Информационные технологии и механизмы управления перегрузками прокси-серверов в сетях 3G

Информационные технологии и механизмы управления перегрузками прокси-серверов

в сетях 3G

Ю.В. Гайдамака, Российский университет дружбы народов,

доцент, ygaidamaka@sci.pfu. edu. ru;

К.Е. Самуйлов, Российский университет дружбы народов,

профессор, ksam@sci.pfu.edu.ru

Исследовано современное состояние и проблемы базового механизма контроля перегрузок SIP-серверов («мезанизм 503»), предложенного комитетом IETF. Изложены подходы к построению математических моделей SIP-серверов в виде систем массового обслуживания с гистере-зисным управлением.

Введение

Пороговое управление нагрузкой является основным инструментом в предотвращении различного рода перегрузок в телекоммуникационных сетях [1-3]. Одним из механизмов является гистерезисное управление [4], которое использует три типа порогов для контроля перегрузок -порог обнаружения перегрузки, порог снижения перегрузки и порог сброса нагрузки. Разновидности этого механизма применяются при обнаружении перегрузок как в сетях общеканальной системы сигнализации №7 (ОКС7) [5,6], так и в сетях, где основой сигнализации является протокол инициации сеансов связи (SIP, Session Initiation Protocol) [7,8].

Для сетей сигнализации гистерезисное управление было разработано Международным союзом электросвязи (МСЭ) для протоколов ОКС7 (система сигнализации по общему каналу сигнализации № 7) в стандартах серии Q.700 [1,9]. Обработка перегрузки в ОКС7 включает в себя два этапа - обнаружение перегрузки и действия по ее предотвращению. Для обнаружения перегрузки производится контроль числа сообщений в очереди буфера передачи, а действия по предотвращению перегрузки заключаются в ограничении поступающей сигнальной нагрузки.

С использованием понятия гистерезисного управления нагрузкой, введенного для ОКС7, мы с единых позиций строим типовые модели управления перегрузками SIP-серверов в виде систем массового обслуживания (СМО).

Управление перегрузками звена ОКС7

Управление сигнальным трафиком и обнаружение перегрузок звена сети ОКС7 основано на процедуре гистерезисного управления нагрузкой. Данная процедура реализует контроль за состоянием очереди в бу-

фере передачи и управление сигнальным трафиком на основании данных контроля. В ОКС7 для определения статуса перегрузки используют

Н L\

три порога - порог 1 обнаружения перегрузки (англ., onset), порог L

R

снижения перегрузки (англ., abatement) и порог 1 сброса нагрузки (англ., discard), а статусы перегрузки определены для международной и национальной версий системы. Всего используются четыре значения

статуса перегрузки:

| 0, нормальная нагрузка, [i, ¿-уровень перегрузки, г = 1,2,3. В ОКС7 используется также три значения статуса сброса нагрузки: | 0: нормальная нагрузка, [г: ¡-уровень перегрузки, i = 1.2. Предусмотрена возможность реализации нескольких групп порогов, как это показано на рис. 1.

Ri+i Ht+\ Lt+i R Hi Li

h =

"1—Г

I I I I

J_L

Направление передачи

Рис.1. Группы порогов в буфере передачи На рис. 2 показан процесс изменения статуса перегрузки для двух групп порогов, т.е. Кг е{0,1,2}.

/ Г"

ч— —

!

Снижение перегрузки

! г

К

! !\

Длина очереди

L -1 L

Hi - HHi Ri-1R L-1 L

Рост перегрузки

H 2 H 2 + 1 R2 — 1 R2

Рис.2. Изменение статуса перегрузки для двух групп порогов

h

r = 0

r = 1

r = 2

2

0

n

h, r, n)

Li— 1 Li

Hj — 1 R — Hj L2 — 1 L2

Рис. 3. Двухуровневое гистерезисное управление нагрузкой для случая

Ri= Hi.

R2= h 2

Итак, мы кратко изложили общие принципы гистерезисного управления нагрузкой в ОКС7 и ввели все необходимые понятия, которые будут использованы в следующих разделах обзора, посвященных исследованию механизмов контроля перегрузок SIP-серверов.

Математические модели SIP-сервера с гистерезисным

управлением нагрузкой

Известен ряд статей [10-14], где изложены подходы к построению моделей функционирования SIP-серверов с пороговым управлением в условиях перегрузок. Практически во всех известных на момент написания обзора источниках, включая стандарты комитета Internet Engineering Task Force (IETF), в явном виде отсутствует механизм ги-стерезисного управления нагрузкой, а все численные результаты получены либо с помощью измерений, либо с использованием имитационных моделей. Поэтому ниже показано, как строятся две СМО с гистерезисным управлением нагрузкой.

Во-первых, рассматривается СМО типа ^ ^ * В изобра-

женная на рис. 4, где B объем буферного накопителя, L порог нижнего

уровня,

H

порог верхнего уровня контроля перегрузок.

B H L

s, n )

И

О

Рис. 4. Однопотокоеая СМО типа ^ ^ ^ (^-Н) В

1

X

0

н 2 — i -R — н 2

n

Предполагается, что в состоянии нормальной загрузки сервер может обрабатывать поток SIP-сообщений интенсивности ^ , а при достижении общей длиной очереди п значения Н порога верхнего уровня контроля перегрузок нагрузка уменьшается до величины ^ = Р^ , где Р -доля сообщений-ответов, которые в зарубежных источниках принято называть сообщениями типа поп-ШУГГБ.

X

я

s = 0 *-*-!Г

s = 0 H-h-

s = 1

s = 1 H-

s = 2

L-1 L

H-1 H H +1

B-1 B

Рис. 5. Гистерезисное управление сигнальной нагрузкой на SIP-сервере Множество состояний системы на рис. 4 с интенсивностью входящего потока ^ ( v-;î) на рис. 5 представимо в виде ^ — % u X и Хг, где

X1 0.0 _ п _ H l j _ множество состояний нормальной

Y = (кл):л = 11 < п<Б-\\

нагрузки, ' -

¥, = [(s, л) : j = 2,Н +1 < п < Д] регрузки и " 1

сброса нагрузки.

Тогда

множество состоянии пе-

- множество состоянии

Перейдем, во-вторых, к построению модели, которая учитывает поступление на SIP-сервер потоков сообщений двух типов - запросов INVITE и всех остальных сообщений-ответов. Разделение сообщений на два потока в модели сделано потому, что все механизмы предусматривают в случае перегрузок в первую очередь сброс сообщений-запросов (INVITE), а не сообщений-ответов (non-INVITE). Таким образом, на

о

n

СМО IM2 11 (L-H) В изображенную на рис. 6, поступают два пуассоновских потока - ответов non-INVTTE с интенсивностью

А (s, i,n) и запросов INVITE с интенсивностью А (s, i,n).

А

B

H L

О

Рис. 6. Двухпотоковая СМО типа I ^ S

Изменение статуса перегрузки s для рассматриваемой модели показано на рис. 7, где i число запросов INVITE и n общее число сообщений в очереди на обработку процессором сервера.

Снижение перегрузки

Рост перегрузки

Рис. 7. Изменение статуса перегрузки SIP-сервера

Графики интенсивностей потоков сигнальной нагрузки А (п) и

Аг(П) показаны на рис. 8(а) и рис. 8(б) соответственно, причем на рис. 8(а) порог н является порогом снижения перегрузки, порог в -порогом обнаружения перегрузки, а на рис. 8(б) порог н является порогом обнаружения перегрузки и порог ^ порогом снижения перегрузки.

Пространство состояний ' модели СМО представляется в виде У = У0^У1иУ2 ТдеУ0={(х.Хп):5 = 0,0<1<п.0<п<Н-1}.

>i ={(s,ï,n):s = 2s0< i<H,H + 1<и<л}

\ ( s, i, n) i

л

Рост перегрузки s = 0

s = 1

s = 0

s = 1

k' •

V\

s = 2

H H + 1

B

Снижение перегрузки

Л

A

s = 2 B

Снижение перегрузки

Рис. 8. Гистерезисное управление сигнальной нагрузкой а) запросы INVITE б) ответы non-INVITE

Теперь из графиков на рис. 8 видно, что интенсивности потоков сообщений аналитически могут быть записаны следующим образом:

Ясно, что для обеих моделей могут быть получены СУР и алгоритмы для расчета стационарных вероятностей, которые мы не приводим для краткости изложения.

о

L

n

Заключение

Среди актуальных направлений дальнейших исследований прежде всего следует указать развитие теории СМО с гистерезисным управлением нагрузкой, конечной емкостью буферного накопителя и групповым поступлением заявок. При этом следует стремиться к созданию инженерных методов расчета наиболее актуальных вероятностных параметров качества функционирования системы гистерезисного управления, причем наибольший интерес представляют параметры, определенные нами в данном обзоре. Литература

7. ITU-T Recommendation Q.704: Signalling System No.7 - Message Transfer Part, Signalling network functions and messages. - 1996.

8. Hilt V., Noel E., Shen C., Abdelal A. Design Considerations for Session Initiation Protocol (SIP) Overload Control // RFC 6357. - 2011.

9. Rosenberg J. Requirements for Management of Overload in the Session Initiation Protocol // RFC5390. - 2008.

10. Красносельский М.А. Системы с гистерезисом. - М.: Наука, 1984. - 272 с.

11. Самуйлов К.Е. Методы анализа и расчета сетей ОКС7. - М.: РУДН, 2002. -291 с.

12. Летников А.И., Пшеничников А.П., Гайдамака Ю.В., Чукарин А.В. Системы сигнализации в сетях с коммутацией каналов и пакетов: Уч. пособие для вузов. - М.: Изд-во МТУСИ. - 2008. - 195 с.

13. Rosenberg J., Schulzrinne H., Camarillo G. et al. SIP: Session Initiation Protocol // RFC3261. - 2002.

14. Johnston A., Donovan S., Sparks R. et al. Session Initiation Protocol (SIP) Basic Call Flow Examples // RFC3665. - 2003.

15. ITU-T Recommendation Q.752: Monitoring and measurements for Signalling System No. 7 networks. - 1997.

16. Ohta M. Overload Protection in a SIP Signaling Network // International Conference on Internet Surveillance and Protection - 2006. - Pp. 205-210.

17. Montagna S., Pignolo M. Performance Evaluation of Load Control Techniques in SIP Signaling Servers // Proceedings of 3d International Conference on Systems (ICONS). - 2008. - Pp. 51-56.

18. Garroppo R. G., Giordano S., Spagna S., Niccolini S. Queueing Strategies for Local Overload Control in SIP Server // IEEE Global Telecommunications Conference. - 2009. - Pp. 1-6.

19. Montagna S., Pignolo M. Load Control techniques in SIP signaling servers using multiple thresholds // 13-th International Network Strategy and Planning Symposium, NETWORKS. - 2008. - Pp. 1-17.

20. Garroppo R. G., Giordano S., Niccolini S., Spagna S. A Prediction-Based Overload Control Algorithm for SIP Servers // Network and Service Management, IEEE Transactions on. - 2011. - Vol. 8, No 1. - Pp. 39-51.