Особенности управления сетью оператора связи на основе SDN-решений

УДК 621.39

ЛОЗИНСКАЯ В Н., доцент, ДОННТУ; ДОЛГИХ И.П., старший преподаватель, ДОННТУ

ОСОБЕННОСТИ УПРАВЛЕНИЯ СЕТЬЮ ОПЕРАТОРА СВЯЗИ НА ОСНОВЕ SDN-РЕШЕНИЙ

Lozinskaya V.N., assistant professor

MANAGEMENT FEATURES OF MOBILE OPERATOR NETWORK BASED ON SDN-SOLUTIONS

Постановка проблемы и ее связь с актуальными научными и практическими исследованиями

Появление новых услуг на рынке инфокоммуникаций вызвало

необходимость пересмотра и обновления как технической, так и программной базы операторов связи. Основополагающим фактором для этого является лавинообразный рост трафика и, связанная с этим необходимость его контроля и обеспечения соответствующего

качества обслуживания. Одним из способов обеспечить

вышеперечисленное является

внедрение новых решений, например, SDN-решений, в сеть оператора мобильной связи. Несомненно переход к этому повлечет за собой определенные как экономические, так и технологические затраты (переход на новое управление сетью). К основным особенностям

предложенных решений относится возможность осуществлять

централизованное управление, при этом использовать и внедрять новые

методы и способы управления трафиком.

Суммируя вышесказанное, цель статьи состоит в улучшении экономических показателей работы сети оператора мобильной связи с обеспечением требуемых показателей качества обслуживания за счет разработки механизма маршрутизации с обеспечением требуемого качества обслуживания на базе комплексной метрики, учитывающей нелинейный характер зависимости

привлекательности маршрута от нескольких параметров качества обслуживания. SDN-решения

позволяют внедрить

вышеперечисленное в сеть оператора мобильной связи.

Основная часть

Работа сети на базе SDN-решений состоит из таких процессов, как осуществление контроля над сетью, виртуализация сети

(транспортного сегмента и

беспроводного) и работа сетевой операционной системы. При переходе к SDN-сети оператор мобильной связи

несет определенные затраты, отражающиеся на стоимость предоставляемых услуг абонентам. Особенности внедрения SDN-решений, рекомендации по выбору параметров SDN-контроллера

проанализированы в работе [1].

Оценка эффективности

внедрения SDN-сети на транспортной сети состоит в оценке капитальных затрат. При этом рассматриваются оба случая: дальнейшая работа сети без внедрения и с внедрением SDN-решений. Без SDN, часть от общего количества маршрутизаторов, каждый год будет требовать внеплановой замены. Пусть эта часть составляет не более 14% в год. Стоит учесть и то обстоятельство, что скорость возрастания объема трафика различна для густонаселенных и сельских районов. Приняв во внимание изменение соотношения между количеством сельского и местного населения (Y %), количеством пограничных маршрутизаторов (E), получаем следующие соотношения.

Atrzop = Atr + 0.3.

где Atr - увеличение трафика в год.

увеличивается

TRy = TR  Y ежегодно на Atr

гор >

где TRy

суммарный годовой объем трафика.

H >

TR

y

E  G Ac

где Н - параметры качества обслуживания (ОоБ);

О - коэффициент пеехода к секундам;

Ас - пропускная способность старого маршрутизатора.

Если обозначить цену более продуктивного маршрутизатора как

Рнов = 1-6 • Рстар , и его пропускную

способность, как Снов - Ас + Сср, где

С - разница между пропускными

способностями более мощного и старого маршрутизаторов. Тогда максимальное увеличение пропускной способности части сети, которая подключена к базовым станциям составит С • Е. Очевидно, что

величина затрат изменяется при замене маршрутизаторов на пограничные и, при необходимости, на дополнительные. С учетом формул (1) и (2) составлена графическая зависимость динамики затрат на развитие классическим путем и на основе 8В]М-решений.

Рис. 1. - Сравнение затрат оператора на SDN-решение и на традиционную сеть

Виртуализация беспроводного сегмента достигается путем предоставления OpenFlow-

контроллеру возможности обмена с базовыми станциями, а также перевод основных элементов контроля LTE в облако. Чтобы доказать этот тезис проведен экономический анализ затрат. Каждая физическая станция теперь может быть представлена как несколько виртуальных. Последние

могут по-разному использовать ресурс физической базовой станции.

Таким образом, можно больше эффективно использовать ресурсы сети, например, создавая несколько базовых станций (БС) по количеству различных тарифных планов или с учетом разных устройств.

Рис. 1. - Виртуализация БС

Также, виртуализованный

мобильный сегмент дает возможность очень быстро тестировать и внедрять изменения, распределяя контроль по разным виртуальным БС между различными элементами сети, которые находятся в облаке.

Для оценки эффективности предложенного перехода

использовались следующие положения [2].

'инф _ п'

ЛттЯ 2

где синф п - стоимость сотовой

инфраструктуры для одного пользователя;

сса - стоимость развертывания сотовой связи;

с^ - стоимость базовой станции;

Л - плотность абонентов на одну базовую станцию;

Я - радиус соты.

Тогда, для виртуализованного беспроводного сегмента (3) приобретает следующий вид:

синф _ вирт _ п

(С

с^ _ вирт

+ сЪз )

Лс^пвирт Я

для

сотовой

стоимость

сотовой одного

стоимость связи при

где с инф _ вирт _ п

виртуализированной

инфраструктуры

пользователя;

с -

_ вирт

развертывания виртуализации;

Лс - плотность абонентов в одном виртуальном сегменте;

пвирт - число сегментов в

виртуализованной сети.

Для обоснования качественной оценки приведена следующая графическая зависимость, построенная исходя из следующих данных. Для двух БС, стоимость развертывания -40000; стоимость базовой станции -20000; радиус соты - 0,5. Считаем, что плотность абонентов на одну базовую станцию изменяется от 10 до 50 . Для виртуализованной сети исходные данные следующие: стоимость развертывания - 28000; число сегментов - 2 .

4000 3500 3000 2500 2000 1500 1000 500 0

Затр аты,

Ч

V

ч

ч

—

—. _

' — - -

— • Традиционная сеть $ОК-сеть

Рис. 2. - Сравнение затрат оператора на БОК-сеть и на традиционную сеть

Исходя из графических зависимостей, представленных на рисунках 1 и 2, переход к SDN-сети является экономически эффективным, как со стороны величины капитальных затрат, так и со стороны оценки эффективности перехода

непосредственно.

После обоснования

эффективности перехода к SDN-решению для сети оператора мобильной связи, рассмотрим способы управления трафиком. Для

определенности остановимся на маршрутизации. Для организации обслуживания в мультисервисных сетях используются устройства вендоров. Последние реализуют стандартизированные протоколы. Эти протоколы маршрутизации основанны на определении кратчайшего маршрута либо его минимальной стоимости, например, протокол OSPF [4]. В этом случае алгоритм определения метрики использует определенный параметр для принятия решения, например, длина линии связи, задержка вдоль физического канала, загрузка физического или логического канал и т.д. Такой подход приводит к достаточно низкой эффективности использования таких протоколов маршрутизации в мультисервисных сетях, к которым относятся сети оператора связи. Для решения этой проблемы предлагается использовать концепцию

маршрутизации с обеспечением требуемого качества обслуживания [3]. Эта концепция состоит в определении такого маршрута между источником и адресатом, при котором будут выполняться требования к качеству обслуживания. На данный момент исследователями уже предложено несколько проколов маршрутизации, которые можно

разделить на протоколы поиска маршрутов с ограничением (Multi-Constrained Path, MCP) и протоколы поиска оптимального маршрута с ограничениями (Multi-Constrained Optimal Path, MCOP) [5, 6].

Как правило, в существующих алгоритмах вычисления метрики используются линейные функции зависимости привлекательности

маршрута от одного или двух параметров качества обслуживания (пропускная способность и задержка) [7, 8]. При этом игнорируются другие параметры качества обслуживания, такие как джиттер и вероятность потери пакетов, хотя они существенно могут повлиять на качество предоставления некоторых услуг. Еще одной особенностью существующих протоколов маршрутизации является высокая вычислительная сложность, что приводит к удорожанию маршрутизатора. При этом сетевой администратор не может

самостоятельно внедрить новые алгоритмы маршрутизации в сетевые устройства, а обязан довольствоваться только теми, которые поддерживает последний. Именно с этой точки зрения привлекательными остаются сети на основе SDN-решений, позволяющие реализовывать на их основе алгоритмы маршрутизации. Для этого требуется всего лишь написать новое приложение.

Для определения новой метрики воспользуемся функциями

«полезности» Это позволит, во-первых, использовать комплексную нелинейную метрику, а во-вторых, позволит учесть «невосприятие» человека к отдельным параметрам качества [9]. Функции «полезности» -это зависимость нормированной оценки от определенного параметра канала связи. Другими словами

значения функции характеризуют соответствие канала связи для передачи определенного типа трафика.

Для трафика VoIP функции полезности основные параметры показателей качества обслуживания (пропускная способность, задержка, доля потерь) выглядят следующим образом:

иЫР

и

VoIP

(г) =

1+

-1 • e

V rmin

Затем, но основе рассчитанных по каждому маршруту значений ит,

вычисляются оптимальные пути.

Для проверки эффективности выдвинутых предположений

произведена эмуляция работы сегмента БОК-сети в виртуальной среде Мтте! Данная среда позволяет эмулировать работу сегмента сети, аналогично реальному. Все виртуальные узлы, сервера, таблицы маршрутизации и программный код работают точно так же, как и в реальной сети. Топология сегмента и основные показатели по каналам показаны на рисунке 3.

1

г

гг

иУа1Р

Аналогичные выражения

существуют для различных видов трафика.

Будем считать, что показатели полезности независимы друг от друга. Тогда комплексный показатель полезности любого вида трафика для конечного потребителя составит их произведение:

и =Ыуа!р

Представленный коэффициент можно использовать в качестве метрики, для определения

оптимального пути, например, при замене стандартных протоколов динамической маршрутизации, таких как 08РБ. Так как протокол 08РБ в качестве метрики использует минимальные значения, то

необходимо выражение

необходимо преобразовать

следующим образом:

ит = 1 - и.

Controller Ope ri Daylight

^ I I Ï Jr

Mininet

Рис.3. - Имитационная модель сегмента SDN-сети

В качестве узлов используются программные коммутаторы Open vSwitch, работающие под управлением контроллера OpenDaylight. Open vSwitch - программный

многоуровневый коммутатор с открытым исходным кодом, предназначенный для работы с гипервизорами и на компьютерах с виртуальными машинами.

Соответственно с результатами работы, на контроллере заданы правила прохождения потоков по соответствующему маршруту.

Для генерации нагрузки и оценки качества работы виртуальной сети использовалась программная

платформа D- ITG (Distributed Internet Traffic Generator), способная генерировать IPv4 и IPv6 трафик

путем точного тиражирования нагрузки интернет-приложений.В то же время, D-ITG это измерительное сетевое приложение, которое в состоянии измерять наиболее распространенные показатели

продуктивности и качества работы сети (пропускная способность, задержка, джиттер, потеря пакетов) на пакетном уровне.

Для оценки работы сети сгенерирован следующий

мультисервисный трафик:

- 50 потоков VoIP G.711.1 (~ 3.2Mbps);

- IPTV (~ 93.7Mbps);

- Internet-трафик (~ 82.5Mbps).

Объем трафика ограничивался

вычислительной мощностью

разработанного программного

продукта.

Для определения эффективности предложенного решения по использованию комплексной метрики произведен сравнительный анализ нового алгоритма (COMPLEX) и одного классического алгоритма OSPF, осуществляющего

маршрутизацию на основе только одного параметра - пропускной способности. Результаты

имитационного моделирования

представлены на рисунках 4 и 5.

120 100

80

40

20

ВВС

VoIP Internet IPTV

OSPF  COMPLEX

Исходя из зависимостей, представленных на рис. 4, можно сказать, что новый алгоритм позволяет не только учитывать такой параметр качества как задержка, а и позволяет выбрать такой маршрут, вдоль которого она будет иметь минимальное значение. Т.е. общее значение задержки в этом случае уменьшиться.

Рис. 4. - Оценка задержек мультисервисного трафика для различных протоколов маршрутизации

Рис. 5. - Оценка уровня мультисервисного трафика для различных протоколов маршрутизации

На рисунке 5 можно отследить изменение показателя вероятности потерь пакетов. Это связано в первую очередь с тем, что при установлении маршрута через определенные узлы, классический OSPF не изменит его до тех пор, пока один из узлов не выйдет из строя. Данный факт говорит о том, что показатель потерь будет изменяться (увеличиваться) до тех пор, пока не изменится сам маршрут.

Вывод

В статье произведено

экономическое обоснование перехода сети оператора мобильной связи к SDN-решениям: произведено

сравнение капитальных затрат и затрат на виртуализацию сети для традиционной сети и сети с внедренными SDN-решениями.

Обоснование эффективности управления мультисервисным

трафиком показано на основе использования разработанного

алгоритма маршрутизации. Для этого стандартная метрика, основанная на использовании единственного

параметра (кратчайшего пути, минимальной стоимости, пропускной способности) заменена комплексной. Последняя основана на использовании условно независимых параметров качества обслуживания, оцененных исходя из функций полезности. для конечного пользователя.

Проведенное моделирование показало, что происходит эффективное перераспределение ресурсов сети с учетом нелинейной зависимости удовлетворения абонентов сети от параметров качества обслуживания мультисервисного трафика.

Список литературы:

1. IEEE 802.16-2004. IEEE standard for Local and Metropolitan Area Networks- Part 16: Air Interface for Fixed Broadband Wireless Access Systems. Oct. 2004.

2. Analysis of CAPEX and OPEX Benefits of Wireless Access Virtualization: the 4th Workshop on E2Nets, Budapest. Hungary. June 9. 2013 / M.M.Rahman. Charles Despins. [Електронний ресурс

3. Лозинская В.Н. Методика решения задач маршрутизации с обеспечением качества обслуживания в мультисервисных сетях Вестник Института гражданской защиты Донбасса: научный журнал. - Донецк: ДонНТУ, 2016. - Вып. 2 (6). - 82 с.

4. Кучерявый Е.А. Управление трафиком и качество обслуживания в сети Интернет / Е.А. Кучерявый. -

СПб.: Наука и Техника, 2004. - 336 с.: ил.

5. Research challenges in qos routing / X. Masip-Bruin, M. Yannuzzi, J. Domingo-Pascual [and other] // Computer Communications. - 2006. -Vol. 29, Issue 5. - P. 563 - 581.

6. An overview of constraint-based path selection algorithms for QoS routing / F. Kui- pers, P. Van Mieghem, T. Korkmaz [and other] // IEEE Communications Magazine. - 2002. -Vol. 40, Issue 12. - P. 50 - 55.Medhi Deepankar, Ramasamy Karthikeyan Network routing: algorithms, protocols, and archi- tectures. - Morgan Kaufmann Publishers, 2007. - 788 р

7. Doyle J., Carroll J. CCIE Professional Development Routing TCP/IP. - Vol. I. - Cisco Press, 2005. -936 р.

8. An Optimization Based Approach for Quality of Service Routing in High-Bandwidth Networks [Электронний ресурс] / Xiaojun Lin and Ness B. Shroff: - Режим доступа к ресурсу:

https ://engineering. purdue. edu/~linx/pape r/infocom04-tech.pdf.

9. Utility-based Bandwidth Allocation for Triple Play Services. [Электронний ресурс] / Changbin Liu, Lei Shi, Bin Liu: - Режим доступа к ресурсу: http: www2.research.att.com/~changbl/pubs/U tility-

based_Bandwidth_Allocation_for_Triple -Play_Services.pdf.

Аннотации:

Проведена оценка

экономических показателей

эффективности использования SDN-решений вместо традиционных в сети мобильного оператора связи. Обоснована эффективность управления мультисервисным трафиком на основе разработанного алгоритма

маршрутизации с использованием

предложенной комплексной метрики. В качестве комплексной метрики используются значения показателей качества обслуживания на основе функций полезности мультисервисного трафика для конечного пользователя.

Ключевые слова: SDN-решения, показатели экономической эффективности, алгоритм маршрутизации, комплексная метрика, функции полезности.

Economic efficiency indicators of SDN-solutions instead of traditional solutions using at mobile operator's network were estimated. Multiservice traffic management efficiency based on developed routing algorithm with proposed complex metric is justified. As complex metric quality of service values based on multiservice traffic for the end user utility functions are used.

KeyWords: SDN-solutions, economic efficiency indicators, routing algorithm.