Эффективность применения технологии MPLS-TP на сети передачи данных

УДК 621.39

А. О. Кравцов, М. А. Ракк

ЭФФЕКТИВНОСТЬ ПРИМЕНЕНИЯ ТЕХНОЛОГИИ MPLS-TP НА СЕТИ ПЕРЕДАЧИ ДАННЫХ

Дата поступления 22.06.201 5 Решение о публикации 17.07.201 5

Цель: Определить особенности технологии MPLS-TP, проанализировать вероятностновременные характеристики механизма туннелирования в сети MPLS-TP для обеспечения заданного качества обслуживания мультимедийного трафика. Методы: В качестве аналитического аппарата использована теория массового обслуживания, в частности, формула Эрланга и теорема Бурке. Результаты: Сформулированы особенности технологии MPLS-TP Описан процесс организации LSP-туннеля и LSP-маршрута, проведено их сравнение. Рассмотрен процесс сцепления пакетов в пачку и процесс фрагментации пачки пакетов в узле. На основании аппарата теории массового обслуживания получены вероятностновременные характеристики механизма туннелирования. При расчётах использованы сведения о реальной производительности маршрутизаторов, поддерживающих протокол MPLS-TP Туннель рассмотрен как модель сети с последовательными очередями. Эффективность организации туннеля MPLS-TP определена на основании сравнения времени пребывания пакета в LSP-пути с организацией туннеля и LSP-пути без туннеля при различных величинах нагрузки сети (р = 0,3-0,95) и разной длине туннелей (от 2 до 9 узлов). Приведены результаты расчётов и графики зависимости времени пребывания пакета в LSP-пути при организации туннеля и без организации туннеля. Практическая значимость: Показано, что организация туннеля будет целесообразной при любом количестве узлов, если нагрузка сети превышает 0,7. Результаты работы могут быть полезны специалистам в области технической эксплуатации сетей передачи данных при решении вопроса об эффективности внедрении технологии MPLS-TP на сети.

Технология MPLS-TP, туннель MPLS-TP, тракт LSP, эффективность применения.

Anton О. Kravtsov, electrician, kravcovanton@mail.ru (GUP «Saint Petersburg metro»); *Maria А. Rakk, Cand. Sci. (Eng.), associate professor, rakkma@mail.ru (Petersburg State Transport University) EFFICIENCY OF MPLS-TP TECHNOLOGY IMPLEMENTATION WITHIN DATA COMMUNICATION NETWORK.

Objective: To determine the specifics of MPLS-TP technology, to analyze the probability-time characteristics of tunneling mechanism within MPLS-TP network for specified quality of service of multimedia traffic. Methods: Queuing theory, in particular, Erlang formula and the Burke theorem are used as an analytical facilities. Results: The article states the specifics of MPLS-TP technology, as well as the process of organizing LSP-tunnel and LSP-route, and provides its

40

comparison. It also covers the process of pipelining of the data packages and the packets bursts fragmentation process in the node. Using the theory of queuing the article provides the probability-time characteristics of tunneling mechanism. Actual performance of routers that support the protocol MPLS-TP was used for calculations. The tunnel is considered as a network model with sequential access. The efficiency of MPLS-TP tunnel arrangement is defined on the basis of comparison of in-transit time of the packet in LSP-path with the tunnel and LSP-path without the tunnel at various network load values (p = 0,3-0,95) and varying length of the tunnel (from 2 up to 9 nodes). The article provides the results of the calculations and diagrams of in-transit time of the packet in LSP-path with the tunnel and LSP-path without the tunnel. Practical importance: It is shown that the arrangement of the tunnel is suitable for any number of nodes, if the network load is more than 0,7. The results can be useful for the experts in the field of the technical operation of data communication networks, to solve the question about the efficiency of MPLS-TP technology implementation at the network.

MPLS-TP technology, MPLS-TP tunnel, LSP path, efficiency of implementation.

В связи с увеличением объёма «пакетного трафика» (систем универсального доступа, приложений, ориентированных на клиента) привычные транспортные системы с временным разделением каналов (TDM) перестают справляться с передачей данных, поэтому возникает необходимость в новой транспортной платформе, способной передавать трафик с заданным качеством обслуживания.

Технология Multiprotocol label switching transport profile (MPLS-TP) стала результатом совместной работы рабочей группы из представителей ITU-T и IITF. Она призвана решать в основном те же задачи, что и технология Provider backbone transport (PBB-TE) ориентированная на установление соединений, с широкими возможностями системы технического обслуживания и управления (OAM) и развитыми защитными механизмами. Но если PBB-TE сосредоточена только на поддержке Ethernet, то MPLS-TP может обеспечить передачу любых типов клиентских сигналов (PDH, SDH, ATM, Frame Relay, SAN protocols и т. п.). PBB-TE поддерживает преимущественно соединения «точка - точка», а T-MPLS/MPLS-TP - «точка - точка» и «точка - многоточка».

Технология MPLS-TP представляет собой ориентированную на соединения пакетную сеть на основе MPLS [1], которая обеспечивает управляемые сквозные соединения с сетями клиентского уровня (таким как Ethernet). Это специально выделенная реализация MPLS, где удалены функции, не касающиеся транспортных сетей (Penultimate Hop Popping, Equal Cost Multi-Path, Label Merge). Особенности технологии MPLS-TP:

• ориентация на соединения с продолжительным временем удержания;

• взаимодействие типа «клиент - сервер» между сетевыми слоями и разделение на подсети, т. е. возможность масштабирования;

• расширенные функций сетевых защитных механизмов для каждого слоя: линии, кольца, подсети;

41

• расширенные функции системы технического обслуживания и управления для каждого слоя;

• разделение функций передачи и управления;

• двунаправленные коммутируемые по меткам тракты LSP (Label switched path);

• не используется маршрутизация технологии IP.

Очевидно, что при использовании пакетных сетей для обслуживания трафика реального времени необходимо гарантировать качество обслуживания (Quality of Service - QoS), создавать средства для того, чтобы в периоды перегрузки IP-сети на трафик реального времени не оказывалось воздействия или, по крайней мере, этот тип трафика получил бы более высокий приоритет перед остальными.

Модель эффекта туннелирования

Математическая модель эффекта туннелирования [2] в MPLS-ТР представляет собой сеть массового обслуживания с последовательными очередями (рис. 1).

Рис. 1. Модель последовательных очередей

В модели на рис. 1 на вход граничного узла 1 поступает пуассоновский поток пакетов с интенсивностью X и со средним временем обслуживания пакета 1/ц. На базе теоремы Бурке строится ряд моделей, описывающих поведение трафика, состоящего из пачек пакетов, в туннелях MPLS-ТР. Для этого поведения характерны процессы фрагментации и сцепления пачек пакетов в туннелях, существенно влияющие на качество обслуживания.

Процесс сцепления возникает в каждом узле п, начиная со второго (п Ф 1), и определяется тем, что первый пакет k-й пачки пакетов догоняет в узле п последний пакет (k - 1)-й пачки, и обе пачки - k-я и (k - 1)-я - формируют новую пачку («сцепляются»), как это показано на рис. 2.

Процесс фрагментации представлен на рис. 3. Сущность процесса фрагментации состоит в следующем. Пусть в первом узле обслуживается пакет номер j из пачки k, и в это время в этот же первый узел поступает следующий пакет номер j + 1, время обслуживания которого превышает время обслуживания пакета j. Пусть в следующем (втором) узле в этот момент нет очереди,

42

Пачка к длиной m в узле

Узел

n-1

Узел

n

к tn-1

^

Рис. 2. Сцепление пачек k - 1 и k в узле n

Узел

n-1

tn- 1

\ \ \

Узел

n

Рис. 3. Фрагментация пачек k в узле n

и пакет j обслуживается, как только он поступит в узел 2. Когда пакет j покидает узел 2, пакет j + 1 всё ещё продолжает обрабатываться в узле 1, поскольку время его обслуживания дольше.

Математический анализ этих двух явлений эффекта туннелирования MPLS-ТР позволяет применить следующую формулу для времени пребывания пакета в туннеле, состоящем из N узлов:

V (N ) = ln

(N - 2 )!х

v1 -РУ

+

N

где у - постоянная Эйлера (у = 0,577); N - количество промежуточных узлов; р - загрузка сети, N > 2.

Формула (1) позволяет оценить целесообразность организации туннеля в LSP-пути для индивидуальных пар «исходящий узел - узел назначения» при заданной нагрузке сети.

43

На рис. 4 представлен маршрут в MPLS-ТР-сети, который состоит из N узлов и физических каналов передачи данных между ними. Маршрут описывается следующими параметрами: LSRh (LSR-источника), LSRk (LSR-назначения) и класс обслуживания трафика, определяемый допустимым временем передачи. На рис. 4 X - интенсивность пуассоновского потока запросов. Обозначим 1/ц - усредненное время обслуживания сообщений в узле. Соответственно, р = X/ц, означает нагрузку, обслуживаемую узлом LSP-маршрута.

LSR 3

LSR Y

V V

LSR 2

LSR Y

LSR 3

LSP-маршрут

LSR н

LSP-туннель

Рис. 4. Сравнительная оценка величин V (N) и V2 (N): X - интенсивность пуассоновского потока запросов

В контексте поставленной задачи поиска стратегии принятия решения об организации LSP-туннеля для оценки альтернативного варианта суммарного времени пребывания пакета в LSP-пути без туннеля допустимо использовать формулу Эрланга в качестве адекватной оценки, позволяющей произвести сравнение с V1 (N). На рис. 4 представлены оба варианта передачи сообщений при наличии или в отсутствие LSP-туннеля. В первом случае суммарное время пребывания пакета в сети равно V (N), а во втором - того же пакета - V2 (N).

Эффект, получаемый от организации туннеля, выражается разностью между V (N) и V2 (N). Если при этом достигается положительный эффект, то принимается решение об организации туннеля.

Определим величину размера пачки Кп по формулам:

Кп = 1 + Р при п = 1;

1-Р

44

Kn = 1 + —— при n

1 -p

2;

Kn = 1 + (n - 1)x —— при n > 2.

v ' 1 -p

Результаты расчетов

Результаты расчетов для различных величин загрузки р представлены в табл. 1.

Определим время пребывания пакета в LSP-пути сети MPLS-ТР из 9 узлов без организации LSP-туннеля при наличии ограниченной очереди к узлу n длиной Kn по формуле

V,

N 1 1 - (Kn + 1)pK" + KnPKn +1

=1 P2

Среднеарифметическое значение для существующих аппаратных реализаций составляет примерно 22 000 000 пак./с. Разница между V1 (N) и V2 (N) может заключаться в том, что без туннеля для всех пересылок одного пакета требуется N циклов обработки (один цикл на каждый маршрутизатор),

ТАБЛИЦА 1. Результаты расчетов величины пачки Kn

N 1 2 3 4 5 6 7 8 9

р = 0,3

K n 0,857 1,28 1,71 2,14 2,57 3 3,42 3,85 4,28

o' II а.

K n 1,33 2 2,66 3,33 4 4,66 5,33 6 6,66

10 о" 11 Q.

K n 2 3 4 5 6 7 8 9 10

р = 0,6

K n 3 4,5 6 7,5 9 10,5 12 13,5 15

о" II Q.

K n 4,67 7,00 9,33 11,67 14,00 16,33 18,67 21,00 23,33

р = 0,8

K n 8 12 16 20 24 28 32 36 40

О II о о

K n 27 36 45 54 63 72 81 90 99

р = 0,95

K n 38 57 76 35 114 133 152 171 190

45

в то время как в LSP-туннеле - один транзитный участок обработки сигнализации и управления для всех пересылок, т. е. каждый пакет должен анализироваться только один раз. Следовательно, среднее время обслуживания того же самого пакета может увеличиться с 1/ц до (1/ц + ц !) единиц, где ц 1 - время обработки метки в узле сети MPLS-ТР, зависящее от аппаратной реализации узла. Затраты на обработку меток в сетях MPLS-ТР без туннеля дают дополнительное преимущество организации туннеля, но так как в некоторых аппаратных реализациях эти временные издержки могут быть исчезающе малыми, в представленных ниже численных расчетах мы будем полагать ц 1 = 0, что подразумевает одинаковое время обработки пакета в маршрутизаторе при наличии и в отсутствие LSP-туннеля. В этом случае результат работы алгоритма даст выигрыш для самого неблагоприятного случая. Результаты расчетов V2 (N) для р = 0,3-0,95 представлены в табл. 2; V1 (N) - в табл. 3.

ТАБЛИЦА 2. Результаты расчета времени пребывания пакета в LSP-пути без организации туннеля V2

р 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 0,95

N V2

1 0,954 1,109 1,333 1,673 2,244 3,387 6,821 13,691

2 2,035 2,395 2,905 3,671 4,949 7,502 15,154 30,454

3 3,215 3,808 4,638 5,878 7,935 12,038 24,324 48,881

4 4,468 5,310 6,477 8,211 11,084 16,805 33,928 68,148

5 5,774 6,871 8,382 10,620 14,322 21,691 43,745 87,818

6 7,120 8,472 10,326 13,070 17,607 26,637 53,662 107,67

7 8,492 10,099 12,295 15,544 20,916 31,612 63,626 127,61

8 9,883 11,740 16,268 18,031 24,238 36,600 73,610 147,58

9 11,287 12,283 16,608 18,850 27,565 41,595 83,603 167,57

ТАБЛИЦА 3. Результаты расчета времени пребывания пакета в LSP-пути с туннелем V1

Р 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 0,95

N V,

2 6,512 4,326 3,154 2,508 2,199 2,175 2,547 3,110

3 10,192 6,691 4,731 3,559 2,875 2,569 2,722 3,193

4 14,565 9,750 7,001 5,304 4,244 3,656 3,591 3,969

5 19,343 13,214 9,677 7,454 6,018 5,149 4,865 5,151

6 24,409 16,966 12,640 9,892 8,080 6,930 6,426 6,620

7 29,698 20,941 15,826 12,552 10,366 8,934 8,211 8,312

8 35,169 25,098 19,195 15,395 12,833 11,120 10,178 10,1876

9 40,795 42,909 31,718 24,393 15,455 13,460 12,299 12,216

46

На рис. 5-8 приведены графики зависимости времени пребывания пакета в LSР-пути при организации и без организации туннеля для р = 0,7-0,95.

V1

V2

Рис. 5. График зависимости времени пребывания пакета (мкс) в LSP-пути при организации туннеля и без организации туннеля от количества узлов при р = 0,7

*“♦** V1

V2

Рис. 6. График зависимости времени пребывания пакета (мкс) в LSP-пути при организации туннеля и без организации туннеля от количества узлов при р = 0,8

V1

V2

Рис. 7. График зависимости времени пребывания пакета (мкс) в LSP-пути при организации туннеля и без организации туннеля от количества узлов при р = 0,9

47

180 п 160 -

140 -

120 -

100 -

80 -

60 -

40 -

20- 0

т  1ГТЖ 1 ^ 1 1  1 1 1 1 ! 1 2 3 4 5 6 7 8 9

V1

V2

Рис. 8. График зависимости времени пребывания пакета (мкс) в LSP-пути при организации туннеля и без организации туннеля от количества узлов при р = 0,95

Выводы

Как видно из приведенных графиков, организация туннеля при нагрузке сети от 0,7 и выше будет эффективна при любом количестве узлов в маршруте. С увеличением количества узлов в туннеле выигрыш во времени пребывания пакета в сети возрастает. С увеличением нагрузки при неизменном количестве узлов время пребывания пакета в туннеле возрастает, так как увеличивается нагрузка на каждый узел, а следовательно, и суммарное время пребывания пакета в туннеле.

Библиографический список

1. Ракк М. А. О применении технологии MPLS на сетях передачи данных / М. А. Ракк // Бюл. результатов научных исследований ПГУПС. - 2014. - № 3 (12). -С. 45-60.

2. Гольдштейн А. Б. Технология и протоколы MPLS / А. Б. Гольдштейн, Б. С. Гольдштейн. - СПб. : БХВ-Петербург, 2005. - 304 с.

References

1. Rakk M.A. Byulleten’rezul’tatov nauchnykh issledovaniy PGUPS - Proceedings of scientific findings, 2014, № 3 (12), pp. 45-60.

2. Goldstein A. B., Goldstein B. S. Tekhnologiya i protokoly MPLS (MPLS technology and protocols). St.Petersburg, BKhV-Peterburg, 2005. 304 p.

КРАВЦОВ Антон Олегович - электромеханик (ГУП «Петербургский метрополитен»), kravcovanton@mail.ru; *РАКК Мария Анатольевна - канд. техн. наук, доцент, rakkma@mail.ru (Петербургский государственный университет путей сообщения Императора Александра I).

© Кравцов А. О., Ракк М. А., 2015

48