Устойчивость измерения с помощью одноранговых сетей и каналов оптимизации

АННОТАЦИЯ

Основанная на технологии с открытым исходным кодом, сеть оптимизирована для реконструкции и распределения пакетов по двухфазным параллельным каналам в автономных сетевых системах со сбалансированными измерениями. Для оптимизации общей пропускной способности сети используются генетические алгоритмы, которые состоят из двух сетей, которые измеряют нагрузку через каналы закрепления.

ABSTRACT

Based on open source technology, the network is optimized for reconstructing and distributing packets over two-phase parallel channels in stand-alone network systems with balanced measurements. To optimize the overall network bandwidth, genetic algorithms are used, which consist of two networks that measure the load through the pin channels.

Ключевые слова: многопотоковая маршрутизация, двухфазная маршрутизация, балансировка нагрузки, генетические алгоритмы.

Keywords: multi-stream routing, two-phase routing, load balancing, genetic algorithms.

Статья посвящена оптимизации высокоскоростных сетевых каналов с балансировкой нагрузки (VLB) с использованием технологии OpenFlow. Технология OpenFlow (технология с открытым исходным кодом) – это новая концепция сети, которая в корне отличается от OSI (Взаимодействие открытых систем) с семью уровнями международной организации ISO по стандартам, где основным протоколом является TCP/IP, а самая удивительная реализация - Интернет. Решение проблемы управления сетью для противодействия перегрузкам в традиционном Интернете зависит от двух «игроков» – сетевых операторов и алгоритмов динамической сетевой маршрутизации. Произвольное подключение к сети TCP/IP во время пакетной передачи (согласно схеме «каждый из них») может иметь место только при третьем (сетевом) протоколе, что занимает много времени. В то же время пользовательские программы практически не влияют на особенности процесса передачи пакетов по сети. В частности, разработчики программного обеспечения не могут быстро передавать потоки из нескольких пакетов и создавать параллельные потоки. Это стало серьезным препятствием для создания сетей с «возможностями оптимизации». Если автор программы решал сложные математические задачи, такие как распределение в своей крупной виртуальной частной сети (VLAN), он сталкивался с проблемой реализации своих идей. Это связано с тем, что вам необходимо напрямую связаться с разработчиками сетевого оборудования, чтобы «моргнуть» кодом управляющего программного обеспечения на устройствах связи.

В [1] Valiant. L.G. Двухфазная маршрутизация с нагрузочной дозой была предложена вдоль параллельных маршрутов, называемых VLB-маршрутизацией. VLB-маршрутизация использовалась в различных параллельных сетях: для создания высокопроизводительных расширяемых ключей без централизованного планировщика; для строительства роутеров [3]; управлять трафиком с помощью двухфазной маршрутизации в интернете [2]. Zhang-Shen и McKewon [3] предложили использовать VLB в магистральной сети, которая поддерживает все изменения в матрице входного потока и регулируется заранее рассчитанными сценариями отказов. Использование сетей VLB с несколькими соединениями и различными путями улучшает производительность сети и время.

Использование сетей VLB также связано с рядом проблем. Одной из них является увеличение требуемой емкости соединений для обеспечения определенных характеристик производительности и надежности.

Проблема вычисления времени для синхронизации канала на пути от источника к узлу назначения возникает, когда параллельные потоки передаются по нескольким путям, состоящим из множества каналов. Чтобы обеспечить необходимые показатели качества синхронных данных, следует рассчитать, как значение задержки, так и изменение (дрожание) задержки. Превышение этих параметров сверх допустимых значений может существенно повлиять на качество речи или видео.

Задача оптимизации потока в одной сети VLB предложена в [1]. В этой статье мы рассмотрим проблему балансировки потоков с учетом задержек в двух автономных системах VLB, связанных с одноранговыми каналами, и ограничений на дрожание пакетов.

Как отмечено в [2], закон больших чисел применяется при объединении нескольких пользовательских потоков: некоторые пульсации одного потока совпадают с периодами молчания других, так что общие импульсы потока немного уменьшаются, а эффект уменьшается увеличивается очереди минимальны. Если трафик становится «идеально» синхронизированным, то следующие задержки вообще исчезнут – пакеты приходят с задержкой, установленной устройством связи для обработки и передачи данных по каналам связи. Канал OC-192 (10 Гбит / с) в IP-сети может быть загружен до 97% от номинальной скорости, и только после этого значения вызовет задержки пакетов из-за очереди. Когда трафик между Сан-Франциско и Вашингтоном направлялся через OC-48, 99,99% пакетов поступило с задержкой менее 1 мс к месту назначения с отклонением всего только 0,01% имели отклонения в 10-20 мс [11].

Синхронный поток также доступен, когда по виртуальному соединению отправляется несколько последовательных пакетов для выполнения действий управления в реальном времени. При этом используются высокоскоростные оптические магистрали с резервированием полосы пропускания и безынерционные коммутаторы, у которых суммарная средняя скорость передачи выходных портов не меньше, чем у входных портов. Потоки передаются по нескольким виртуальным каналам, подключенным к ключам. Ключевая последовательность байтов получается в порту ввода ключа; анализируются первые байты пакета, которые содержат адрес конечного компьютера в сети. Адрес, найденный в таблице коммутации, содержит строку, которая идентифицирует порт исходящего порта, который немедленно начинает передавать байты байтов.

Пропускная способность каждого виртуального канала должна быть выбрана с избыточным количеством, чтобы игнорировать влияние очереди. Каналы связи включают в себя компоненты постоянной задержки передачи (дисперсия сигнала в физической среде, изменение сигнала из одной формы в другую, усиление и регенерация сигнала и т. д.), а также переменный компонент или джиттер (из-за нестабильности электронных контактов) эффекты теплового шума в окружающей среде, дифференциальной задержки и т. д.). Последние факторы движутся непрерывно, что не зависит от времени.

В обеих системах VLB поток передается через промежуточный узел на каждом пути от источника к узлу назначения. Каждый входной поток автономной системы VLB может быть распределен одним, двумя или тремя способами, причем не более одного промежуточного узла в каждом. В этом случае допускается замена одного двухфазного тракта на прямое соединение. Во время передачи происходит постоянная составляющая передачи узлов и нарушение физического распределения в линиях. Мы считаем, что это пропорционально количеству каналов на маршруте и объему. Компонент переменной задержки увеличивается пропорционально количеству каналов.

Устанавливается следующее: максимально допустимые значения канала (планируемая пропускная способность всей полосы пропускания канала), полоса пропускания, необходимая для каждого канала, матрица внутреннего трафика в автономных системах VLB, матрица трафика между автономными системами VLB, ограничения задержки потока и дрожание.

В качестве критерия оптимизации сети авторы предлагают увеличить общую емкость резервного копирования параллельных каналов передачи:

- управление трафиком;

- установка дополнительных виртуальных каналов без перенаправления сети в случае несоответствия этому сценарию;

- установить дополнительные каналы связи в протоколе для потоковой передачи данных.

На рисунке 1 показан поток от узла 1 автономной системы VLB-1 к узлу 9 автономной системы VLB-2.

В узле 1 поток делится на 3-сегментные токи и передается в узел 4 скоординированным образом по трехстороннему пути. В узле 4 восстанавливается исходная структура потока, которая передается по каналу PE в узел 11 автономной системы C VLB-2. От узла 11 к узлу 9 поток передается в двух направлениях. Начиная с узла 9, начальный поток поступает на выход автономной системы VLB-2.

Рисунок 1. Автономные VLB-системы с пиринговыми каналами

Моделирование передачи потоков по автономным VLB-системам и пиринговым каналам. Для того чтобы разделять поток в любой пропорции, введем набор балансировочных параметров , так что   для всех и  где N – число узлов в сети VLB.

Входной узел разделяет каждый поток в зависимости от и посылает  каждого потока в промежуточный узел. Это позволяет не использовать некоторые узлы в качестве промежуточных (путем установки соответствующих  к нулю). Постоянную задержку в одном канале обозначим через . Переменную составляющую в одном канале зададим случайной величиной с законом распределения Эрланга с плотностью . Для моделирования джиттера достаточно взять значение , а величину используем для того, чтобы добиться по возможности наилучшего совпадения эмпирического и теоретического распределений. Тогда . С четом постоянной задержки пакетов в канале на величину имеем Соответствующая функция распределения Производящая функция моментов времени передачи пакетов через канал Нагрузка на параллельных путях балансируется таким образом, чтобы среднее время передачи потока по каждому из параллельных путей было по возможности одинаковым. Для балансировки нагрузки используем коэффициент так, как это описано в [1]. Здесь – балансировочный параметр, r – коэффициент, учитывающий превышение длины пакета по отношению к стандартной его длине,  – целое число однородных каналов, через которые ведется передача,  – коэффициент, учитывающий величину отклонения полосы пропускания от стандартной. В этом случае производящая функция моментов времени передачи потока по VLB сети для одного пути описывается выражением: Среднее время передачи и его дисперсия равны соответственно 

Результатом оптимизации является увеличение резервной емкости плотных внутренних каналов автономных систем VLB и пиринговых каналов, которые их соединяют. Относительное увеличение количества типичных «ручных» решений операторов сетей составляет в среднем 5-7%.

Список литературы:
1. Крупин А. «Ростелеком» займется проектированием решений на базе программное реконфигурируемых сетей. Электронный ресурс: URL: http://www.servernews.ru/tags/OpenFlow.
2. Miller Rich. Tech Titans Back OpenFlow Networking Standard. Электронный ресурс: URL: http://blog.adivohost.ru/?p=27.
3. Valiant. L.G. A scheme for fast parallel communication. SIAM Journal on Computing, 1982. 11(2): p. 350–361. Электронный ресурс: URL: http://www.servernews.ru/tags/OpenFlow.