Метод оптимизации ресурсов в оптических сетях с волновым уплотнением

Метод оптимизации ресурсов в оптических сетях с волновым уплотнением

Ключевые слова:

оптические транспортные сети, управление распределением трафика, волновое уплотнение, оптимизатор сетевых ресурсов

Повысить коэффициент использования ресурсов сети можно путем управления распределением трафика в сети и уровня загрузки сетевых ресурсов. Очевидно, что для реализации эффективного управления должны использоваться программные средства, поскольку это требует проведения множества итерационных однообразных операций. В статье рассматриваются вопросы оптимизации трафика для полностью оптических транспортных сетей с коммутацией по длине волны.

Савандюков ИМ,

Эксперт OSS, TechnoSeiv A/S, isavandyukov@technoserv.ru

Введение

На российском рынке телекоммуникаций наблюдается завершение процесса насыщения в потребностях традиционных услуг связи. В связи с этим для операторов связи начинают меняться приоритеты в вопросах дальнейшего своего развития. Все большее значение приобретают сохранение своего положения на уже освоенных сегментах рынка и расширение клиентской базы.

Решение этих задач операторами требует постоянного внимания улучшению качества предоставляемых услуг и обеспечению снижения их стоимости. Данные задачи могут быть успешно решены путем повышения эффективности использования всех ресурсов, имеющихся в наличии у оператора. И в первую очередь это касается повышения коэффициента использования сетевого оборудования и каналов связи.

Повысить коэффициент использования ресурсов сети можно путем управления распределением трафика в сети и уровня загрузки сетевых ресурсов. Очевидно, что для реализации эффективного управления должны использоваться программные средства, поскольку это

требует проведения множества итерационных однообразных операций; использование ручных расчётов не позволяет добиться высокой эффективности, а также приводит к повышению вероятности ошибок при проведении оптимизации распределения ресурсов сети.

В данной статье рассматриваются вопросы оптимизации трафика для полностью оптических транспортных сетей с коммутацией по длине волны, а также предлагается метод оптимизации распределения сетевых ресурсов, называемый далее — оптимизатор ресурсов.

Модель сети

Прежде чем перейти к описанию предлагаемого метода оптимизации распределения ресурсов, рассмотрим, что представляет собой полностью оптическая транспортная сеть с коммутацией по длине волны.

Согласно определению, данному в [1] полностью оптическая сеть — это сеть в которой оптико-электрическое преобразование производится толыко на границе сети.

Внутри же сети все операции над сигналом производятся в оптическом виде.

Такую сеть можно представить в виде узлов, на которых производится маршрутизация трафика, соединенных между собой оптическими трактами, построенными с применением технологии волнового уплотнения (WDM). Маршрутизация в таких сетях производится посредством коммутации длин волн различных трактов в узлах сети.

Для полностью оптических транспортных сетей все узлы могут быть разделены на два класса:

— Оптические кросс-коммутаторы (OXC, Optical Cross-Connect). Узлы этого класса составляют опорную сеть и служат для коммутации информационных потоков между входными и выходными длинами волн.

— Граничные узлы. Узлы1 этого класса решают задачу агрегации входных потоков на границе транспортной сети, а также осуществляют согласование интерфейсов между рассматриваемой оптической транспортной сетью и сетями, являющимися внешними по отношению к ней.

Маршрут, полученный в результате коммутации длин волн от входного граничного узда до выходного граничного узла, будем называть оптическим каналом или световым путем.

Принципиальная схема оптической транспортной сети с коммутацией по длине волны приведена на рис.1.

При создании оптических каналов в оптических транспортных сетях существует два ограничения:

Рис.1. Принципиальная схема оптической транспортной сети с коммутацией по длине волны

Таблица 1

Процесс мониторинга уровня использования ресурсов

Инициирующее воздействие Наступил срок очередной проверки, определенной регламентом Поступил внеочередной запрос на проверку уровня использования ресурсов

Входные данные Информация об использовании сетевых ресурсов

Порядок выполнения Система формирует отчет об уровне использования ресурсов с необходимым набором параметров. Выполняется анализ полученного отчета При необходимости, инициировать процедуру оптимизации распределения ресурсов сети.

Результат Проведен анапиз испопьзования ресурсов.

Переход _

— Ограничение на непрерывность длины волны. Данное ограничение означает, что для всех трактов, через которые проходит маршрут, для одного и того же светового пути должна использоваться одна и та же длина волны. Данное ограничение может быть снято, в случае, если на узлах сети используются конверторы длин волн, позволяющих производить коммутацию входного потока на отличную, по сравнению со входом, длину волны. Однако, в статье рассматривается случай, когда в сети не используются конверторы длин волн.

— Ограничение на разнесение длин волн. Всем световым путям, проходящим через один и тот же тракт, должны назначаться различные длины волн.

В дальнейшем будем считать, что трафик в сети имеет статическое распределение, т.е. известны все параметры трафика, передаваемого через сеть.

Постановка задачи оптимизации трафика

Целью работы оптимизатора трафика должно являться снижение коэффициента использования сетевых ресурсов. Этот коэффициент может быть увеличен путем эффективного распределения оптических каналов через сеть. В оптических транспортных сетях с коммутацией по длине волны в процессе создания оптического канала можно выделить две фазы: поиск сетевого маршрута от источника до приемника и выбор длины волны. Каждая из фаз представляет собой оптимизационную задачу, которые вместе объединены под одним названием задачи маршрутизации и назначения длин волн (RWA, Routing and Wavelength Assignment problem). Данная проблема широко освещена авторами ряда научных публикаций [1-5]. Совершенно очевидно, что для успешного решения задачи RWA необходимо, чтобы оптимально были решены обе подзадачи, хотя зачастую это не представляется возможным или требует слишком большого времени. В работе [6] подробно рассматриваются методы оптимизации для оптических сетей с различными топологиями.

Поскольку оптимизатор ресурсов работает уже на созданной сети, то методы решения задачи RWA, реализуемые в нем должны быть достаточно простыми, для того чтобы время затрачиваемое на работу оптимизатора не было чрезмерно большим. В противном случае к завершению работы оптимизатора ситуация на сети может полностью измениться.

Кроме того, на коэффициент использования ресурсов сети влияют и факторы не связанные напрямую с созданием новых каналов. Так, например, одним из важнейших факторов яв-

ляется степень фрагментации сети. Степень фрагментации сети — это отношение отключенных оптических каналов к включенным за заданный период времени. При выключении каналов занимаемая длина волны освобождается не на всей сети, а только на части ее трактов. Таким образом, в сети возникают участки с не занятыми длинами волн, однако включение через них новых каналовневозможно ввиду того, что на других участках сети данные длины волн являются занятыми. Все это напоминает фрагментацию жесткого диска компьютера, и как и в компьютере оператору сети необходимо предоставить инструмент, позволяющий умень-

шать или даже исключать влияние фрагментации на коэффициент использования сети.

Исходя из вышесказанного, задачей оптимизатора трафика является мониторинг состояния сети и решение задачи RWA при известных количестве оптических каналов и характеристик трафика.

Принцип работы оптимизатора

При описании работы оптимизатора будем применять методы, описанные в еТОМ [7] и ІТИ [8]. Основным результатом данной статьи является разработка основных регламентов процессов, необходимых для работы оптими-

Рис.2. Структура схемы БД оптимизатора, для оптических сетей с коммутацией длин волн и поддержкой классов обслуживания

Таблица 2 Процедура формирования списка каналов

Инициирующее воздействие Поступил запрос на инициализацию процесса оптимизации распределения ресурсов

Входные данные БД с информацией о сетевой инфраструктуре Уровень утилизации сетевых ресурсов полученный на основании отчета об уровне использования сетевых ресурсов

Порядок выполнения Система формирует список всех существующих сетевых маршрутов сортируя их по классу обслуживания CoS и длине весу маршрута

Результат Список сетевых маршрутов сформирован

Переход Поиск оптимальных маршрутов

Таблица 3

Процедура поиска оптимального маршрута

Инициирующее воздействие Входные данные Сформирован список сетевых маршрутов Список сетевых маршрутов с указанием класса обслуживания, веса маршрута и информации о пути прохождения маршрута

Порядок выполнения Система последовательно перемещаясь по списку сетевых маршрутов из начала в конец производит поиск оптимального маршрута для каждой пары источник-приемник Для каждого найденного маршрута производится поиск рабочей длины волны

Результат Сформирован полный список оптимальных маршрутов для имеющейся конфигурации сети

Переход Перемаршрутизация

Таблица 4

Процедура перемаршрутизации

Инициирующее воздействие Сформирован полный список оптимальных маршрутов сети

Входные данные Список оптимальных сетевых маршрутов

Порядок выполнения Вариант 1: Система формирует отчет о проделанной работе, в котором приводится список маршрутов, включенных не оптимально с рекомендациями об изменении указанного сетевого маршрута. На основании данного списка оператор сети производит перемаршрутизацию. Вариант 2: Используя модули взаимодействия с системами управления оборудованием, система производит переключение сетевых маршрутов в соответствии с полученным списком сетевых маршрутов

Результат Произведена оптимизация распредепения ресурсов сети

Переход Мониторинг уровня использования ресурсов сети

затора, а также определение входных и выходных параметров каждого процесса. Уровень детализации, приведенный в статье дает ответы на вопросы, какие базовые операции в какой последовательности и с какими ограничениями должны производиться, при этом порядок выполнения базовых операций на уровне интерфейса уточняться не будет.

Для удобства представления описание процессов и процедур будем представлять в табличном виде дополняя их по мере необходимости пояснениями.

На первом этапе работы, оптимизатор ресурсов проводит сбор информации о каналах, включенных через сеть. Этот процесс будет носить название процесса мониторинга уровня использования ресурсов. Основной задачей процесса является выяснение приоритетных направлений оптимизации трафика, а также определение уровня свободных ресурсов.

Определение критического уровня загруженности сети будет находиться в соответствии с критериями, которые могут различаться для каждой оптимизируемой сети. Как правило, критическим уровнем в пакетных сетях является использование имеющихся сетевых ресурсов, составляющее 70%.

Процесс мониторинга уровня использования сетевых ресурсов характеризуется табл.1.

Источником данных для определения коэффициента использования ресурсов должна стать база данных (БД), хранящая всю необходимую информацию о сети. Необходимость использования БД, а не получение информации непосредственно от оборудования, связано с тем, что оборудование различных типов использует различные форматы для передачи информации о сети. Для приведения этих данных к единому формату используются средства обработки. Полученные данные от работы обра-

ботчиков и хранятся в единой БД. Пример такой БД для полностью оптической сети с коммутацией длин волн и поддержкой различных классов обслуживания приведен на рис.2.

Для процесса оптимизации распределения ресурсов сети должна использоваться та же БД, что и для процесса мониторинга уровня использования сети.

Процесс оптимизации распределения ресурсов сети объединяет комплекс действий по изменению сетевых маршрутов с целью уменьшения коэффициента использования сетевых ресурсов.

В основе процесса лежат следующие процедуры:

— формирование списка каналов;

— поиск оптимального маршрута;

— перемаршрутизация.

Рекомендуемая последовательность выполнения указанных процедур приведена в табл.2-4.

Если в сети поддерживается несколько классов обслуживания трафика (CoS, Class of Service), то должно учитываться это обстоятельство при формировании списка каналов. Его учет заключается в том, что при составлении списка каналов вначале производится сортировка каналов по классу услуги, а уже потом по другим параметрам канала.

В качестве алгоритма поиска оптимального пути и выбора длины волны может использоваться алгоритм "первой пригодной длины волны" или "наиболее используемой длины волны". Как показано в исследованиях [2, 11], для сети с произвольной топологией эти алгоритмы показывают примерно одинаковые результаты, обладая при этом сравнимой вычислительной сложностью. Поэтому при выборе алгоритмов необходимо выбирать наиболее подходящий алгоритм или воспользоваться наиболее простыми алгоритмами: волновой алгоритм [9, 10] для поиска оптимального маршрута и алгоритм первая пригодная [2] для выбора длины волны.

После завершения процесса оптимизации распределения ресурсов сети необходимо инициировать повторно процесс мониторинга уровня использования ресурсов сети с целью получения обновленных данных об уровне использования сетевых ресурсов сети. В случае, если коэффициент использования ресурсов будет превышать критический уровень, то необходимо инициировать процесс оптимизации сетевых ресурсов повторно. Количество итераций, достаточных для проведения оптимизации сетевых ресурсов не должно превышать пяти.

В случае, если после проведения указанного количества итераций, уровень использования ресурсов сети будет превышать критический уровень, то по завершении процесса мониторинга уровня использования ресурсов сети должны быть инициализированы механизмы расширения (модернизации) ресурсов сети.

Принципиальная схема полученного оптимизатора сетевых ресурсов представлена на рис.3.

Вопросы интеграции оптимизатора трафика с другими системами

Для управления сетевым оборудованием, оператор, как правило, располагает несколькими типами систем управления сетью (NMS, Network Management System). Кроме того, у оператора могут иметься специализированные системы, относящиеся к классу OSS (Operation Support System) систем. К таким системам относятся системы управления неисправностями (Fault Management), системы учета сетевых ресурсов (inventory), системы активации и т.д. Эти системы используются для решения различных задач на сети оператора, однако не одна из них не позволяет проводить оптимизацию трафика для всей сети, особенно в случае, если сеть построена на оборудовании разных производителей.

Программный модуль, реализующий описанный в статье метод, может быть интегрирован с любой из систем управления оператора. Наибольший интерес представляет интеграция программного модуля с системой технического учета сетевых ресурсов, которая может выполнять роль источника данных для БД сетевых ресурсов оптимизатора, и системой активации, позволяющей производить перемаршрутизацию каналов без участия человека, по результатам работы метода.

Интеграция программного модуля с системой технического учета оператора заключается в разработке адаптера для сопряжения ее с оптимизатором ресурсов. Создание адаптера осуществляется с использованием ODBC (Open DataBase Connectivity).

При интеграции с сервис активатором, необходимо обеспечить передачу данных по интеграционной шине, о новых маршрутах в направлении от оптимизатора к активатору, а также обеспечить формирование и выполнение команд на инициализацию процесса активации. Взаимодействие между оптимизатором ресурсов и активатором может осуществляться с помощью JavaRMI (Java Remote Machine Interface).По-сле проведения перемаршрутизации должны быть выполнены операции по обновлению данных в системе технического учета. Информация об обновлениях должна передаваться от активатора. Поскольку не все новые маршруты могут быть успешно активированы.

При разработке оптимизатора трафика под конкретного заказчика должны учитываться индивидуальные особенности его систем управления. При этом не должны затрагиваться основные модули оптимизатора. Различия должны состоять лишь в различных модулях-адаптерах, предназначенных для взаимодейст-

______j______

Программа

графического

интерфейса

Программа формирования параметров для построения отчета

вия оптимизатора с другими системами управления и контроля. Использование модульного принципа, при создании оптимизатора трафика открывает большие возможности для интеграции с другими системами управления, позволяя максимально точно адаптировать оптимизатор к условиям того или иного оператора.

Для упрощения задач интеграции при разработке оптимизатора рекомендуется использовать языки программирования, широко распространенные и хорошо известные для большинства программистов (C++, Java).

Литература

1. George N. Rouskas Routing and Wavelength Assignment in Optical WDM Networks // http://cite-seer.ist.psu.edu/rd/0%2C585112%2C1%2C0.25% 2CDownload//rouskas 01routing.pdf , 2001.

2. Zang H, Jue J.P., Mukherjee B. A review of rout-ng and wavelength assignment approaches for wavelength-routed optical WDM networks // Optical Networks, 2000, No.1.

3. Subramaniam S., Bany RA, Wavelength

Assignment in fixed Routing WDM Networks// Proc, ICC 97, Montreal, Canada, vol. 1, С 406-410, июнь1997.

4. Planning of Full Optical Network. Deliverable 2 "Basic Factors Influencing Optical Networks — Main Report. Annex C. Resource Allocation " // Eurescom Project P709. — май 1999.

5. Наумов ВА, Добровольская Н.Ф. Минимизация загрузки в оптических сетях с маршрутизацией по длине волны// Вестник РУДН, Серия Прикладная и компьютерная математика. —2002. — №1(1). — С 34-39.

6. Ефимушкин ВА, Савандюков ИМ Планирование ресурсов в сетях WDM // Электросвязь, 2008. — № 1. — С.18-21.

7. Расширенная карта процессов оператора связи. Структура бизнес процессов. Для отрасли ин-фо-коммуникационных технологий. Релиз 6.0 // Версия для участников TM Forum 6.1, Ноябрь 2005, версия перевода БиАй Телеком при содействии ФОРС Август 2006 — 71с.

8. Потоцкий М.Ю. Введение в ИТ Сервис-менеджмент. — Изд-во: IT Expert, 2003. — 228 с.

9. Косоруков ОА, Мищенко А.В. Исследование операций// М.: Экзамен, 2003. — 448 с.

10. Берзин ЕА Оптимальное распределение ресурсов и элементы синтеза систем.—М., 1974. — 304 с.

Программа CleverPath Reporter 4.2

Рис. 3. Структурная схема оптимизатора сетевых ресурсов

Ал гс формиров кан ритм эния списка алов

'

Ал гс поиска кр марі. ритм атчайшего и рута

Алгоритм выбора длины волны