автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.13, диссертация на тему:Исследование вероятностно-временных характеристик и протоколов построения маршрутов в сетях Metro Ethernet

На

ГАЛКИН Анатолий Михайлович

Исследование вероятностно-временных характеристик и протоколов построения маршрутов в сетях Metro Ethernet

05.13.13

Телекоммуникационные системы и компьютерные сети

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

1 2 лея 2008

САНКТ-ПЕТЕРБУРГ 2008

003457744

Работа выполнена в Санкт-Петербургском государственном университете телекоммуникаций им. проф. МЛ. Бонч-Бруевича.

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор

Г.Г. Яновский

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

В.А. Зеленцов

кандидат технических наук А.Б. Гольдштейн

Ведущая организация: ФГУП <сЛОНИИС»

Защита состоится ¿18£¿22008 г. в часов на заседании диссертационного совета * Д219.004.02 при Санкт-Петербургском государственном университете телекоммуникаций им. проф. М.А. Бонч-Бруевича по адресу: 191186, Санкт-Петербург, наб. р. Мойки, 61, ауд. 205.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке университета.

Отзыв на автореферат, заверенный печатью учреждения, просим высылать по вышеуказанному адресу на имя секретаря диссертационного Совета.

Автореферат разослан tlúj С/о ¿Л- 2008 г.

Ученый секретарь диссертационного cobi

В.Х. Харитонов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы.

Согласно принципам построения сетей следующего поколения (Next Generation Network - NGN) в качестве технологической базы построения транспортного уровня NGN предполагается использование мультисервисных технологий на основе коммутации пакетов, которые должны обеспечивать необходимый уровень качества обслуживания.

В рамках развития NGN как сети связи общего пользования решаются следующие задачи: плавный переход к единой транспортной технологии для переноса разных типов трафика (данные, речь, видео), предоставление новых возможностей в области развития услуг связи, построение простой и эффективной единой сети для всех видов приложений и активное развитие новых видов услуг связи.

Вопросы построения мультисервисных сетей активно исследуются в работах известных отечественных и зарубежных авторов (Б.С. Гольдштейн, А.Е Кучерявый, А.Н. Назаров, М.Н. Петров, Н.А Соколов, С.Н. Степанов, М.А. Шнепс-Шнеппе, Г.Г. Яновский, U. Black, J. Davidson, S. Fisher, J.M. Garcia, D. McDysan, D. Minoli, F.A. Tobagi).

Несмотря на большое число работ по теоретическим основам и практической реализации NGN, появившихся в последние пять лет, ряд вопросов остается открытым. К их числу следует отнести проблемы исследования вероятностно-временных характеристик мультисервисных транспортных сетей с учетом свойств самоподобия трафика, передачи мультикастового трафика на канальном уровне, создания технологии на базе коммутации пакетов на транспортном уровне сети следующего поколения, обладающей всеми атрибутами операторских сетей.

В последние годы в сетях класса Metro и территориально распределенных сетях получила признание технология Ethernet Вместе с тем в классических сетях Ethernet вопросы, связанные с обеспечением качества обслуживания (QoS) практически не рассматривались. Исследования, проводящиеся в диссертационной работе, решают несколько актуальных проблем внедрения таких сетей на базе концепции Metro Ethernet. Среди них необходимо отметить анализ вероятностно-временных характеристик (ВВХ) трафика в этих сетях с учетом свойств самоподобия трафика и синтез протоколов построения маршрутов в городских сетях класса Metro, которые обеспечивают балансировку нагрузки сети.

Цели и задачи исследования.

Целью диссертационной работы является анализ вероятностно-временных характеристик трафика в городских сетях Metro Ethernet и исследование протоколов построения маршрутов в этих сетях.

Для достижения поставленных целей в диссертационной работе исследуются две группы вопросов. В состав первой группы входят следующие задачи:

• введение количественной меры справедливого распределения сетевых ресурсов и исследование свойств коэффициента справедливости;

• решение задачи справедливого распределения пропускной способности между потоками, переносящими трафик, характерный для мультисервис-ных сетей;

• решение задачи определения ВВХ для потоков в сети Metro Ethernet; Вторую группу проблем составляют задачи, связанные с построением

маршрутов в сетях Metro Ethernet. Здесь рассматриваются следующие задачи:

• анализ недостатков классических протоколов покрывающих деревьев;

• разработка нового механизма выбора маршрута, основанного на управлении трафиком;

• разработка метода выбора корня дерева для передачи мультикастового трафика.

Методы исследования. Проводимые исследования базируются на теории графов, теории вероятностей, теории массового обслуживания, теории фрактальных процессов и методах имитационного моделирования. Для численного анализа используется программный математический пакет Mathcad 14. Имитационное моделирование выполняется с помощью открытого пакета моделирования сетей ns2.

Научная новизна результатов. Основные результаты диссертации, обладающие научной новизной:

• на базе предложенной меры справедливости разработан метод оценки справедливого распределения ресурсов в сетях Metro Ethernet;

• определены вероятностно-временные характеристики в сетях Metro Ethernet на базе предложенной оценки справедливого распределения ресурсов;

• рассчитан коэффициент справедливости распределения ресурсов для трафика, описываемого медленно затухающими законами распределения;

• проведена систематизация недостатков применения классических протоколов покрывающих деревьев в технологии Ethernet, применяемой в сетях класса Metro;

• разработан механизм построения маршрутов в сетях Metro Ethernet, основанный на управлении трафиком;

• предложен метод выбора корня покрывающего дерева, позволяющий уменьшить задержки протокольных блоков мультикастовых приложений.

Практическая ценность. Основными практическими результатами диссертационной работы является получение оценок для расчета потерь и задержек в сетях Metro Ethernet при использовании коэффициента справедливости, и разработка метода синтеза протоколов построения маршрутов в городских сетях Metro Ethernet.

Использование результатов работы позволяют рассчитывать нагрузку для мультисервисного трафика на этапе проектирования сетей Metro Ethernet. Результаты работы могут быть использованы при эксплуатации сетей для сетей

Metro Ethernet и на этапе создания оборудования коммутаторов Ethernet Также результаты работы могут быть использованы в учебном процессе СПбГУТ им. Проф. М.А. Бонч-Бруевича.

Реализация результатов работы. Основные результаты диссертационной работы использованы в разработках ОАО «Гипросвязь СПб» и в учебном процессе СПбГУТ им. проф. М.А. Бонч-Бруевича, что подтверждается соответствующими актами внедрения.

Апробация работы и публикации. Результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на международных конференциях: JASS'2005 «IEEE Russia Northwest section» (St-Petersburg, 2005), New2an 2006 (St-Petersburg, 2006), New2an 2007 (St-Petersburg, 2006) а также на научно-технических конференциях и семинарах СПбГУТ им проф. М.А. Бонч-Бруевича.

Всего по теме диссертации опубликовано 10 печатных работ, которые включают в себя 9 статьей и одно учебное пособие. Из них 3 статьи были опубликованы в изданиях, рекомендуемых ВАК РФ.

Основные положения, выносимые на защиту:

1. решение задачи справедливого распределения пропускной способности между потоками, переносящими трафик, характерный для мульти-сервисных сетей;

2. разработка моделей оценки показателей QoS (потерь и задержек), для сетей Metro с учетом свойств самоподобия трафика;

3. разработка нового механизма выбора маршрута в сетях Metro Ethernet, основанного на управлении трафиком;

4. разработка метода выбора корня покрывающего дерева, позволяющего уменьшить задержки протокольных блоков мультикастовых приложений.

Личный вклад автора. Основные результаты теоретических и прикладных исследований получены автором самостоятельно. В большинстве работ, опубликованных в соавторстве, соискателю принадлежит основная роль при постановке и решении задач и обобщении полученных результатов.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения и списка литературы. Работа содержит 147 страниц текста, 44 рисунка, 10 таблиц, 62 формулы.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы исследования, сформулированы цели и задачи работы, перечислены результаты, полученные в диссертации, определены практическая ценность и области применения результатов, приведены сведения по апробации работы и представлены основные положения, выносимые на защиту.

В первой главе диссертационной работы проведен обзор современного состояния мультисервисных транспортных сетей на базе концепции Metro Ethernet, а также проведен анализ протоколов построения маршрутов в сетях Metro Ethernet.

За развитие стандартов Metro Ethernet, определяемых как сети операторского класса (Carrier Ethernet) отвечает Metro Ethernet Forum (MEF).

Городская сеть класса Metro может быть реализована на базе различных технологий нижних уровней: SDH, ATM, MPLS, RPR, Ethernet. Стек протоколов для нижних уровней при развертывании сети, предоставляющей услуги Metro Ethernet, показан на Рис. 1.

IP

- Механизмы, поддерживающие услуги Metro Ethernet

RPR

MPLS/ATM/FR

SDH/SONET Ethernet

Оптический физический уровень (DWDM)

Рис. 1. Иерархия Metro Ethernet

Наиболее эффективным методом с точки зрения капитальных вложений для вновь разворачиваемых городских сетей является построение сети на основе Ethernet-коммутаторов, соединенных оптическими линиями связи, поскольку сегодня решения на базе Ethernet являются наиболее дешевыми среди других технологий, представленных.

Для возможности использования Metro Ethernet в качестве транспортного слоя NGN сеть должна обладать атрибутами, характерными для операторских сетей:

• гарантированные показатели QoS в транспортном домене для различных типов трафика;

• восстанавливаемость сети после отказа за определенное врем;

• управление услугами на уровне сетей операторского класса;

• масштабируемость;

• поддержка цифровых каналов путем эмуляции.

В диссертационной работе мы рассматриваем две первые проблемы применительно к сетям Metro, использующим коммутаторы Ethernet, поскольку остальные вопросы можно считать практически решенными.

Обеспечение гарантированного качества обслуживания зависит от многих факторов, в том числе таких, как модель обслуживания, определяющая принципы распределения сетевых ресурсов. В сетях Metro Ethernet эта задача осложняется присутствием трафика, описываемого медленно затухающими зако-

нами распределения. Вопросы обеспечения гарантированного качества обслуживания в сетях Metro Ethernet рассматриваются во второй главе.

Технологические решения для сетей Metro Ethernet, обеспечивающие восстанавливаемость после отказов, связаны со схемами построения маршрутов на основе семейства протоколов STP (Spanning Tree Protocol): STP, RSTP (Rapid Spanning Tree Protocol), MSTP (Multiple Spanning Tree Protocol).

Семейство классических протоколов обладает рядом недостатков:

• большое время сходимости;

• неэффективное использование ресурсов;

• отсутствие поддержки параметров QoS.

Задачи улучшения классических протоколов построения маршрутов для сетей второго уровня решаются в третьей главе.

Вторая глава посвящена решению задачи количественной оценки справедливости распределения ресурсов в сетях Metro Ethernet и анализу моделей трафика с учетом свойств самоподобия в таких сетях.

В 80-х годах прошлого столетия было введено понятие справедливости распределения ресурсов. В распределенных системах справедливое распределение или равнодоступность ресурсов является одним из основых вопросов. В работах М. Gerla, R.G. Gallager, К. Bharath-Kumar и других авторов были предложены качественные оценки справедливого распределения ресурсов. Предложенные алгоритмы различают справедливое и несправедливое распределение ресурсов. Однако они не дают возможности оценить справедливость определенного распределения ресурсов. В более поздних работах (М. Gerla, S. Lam, J. Wong, R. Jain) были предложены количественные оценки справедливости (табл.1).

" -^Оценка Параметр ^N^^ Дисперсия [Wong] Коэффициент вариации [Lam] Отношение mlnAvax [Gerla] Коэффициент справедливости [Jain]

Независимость от шкалы нет есть есть есть

Нориироеанность в 10; 1] нет нет есть есть

Целостность есть есть нет есть

Табл. 1. Сравнение количественных мер справедливости

Как видно из табл. 1 наиболее удачную количественную оценку справедливого распределения предложил R. Jain, назвавший эту оценку коэффициент справедливости (Fairness Index):

где XI -случайная величина, п - число пользователей в системе.

Коэффициент справедливости представляет собой нормированную величину, показывающую насколько справедливо или равнодоступно распределение ресурсов в системе. Если все дг, равны между собой, то коэффициент справедливости равен 1 и распределение ресурсов полностью справедливо. Если имеет место неравенство между хь то коэффициент справедливости отличен от 1.

Взаимосвязь коэффициента справедливости с другими параметрами распределений случайных величин приведена ниже. Коэффициент справедливости связан с первым и вторым моментами распределения следующей формулой:

К1*') <

«2Х 1уу т2 > (2)

п '

где тп1 - первый момент, тг - второй момент.

Закон распределения Плотность распределения вероятности Первый момент Второй момент Коэффициент справедливости

Постоянный а а1 1

Экспоненциальный 1/Я 2/Л1 0,5

Эрланга (с-1)! с/Л2 с(с + 1)/Я! с/(с+1)

Равномерный Ъ-а (а+Ь)/2 (а'+аЬ+Ь2)/3 3(а+ЬУ/Ца'+аЬ+Ь2)

Логнормаль-ный (-«»/»¡Я , . 1 1 те0'5*2 ^Ле1 т е е

Парето ак ак2 а-2 I! "-б к>

Всйбулла ЧН ЧН км 3

Табл. 2. Коэффициент справедливости для различных законов распределения

Можно показать, что коэффициент справедливости определяется через квадратичный коэффициент вариации С2:

Далее в диссертационной работе определяются значения коэффициента справедливости для основных распределений случайных величин, используемых в сетях с коммутацией пакетов. Полученные в диссертации результаты представлены в табл. 2.

Зависимость коэффициента справедливого распределения от квадратичного коэффициента вариации для различных законов распределения показана на рис. 2.

Одной из актуальных в сетях связи является задача распределения пропускной способности между пользователями и/или услугами. В сетях Metro Ethernet это целесообразно делать при помощи использования механизмов виртуальных локальных сетей (VLAN): сопоставление пользователя ресурсам VLAN и сопоставление услуги ресурсам VLAN. В соответствии с тем, что разные пользователи и услуги требуют разные пропускные способности, модифицируем формулу коэффициента справедливости путем введения весов для каждого потока:

где Хсь - пропускная способность, необходимая '¡-му потоку при оптимальном распределении.

При априорном знании пропускной способности, необходимой каждому потоку, задача справедливого распределения пропускных способностей является легко решаемой. В диссертации приведен ряд примеров, иллюстрирующих применение данной формулы модифицированного коэффициента справедливости для оценки распределения пропускных способностей между потоками в сетях Metro Ethernet.

Однако в мультисервисных транспортных сетях таких, как Metro Ethernet, требуемая пропускная способность, необходимая для конкретного потока, зависит от закона распределения этого потока и требований к параметрам QoS.

Задача распределения пропускных способностей осложняется наличием трафика, характеризуемого медленно затухающими законами распределения. Исследование свойств самоподобия случайных процессов в телекоммуникациях проводятся с конца 80-х годов прошлого столетия. В диссертационной работе O.A. Симониной (2005 г.) представлена классификация законов распределения для разных типов трафика в сетях с коммутацией пакетов. Было показано, что в транспортных сетях Ethernet трафик обладает свойствами самоподобия и описывается медленно затухающими распределениями, такими как закон Паре-то.

Медленно затухающие распределения в диапазоне 1<а<2 (а - параметр формы) обладают бесконечной дисперсией. Тогда квадратичный коэффициент вариации С?-> <», а коэффициент справедливого распределения стремится к 0. Однако, в реальных системах значения случайной величины ограничены. Для описания процесса, обладающего свойствами самоподобия, вводится понятие ограниченного распределения. Ограниченное распределение позволяет, не меняя формы хвоста распределения, указать максимальное значение случайной величины. Таким образом, ограниченное распределение отличается от обычного тем, что имеет не один, а два предела даже при медленно-затухающем распределении, хвост которого не сходится к нулю.

В работах [1,2,4-6,9] было рассмотрено ограниченное распределение Па-рето P/P/1/N (1<а <2 ). Полученные основные параметры для закона распределения Парето приведены ниже:

a{Lk°-L°k)

-а)(1"-к°У (5)

íL2ka-Lak2 a(Lka - I?kf " {La~ka)[ (2-a) (l-<x)2(¿a-*a)|

(6)

(1 -аЦе-г){1}г-1?е) х

а (¿Г-Г*)2 (2-а)

где к- нижний предел случайной величины, Ь - верхний предел случайной величины.

Используя результаты данных работ, рассчитаем коэффициент справедливости для ограниченного распределения Парето (1<а <2)\

сс^Ьк"-ЬЧУУ-а) } = (1-а)2(1?-ка)(Ь2ка -Ьакг)' (8)

В данном случае коэффициент справедливости показывает, насколько агрегированный поток детерминирован, т.е. насколько предсказуем трафик. На графиках 3 и 4 показаны зависимости коэффициента справедливости от Ь (при разных а) и от а (при разных I).

Рис. 3. Графики зависимости/от L Рис. 4. Графики зависимости/от а

при разных а при разных!

Для большей предсказуемости характеристик потока следует величину L делать как можно ближе к нижней границе к. В дальнейшем в задачах анализа QoS величина L определяется как верхняя граница размера кадров или пачек кадров в сетях Metro Ethernet.

Применим полученные результаты для системы массового обслуживания (СМО) G/G/1 с учетом самоподобных процессов. Рассмотрим, как влияет коэффициент справедливости на потери и задержки.

1— 1-1-1--1 ■ 1— — довдов (гь««*

— доидаг ■

— дошдоя

дом дои Г

1 ~ .' /

//

■

У

М U К U U М *1 3

р— и

---- ДОНЪ-МГ

— доидоя

--- ДО0Э4-А»

Рис. 5. Зависимость величины средней задержки в очереди от загрузки системы при различ- Рис-6- Зависимость вероятности потерь от загруз-ных значениях/ ш системы при различных значениях/

Для расчетов воспользуемся результатами, полученными в работах Г.Г. Яновского. Формулы для средних задержек в очереди (¡ш) и потерь (Риж) имеют следующий вид:

' 0-Р){Шв У

ï,1оя ~ '

1 -p

IfA+h-lhhï

(9)

(10)

где /а к/в - коэффициенты справедливости, соответственно, распределений входящего потока и процесса обслуживания, 1Ш- среднее время пребывания пакета в очереди, 1,- среднее время обработки пакета прибором обслуживания, пЬ - размер буфера, р - загрузка системы. Зависимости средней задержки в очереди (Гв) и потерь (Р/ах) от загрузки системы показаны на рис. 5 и рис. 6 соответственно.

Полученные аналитические результаты были подтверждены имитационным моделированием на базе открытого пакета пв2 (рис. 7,8).

--рюмттО

— имггмционныа (7«-<! 13 fw-o S3)

. рп«ш1 <Г.Ч> 05 M15 —--титшщятый

Рис. 7. Зависимости величины средней задержки в очереди от загрузки системы при различных значениях/

Рис. 8. Зависимости величины вероятности потерь от загрузки системы при различных значениях/

Таким образом, в диссертации предложена оценка справедливого распределения пропускной способности между потоками в каналах сетей Metro Ethernet и определены ВВХ в сетях Metro Ethernet. На основании проведенного анализа моделей трафика в сетях Metro Ethernet с учетом свойств самоподобия показано, что для улучшения параметров QoS до требуемых нужно ограничивать длины кадров (длины пачек кадров) L или снижать загрузку системы (увеличивать выделяемую полосу—xs) для конкретного потока.

При отсутствии возможности приметить данные методы в сетях Metro Ethernet (при больших загрузках каналов связи) возможно применить механизм балансировки нагрузки, который рассматривается в следующей главе.

Третья глава посвящена проблеме построения маршрутов в сетях Metro Ethernet. Вначале обсуждаются недостатки применения классических протоколов покрывающих деревьев в сетях Ethernet класса Metro, далее показана необ-

10

ходимость разработки новых механизмов маршрутизации на втором уровне модели OSI.

В данной главе разрабатывается метод выбора маршрутов, основанный на управлении трафиком, позволяющий устранить недостатки протоколов покрывающих деревьев, рассмотренных в плаве 1. Предложенный метод обеспечивает отказоустойчивость сети по критерию времени восстановления после единичного отказа и решает задачу балансировки нагрузки. Для построения активных деревьев метод использует уже существующий протокол MSTP, обеспечивая при этом отказоустойчивость и балансировку нагрузки.

Основные свойства разработанного метода можно сформулировать в следующем виде:

1. Для отказоустойчивости сети необходимо иметь, как минимум, два пути для каждой пары узлов в различных покрывающих деревьях, которые не имеют общих ребер (звеньев) или узлов. Один из этих путей используется как основной, другой (другие) - как резервный (резервные). Это позволяет сократить время сходимости сети, за счет того, что не тратится время на реконфигурацию покрывающего дерева, а происходит переключение на уже заранее построенное дерево.

2. Для эффективной балансировки нагрузки процесс выбора пути должен максимизировать использование наименее загруженных звеньев и минимизировать использование наиболее загруженных звеньев. Кроме того, для увеличения общего количества активных звеньев покрывающие деревья должны обеспечивать минимальное взаимное перекрытие.

Предложенный в диссертации механизм включает в себя следующие этапы:

• изучение топологии сети;

• сбор статистки по нагрузке в сети;

• обеспечение отказоустойчивости;

• контроль трафика, состоящий из следующих подзадач:

о выбор маршрутов (путей), о объединение путей, о построение покрывающих деревьев.

Рассмотрим детально задачу контроля трафика. Подзадача выбора путей заключается в определении путей между парами узлов. Затем решается подзадача объединения путей для того, чтобы сформировать соответствующие деревья (подзадача построения покрывающих деревьев). Эти покрывающие деревья могут быть сопоставлены разным VLAN.

Выбор путей. Целью алгоритма выбора путей является максимизация использования ресурсов сети Metro Ethernet. Основная идея алгоритма - найти пути, которые обеспечат балансировку нагрузки между разными частями сети и позволяют избегать те звенья в сети, которые переносят повышенную нагрузку (называемые в дальнейшем критичными звеньями).

Алгоритм выбора путей определяет основной путь X и резервный путь К, которые могут обеспечить требования к ожидаемой пропускной способности В(5,ф между заданным источником $ и получателем с/.

Алгоритм рассчитывает величину определяющую меру загрузки ресурсов в сети в по следующей формуле:

£ с,

■ТМ-

(И)

^ Начало ^

Н, В(3,(1) I

' Дпякехиенквв/:

Л. и С/_,

И - кандидаты пар осноеньойрезервных путей В(а,й) - запрос средней пропускной способности

~Ф\-ожидаемая нагрузка

С,-пропускная способность змна

/^-доступная пропускная способность звена

Х(з.<0=У{ьф=лив

Выбранная пара путей

Рис. 9. Алгоритм выбора путей

где С/ - общая пропускная способность, Ri - доступная (оставшаяся) пропускная способность звена /, у/(1) -параметр звена /, который выражается через формулу у/0) = . Величина Ф, определяет ожидаемую нагрузку:

Й = (12)

где B(s,d) - требуемая пропускная способность между sud, Ф1 (s, d) = yjz, где z - общее количество путей в сети мевду источником s и получателем d, у -число путей, проходящих через звено /.

Алгоритм выбора путей показан на рис. 9. В результате выполнения данного алгоритма выбора путей определяется основной путь X(s,d) и резервный путь Y(s,d) мевду парой узлов sud.

Рис.10. Алгоритм объединения путей 13

Объединение путей. Основные и резервные пути должны быть сгруппированы для того, чтобы сформировать покрывающие деревья. Каждое отдельное покрывающее дерево соответствует отдельной VLAN. Так как количество VLAN - это ограниченный ресурс, то важно объединить пути так, чтобы уменьшить число строящихся покрывающих деревьев.

Для достижения данной цели предлагается эвристический алгоритм. Так как общее количество необходимых покрывающих деревьев обратно пропорционально количеству путей, сгруппированных вместе, количество покрывающих деревьев может быть уменьшено при помощи объединения большого количества путей вместе. Для увеличения количества путей на одно покрывающее дерево предлагается объединять пути с общими свойствами. В предлагаемом алгоритме будем объединять пути с общими парами соседних узлов. Алгоритм агрегирования путей приведен на рис. 10. В результате выполнения данного алгоритма набор S будет иметь совокупность покрывающих деревьев. Эти покрывающие деревья могут быть использованы для создания независимых VLAN.

Построение покрывающих деревьев. После получения набора S покрывающих деревьев, данные деревья строятся согласно стандартному протоколу MSTP.

В диссертации показано, что предложенный метод выбора маршрутов в сети Metro Ethernet обеспечивает нормированное время сходимости сети (50 мс) за счет переключения на резервные пути. Также предложенный метод обеспечивает эффективный выбор различных конфигураций путей и позволяет обеспечить балансировку нагрузки на этапе выбора пути для VLAN, переносящих разные типы трафика.

Следующая задача, решаемая в диссертационной работе, посвящена построению покрывающих деревьев для мультикастового трафика (приложения ЕР-телевидения (IPTV), видео по заказу (VoD) и др.). В диссертационной работе показано, что в случае мультикастового трафика корень мультикастового дерева должен совпадать с корнем активного дерева MSTP. В качестве примера рассматриваются два варианта: в первом варианте источник мультикастового трафика совпадает с корнем покрывающего дерева, во втором случае источник мультикастового трафика не совпадает с корнем и находится в узле В на глубине дерева Ь.

В качестве меры сравнения двух вариантов выбирается задержка передачи протокольных блоков. В первом случае суммарная стоимость пути к каждому узлу от вершины дерева равна:

= (13)

*=0 IЫ к=Ъ 1=0 k=t

где «/•'-число узлов на глубине к, принадлежащих поддереву с корнем на глубине /, d - общая глубина дерева.

А во втором случае суммарная стоимость пути к каждому узлу от вершины дерева равна:

*-о 1 -I *«4 м> *«1

В диссертации показано, что разница между выражениями (14) и (13) всегда будет положительной. На рис. 11 показаны зависимости разницы задержек от глубины расположения корня при разном количестве узлов в сети.

Рис. 11. Зависимость разницы задержек от глубины расположения корня при разном количестве узлов в сети

Таким образом, в сетях Ethernet для улучшения характеристик мультикастового трафика (например, для услуг IPTV) необходимо строить деревья таким образом, чтобы источник мультикастового трафика совпадал с корнем покрывающего дерева, по которому передается этот трафик.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В процессе проведенных в диссертационной работе исследований получены следующие основные результаты.

1. На основе проведенного сравнения различных описанных оценок справедливости выбран коэффициент справедливости, позволяющий получить количественную оценку справедливого распределения сетевых ресурсов в сетях класса Metro.

2. Решена задача справедливого распределения пропускной способности между потоками, переносящими трафик, характерный для мультисервисных сетей класса Metro. Для решения данной задачи в диссертации предложен модифицированный коэффициент справедливости, который учитывает веса каждого потока.

3. Определены вероятностно-временные характеристики в транспортном сегменте мультисервисных сетей Metro Ethernet с учетом свойств самоподобия

трафика. Показано что для обеспечения требуемых параметров качества обслуживания нужно ограничивать длины кадров (длины пачек кадров) или снижать загрузку системы (увеличивать выделяемую потоку пропускную способность) для каждого конкретного потока. Аналитические результаты подтверждены имитационным моделированием.

4. Проведен анализ классических протоколов покрывающих деревьев, определяющих построение маршрутов и определены основные недостатки этих протоколов, не позволяющие применить их в сетях Ethernet класса Metro (большое время сходимости; неэффективное использование ресурсов; отсутствие поддержки параметров QoS).

5. Разработан механизм выбора маршрутов в сетях Metro Ethernet, основанный на управлении трафиком. Предложенный метод выбора маршрутов в сети Metro Ethernet обеспечивает нормированное время сходимости сети (50 мс) за счет переключения на резервные пути. Также предложенный метод обеспечивает эффективный выбор различных конфигураций путей и позволяет обеспечить балансировку нагрузки на этапе выбора пути для VLAN, переносящих разные типы трафика.

6. Предложен механизм построения покрывающих деревьев для мультикасто-вого трафика (приложений IPTV и др.). Показано, что для снижения задержек в случае с мультикастовым трафиком корень мультикастового дерева должен совпадать с корнем активного дерева, используемого для пропуска этого трафика.

СПИСОК ПУБЛИКАЦИЙ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Галкин A.M., Симонина OA., Метод расчета характеристик IP-ориентированных мульти-сервисных сетей с учетом свойств самоподобия трафика // Труды учебных заведений связи / СПбГУТ. СПб. 2005. № 172. С. 6-10.

2. Галкин A.M., Симонина О.А. Моделирование трафика мультисервисной IP-сети с использованием пакета NS2 // 57-я НТК профессорско-преподавательского состава, научных сотрудников и аспирантов: мат-лы I СПбГУТ. СПб, 2005. С. 19-20.

3. Галкин А.М., Симонина О.А., Бартолламеи С. VoIP: новые возможности для предприятия // Вестник связи 2005. № 4. С. 191-196 (из перечня изданий, рекомендуемых ВАК).

4. Galkin A.M., Simonina О.A, Yanavsky G.G. Analysis of IP-oriented multiservice networks characteristics with consideration of traffic's self-similarity properties И ШЕЕ Russia Northwest section: proceedings. St-Petersburg, 2005. V. 2. C. 155-158.

5. Галкин A.M. Моделирование трафика Ethernet с учетом свойств самоподобия // 58-я НТК профессорско-преподавательского состава, научных сотрудников и аспирантов: мат-лы / СПбГУТ. СПб, 2006. С. 12-13.

6. Galkin A.M., Simonina О.А, Yanavsky G.G. Multiservice IP Network QoS Parameters Estimation in Presence of Self-similar Traffic // Springer Verlag. Lecture Notes on Computer Science, № 4003. 2006. C. 235-245.

7. Galkin A.M., Simonina O.A, Yanavsky G.G. Routes Building Approach for Multicast Applications in Metro Ethernet networks // Springer Verlag. Lecture Notes on Computer Science, № 4712, 2007 C. 187-193.

8. Галкин A.M., Кучерявый E.A., Молчанов ДА. Пакет имитационного моделирования ns2: учебное пособие. IIГОУВПО СПбГУТ,- СПб, 2007. - 60 с.

9. Галкин A.M., Симонина О.А., Яновский Г.Г. Анализ характеристик сетей NGN с учетом свойств самоподобия трафика // Электросвязь, 2007, №12. С. 23-25 (из перечня изданий, рекомендуемых ВАК).

10. Галкин A.M., Сепиашвили ДМ, Яновский Г.Г. Технология Ethernet (к 35-летию изобретения) II Вестник связи. 2008. № 8, С. 49-57 (из перечня изданий, рекомендуемых ВАК).

Подписано к печати 13.11.2008. Объем 1 печ. л. Тираж 80 экз. Тип. СПбГУТ. 191186 СПб, наб. р. Мойки, 61

СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ.

СПИСОК ОБОЗНАЧЕНИЙ.

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА 1. Принципы построения сетей следующего поколения и определение места сетей Metro Ethernet как элемента транспортного уровня NGN.

1.1. Эволюция сетей электросвязи в направлении построения NGN

1.2. Мрдели NGN.

1.2.1 Основная эталонная модель.

1.2.2 Обобщенная функциональная модель.

1.3. Технологии транспортного слоя NGN.

1.4. Технология Metro Ethernet.

1.5. Задачи диссертационной работы.

Выводы по главе 1.

ГЛАВА 2. Оценка параметров QoS в сетях Metro Ethernet.

2.1. Понятие оценки справедливого распределения ресурсов.

2.1.1. Работы по оценке справедливого распределения ресурсов.

2.1.2. Сравнение свойств оценок справедливого распределения.

2.1.3. Свойства коэффициента справедливости.

2.1.4. Расчет значений коэффициента справедливости для различных законов распределения.

2.2. Распределение пропускной способности в сетях Metro Ethernet

2.3. Характеристики законов распределения вероятностен, используемые для описания различных типов трафика в сетях Metro

Ethernet.

2.3.1. Самоподобные процессы в мультисервисных сетях класса Metro.

2.3.2. Характеристики самоподобных процессов.

2.3.3. Свойства самоподобных процессов.

2.3.4. Медленно затухающие распределения.

2.3.5. Введение ограничения для реальных значений случайных величин.

2.4. Определение вероятностно-временных характеристик для сетей Metro Ethernet.

2.4.1. Расчет средних задержек в очереди с учетом влияния коэффициента справедливости.

2.4.2. Расчет потерь с учетом влияния коэффициента справедливости.

2.5 Имитационное моделирование процессов в сетях Metro Ethernet

Выводы по Главе 2.

ГЛАВА 3 Усовершенствование протоколов покрывающих деревьев для применения в сетях класса Metro.

3.1. Свойства стандартных протоколов построения покрывающих деревьев.

3.1.1. Протокол STP.

3.1.2. Реализация STP в соответствии со стандартом.

3.1.3. Протокол RSTP.

3.1.4. Протокол MSTP.

3.1.5. Основные недостатки протоколов покрывающих деревьев

3.2. Анализ существующих решений по улучшению характеристик классических протоколов построения маршрутов в сетях Metro

Ethernet.

3.3. Механизм выбора маршрутов, основанный на управлении трафиком.

3.3.1. Описание архитектуры.

3.3.2. Управление трафиком при выборе маршрутов.

3.3.3. Основные этапы нового механизма.

3.3.4. Контроль трафика.

3.4. Построение покрывающего дерева для мультикастового трафика.

Выводы по Главе 3.

Актуальность работы. Согласно принципам построения сетей следующего поколения (Next Generation Network - NGN) в качестве технологической базы построения транспортного уровня NGN предполагается использование мультисервисных технологий на основе коммутации пакетов, которые должны обеспечивать необходимый уровень качества обслуживания [86].

В рамках развития NGN как сети связи общего пользования решаются следующие задачи: плавный переход к единой транспортной технологии для переноса разных типов трафика (данные, речь, видео), предоставление новых возможностей в области развития услуг связи, построение простой и эффективной единой сети для всех видов приложений и активное развитие новых видов услуг связи.

Вопросы построения мультисервисных сетей активно исследуются в работах известных отечественных и зарубежных авторов (Б.С. Гольдштейн, А.Е Кучерявый, А.Н. Назаров, М.Н. Петров, Н.А Соколов, С.Н. Степанов, М.А. ПТнепс-Шнеппе, Г .Г. Яновский, U. Black, J. Davidson, S. Fisher, J.M. Garcia, D. McDysan, D. Minoli, F.A. Tobagi).

Несмотря на большое число работ по теоретическим основам и практической реализации NGN, появившихся в последние пять лет, ряд вопросов остается открытым. К их числу следует отнести проблемы исследования вероятностно-временных характеристик мультисервисных транспортных сетей с учетом свойств самоподобия трафика, передачи мультикастового трафика на канальном уровне, создания технологии на базе коммутации пакетов на транспортном уровне сети следующего поколения, обладающей всеми атрибутами операторских сетей.

В последние годы в сетях класса Metro и территориально распределенных сетях получила признание технология Ethernet. Вместе с тем в классических сетях Ethernet вопросы, связанные с обеспечением качества обслуживания (QoS) практически не рассматривались. Исследования, проводящиеся в диссертационной работе, решают несколько актуальных проблем внедрения таких сетей на базе концепции Metro Ethernet. Среди них необходимо отметить анализ вероятностно-временных характеристик (ВВХ) трафика в этих сетях с учетом свойств самоподобия трафика и синтез протоколов построения маршрутов в городских сетях класса Metro, которые обеспечивают балансировку нагрузки сети.

Цели и задачи исследования. Целью диссертационной работы является разработка методов улучшения характеристик сетей Metro Ethernet для возможности использования Metro Ethernet в качестве транспортной технологии сетей следующего поколения.

Для достижения поставленной цели в диссертационной работе исследуются две группы вопросов. В состав первой группы входят следующие задачи:

• введение количественной меры справедливого распределения сетевых ресурсов и исследование свойств коэффициента справедливости;

• решение задачи справедливого распределения пропускной способности между потоками, переносящими трафик, характерный для мультисервисньтх сетей; решение задачи определения ВВХ для потоков в сети Metro

Ethernet;

Вторую группу проблем составляют задачи, связанные с построением маршрутов в сетях Metro Ethernet. Здесь рассматриваются следующие задачи: анализ недостатков классических протоколов покрывающих деревьев;

• разработка нового механизма выбора маршрута, основанного на управлении трафиком; разработка метода выбора корня дерева для передачи мультикастового трафика.

Методы исследования. Проводимые исследования базируются па теории графов, теории вероятностей, теории массового обслуживания, теории фрактальных процессов и методах имитационного моделирования. Для численного анализа используется программный математический пакет Mathcad 14. Имитационное моделирование выполняется с помощью открытого пакета моделирования сетей ns2.

Научная новизна. Основные результаты диссертации, обладающие научной новизной: на базе предложенной меры справедливости разработан метод оценки справедливого распределения ресурсов в сетях Metro Ethernet;

• определены вероятностно-временные характеристики в сетях Metro Ethernet на базе предложенной оценки справедливого распределения ресурсов; рассчитан коэффициент справедливости распределения ресурсов для трафика, описываемого медленно затухающими законами распределения; проведена систематизация недостатков применения классических протоколов покрывающих деревьев в технологии Ethernet, применяемой в сетях класса Metro;

• разработан механизм построения маршрутов в сетях Metro Ethernet, основанный на управлении трафиком;

• предложен метод выбора корня покрывающего дерева, позволяющий уменьшить задержки протокольных блоков мультикастовых приложений.

Практическая ценность. Основными практическими результатами диссертационной работы является получение оценок для расчета потерь и задержек в сетях Metro Ethernet при использовании коэффициента

11 справедливости, и разработка метода синтеза протоколов построения маршрутов в городских сетях Metro Ethernet.

Использование результатов работы позволяют рассчитывать нагрузку для мультисервисного трафика на этапе проектирования сетей Metro Ethernet. Результаты работы могут быть использованы при эксплуатации сетей для сетей Metro Ethernet и на этапе создания оборудования коммутаторов Ethernet. Также результаты работы могут быть использованы в учебном процессе СПбГУТ им. Проф. М.А. Бонч-Бруевича.

Реализация результатов работы. Основные результаты диссертационной работы использованы в разработках ОАО «Гипросвязь СПб» и в учебном процессе СПбГУТ им. проф. М.А. Бонч-Бруевича, что подтверждается соответствующими актами внедрения.

Апробация работы и публикации. Результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на международных конференциях: JASS'2005 «IEEE Russia Northwest section» (St-Petersburg, 2005), New2an 2006 (St-Petersburg, 2006), New2an 2007 (St-Petersburg, 2006) а также на научно-технических конференциях и семинарах СПбГУТ им проф. М.А. Бонч-Бруевича.

Всего по теме диссертации опубликовано 10 печатных работ, которые включают в себя 9 статьей и одно учебное пособие. Из них 3 статьи были оп>бликованы в изданиях, рекомендуемых ВАК РФ.

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Решение задачи справедливого распределения пропускной способности между потоками, переносящими трафик, характерный для мультисервисных сетей.

2. Разработка моделей оценки показателей QoS (потерь и задержек), для сетей Metro с учетом свойств самоподобия трафика.

3. Разработка нового механизма выбора маршрута в сетях Metro Ethernet, основанного на управлении трафиком.

4. Разработка метода выбора корня покрывающего дерева, позволяющего уменьшить задержки протокольных блоков мультикастовых приложени й.

Личный вклад автора. Основные результаты теоретических и прикладных исследований получены автором самостоятельно. В работах, опубликованных в соавторстве, соискателю принадлежит основная роль при постановке и решении задач и обобщении полученных результатов.

Структура работы. В первой главе диссертационной работы проведен обзор современного состояния мультисервисных транспортных сетей на базе концепции Metro Ethernet. Городская сеть класса Metro может быть реализована па базе различных технологий нижних уровней: SDH, ATM, MPLS, RPR, Ethernet. Стек протоколов для нижних уровней при развертывании сети, предоставляющей услуги Metro Ethernet. Наиболее эффективным методом с точки зрения капитальных вложений для вновь разворачиваемых городских сетей является построение сети на основе Ethernet-коммутаторов, соединенных оптическими линиями связи, поскольку сегодня решения на базе Ethernet являются наиболее дешевыми среди других технологий, представленных.

Для возможности использования Metro Ethernet в качестве транспортного слоя NGN сеть должна обладать атрибутами, характерными для операторских сетей:

• гарантированные показатели QoS в транспортном домене для различных типов трафика; ® восстанавливаемость сети после отказа за определенное время; ® управление услугами на уровне сетей операторского класса; ® масштабируемость; поддержка цифровых каналов путем эмуляции.

В диссертационной работе рассматриваются две первые проблемы применительно к сетям Metro, использующим коммутаторы Ethernet, поскольку остальные вопросы можно считать практически решенными.

Обеспечение гарантированного качества обслуживания зависит от многих факторов, в том числе таких, как модель обслуживания, определяющая принципы распределения сетевых ресурсов. В сетях Metro Ethernet эта задача осложняется присутствием трафика, описываемого медленно затухающими законами распределения. Вопросы обеспечения гарантированного качества обслуживания в сетях Metro Ethernet рассматриваются во второй главе.

Технологические решения для сетей Metro Ethernet, обеспечивающие восстанавливаемость после отказов, связаны со схемами построения маршрутов па основе семейства протоколов STP: STP (Spanning Tree Protocol), RSTP (Rapid Spanning Tree Protocol), MSTP (Multiple Spanning Tree Protocol).

Семейство классических протоколов обладает рядом недостатков:

• большое время сходимости; неэффективное использование ресурсов;

• отсутствие поддержки параметров QoS.

Задачи улучшения классических протоколов построения маршрутов для сетей второго уровня решаются в третьей главе.

Вторая глава посвящена решению задачи количественной оценки справедливости распределения ресурсов в сетях Metro Ethernet и анализу моделей трафика с учетом свойств самоподобия в таких сетях.

На основе анализа предложенных количественных оценок справедливости ( М. Gerla [61], S. Lam [75, 76], J. Wong [41], R. Jain [35]) в диссертации для решения поставленных задач выбирается коэффициент справедливости, предложенный в работе R. Jain [35]. Далее в диссертационной работе описываются свойства коэффициента справедливости и определяются его значения для основных распределений

14 случайных величин, используемых в сетях с коммутацией пакетов (Эрланга, Парето, Вейбулла и др.).

Одной из актуальных в сетях связи является задача распределения пропускной способности между пользователями и/или услугами. В соответствии с тем, что разные пользователи и услуги требуют разные пропускные способности, введен модифицированный коэффициент справедливости, учитывающий веса для каждого потока. При априорном знании пропускной способности, необходимой каждому потоку, задача справедливого распределения пропускных способностей является легко решаемой. В диссертации приведен ряд примеров, иллюстрирующих применение данной формулы модифицированного коэффициента справедливости для оценки распределения пропускных способностей между потоками в сетях Metro Ethernet.

Однако в мультисервисных транспортных сетях таких, как Metro Ethernet, требуемая пропускная способность, необходимая для конкретного потока, зависит от закона распределения этого потока и требований к параметрам QoS.

Задача распределения пропускных способностей осложняется наличием трафика, характеризуемого медленно затухающими законами распределения. Исследование свойств самоподобия случайных процессов в телекоммуникациях проводятся с конца 80-х годов прошлого столетия. В диссертационной работе О.А. Симониной [96] представлена классификация законов распределения для разных типов трафика в сетях с коммутацией пакетов. Было показано, что в транспортных сетях Ethernet трафик обладает свойствами самоподобия и описывается медленно затухающими распределениями, такими как закон Парето. Для описания процесса, обладающего свойствами самоподобия, вводится понятие ограниченного распределения. Ограниченное распределение позволяет, не меняя формы хвоста распределения, указать максимальное значение случайной величины.

В работах [21-22, 81-82] было рассмотрено ограниченное распределение Парето Р/Р/1 (1<а <2 ). На основе полученных основных параметров для закона распределения Парето рассчитан коэффициент справедливости для ограниченного распределения Парето. В данном случае коэффициент справедливости показывает, насколько агрегированный поток детерминирован, т.е. насколько предсказуем трафик. Показано, что для большей предсказуемости характеристик потока следует верхний предел случайной величины делать как можно ближе к нижней границе.

Полученные результаты применены для системы массового обслуживания (СМО) G/G/1 с учетом самоподобных процессов. Для расчетов были использованы результататы, полученные в [84]. Рассмотрено, как влияет коэффициент справедливости на потери и задержки. Аналитические результаты подтверждены результатами имитационного моделирования. На основании проведенного анализа моделей трафика в сетях Metro Ethernet с учетом свойств самоподобия показано, что для улучшения параметров QoS до требуемых нужно ограничивать длины кадров (длины пачек кадров) или снижать загрузку системы для конкретного потока.

Третья глава посвящена проблеме построения маршрутов в сетях Metro Ethernet. Вначале обсуждаются недостатки применения классических протоколов покрывающих деревьев в сетях Ethernet класса Metro, далее показана необходимость разработки новых механизмов маршрутизации на втором уровне модели OSI.

В данной главе разрабатывается метод выбора маршрутов, основанный на управлении трафиком, позволяющий устранить недостатки протоколов покрывающих деревьев, рассмотренных в главе 1. Предложенный метод обеспечивает отказоустойчивость сети по критерию времени восстановления после единичного отказа и решает задачу балансировки нагрузки. Для построения активных деревьев метод использует уже существующий протокол построения покрывающих деревьев, обеспечивая при этом отказоустойчивость и балансировку нагрузки.

16

Предложенный в диссертации механизм включает в себя следующие этапы:

• изучение топологии сети;

• сбор статистки по нагрузке в сети;

• обеспечение отказоустойчивости;

• контроль графика, состоящий из следующих подзадач: о выбор маршрутов (путей), о объединение путей, о построение покрывающих деревьев.

Показано, что предложенный метод выбора маршрутов в сети Metro Ethernet обеспечивает нормированное время сходимости сети (50 мс) за счет переключения на резервные пути. Также предложенный метод обеспечивает эффективный выбор различных конфигураций путей и позволяет обеспечить балансировку нагрузки на этапе выбора пути для VLAN, переносящих разные типы трафика.

Следующая задача, решаемая в данной главе, посвящена построению покрывающих деревьев для мультикастового трафика (приложения IP-телевидения (TPTV), видео по заказу (VoD) и др.). В диссертационной работе показано, что в случае мультикастового трафика корень мультикастового дерева должен совпадать с корнем активного дерева покрывающего дерева.

Выводы по главе 3

1. Проведен анализ классических протоколов покрывающих деревьев, определяющих построение маршрутов, и определены основные недостатки этих протоколов, не позволяющие применить их в сетях Ethernet класса Metro. В число этих недостатков входят: большое время сходимости; неэффективное использование ресурсов; отсутствие поддержки параметров QoS.

2. Разработан эвристический механизм выбора маршрутов в сетях Metro Ethernet, основанный на управлении трафиком, включающий в себя следующие этапы - изучение топологии сети, сбор статистки по нагрузке в сети, обеспечение отказоустойчивости, контроль трафика.

3. Предложенный метод выбора маршрутов в сети Metro Ethernet обеспечивает нормированное время сходимости сети (50 мс) за счет переключения на резервные пути. Также предложенный метод обеспечивает эффективный выбор различных конфигураций путей и позволяет обеспечить балансировку нагрузки на этапе выбора пути для VLAN, переносящих разные типы трафика.

4. Предложен механизм построения покрывающих деревьев для мультикастового трафика (приложений IPTV и др.). Показано, что для уменьшения задержек в случае с мультикастовым трафиком, корень мультикастового дерева должен совпадать с корнем активного дерева, используемого для пропуска этого трафика.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В результате проведенных в диссертационной работе исследований получены следующие основные результаты.

1. На основе проведенного сравнения различных описанных оценок справедливости выбран коэффициент справедливости, позволяющий получить количественную оценку справедливого распределения сетевых ресурсов в сетях класса Metro.

2. Решена задача справедливого распределения пропускной способности между потоками, характеризуемыми медленно затухающими процессами, характерными для мультисервисных сетей класса Metro. Для решения данной задачи в диссертации предложен модифицированный коэффициент справедливости, который учитывает веса каждого потока.

3. Определены вероятностно-временные характеристики в транспортном сегменте мультисервисных сетей Metro Ethernet с учетом свойств самоподобия трафика. Показано что для обеспечения требуемых параметров качества обслуживания нужно ограничивать длины кадров (длины пачек кадров) или снижать загрузку системы (увеличивать выделяемую потоку пропускную способность) для каждого конкретного потока. Аналитические результаты подтверждены имитационным моделированием.

4. Проведен анализ классических протоколов покрывающих деревьев, определяющих построение маршрутов, и определены основные недостатки этих протоколов, не позволяющие применить их в сетях Ethernet класса Metro. В число этих недостатков входят: большое время сходимости; неэффективное использование ресурсов; отсутствие поддержки параметров QoS.

5. Разработан эвристический механизм выбора маршрутов в сетях Metro Ethernet, основанный на управлении трафиком, включающий в себя следующие этапы - изучение топологии сети, сбор статистки по нагрузке в сети, обеспечение отказоустойчивости, контроль трафика.

6. Предложенный метод выбора маршрутов в сети Metro Ethernet обеспечивает нормированное время сходимости сети (50 мс) за счет переключения на резервные пути. Также предложенный метод обеспечивает эффективный выбор различных конфигураций путей и позволяет обеспечить балансировку нагрузки на этапе выбора пути для VLAN, переносящих разные типы трафика.

7. Предложен механизм построения покрывающих деревьев для мультикастового трафика (приложений IPTV и др.). Показано, что для снижения задержек в случае с мультикастовым трафиком корень мультикастового дерева должен совпадать с корнем активного дерева, используемого для пропуска этого трафика.

1. Ali М, Chiruvolu G, Ge A. Traffic Engineering in Metro Ethernet, 1.EE Network, March/April 2005, Vol. 19, No 2

2. Ahman E., Jimenez T NS for Beginners Lecture Notes, Univ. de Los Andes, Merida, Venezuela, Sept 2002,http://www-sop. inria.fr/maestro/personnel/Eitan.Altman/COURS-NS/n3.pdf

3. Ash G. Traffic Engineering & QoS Methods for IP-, ATM-, & TDM-Based Multiservice Networks, Internet Draft. Oct. 2001

4. Bharath-Kumar, K., and Jaffe, J.M. A New Approach to Performance-Oriented Flow Control. IEEE Transactions on Communications COM-29, 4, (April, 1981), 427-435

5. В о у si S. С., Вахта О. J., Nuhez-Oueija R., Zwart A. P. The impact of the service discipline on delay asymptotics //Perfonnance Evaluation, vol. 54, iss. 2, Oct., 2003.

6. Breilhart Y., Garofalacis M, Mar!in С. Rastogi R., Seshdri S., Silberschats A. A resource query interface for network-aware applications, Cluster Computing, 1999, vol 2., pp. 139-151.

7. Carle G., Sanneck H., Schramm M. Adaptive Hy-brid Error Control for IP-based Continous Media Multicast Services // In First International Workshop on Quality for future Internet Services (QofIS 2000), Berlin, Germany, September 2000.

8. Chiruvolu G., Krogf'oss В., Ge A. Encapsulation Schemes for Metro-Ethernet, White paper, Alcatel Networks, 2004

9. С rove! la M., Barford P. Measuring Web Performance in the Wide Area. ACM Performance Evaluation Review, 27(2):37—48, August 1999.

10. Crovella M., M. Taqqu, Bestavros A. Heavy-Tailed Probability Distribution in World Wide Web // A Practical Guide to Heavy Tails: Statistical techniques and Applications, 1998.

11. Crovella M., Malta I., Guo L. How does TCP generate Pseudo-self-similarly? Proc. the International Workshop on Modeling, Analysis and Simulation of

12. Computer and Telecommunications Systems (MASCOTS'Ol), Cincinnati, OH, August 2001.

13. Downey A. B. Lognormal and Pareto distributions in the Internet. w\vw.alleiidowney.com/research/longtail/downey031ognormal.pdf. 2003.

14. Downey A. Timescales and stability: Evidence for long-tailed distributions in the internet И Proceedings of the 1st ACM SIGCOMM Workshop on Internet Measurement, Nov., 2001.

15. Eppsiein D., Finding the к shortest paths, SIAM J. Computing, vol. 28(2), pp. 652-673, 1998.

16. Erramiili A., Pruthi P., Willinger W. Recent Developments in Fractal Traffic Modeling, http://citeseer.ist.psu.edu, 1995.

17. Erramili A., Narayan ()., Willinger W. Experimental Queuing Analysis with Long-Range Dependent Traffic. IEEE/ACM Transaction on Networking, Vol. 4, No. 2, pp. 209-223, 1996.

18. Fang L, Bifar N., Zhang R., Taylor M. The Evolution of Carrier Ethernet Services Requirements and Deployment Case Studies, IEEE Communications, March 2008, Vol. 46, No 3.

19. Fedyk D., Allan D. Ethernet Data Plane Evolution for Provider Networks, IEEE Communications, March 2008, Vol. 46, No 3.

20. Feldman A., Whitt W. Fitting Mixtures of Exponentials to Long-Tail Distributions to Analyze Network Performance Models. Performance Evaluation, 31(8), pp. 963-976, Aug. 1998.

21. Fox B.L. k-lh shortest paths and applications to probabilistic networks, ORSA/TIMS Joint National Mtg., vol 23, pp. B263, 1975.

22. Galkin A.M., Simonina O.A, Yanovsky G.G. Analysis of IP-oriented multiservice networks characteristics with consideration of traffic's self-similarity properties // IEEE Russia Northwest section: proceedings. St-Petersburg, 2005. V. 2.C. 155-158.

23. Galkin A.M., Simonwa O.A, Yanovsky G.G. Multiservice IP Network QoS Parameters Estimation in Presence of Self-similar Traffic // Springer Verlag. Lecture Notes on Computer Science, № 4003. 2006. C. 235-245.

24. Garcia R., Duato J., Serrano J. A new transparent bridge protocol lor LAN internetworking using topologies with active loops, ICPP'98 T. Lai, Ed., 1998, pp. 295-303.

25. Gerla, A/., and Staskauskos, M. Fairness in Flow Controlled Networks. Proceedings IEEE 1981 International Conference on Communications, 3, Denver, CO, (June 14-18, 1981) 63.2.1-5.

26. Goplan G. Efficient network resource allocation with QoS quarantines, Technical Report TR-133, Experimental Computer Systems Labs, Department of Computer Science, State Univercity of New York at Stony Brook, March 2003.

27. Hooghiemsira, G. and P. Van Mieghem Delay Distributions on Fixed Internet Paths, Delft University of Technology, 2001, report2001102029. htlp://w\vw. isi.edu

28. IEEE 802. ID, Media Access Control (MAC) Bridges, 1998.

29. IEEE 802. ID-2004, Media Access Control (MAC) Bridges, 2004.

30. IEEE 802.10-2005, Local and Metropolitan Area Networks Virtual Bridged Local Area Networks, May 2006 .

31. Jaffe, J.M. A Decentralized, "Optimal", Multiple-User, Flow Control Algorithm. Proc Intl Conf on Computer Comm., Atlanta, GA (October 1980), 839844

32. J am in S., Jin C., Jin Y., Raz D., Shavitl Y., Zhang L. On the placement of internet instrumentation, IEEE INFOCOMM, 2000.

33. Кагат M. J., Tobagi F. A. On traffic types and service classes in the Internet. IEEE GLOBECOM pp 548-554, Nov 2000.

34. Leland IF., Taqqu M., Willinger IV., Wilson D. On the Self-Similar Nature or Ethernet Traffic. IEEE/ACM Transactions of Networking, 2(1):1-15, 1994.

35. Litn Y, Yu H., Das Sh., Lee S.S., Gerla M. QoS-aware Multiple Spanning Tree Mechanism over a Bridged LAN Environment, proc. GLOBECOM apos;03. IEEE Volume 6, Issue , 1-5 Dec. 2003, pp: 3068 3072

36. Liu K., Lee W., Nahrstedt K. Star: A transparent spanning tree bridge protocol with alternate routing, ACM SIGCOMM, 2002, vol 32 of 3, pp. 33-46.

37. Marsan, Ы.А. and Gerla, M. Fairness in Local Computing Networks Proceedings IEEE International Conference on Communications ICC82, Philadelphia, PA, (June 13-17, 1982), 2F.41-6

38. Molnar S., B. Sonkoly, Dang T.D. Fractal Analysis and Modeling of VoIP Traffic. NETWORKS2004, Vienna, Austria, June 13-16, 2004.

39. Molnar S., Dang T.D. Scaling Analysis of IP Components. ITC Specialist seminar on IP Traffic Measurement, Modeling and Management, Monterey, CA, USA, September 18-20, 2000.

40. Obracka K., Georghiu G. The performance of a service for network-aware applications, ACM Sigmetrics SPTD'98, 1998

41. Park K, Kim G., Crovella M. On the Relationship between File Sizes, Transport Protocols and Self-Similar network Traffic. Proc. International Conference on Network Protocols, pp. 171-180, October, 1996.

42. Park K, Kim G., Crovella M. On the Relationship between File Sizes,

43. Transport Protocols and Self-Similar network Traffic. Proc. International

44. Conference on Network Protocols, pp. 171-180, October, 1996.137

45. Park К., Tuan Т. Congestion Control for Self-Similar "Network Traffic // ACM Transactions on Modeling and Computer Simulation (TOMACS), vol. 10, Apr., 2000.

46. Park K., Tuan T. Multiple Time Scale Congestion Control for Self-Similar Network Traffic, Performance Evaluation, 1999.

47. Park K., Willinger W. Self-Similar Network Traffic: An Overview. Self-Similar Network Traffic and Performance Evaluation (ed.), Wiley-Interscience, 2000.

48. Paxson V., Floyd S. Wide-Area Traffic: The Failure of Poisson Modeling I I Lawrence Berkeley Laboratory and EECS Division, University of California, Berkeley, vol. 3, No 3, 1995.

49. Perl man R.J. An algorithm for distributed computation of a spanning tree in an extended LAN., S1GCOMM 1985, pp. 44-53

50. Oiano IV., Ni L. Network panning and tuning in switch-based LANs, ICPP'98, T. Lai, Ed., 1998, pp. 287-294.

51. Recommendation G.I07. The E-model, a computation model for use in transmission planning ITU-T.

52. Recommendation ITU-T Y.200F General overview of NGN

53. Riedi R., Willinger W. Toward an Improved Understanding of Network Traffic Dynamics. Self-Similar Network Traffic and Performance Evaluation, Wiley, chapter 20, pp 507-530, 2000

54. Rodehejfer Т., Schroeder M. Automatic reconfiguration in autonet, ACM SIGOPS, 1991, vol. 25 of 5, pp. 183-197.

55. Rodeheffer Т., Thekkat C., Anderson D. Smartbridge: A scalable bridge architecture, ACM SIGCOMM, 2000.

56. RSTP simulator, http://rstplib.sourceforge.net/

57. Ryoo J-d., Song J., Park J. Joo B-S. OAM and Its Performance Monitoring Mechanisms for Carrier Ethernet Transport Networks, IEEE Communications, March 2008, Vol. 46, No 3.

58. SaclekN., Khotanzad A., Chen T. ATM Dynamic Bandwidth Allocation Using F-ARIMA Prediction Model // Department of Electrical Engineering, Southern Methodist University, Dallas, USA, 2003.

59. SauveJ.P. Wong J. W. and Field J.A. On Fairness in Packet-Swithing Networks Proceedings 21st IEEE Computer society International Conference CompCon 80, Washington, D.C., (September 23-25, 1980) 466-470.

60. Seitz N. ITU-T QoS Standards for IP-Based Networks // IEEE Communication Magazine, Jun., 2003.

61. Siemens White Paper. SURPASS Carrier Ethernet Best Practices in designing a Carrier Grade Metro Ethernet Network for Triple Play services.

62. Taqqu M., Willinger W, Sherman R. On-Off Models for Generating Long-Range Dependence // Computer Communication Review, Vol 27, 1997.

63. Taqqu W., Levy J. Using renewal processes to generate long grange dependence and high variability // Dependence in Probability and Statistics, and Progress in Probability, vol. 3, pp. 73-89, 1986.

64. Technical Specification MEF, Circuit Emulation Service Definitions, Framework and Requirements in Metro Ethernet Networks, April 2004.

65. Technical Specification MEF, Implementation Agreement for the Emulation of PDH Circuits over Metro Ethernet Networks, October 2004.

66. The Evolution of Ethernet to a Carrier Class Technology, Featuring Bob Metcalfe, http://www.netevents.tv

67. Varadarajan S., Chiueh T. Automatic fault detection and Recovery in real time switched Ethernet networks, IEEE INFOCOMM, 1999, vol.1 pp. 161-169.

68. Wang P., Chan C., Lin P. MAC Address Translation for Enabling Scalable Virtual Private LAN Services, Proc. 21st Int'l Conf. Adv. Info. Net. And Apps. Wksp., vol. 1 May 2007, pp. 870-875

69. Wit linger W. Traffic modeling of high-speed netnrorks: theory and practice // Stochastic Networlcs, Kelly and Williams eds, Springer-Verlag, 1994.

70. Willinger W, TaqquM., Sherman R., Wilson D. Self-Similarity Though High-Variability: Statistical Analysis of Ethernet LAN Traffic at the Source Level. IEEE/ACM Transactions on Networking, 5(1), 1997.

71. Wong J.W. and Lam S.S Queuing Network Models of Packet Swithcing networks Part 1: Open Networks Performance Evaluation, 2, (1982) 9-2 1.

72. Wong J. W., Sauve J.P., and Field J. A. A Study of Fairness in Packet-Switching Networks IEEE Nransactions on Communications COM-30, 2 (February 1982) 346-353.77. www.metroethernetforum.org

73. Zwart A. P. Queueing Systems with Heavy Tails Eindhoven: Eindhoven University of Technology, 2001.

74. Галкин A.M., Кучерявый E.A., Молчанов Д.А. Пакет имитационного моделирования ns2: учебное пособие. // ГОУВПО СПбГУТ,- СПб, 2007. 60 с.

75. Галкин A.M., Сепиашвили Д.М., Яновский Г.Г. Технология Ethernet (к 35-летию изобретения) // Вестник связи. 2008. № 8. С. 49-57

76. Галкин A.M., Силюнина О.А., Метод расчета характеристик IP-ориентированных мультисервисных сетей с учетом свойств самоподобия трафика // Труды учебных заведений связи / СПбГУТ. СПб. 2005. № 172. С. 6-10.

77. Галкин A.M., Силюнина О.А., Яновский Г.Г\ Анализ характеристик сетей NGN с учетом свойств самоподобия трафика // Электросвязь, 2007, №12. С. 23-25.

78. Городецкий А.Я., Заборовский B.C. Информатика. Фрактальные процессы в компьютерных сетях. Учебное пособие. СПб.:Изд-во СПбГТУ, 2000.

79. Зелигер И.Б., Чугреев О.С., Яновский Г.Г. Проектирование сетей и систем передачи дискретных сообщений. М.: Радио и связь, 1984.

80. Клейирок JI. Теория массового обслуживания. Том 1/ Пер. с англ. Под ред. В.И. Неймана М.: Машиностроение, 1979

81. Концептуальные положения по построению мультисервисных сетей на ВСС России. Версия 4. 2001.

82. Кох Р., Яновский Г.Г. Эволюция и конвергенция в электросвязи. М.: Радио и связь, 2001.

83. Кучерявый А.Е. Современные телекоммуникационные услуги и перспективы развития сетей связи России // НТК «Связисты СПбГУТ и телекоммуникации XXI века»: мат-лы, СПбГУТ, СПБ, 2000.

84. П.В. Москвин Азбука Tel., М., Горячая Линия-Телеком, 2003

85. Нейман В.PL Новое направление в теории телетрафика. // "Электросвязь", 1998, №7, с. 27-30

86. Нейман В.PL Самоподобные процессы и их применение в теории телепрафика. // Труды Международной Академии связи, 1999,№ 1,с. 11 -15.

87. Ныоман Д. Коммутаторы для 10-гигабитных сетей Ethernet // «Сети» 0405,2003.

88. Петров М.Н., Пономарев Д.Ю. Самоподобие в системах массового обслуживания с ограниченным буфером. // "Электросвязь", 2002, №2, с. 35-39

89. Петровский А. Командный язык программирования Tel. М.: Майор, 2001

90. Сгшонина О.А. Модели расчета показателей QoS в сетях следующего поколения. Автореферат дисс. . канд. техн. наук /СПбГУТ. СПб, 2005

91. Уэлш В., Джонс К, Хоббс Дж.Практическое программирование на Tel и Tk, М., Вильяме, 2004

92. Филимонов А.Ю. Построение мультисервисных сетей Ethernet. СПб.: БХВ-Петербург, 2007. - 592с.

93. Цыбаков Б.С. Модель телетрафика на основе самоподобного случайного процесса. // "Радиотехника", 1999, № 5, с. 24-31.

94. Шелухин О.И. Самоподобные процессы и их применение в телекоммуникациях. // "Теоретические и прикладные проблемы сервиса", 2002, №3(4), с. 62-71.

95. Шелухин О.И., Тенякшев A.M., Осин А.В. Фрактальные процессы в телекоммуникациях // Под ред. О.И. Шелухина М.: Радиотехника, 2003.

96. УТВЕРЖДАЮ: Проректор по УР СПбГУТ им. проф. М.А. Бонч-Бруевичашрф. Томашевич С.В.2008 г.

97. АКТ О ВНЕДРЕНИИ результатов диссертации на соискание степени к.т.н. A.M. Галкина «Исследование вероятностно-временных характеристик и протоколов построения маршрутов в сетях Metro Ethernet»

98. Декан факультета СС, СК и ВТ1. Зав. Кафедрой Сетей связипроф. Яновский Г.Г.проф. Бузюков J1.Б.1. РН<1. ГППРОСВЯВЬ СПб

99. Большой Смоленский пр., д.2, Телефон: (812) 365-17-00 г.Санкт Петербург, Россия, Телефакс: (812) 567-78-75 192029 E-mail: mail@giprosvyaz-spb.nj

100. ОКПО 01168983 ОКУД 02531012 http:// www.giprosvyaz-spb.ruот ем во sooiг»гняи4ма 100 0Г2Л1. На №от1. УТВЕРЖДАЮ:

101. Генеральный директор ОАО «Гипросвязь СПб»

102. АКТ О ВНЕДРЕНИИ результатов диссертации на соискание степени к.т.н. A.M. Галкина «Исследование вероятностно-временных характеристик и протоколов построения маршрутов в сетях Metro Ethernet»

103. Результаты диссертационной работы А. М. Галкина «Исследование вероятностно-временных характеристик и протоколов построения маршрутов в сетях Metro Ethernet» использованы в разработках методик проектирования мультисервисных сетей связи.

104. Полученные в диссертационной работе оценки показателей качества обслуживания (QoS) позволили разработать методику расчета нагрузки в сетях с коммутацией пакетов.