разработка модели маршрутизации в сети с

РАЗРАБОТКА МОДЕЛИ МАРШРУТИЗАЦИИ В СЕТИ С
МУЛЬТИПРОТОКОЛЬНЫМИ МЕТКАМИ
Н.Е. Богомолова, Саламех Немер
Московский Технический Университет Связи и Информатики
nbogomolova09@gmail.com, tiger8386@mail.ru
В работе описывается функционирование алгоритма маршрутизации сети
MPLS, основанного на минимальной стоимости.
Ключевые слова: таблица маршрутизации, виртуальные частные сети,
мультисервисные сети.
1.
Введение
Операторские сети, построенные на основе протокола IP в «чистом» виде, не имеют
достаточно эффективных средств управления трафиком и ограничены в использовании
альтернативных маршрутов его передачи. Также ограничено внедрение виртуальных
частных сетей (VPN, Virtual Private Network), так как используемый с этой целью
протокол IPSec недостаточно масштабируем и требует существенной настройки со
стороны конечного пользователя.
Для решения перечисленных выше задач и удовлетворения требований к
операторским сетям различного масштаба разработана технология мультипротокольных
меток (MPLS, Multi-Protocol Label Switching), объединяющая в себе преимущества
методов коммутации (высокая производительность) и маршрутизации (выбор
оптимального маршрута), которые ранее использовались в различных сетевых
топологиях [1]. Термин «многопротокольная» означает, что функции MPLS могут быть
применены к любому протоколу сетевого уровня.
Коммутация MPLS представляет собой усовершенствованный метод передачи
трафика по сети с использованием информации, содержащейся в метках, которые
присоединяются к IP-пакетам. MPLS объединяет технологии коммутации 2-го уровня с
технологиями маршрутизации 3-го уровня [2]. Коммутация по метке позволяет
маршрутизаторам и коммутаторам ATM с функциями MPLS принимать решение об
отправке пакетов путем анализа содержимого простой метки, вместо использования
сложного алгоритма поиска маршрутов, основанного на IP-адресе получателя.
В настоящее время MPLS рассматривается в качестве основы для конвергенции услуг
и построения мультисервисных сетей следующего поколения. На темпы развития сетей
MPLS будет влиять рост спроса на услуги VPN, видеоконференций, видео по
требованию (VoD), VoIP, высокоскоростного доступа в Internet.
Целью работы является развитие алгоритмов для расчета маршрутизации,
выравнивания нагрузки и снижения перегрузок в сети MPLS.
2. Архитектура сети MPLS
Таблица маршрутизации может составляться двумя способами: статическим и
динамическим. При статическом способе записи в таблице вводятся и изменяются
вручную, это требует вмешательства администратора каждый раз, когда происходят
изменения в топологии сети. Этот является наиболее стабильным и требующим
минимум аппаратных ресурсов маршрутизатора для обслуживания таблицы. При
динамической маршрутизации записи в таблице обновляются автоматически при
помощи протоколов маршрутизации. При этом маршрутизатор строит таблицу
оптимальных путей к сетям назначения на основе различных критериев. Критерии
вычисления оптимальных маршрутов чаще всего зависят от протокола маршрутизации, а
также задаются конфигурацией маршрутизатора. Однако, динамическая маршрутизация
оказывает дополнительную нагрузку на устройства, а высокая нестабильность сети
может приводить к ситуациям, когда маршрутизаторы не успевают синхронизировать
свои таблицы, что проводит к противоречивым сведениям о топологии сети в различных
её частях и потере передаваемых данных. Сеть MPLS делится на две функционально
различные области − ядро и граничную область. Маршрутизаторы ядра занимаются
только коммутацией. Все функции классификации пакетов, а также реализацию таких
дополнительных сервисов, как фильтрация, явная маршрутизация, выравнивание
нагрузки и управление трафиком, берут на себя граничные маршрутизаторы (LER, Label
Edge Router). В результате интенсивные вычисления приходятся на граничную область,
а высокопроизводительная коммутация выполняется в ядре, что позволяет
оптимизировать конфигурацию устройств MPLS в зависимости от их местоположения в
сети. Как и во всех технологиях, где используется концепция виртуального канала, в
MPLS старое значение метки заменяется новым на каждом промежуточном узле.
Продвижение пакета вдоль пути коммутации меток происходит не на основе адреса
назначения пакета IP и таблицы маршрутизации, а на основе значения метки и таблицы
коммутации. Классом эквивалентного обслуживания (FEC, Forwarding Equivalency
Class) − называется группа пакетов третьего уровня, которые одинаково обслуживаются
и пересылаются. Все пакеты, которые принадлежат определенному FEC, и которые
отправлены из конкретного узла будут следовать одним и тем же путем (или в случае
многомаршрутного протокола, они будут следовать через один и тот же набор путей,
ассоциированный с FEC). При этом присвоение пакету определенного FEC делается
только раз, когда пакет входит в сеть.
В процессе вычисления маршрутов могут преследоваться различные цели, например
предоставление требуемого качества услуг, в частности гарантированной ширины
полосы пропускания. Численный анализ выявил недостатки алгоритмов, преследующих
отдельно взятые цели и необходимость в глобальном решении, которое бы их
объединяло. В данной работе предложено решение, объединяющее следующие цели:
сокращение вероятности блокировки, минимизация стоимости сети и балансировка
нагрузки.
Сокращение вероятности блокировки позволяет обслуживать максимальное
количество запросов, а, следовательно, максимизировать доход оператора сети и
повысить степень удовлетворенности клиента. Задача сокращения блокировок в сети
осуществляется алгоритмом построения маршрутов с минимальным пересечением
(MIRA, Minimum Interference Routing Algorithm). Для достижения цели минимизации
сетевой стоимости алгоритмы маршрутизации используют статические метрики, такие
как количество промежуточных узлов либо статические стоимости звеньев. Идея метода
балансирования нагрузки состоит в том, чтобы получить такое ее распределение на сети,
которое бы позволило рационально использовать ресурсы сети, снизить процент
отказов, сократить время обслуживания запросов и т.д., что в целом улучшило бы
работу сети. Однако, при высоких нагрузках на сеть метод балансировки имеет
нежелательный эффект, такой же как маршрутизация трафика по более длинным
маршрутам.
3. Описание модели
В MPLS поддерживается как статическая, так и динамическая маршрутизация.
Основные принципы маршрутизации, используемые при построении графовой модели:
–
на входном маршрутизаторе потоку присваивается метка в соответствии с его
принадлежностью определенному классу эквивалентности (FEC, Forwarding Equivalency
Class);
–
значение метки уникально на участке сети между двумя смежными
маршрутизаторами;
–
FEC-класс пакета может определяться по одному или по нескольким
параметрам, указанным сетевым администратором. Среди возможных параметров
можно назвать: IP-адрес отправителя и/или получателя или IP-адреса сетей, номера
портов отправителя и/или получателя, код дифференцированной службы;
–
если в заголовке MPLS указан приоритет трафика, то два потока разных
классов могут быть маршрутизированы по одному пути с учетом приоритетов;
–
для каждой пары входного и выходного маршрутизаторов определяется
несколько путей с различными характеристиками параметров для маршрутизации
разных типов трафика;
–
канал связи − симплексный, для организации полудуплексного режима
передачи используются разные LSP-пути;
–
если узел X отправляет данные в узел Y, он может пересылать их через узел Q
только в том случае, если Q ближе к Y, чем Х;
–
количество транзитных маршрутизаторов (LSR, Label Switch Routers) одного
пути (LSP, Label Switch Path) не должно превышать заданного значения;
–
при наличии нескольких доступных маршрутов с одинаковым числом
транзитных пунктов следует разделять между ними трафик поровну.
Первой из целей оптимизации модели является минимизация маршрутной стоимости,
то есть стоимости использования ресурсов, требуемых для маршрутизации потоков всех
классов. Ребру l ставится в соответствие величина m(l ) , выражающая его маршрутную
стоимость, то есть стоимость единицы потока по ребру l . С физической точки зрения
m(l ) может являться метрикой для таких параметров, как: скорость, длина или
надежность звена.
В частном случае, когда все ребра графа имеют единичную маршрутную стоимость,
маршрутная стоимость для k-потока равна сумме произведения пропускных
способностей его путей на количество ребер в этих путях. С физической точки зрения, в
случае единичной стоимости всех звеньев сети, полная маршрутная стоимость для
запросов всех классов может быть интерпретирована как мера потребления ресурсов
сети этими запросами, или как величина полного потока через сеть.
4. Заключение
Построена графовая модель маршрутизации сети MPLS, сформулированы
ограничения маршрутизации в терминах теории графов и разработаны вычислительные
алгоритмы для расчета маршрутов с учетом этих ограничений.
Литература
1. Лазарев В.Г., Лазарев Ю.В. Динамическое управление потоками информации в
сетях связи. М.: Радио и связь, 1983 – 235 с.
2. Архитектура MPLS (http://www.osp.ru/text/302/144399/).
DEVELOPING OF THE ROUTING MODEL IN THE NETWORK
WITH MULTIPROTOCOL LABELS
Bogomolova N. E., Salamekh Nemer
Moscow Technical University Of Communications And Informatics,
nbogomolova09@gmail.com, tiger8386@mail.ru
The paper describes the operation of the network routing algorithm MPLS, based on a
minimum cost.
Key words: routing table, virtual private networks, multiservice networks.