровня MEF. Так, ключевыми среди таких компонентов архитектуры можно назвать два типа интерфейсов, которые, в свою очередь, позволяют организовать виртуальные соединения с различными видами топологии. Рассмотрим подробно эти интерфейсы и реализуемые с их помощью виртуальные соединения.

В модели сети в соответствии со спецификациями MEF 6.1 [1] и MEF 33 [2] пользовательское оборудование соединяется с транспортной сетью СЕ посредством интерфейсов двух типов: интерфейс «пользователь-сеть» (User-to-Network Interface, UNI) и межсетевой интерфейс (Network-to-Network Interface, NNI). Наиболее важна стандартизация внешних, т. е. межоператорских межсетевых интерфейсов (External NNI, ENNI).

Виртуальное соединение Ethernet (Ethernet Virtual Connection, EVC) определяется как ассоциация двух или более UNI. EVC выполняет три основные функции: обеспечение предопределенных трактов, резервирование ресурсов и управление доступом, управление трафиком для соединений. Выделяются три возможные топологии EVC (рис. 1): «точка-точка» (E-Line), «многоточка-многоточка» (E-LAN) и корневое многоточечное соединение (E-Tree) [3, 4].

Услуга E-Line, которая обеспечивает двухточечное EVC между двумя UNI, может быть использована для создания широкого набора двухточечных услуг, таких как выделенная линия Ethernet (EPL) и виртуальная выделенная линия (EVPL). В последней версии СЕ 2.0 описывается новое понятие операторского виртуального соединения (Operator Virtual Connection, OVC), которое считается ассоциацией UNI и ENNI. На основе OVC новая спецификация MEF 33 [2-4] обусловливает тип топологии E-Access. Она предлагается оператором сети доступа как часть обеспечения EVC для пользователя услуг из конца в конец (рис. 2).

На основе EVC и OVC определяются до восьми видов услуг Ethernet, представленные в таблице [3, 4]. Они классифицируются по двум признакам: топологии виртуальных соединений (описанные выше) и тем, как проис-

а

б

Рис. 1. Виды топологии EVC: а - «точка-точка»

Виды услуг СЕ

в

Идентификация виртуального соединения на основе

порта VLAN

Частная линия Ethernet

Частная LAN Ethernet

Частное дерево Ethernet

Частная линия доступа Ethernet

ходит идентификация: физически на основе порта или логически на основе виртуальной сети (Virtual LAN, VLAN). Благодаря VLAN в пользовательском оборудовании достаточно одного физического порта для нескольких виртуальных соединений.

В области управления OAM (Operation, Administration, Maintenance) техническим комитетом MEF в рамках технологии СЕ описаны разработки эффективного сетевого управления и взаимодействия через сеть связи. OAM в CE позволяет осуществлять сквозное управление неисправностями (Fault Management), управление производительностью (Performance Management), управление конфигурациями (Configuration Management), а также мониторинг параметров работы (Performance Monitoring) в нескольких взаимосвязанных сетях. В части управления неисправностями используются следующие механизмы [5, 6]:

• Continuity Check (выполняются задачи по определению неисправности и по оповещению о неисправности);

• Loopback (выполняются задачи по проверке доступности сервиса);

• Linktrace (выполняются задачи по локализации неисправности).

Управление соединениями в сети CE организовано с учетом принятых

границ ответственности, так называемых Maintenance domain (MD). Для мониторинга доступности сервиса в MD определены Maintenance association (MA), представляющих собой набор Maintenance end points (MEP) на границах домена. Точка Maintenance domain intermediate point (MIP) определяет путь между МЕР и место сбоя на этом пути [5, 6].

На рис. 3 представлена архитектура ОАМ сети СЕ.

Для своевременного устранения неисправностей, а также при увеличении размера (масштаба) сети CE требуется применение ИСУ сетью, отличающейся высокой степенью оперативности управления при больших масштабах объекта управления. На рис. 4 представлен разработанный сценарий управления и контроля состояниями элементов сети при периодическом опросе фрагментов сети с помощью сообщения Continuity Check Message (CCM) [7].

После формирования запроса через установленные интервалы времени и для обнаружения отказов на каждый маршрут отправляется сообщение CCM, содержащее информацию о статусе порта, на котором настроен MEP (инициатор сообщения).

По результатам оценки технического состояния элементов возможны следующие пути:

1. Если условие по количеству поврежденных маршрутов i >1 (где i -количество поврежденных маршрутов) выполняется, то производятся измерение и определение параметров качества обслуживания (QoS), при необходимости выявляется причина изменения параметров QoS CE и выполняется процесс восстановления работы сервиса.

UNI

ENNI

UNI

Пользователь

Поставщик услуг Carrier Ethernet, транспортная( сеть и т. п.

CJ^^JIJ

E-Access -

Пользователь

EVC

Пользователь

Рис. 2. Иллюстрация услуги E-Access Оператор А Оператор Б

Пользователь

Уровень MD7

Коммутатор

-

Пользовательский домен ОАМ

Уровень MD5

Уровень MD3

Уровень MD О

Транспорт

-МЕР

-MIP

Рис. 3. Архитектура ОАМ сети СЕ

Рис. 4. Сценарий управления фрагментом сети СЕ

Для проверки двунаправленной связности инициатор MEP отправляет на устройства каждого узла сообщение Loopback message (LBM). Процедура Loopback, достигнув адресата, меняет заголовок кадра с адресом получателя и возвращается в виде сообщения Loopback reply (LBR). Время ожидания ответа от получателя составляет 5 с. В противном случае определяется недоступность части маршрута.

2. Если условие по количеству отказов i >1 выполняется, то производится проверка доступности сегмента сети с последующей локализацией неисправного устройства.

Для поиска пути до места повреждения на устройства поврежденной группы рассылается сообщение Linktrace message (LTM) от конечного устройства. Каждое устройство возвращает ответное сообщение Linktrace reply (LTR) инициатору. Локализация отказа осуществляется на основании полученных сообщений LTR.

Сообщения LBM/LBR и LTM/LTR, формируемые элементами CE, отправляются в канал для проверки целостной доступности маршрута и последующей локализации неисправности соответственно.

Результаты оценки процесса функционирования ИСУ сетью СЕ

Оценка результата процесса функционирования производилась с помощью математических средств моделирования на основе двухмоментной аппроксимации [8]. Математическая модель подробно описана авторами в [9].

Как представлено на рис. 5, вероятность завершения цикла управления ИСУ СЕ за отведенное время растет при увеличении вероятности что соответствует ситуации, когда отказ элемента сети не выявлен.

0,6 0,4 0,2 0

X^LB R = 0,3

LB \ R = 0,5

LBR = 0,7

t  104, c

Рис. 5. Функция распределения времени реализации цикла

управления СУ СЕ при изменении вероятности Ръвк

2

4

6

8

Следует отметить, что проверка соответствия заданным нормам параметров качества обслуживания и их возможное восстановление являются обязательным подпроцессом управления сетью.

С ростом вероятности PLBR (уменьшением вероятности наступления/выявления отказов в сети) намного сокращается среднее время реализации цикла управления (рис. 6).

ПЛы) • 104, с

8 6 4 2 0

\ \ t = 72 у 00 с, ^ = 7200 с

\ \ , t х у = 12 с, = 18 с

>

0,2

0,4

0,6

0,8

1 Р

1Ьг

Рис. 6. Среднее время реализации цикла управления СУ СЕ при изменении вероятности появления события и разных значений времени и ^

Следует отметить, что применение нейронных сетей для анализа данных позволяет существенно сократить среднее время реализации цикла управления сетью СЕ. В ранее проведенных исследованиях [10, 11] выявлено, что решение задач технического диагностирования сетями с помощью моделей на основе нейронных сетей занимает около 12 с для оценки сетевых параметров и 18 с для оценки параметров QoS.

Заключение

Несмотря на множество разработанных стандартов и нормативных документов по процессам управления в СЕ, их реализация в отдельных видах оборудования пока сильно отстает, а сетевых ИСУ, реализующих полноценно возможности СЕ в области управления и эксплуатации, сейчас нет, что говорит о необходимости формирования единой методической основы для перспективной системы управления сетью СЕ. Представленные в данной работе принципы построения сети СЕ позволяют частично решить такую задачу. Кроме того, дана оценка процесса функционирования ИСУ сетью СЕ на основе разработанного сценария управления и контроля состояниями

сетевых элементов этой сети, который, в свою очередь, учитывает архитектуру ОАМ сети СЕ. Новизна приведенного сценария управления фрагментом сети СЕ заключается в перспективной возможности формирования методики построения ИСУ сетью нового поколения СЕ.

Полученные результаты позволят сформировать ряд требований на этапе проектирования перспективной ИСУ сетью Carrier Ethernet и в дальнейшем оценивать вклад того или иного подпроцесса, входящего в общий сценарий управления состояниями элементов, для комплексной оценки процесса функционирования ИСУ и соответствия поставленным требованиям.

Библиографический список

1. MEF 6.1. Ethernet Services Definitions - Phase 2 // The Metro Ethernet Forum. - Los Angeles, CA, 2008.

2. MEF 33. Ethernet Access Services Definitions - Phase 2 // The Metro Ethernet Forum. - Los Angeles, CA, 2012.

3. Бенета Э. В. Перспективная телекоммуникационная сеть следующего поколения на основе технологии Carrier Ethernet / Э. В. Бенета, А. К. Канаев // Бюл. результатов науч. исследований. - 2014. - Вып. 4 (13). - C. 69-76. - URL : http://brni.info/archive (дата обращения : 21.04.2016).

4. Бенета Э. В. Технология Carrier Ethernet для построения транспортных сетей : сб. науч. статей IV Междунар. конференции СПбГУТ «Актуальные проблемы инфоте-лекоммуникаций в науке и образовании» / Э. В. Бенета, А. К. Канаев. - СПб. : СПбГУТ, 2015. - Т. 2. - С. 1065-1069. - URL : www.sut.ru/doci/nauka/4.apino.2015.sut.2.pdf (дата обращения : 01.06.2017).

5. IEEE 802.1ag. Connectivity Fault Management. - Santa Clara, CA, 2007.

6. ITU-T Y.1731. OAM functions and mechanisms for Ethernet based networks. - Geneva, 2015.

7. Бенета Э. В. Формирование алгоритма управления отказами в телекоммуникационной сети связи, построенной по технологии Carrier Ethernet / Э. В. Бенета, А. К. Канаев // Информационные технологии на транспорте : сб. материалов секции «Информационные технологии на транспорте» Междунар. конференции «Региональная информатика-2016». -СПб. : ПГУПС, 2016. - С. 95-101.

8. Привалов А. А. Метод топологического преобразования стохастических сетей и его использование для анализа систем связи ВМФ / А. А. Привалов. - СПб. : ВМА, 2000. - 166 с.

9. Бенета Э. В. Комплексная математическая модель процесса функционирования интеллектуальной системы управления сетью Carrier Ethernet / Э. В. Бенета, М. А. Сахарова, А. К. Канаев // XX Междунар. конференция по мягким вычислениям и измерениям (SCM-2017) : сб. докл. : в 3 т. - СПб. : СПбГЭТУ «ЛЭТИ», 2017. - Т. 2. - С. 282-285.

10. Сахарова М. А. Разработка моделей функционирования и методики формирования интеллектуальной системы поддержки принятия решений по управлению сетью передачи данных : дис. канд. техн. наук : 05.12.13 / М. А. Сахарова. - СПб. : ПГУПС, 2015. - 161 с.

11. Бенета Э. В. Нейросетевая модель для решения задач технического диагностирования транспортной телекоммуникационной сети / Э. В. Бенета, М. А. Сахарова, А. К. Ка-наев // XIX Междунар. конференция по мягким вычислениям и измерениям ^СМ-2016) : сб. докл. : в 2 т. - СПб. : СПбГЭТУ «ЛЭТИ», 2016. - Т. 1. - С. 226-228.

References

1. MEF 6.1. Ethernet Services Definitions - Phase 2. The Metro Ethernet Forum. Los Angeles, CA, 2008.

2. MEF 33. Ethernet Access Services Definitions - Phase 2. The Metro Ethernet Forum. -Los Angeles, CA, 2012.

3. Beneta E. V. & Kanayev A. K. Perspektyvnaya telekommunikatsionnaya set sledu-yushego pokoleniya na osnove tekhnologii Carrier Ethernet [Promising telecommunication network of the next generation on the basis of Carrier Ethernet technology]. Bulleten rezultatov nauchnykh issledovaniy [Bulletin of scientific research results], 2014, issue 4

4. Beneta E. V. & Kanayev A. K. Tekhnologiya Carrier Ethernet dlia postroyeniya trans-portnykh setey [Carrier Ethernet technology for the purposes of building transportation networks]. Sbornyk nauchnykh statey IV Mezhdunarodnoy konferentsii SPbGUT "Aktuaslniye problemy infotelekommunikatsiy v nauke i obrazovanii" [Coll. of scientific articles of the 4th International SPbGUT conference "Topical issues of information telecommunications in science and education"]. Saint Petersburg, SPbGUT Publ., 2015, vol. 2, pp. 1065-1069. - URL: www. sut.ru/doci/nauka/4.apino.2015.sut.2.pdf

5. IEEE 802.1ag. Connectivity Fault Management. Santa Clara, CA, 2007.

6. ITU-T Y.1731. OAM functions and mechanisms for Ethernet based networks. Geneva,

2015.

7. Beneta E. V. & Kanayev A. K. Formyrovaniye algorytma upravleniya otkazamy v telekommunikatsionnoy sety svyazy, postroyennoy po tekhnologii Carrier Ethernet [The formation of failure control algorithms in telecommunication network, built on the basis of Carrier Ethernet technology]. Informatsionniye tekhnologii na transporte. Sbornyk materialov sektsii "Informatsionniye tekhnologii na transporte" Mezhdunarodnoy konferentsii "Regionalnaya in-

formatyka-2016" [Information technologies on transport. Coll. papers of "Information technologies on transport" section of International conference "Zone-based informatics-2016"]. Saint Petersburg, PGUPS Publ., 2016, pp. 95-101.

8. Pryvalov A.A. Metod topologycheskogo preobrazovaniya stokhastycheskykh setey i yego ispolzovaniye dlya analyza system svyazy VMF [Topological transformation model of stochastic networks and its application for telecommunication systems of the Naval Forces analysis]. Saint Petersburg, VMA

9. Beneta E. V., Sakharova M. A. & Kanayev A. K. Kompleksnaya matematycheskaya model protsessa funktsionyrovaniya intellektualnoy systemy upravleniya setyu Carrier Ethernet [Integrated mathematical operation process model of Carrier Ethernet intelligent control system]. XX Mezhdunarodnaya konferentsiya po myagkym vychysleniyam i izmereniyam (SCM-2017) [The 20th International conference on soft computing and measurements (SCM-2017). Book of

reports]. In 3 vol. Saint Petersburg, SPbGETU "LETI" Publ., 2017, vol. 2, pp. 282-285.

10. Sakharova M. A. Razrabotka modeley funktsionyrovaniya i metodyky formyrova-niya intellektualnoy systemy podderzhky prynyatiya resheniy po upravleniyu setyu peredachy dannykh [The development of functioning models and the methods of decision support intelligent systems formation of data communication network management]: Cand. diss: 05.12.13. Saint Petersburg, PGUPS Publ., 2015, 161 p.

11. Beneta E. V., Sakharova M.A. & Kanayev A. K. Neyrosetevaya model dlya resheniya zadach tekhnicheskogo diagnostyrovaniya transportnoy telekommunikatsionnoy sety [Con-nectionist model for the solution of tasks of transport telecommunication network technical diagnostics]. XIXMezhdunarodnaya konferentsiyapo myagkym vychysleniyam i izmereniyam

*ЛОГИН Элина Валерьевна - ассистент, elinabeneta@yandex.ru; КАНАЕВ Андрей Константинович - доктор техн. наук, доцент, заведующий кафедрой, kanaevak@mail.ru (Петербургский государственный университет путей сообщения Императора Александра I); САХАРОВА Мария Александровна - канд. техн. наук, доцент, ведущий научный сотрудник, zuvakamariya@mail.ru (ОАО «Радиоавионика»); МУРАВЦОВ Алексей Александрович -канд. техн. наук, начальник кафедры, vsmeos@yandex.ru (Военная академия связи имени Маршала Советского Союза С. М. Буденого).

© Логин Э. В., Канаев А. К., Сахарова М. А., Муравцов А. А., 2017