Решение задачи резервирования в пакетных сетях и сетях SDN с использованием общих резервных ресурсов при различных повреждениях

Решение задачи резервирования в пакетных сетях И сетях SDN с использованием общих резервных ресурсов при различных повреждениях

Методы резервирования в пакетных сетях на базе технологии MPLS, а также в сетях на базе SDN (Software-Defined Network, программно-конфигурируемая сеть) базируются на методах перемашрутизации, среди которых наиболее эффективным с точки зрения экономии резервных ресурсов является метод перемаршрутизации с использование общих резервных ресурсов при различных повреждениях. Задача расчета резервной сети при отказе каждой линии или узла может решаться перемаршрутизацией всех поврежденных отказом трактов из конца в конец по сети с исключенным поврежденным элементом. Окончательное значение резервной емкости на каждом участке устанавливается равной максимуму из запросов на резервирование при каждом из отказов. Перемаршрутизация или поиск резервного маршрута производится с использованием емкозависимого алгоритма маршрутизации с расчетом на каждой итерации дифференциальной стоимости ребер. После вычисления резервных емкостей на всех участках сети и определения обходных путей построение реконфигурационных таблиц не представляет большой сложности. Для этого необходимо сравнить основные и резервные трассы для всех затронутых повреждением потоков до и после повреждения каждого из участков. Отмеченные изменения будут соответствовать перемаршрутизации с использованием таблиц. Приводится алгоритм определения маршрутов и расчета требуемых резервных ресурсов при резервировании данным методом. Приводятся результаты расчета контрольного примера на базе фрагмента пакетной сети крупного телекоммуникационного оператора РФ.

Ключевые слова: резервирование, пакетные сети, SDN, алгоритм проектирования, перемаршрутизация.

Баркова И.В.,

Московский государственный технический университет радиотехники, электроники и информатики, доцент, к.т.н., barkova@slobodsky.ru

Сергеева Т.П.,

ФГУП Центральный научно-исследовательский институт связи, главный научный сотрудник, доцент, к.т.н., tafsergeeva2010@yandex.ru

Введение

Как известно, в сетях с технологией MPLS-TE при отказах используются резервирование методом быстрой перемаршрутизации (FRR) поврежденных трактов (LSP — Lable Switch Path). Среди различных способов реализации FRR наиболее эффективным с точки зрения экономии резервных ресурсов является метод перемаршрутизации с использованием общих резервных ресурсов при различных повреждениях [1]. Различные реализации метода FRR предполагают предварительное выделение резервных ресурсов или определение резервных ёмкостей после обнаружения отказа. Очевидно, что первый способ будет обеспечивать более быстрое восстановление (не более 50 мс), тогда как второй лучше учитывает текущее состояние сети, которое в сетях SDN может меняться достаточно динамично. Но и в том, и другом случае возникает необходимость уже на ста-

дии проектирования сети SDN правильно рассчитать необходимые пропускные способности звеньев сети, которые должны пропускать как основной трафик, так и обеспечивать необходимую величину резерва при повреждениях на сети. Результаты расчёта могут использоваться не только в сетях SDN, но также в сетях с технологией MPLS-TE.

Постановка задачи расчёта требуемых резервных ресурсов

Представим, что вся совокупность резервных ёмкостей на звеньях сети представляет собой некоторую резервную сеть, ресурсы которой будут использоваться при повреждениях на сети.

В общем случае задача расчёта резервной сети может описываться системой линейных целочисленных уравнений, которая может быть решена лишь для сетей малого размера (10-15 узлов). Для сетей большого размера решение задачи расчёта резервной сети использует метод решения системы линейных уравнений, основанный на использовании приближенных методов решения нелинейных уравнений с использованием множителей Лагранжа [2].

В основе эвристического метода решения задачи расчёта резервной сети лежит предположение, что отказы в сети являются независимыми и вероятность одиночного отказа более

чем на порядок превышает вероятность двух и более отказов. При этом условии задача расчёта ёмкости резервной сети декомпозируется на задачи расчёта необходимого резерва для каждого отдельного отказа.

— повреждённых отказом трактов ЬБР и нахождении для них новых маршрутов на сети, из структуры которой исключается отказавшая линия или узел. При новой маршрутизации фиксируются запросы на выделение ёмкости для резервирования на каждом из звеньев сети, входящем в новый маршрут тракта. После рассмотрения отказов всех звеньев сети окончательное значение резервной ёмкости на каждом звене устанавливается равной максимуму из всех запросов на резервирование среди всех отказов.

Перемаршрутизация или поиск резервного маршрута для каждого из отказов производится с использованием ёмкозависимого алгоритма маршрутизации на базе модели многопродуктового потока минимальной стоимости. Доказано [5], что оптимизацию решения задачи многопродуктового потока минимальной стоимости, которая называется также задачей допустимости, с критерием

X аиХи + Уи ^ тЬ

и

можно получить с использованием циклической процедуры распределения каждого однопро-

Рис. 1. Блок-схема алгоритма решения задачи резервирования

дуктового потока X по пути минимальной стоимости с переменными коэффициентами стоимости (длины) для ребер равными

au, Xu < Cu

fu = Yu + au, Cu < 0

Yu (xk - Cu) + au, 0 < Cu < xk,

где Си — текущее значение пропускной способности ребра, равное — Xu — Си*, где Си*

— заданное, фиксированное значение пропускной способности u-го ребра; au — стоимость канала на и м ребре (здесь под каналом понимается единица пропускной способности, ребро соответствует участку сети); Xu — суммарная загрузка и го ребра потоком; yu — дефицит каналов на и м ребре; u — коэффициент штрафа за превышение пропускной способности ребра.

Введение циклической процедуры определения маршрутов с переменной длиной ребер полностью соответствует приведенному в [3,4] методу CSP (Constrained Shortest Path), который в настоящее время предлагается в МСЭ-Т для стандартизации в виде Рекомендации. Процесс последовательного перераспределения потоков при различных стоимостях ребер (fj, вычисляемых на каждом шаге, повторяется многократно до тех пор, пока ни для одного потока не может быть найдено новое распределение, уменьшающее значение целевой функции. Таким образом, решение задачи многопродуктового потока сводится к последовательному решению однопродуктовых задач потока минимальной стоимости, а в однопутевом варианте — кратчайшего по стоимости пути. Это позволяет с помощью достаточно простой программной реализации решать задачу оптимальной маршрутизации для сетей больших размеров. Точность оптимизации с помощью описанного метода достаточно высока. Оценка точности показала, что приближенный эвристический метод дает точность оптимизации не менее 5% для сетей малого и среднего размера и не хуже 1-2% для сетей большого размера.

Эвристический метод решения задачи маршрутизации

Блок-схема алгоритма приводится на рис. 1.

На начальном этапе реализации алгоритма выполняется поиск основных трасс всех трактов, т.е. формирование трактов LSR Полученные в результате требования к пропускной способности фиксируются. Далее процедура маршрутизации повторяется при условии последовательного исключения всех участков

сети. В качестве резервной фиксируется новая трасса для всех потоков, поврежденных отказом участка, а также максимальная по всем повреждениям суммарная требуемая пропускная способность каждого участка. Таким образом, по окончании работы алгоритма для всех трактов формируются основные трассы и множество резервных трасс; для каждого участка сети вычисляются требования к пропускной способности при условии единственного повреждения на сети.

Решение задачи резервирования для контрольного примера

В качестве контрольного примера рассмотрим сеть, представляющую собой фрагмент пакетной сети крупного российского оператора. Данный оператор обладает разветвленной пакетной сетью на базе IP/MPLS и рассматривает возможность внедрения на сети технологии SDN. Схема рассчитываемой сети представлена на рис. 2.

100 90 80 § 70 £ а бо § 50 Ш 40 3~ S

L.

и >10 от 5 до 10 от 1 до 5 Размер. Гбит/с менее 1

Рис. 3. Распределение размеров трактов на сети примера

Для сравнительного анализа традиционного способа резервирования по схеме 1+1 и рассматриваемого метода были выполнены расчёты для 137 трактов различного размера, в соответствии с требованиями сети оператора (в статье не приводятся в связи с большим объемом). Характер распределения трафика является преимущественно центростремительным с тяготением к узлам М1 и П2 (по 38 трактов общим объёмом около 300 и 160 Гбит/с соответственно). Максимальный размер тракта составляет около 35 Гбит/с, при этом размер большинства трактов (128 из 137) не превышает 10 Гбит/с. Гистограмма распределения размеров трактов представлена на рис. 3.

Расчёт выполнялся с помощью специализированных программных средств собственной разработки. При резервировании по схеме 1+1 в качестве основной трассы выбиралась кратчайшая (по протяжённости участков), а в качестве резервной — кратчайшая из независимых к основной при удовлетворении требования независимости как по участкам, так и по узлам сети. При этом для трактов, терминируемых в узлах К3, П1 и Ч2 при заданной топологии сети невозможно получить двух (или более) полностью независимых трасс, так как эти узлы связаны с сетью только одним участком. При значительной протяжённости таких участков надёжность соответствующих соединений может быть недостаточной.

Для рассматриваемого в статье метода резервирования путём перемаршрутизации трактов с совместным использованием резерв-

ных ресурсов для каждого тракта было найдено от двух до четырёх трасс. Для трактов, терминируемых в узлах К3, П1 и П2 при рассматриваемом способе резервирования также не было найдено полностью независимых резервных трасс, однако в ряде случаев для этих трактов вместо одной резервной трассы удалось найти две и более, что позволяет получить лучшую надёжность по сравнению с традиционным способом резервирования.

Для контрольного примера получены следующие результаты (см. табл.): суммарное требование к пропускной способности участков сети при резервировании по схеме 1+1 составляет около 2,5 Тбит/с, а при резервировании с использованием общих резервных ресурсов при различных повреждениях — менее 2,2 Тбит/с.

Как показывает анализ данных, представленных в таблице, совокупная экономия ресурсов сети при рассматриваемом в статье способе резервирования с совместным использованием резервных ресурсов составила более 15%. При этом следует отметить, что рассматриваемый метод позволяет существенно улучшить надёжность, так как для резервирования в данном примере могут быть использованы от одной до трёх различных резервных трасс, тогда как для первого метода (1+1) резервная трасса только одна.

Совместное использование ресурсов при резервировании позволяет существенно снизить требования к пропускной способности сети. Сравнение требуемых ресурсов при данном методе Р1^ с ресурсами для резервирования по методу 1+1, который требует фактического удвоения всех занятых пропускных способностей, показывает значительную (вплоть до 50%) экономию ресурсов сети. После определения резервных ёмкостей на всех ребрах и построения обходных путей построение ре-

конфигурационных таблиц не представляет большой сложности. Необходимо просто сравнить основные и резервные трассы для всех затронутых повреждением потоков до и после повреждения каждого из ребер. Отмеченные изменения будут соответствовать перемаршрутизации с использованием таблиц.

Заключение

Предложенный в статье метод резервирования позволяет существенно экономить сетевые ресурсы. Описанный метод реализован в виде программного модуля в разрабатываемом авторами комплексе программ планирования и расчета сетей связи на базе различных технологий.

Литература

1. Pan P., Swallow G, Allas A., Fast Reroute Extensions to RSVP-TE for LSP Tunnels, IETF RFC 4090. May 2005, 38 p.

2. Minoux, Network synthesis and optimum network design problems: Models, solution, method and applications, Network Vol.19. 1995. 287 p.

3. Guan X., Choi B.-Y, Song S. Reliability and Scalability Issues in Software Defined Network Frameworks // 2013 Second GENI Research and Educational Experiment Workshop, p. 216-227.

4. Hu Y, Wendong W, Gong X., Que X, Shiduan C, Reliability-aware Controller Placement for Software-Defined Networks // 2013 IFIP/IEEE International Symposium on Integrated Network Management (IM2013):, p. 672-675.

5. Lindberg P., Mocci U, Tonielly A, C0ST201. A European research project: A procedure for minimizing the cost of transmission network under service availability constraints in failure conditions. The Swedish Telecommunications Administration, ITC-10, Section 2.3, 1985, 97 p.

A Protection Problem Solution for the Packet Networks and SDN Networks with Shared Protection Capacities for Various Failures

Barkova I.V., MSTUREI, lecturer, barkova@slobodkky.ru Sergeeva T.P., ZNIIS, Chief research fellow, latsergeeva2010@yandex.ru

Abstract

Various realizations of FRR (fast rerouting) algorithm assume either preliminary restoration resources allocation or their determination after failure detection. To design SDN networks it is necessary determine restoration capacities which depend on a chosen FRR method. The article presents a design algorithm and calculation results of case network for a FRR with shared restoration capacities recovery method. The restoration method proposed produces substantial savings in network capacities. It is realized as a software module for a software complex intended to plan and design telecommunication networks based on various technologies. The complex is developed by the article authors.

Keywords: restoration, packet networks,

SDN, design algorithm, rerouting.

Таблица

Критерий Метод 1 + 1 Совместное использование ресурсов

Суммарная требуемая пропускная способность участков с учётом резервирования 2 490 633 Мбнт/с 2 151 235 Мбит/с