СПОСОБ ЭФФЕКТИВНОГО ИСПОЛЬЗОВАНИЯ КОММУНИКАЦИОННЫХ РЕСУРСОВ МУЛЬТИСЕРВИСНОЙ СЕТИ В УСЛОВИЯХ ПЕРЕГРУЗКИ
METHOD FOR EFFICIENT USE OF COMMUNICATION RESOURCES OF MULTISERVICE NETWORK IN CONGESTION CONDITIONS

Область техники
Изобретение относится к области передачи цифровой информации путем обмена данными в системах с коммутацией пакетов, а именно к мультисервисным сетям связи.
Уровень техники
Мультисервисная сеть (multi-service network) - многофункциональная сеть с неограниченным набором услуг и гибкими возможностями по их управлению, персонализации и созданию новых услуг за счет унификации сетевых решений [В.В. Величко, Е.А. Субботин, В.П. Шувалов, А.Ф. Ярославцев. "Телекоммуникационные системы и сети", "Горячая линия - Телеком", 2005, с.580].
Известно, что качество обслуживания услуг в мультисервисных сетях (МСС) обеспечивается при выделении ресурсов сети индивидуально каждому отдельному потоку данных на сетевом уровне (microflow) (в дальнейшем - соединению). Выделение ресурсов сети на уровне соединения для обеспечения качества обслуживания обеспечивается в сети доступа, в сегменте сети, поддерживающей архитектуру IntServ [Braden R., Clark D., Shenker S. "Integrated Services in the Internet Architecture: Overview", RFC 1633, June 1994]. С целью предотвращения и устранения перегрузок сети при установлении доступа к сетевым ресурсам, и обеспечивающих согласование параметров сети и пользовательского трафика в узлах коммутации используются системы управления допуском (Admission Control). Управление допуском в явном виде используется в узлах коммутации архитектуры IntServ наряду с механизмом предварительного резервирования ресурсов в узлах коммутации для отдельных соединений. В качестве ресурсов рассматривается, в первую очередь, пропускная способность каналов связи. В IP-ориентированных сетях наиболее типичным механизмом резервирования является механизм, базирующийся на протоколе RSVP [Braden R., Zhang L., Berson S., Jamin S. "Resource Reservation Protocol (RSVP) - Version 1 Functional Specification" RFC 2205, September 1997]. На вход системы поступают сведения о дескрипторе потока TSpec и набор параметров требуемого обслуживания RSpec [S. Shenker, С. Partride, R. "Guerin. Specification of Guaranteed Quality of Serrvice". September 1997. RFC 2212]. Среди этих параметров специфицированы пиковая скорость передачи, средняя скорость передачи, максимальная допустимая задержка, вероятность потери пакета, максимальный размер пачки. Одним из способов передачи значений перечисленных параметров является "Способ, система и устройство связи для информирования и предоставления параметров профиля качества обслуживания в сети" (патент RU №2337492 от 27.10.2008, бюл. №30, МПК H04Q 7/38). На основе данных значений параметров потока и требований к качеству обслуживания вычисляется требуемый объем ресурсов, достаточный для обслуживания данной заявки на соединение. При этом пропускная способность может выделяться по средним, пиковым значениям или вычисляться на основе одной из множества моделей потока. Наиболее полно известные способы управления допуском представлены в [Кучерявый Е.А. Управление трафиком и качество обслуживания в сети Internet. - СПб.: Наука и техника, 2004 - 336 с.], в которых решение о допуске заявки принимается либо на основе анализа параметров вновь поступающего потока (параметрическое управление допуском) [Kraimeche В., Schwartz М. " Analysis of traffic access control strategies in integrated services networks", IEEE Transactions on Communications, vol.33, no.10, pp.1085-1093, October 1985], либо исходя из результатов измерения состояния сетевой инфраструктуры, занятой обслуживанием принятых заявок (управление допуском, основанное на измерениях). В общем случае в упомянутых способах при поступлении заявки на передачу данных задача управления допуском заключается в решении двух вопросов: существуют ли на сети свободные запрашиваемые ресурсы; повлияет ли новая нагрузка на качество обслуживания уже существующих потоков и соединений, на основе которых принимается решение на допуск или не допуск нового соединения для обслуживания.
Известен способ "Ограничение трафика для сети с передачей с уровнями качества обслуживания" (патент RU 2299516 C2, опубл. 20.05.2007, бюл. №14), который осуществляет проверку допустимости для передачи группы пакетов данных с приоритетом, и в случае положительного решения допускают поток данных к обслуживанию; при отрицательном результате проверок допустимости группу пакетов данных отклоняют или выполняют передачу с более низким приоритетом или без присвоения приоритета.
Недостатком известного способа является приоритезация соединений только по классам качества обслуживания в соответствии с моделью дифференцированных услуг и не учитывается приоритет по категориям пользователей. Отсутствует возможность перераспределения ресурсов сети для приоритетных соединений в условиях перегрузки за счет уже обслуживаемых соединений.
Известен также способ обслуживания приоритетных услуг пользователей с динамическим распределением ресурсов сети, в том числе и в условиях перегрузки сети "Надежные услуги пакетных данных, связанные с сетями связи" (патент RU 2461997 C2, опубл. 20.09.2012, бюл. №26). Недостатком известного способа является отсутствие возможности учета ресурсоемкости поступающих соединений при допуске к сети, а также процедуры выбора прекращаемых соединений низшего приоритета при перегрузке сети.
Наиболее близким по технической сущности и выполняемым функциям к заявленному является "Способ и устройство для эффективного использования коммуникационных ресурсов в системе обмена данными в условиях перегрузки" (патент RU 2286649, C2 H04L 12/56, опубл. 27.10.2006), согласно которому обнаруживают запрос на открытие нового соединения между терминалом доступа и сетью данных для передачи данных, определяют, находится ли сеть доступа между терминалом доступа и сетью данных в состоянии перегрузки в качестве реакции на обнаруженный запрос, если сеть доступа находится в состоянии перегрузки, определяют, имеются ли какие-либо уже существующие незанятые открытые соединения в сети доступа между терминалом доступа и сетью данных, при этом каждое незанятое открытое соединение имеет назначенные ему коммуникационные ресурсы, выбирают одно из упомянутых уже существующих незанятых открытых соединений на основе по меньшей мере одного из (a) времен открытых соединений и (b) предшествующей активности трафика данных упомянутых уже существующих незанятых открытых соединений, разрывают упомянутое выбранное уже существующее незанятое открытое соединение, выделяют упомянутому новому соединению коммуникационные ресурсы, соответствующие упомянутому разорванному выбранному уже существующему незанятому открытому соединению.
К недостаткам способа-прототипа относятся отсутствие приоритетов соединений и учета ресурсоемкости разрываемых открытых соединений, что может привести, с одной стороны, к разрыву или не предоставлению обслуживания приоритетным соединениям, с другой стороны, при разрыве уже существующих соединений могут возникнуть ситуации, когда высвобождаемых ресурсов от одного разрываемого соединения недостаточно для обслуживания нового соединения, что потребует разрыва более чем одного соединения и приведет к неэффективному использованию телекоммуникационных ресурсов.
Раскрытие изобретения
Задачей изобретения является разработка способа эффективного использования коммуникационных ресурсов мультисервисной сети в условиях перегрузки, позволяющего получить более эффективное использование ресурсов мультисервисной сети за счет учета приоритетов соединений и ресурсоемкости разрываемых соединений.
Эта задача решается тем, что способ эффективного использования коммуникационных ресурсов мультисервисной сети в условиях перегрузки, заключающийся в том, что обнаруживают запрос на открытие нового соединения между терминалом доступа и сетью данных, определяют, находится ли сеть доступа между терминалом доступа и сетью данных в состоянии перегрузки в качестве реакции на обнаруженный запрос, если сеть доступа находится в состоянии перегрузки, то определяют, имеются ли какие-либо уже существующие незанятые открытые соединения в сети доступа между терминалом доступа и сетью данных, при этом каждое незанятое открытое соединение имеет назначенные ему коммуникационные ресурсы, разрывают упомянутое выбранное уже существующее незанятое открытое соединение, выделяют упомянутому новому соединению коммуникационные ресурсы, соответствующие упомянутому разорванному выбранному уже существующему незанятому открытому соединению, дополнительно задают таблицу приоритетов, в которой каждому терминалу доступа присваивают приоритет по его статическому IP-адресу. После обнаружения запроса на открытие нового соединения и определения перегрузки сети, определяют приоритет нового соединения по таблице приоритетов в соответствии с IP-адресом терминала отправителя. Значение приоритета тем больше, чем большими привилегиями обладает пользователь и услуги, предоставляемые ему. Считывают для нового соединения из заголовка его IP-адреса значения требуемого ресурса. Вычисляют незанятые ресурсы сети доступа. Определяют, имеются ли уже существующие открытые соединения с меньшим приоритетом, чем у нового соединения, сравнивают их суммарный ресурс с требуемым для нового соединения. Если его недостаточно, то ему отказывают в обслуживании, если достаточно, то вычисляют относительную ресурсоемкость этих соединений, являющуюся отношением выделенной пропускной способности каждого соединения к значению его приоритета. Упорядочивают выбранные открытые соединения по относительной ресурсоемкости от большего значения к меньшему. Выбирают из упорядоченных открытых соединений одно или более начиная с соединения с максимальным значением до выполнения условия, когда сумма ресурсов выбранных соединений и незанятых ресурсов будет достаточна для обслуживания нового соединения. После чего эти соединения разрываются, а освобожденный ресурс предоставляется новому соединению.
Перечисленная новая совокупность существенных признаков обеспечивает возможность более эффективно использовать коммуникационные ресурсы мультисервисной сети при обслуживании приоритетных соединений за счет учета приоритетов соединений и ресурсоемкости разрываемых соединений. Следовательно, заявленное изобретение соответствует условию патентоспособности "Изобретательский уровень".
Проведенный анализ уровня техники позволил установить, что аналоги, характеризующиеся совокупностью признаков, тождественных всем признакам заявленного технического решения, отсутствуют, что указывает на соответствие заявленного способа условию патентоспособности "новизна".
Краткое описание чертежей
Заявленный объект изобретения поясняется чертежами, на которых показаны:
фиг.1 - структурная схема узла коммутации с системой управления допуском;
фиг.2 - блок-схема последовательности действий для эффективного использования ресурсов сети в условиях перегрузки;
фиг.3 - график зависимости вероятности отказа обслуживания от поступающей нагрузки на сеть с учетом приоритетов соединений.
Осуществление изобретения
i
n+1
Реализацию заявленного способа можно пояснить на схеме узла коммутации с реализацией управления допуском соединений в сеть, показанной на фиг.1. От приложения с функциями RSVP - 2, расположенного в терминале пользователя - 1 поступает заявка на обслуживание нового соединения n+1 на входной порт рассматриваемого сетевого узла коммутации Intserv-3, где в блоке классификации пакетов - 6 считывается статический IP-адрес и передается в блок определения приоритета - 5, структурно расположенного в блоке управления допуском соединения в сеть - 4, где на основе таблицы приоритетов определяется приоритет нового соединения, которое в последующем передается в блок допуска и перераспределения ресурсов - 7. Также в блоке классификации пакетов - 6 считываются параметры Tspec на основе пиковых или средних значений пропускной способности нового соединения и передаются в блок определения требуемых ресурсов для нового потока - 8, которые затем поступают в блок допуска и перераспределения ресурсов - 7. Кроме того, из блока управления локальными ресурсами планировщика пакетов - 10 передаются данные о всех зарезервированных пропускных способностях для уже обслуживаемых соединений в блок определения незанятых ресурсов - 9. В блоке определения незанятых ресурсов определяется незанятая пропускная способность как разность между пропускной способностью выходного порта элемента сети доступа и суммарной пропускной способностью, выделенной уже обслуживаемым соединениям, и полученные значения передаются в блок допуска и перераспределения ресурсов - 7. В блоке допуска и перераспределения ресурсов - 7 сравнивается требуемая для запрашиваемого нового соединения пропускная способность с незанятой, если незанятые ресурсы больше запрашиваемых, то новому соединению выделяется требуемый ресурс, если незанятые ресурсы меньше запрашиваемых, определяют, имеются ли уже существующие открытые соединения с приоритетом w меньшим, чем у запрашиваемого соединения w, и если их нет или их суммарный ресурс меньше требуемого запрашиваемому соединению, то ему отказывают в обслуживании. Если имеются открытые соединения с меньшим приоритетом и их суммарный ресурс не меньше требуемого запрашиваемым соединением, то вычисляется относительная ресурсоемкость этих соединений. Относительная ресурсоемкость открытых соединений вычисляется как отношение выделенной пропускной способности каждому соединению к его приоритету. Выбирается одно или более из уже существующих открытых соединений начиная с соединений с максимальным значением относительной ресурсоемкости до того момента пока суммарного ресурса выбранных соединений не будет достаточно для обслуживания нового соединения. При достаточности ресурсов передаются в блок управления локальными ресурсами планировщика пакетов - 10 данные об одном или более выбранных для разрыва уже существующих открытых соединениях и о выделении новому соединению требуемой пропускной способности.
На фиг.2 показана блок-схема последовательности действий для эффективного использования ресурсов мультисервисной сети в условиях перегрузки. На этапе 13 обнаруживают запрос на открытие нового соединения между терминалом доступа и сетью данных. На этапе 14 считывают из полей первого пакета параметры трафика запрашиваемого соединения и определяют его приоритет, определяют требуемые ресурсы для запрашиваемого соединения. На этапе 15 вычисляют незанятые ресурсы по формуле
<mrow><msub><mi>R</mi><mrow><mi>н</mi><mi>е</mi><mi>з</mi><mi>а</mi><mi>н</mi></mrow></msub><mo>=</mo><mi>С</mi><mo>−</mo><mstyle displaystyle="true"><munderover><mo>∑</mo><mrow><mi>i</mi><mo>=</mo><mn>1</mn></mrow><mi>n</mi></munderover><mrow><msub><mi>r</mi><mi>i</mi></msub></mrow></mstyle></mrow>
,
где C - пропускная способность элемента сети доступа;
<mrow><mstyle displaystyle="true"><munderover><mo>∑</mo><mrow><mi>i</mi><mo>=</mo><mn>1</mn></mrow><mi>n</mi></munderover><mrow><msub><mi>r</mi><mi>i</mi></msub></mrow></mstyle></mrow>
- суммарная пропускная способностью открытых соединений.
На этапе 16 сравнивают требуемые для запрашиваемого соединения пропускную способность с незанятой, если незанятая пропускная способность не меньше запрашиваемой, то на этапе 17 данному запрашиваемому соединению выделяют требуемые ресурсы. Если незанятые ресурсы пропускной способности меньше запрашиваемых ресурсов, то на этапе 18 определяют, имеются ли уже существующие открытые соединения с меньшим приоритетом, чем у запрашиваемого соединения. На этапе 19 проверяют наличие открытых соединений с меньшим приоритетом, чем у запрашиваемого соединения, а также проверяют выполнение условия, что суммарная пропускная способность открытых соединений с приоритетом меньшим, чем у запрашиваемого соединения, меньше требуемой пропускной способности для запрашиваемого соединения. На этапе 20 при невыполнении вышеназванных условий отказывают в обслуживании. Если имеются открытые соединения с меньшим приоритетом, то на этапе 21 вычисляют относительную ресурсоемкость этих соединений по формуле
<mrow><msub><mi>g</mi><mi>i</mi></msub><mo>=</mo><mfrac><mrow><msub><mi>r</mi><mi>i</mi></msub></mrow><mrow><msub><mi>W</mi><mi>i</mi></msub></mrow></mfrac></mrow>
,
i
где r - выделенная пропускная способность i-го соединения;
i
w - приоритет i-го соединения.
На этапе 22 упорядочивают выбранные открытые соединения по относительной ресурсоемкости от большего значения к меньшему. На этапе 23 выбирают одно или более из уже существующих открытых соединений начиная с соединения с максимальным значением относительной ресурсоемкости, до того как на этапе 24 сумма ресурсов выбранных соединений и незанятых ресурсов не будет достаточна для обслуживания нового соединения. На этапе 25 при достаточности ресурсов разрывают одно или более выбранные уже существующие открытые соединения. На этапе 26 выделяют новому соединению высвобожденные коммуникационные ресурсы.
Возможность достижения заявленного технического результата была проверена путем машинного моделирования с общеизвестным программным обеспечением (VINT project network simulator version 2 (NS2)).
В качестве нагрузки использовались потоки от 160 источников трех приоритетов, каждый из которых случайным образом генерировал нагрузку с пиковыми значениями пропускной способности 1400 бит/с, 87 бит/с, 64 бит/с. Время передачи с максимальной скоростью 1с, 3с, 5с соответственно. Максимальный размер пакета равен 900 байт. Количество источников нагрузки первого приоритета равнялось 30, количество источников второго приоритета 60, а количество источников третьего приоритета 70. Пропускная способность порта узла коммутации 100 Мбит/с, длина очереди не ограничена.
треб
Достижение технического результата поясняется следующим образом. Для способа-прототипа требуемая норма потерь заявок P=0,7, определяемая в соответствии с нормами, указанными в основных технических требованиях, являющихся обязательными при проектировании систем коммутации [Нормы технологического проектирования. Городские и сельские телефонные сети. РД 45.120-2000. НТП 112-2000, Министерство Российской Федерации по связи и информатизации, 2000 г., стр.25], достигается при моделируемой нагрузки, равной 6,1 Эрл. Для разрабатываемого способа данная норма достигается при нагрузке, равной 7,65 Эрл. Разница между значениями нагрузок сети при использовании способа - прототипа и разрабатываемого способа составляет 1,55 Эрл с учетом приоритетов соединений, чем и достигается сформулированный технический результат при реализации заявленного способа.
Таким образом, заявленный способ за счет учета приоритетов соединений и вычисления их относительной ресурсоемкости при допуске к ресурсам сети позволяет эффективно использовать коммуникационные ресурсы при обслуживании приоритетных соединений в мультисервисных сетях, находящихся в условиях перегрузки.