DESIGN OF SWITCHING EQUIPMENT FOR NETWORKS SDN

Потапов С.Е.¹, Тоискин В.Е.², Чайков С.С.³, Рублев В.Д.⁴

^1,2,3,4 Кандидат технических наук, Филиал Военной академии РВСН имени Петра Великого

ПРОЕКТИРОВАНИЕ КОММУТАЦИОННОГО ОБОРУДОВАНИЯ ДЛЯ СЕТЕЙ SDN

Аннотация

В статье рассмотрен – подход к определению оптимальных параметров элементов коммутационного оборудования программно – управляемых сетей (SDN) на основе Марковской модели функционирования и решении  задачи нелинейного программирования.

Ключевые слова: программно-управляемые сети, Марковская модель, абонентский трафик.

 

Potapov S.E.¹, Toiskin V.E.², Chaykov S.S.³, Rublev V.D.⁴

^1,2,3,4 PhD in Engineering, Branch of the Military Academy of Strategic Rocket Forces named after Peter the Great

DESIGN OF SWITCHING EQUIPMENT FOR NETWORKS SDN

Abstract

The article considers approach to determining the optimal parameters of the elements of switching equipment and software - managed networks (SDN) based on Markov model of functioning and solving the problem of nonlinear programming.

Keywords: program-controlled network , Markov model , subscriber traffic.

Современный этап развития информационных систем характеризуется постоянно возрастающими объёмами циркулирующей по сетям передачи данных разнородной информации. Кроме того, возрастает и потребность обычных пользователей «домашнего интернета» в больших скоростях обмена информацией как с удалёнными серверами и хранилищами файлов, так и с другими пользователями сети. При этом сеть в классическом ее виде (управление через командную строку и конфигурационные файлы) становиться ограничивающим фактором развития вычислительной инфраструктуры. Классические подходы к решению проблем не соответствует уровню развития виртуализации серверов и систем хранения данных. Традиционные сети, прежде всего, статичны и не соответствуют быстрой динамике развития современной IT инфраструктуры. Необходима новая технология или подход к построению информационных сетей позволяющая решить перечисленные выше проблемы. Такая технология существует и носит название — Software Defined Networking или сокращенно SDN.

Современные свитчи представляют массу возможностей. Это та же организация VLAN-ов, QoS, привязка MAC-адресов к портам, включение/отключение PoE на портах и многое другое. Естественно, эти возможности требуют настройки, которую трудновато обеспечить джамперами, переключателями или иными способами непосредственно на свитчах. Да и контролировать состояние свитча нередко полезно [1]. Для всего этого и придумали управление по технологии SDN (программно-конфигурируемая сеть). Рассмотрим её более детально.

SDN – сеть передачи данных, в которой уровень управления сетью отделён от устройств передачи данных и реализуется программно, одна из форм виртуализации вычислительных ресурсов. Если рассмотреть современное сетевое устройство (роутер или коммутатор), то оно логически состоит из трех компонентов [2]:

1. Уровень управления – это CLI, встроенный веб-сервер или API и протоколы управления. Задача этого уровня обеспечить управляемость устройством.
2. Уровень управления трафиком – это различные алгоритмы и функционал, задачей которого является автоматическая реакция на изменения трафика т.е. интеллект устройства.
3. Передача трафика – функционал, обеспечивающий физическую передачу данных, уровень микросхем и сетевых пакетов.

При этом стоимость такого устройства напрямую зависит от его возможностей по обработке информационных потоков, которые в свою очередь определяются быстродействием используемых микропроцессорных плат и сложностью сетевого программного обеспечения.

Рис. 1 – Типовая архитектура сетевого оборудования

Основная же суть SDN состоит в физическом разделении уровня управления трафиком от уровня  от уровня его передачи. При этом наиболее ресурсоёмкие операции мониторинга сети и маршрутизации сообщений выполняются на отдельном сервере (контроллере), соединённом с коммутационным оборудованием шифрованным каналом связи [3]. Управление устройством осуществляется по протоколу OpenFlow, представляющему собой открытый стандарт, разработанный специально для таких экспериментальных систем [2].

Рис. 2 – Архитектура сети SDN

Как видно из архитектуры, кроме классического управления сетью прямыми командами системного администратора к контроллеру, SDN контроллер поддерживает запуск на себе приложений управления сетью.

Преимущества использования подобных технологий неоспоримы.

Во-первых, это существенное удешевление коммутационного оборудования.

Во-вторых, повышается надёжность функционирования сети.

В-третьих, виртуализация управления даёт дополнительные возможности защиты конфиденциальной информации.

Для эффективной обработки трафика, создаваемого приложениями реального времени, такими как IP-телефония или видеоконференцсвязь, необходима аппаратная обработка пакетов приложения. Обычно под эти цели выделяются отдельные порты устройства. При этом в случае угрозы блокировки коммутатора из-за информационной перегрузки можно ограничивать интенсивность поступающих пакетов за счёт частичного их сброса (просеивания). Качество аудио или видеосигнала при этом конечно же ухудшится, но в целом связь не оборвётся, а по прошествии какого-то времени процесс нормального функционирования аппаратуры восстановится.

Для обеспечения нормального функционирования таких систем организуются каналы двух типов: рабочие (трафика) и управления. По этому же каналу коммутатор извещает абонентские устройства о назначении канала, отклонении запроса, или о постановке в очередь. В системах с выделенным частотным каналом управления (КУ) для разрешения конфликтов используются протоколы типа ALOHA. Обобщённая модель реализации таких устройств представлена на рис. 3.

Рис. 3 – Структура управляемого центра коммутации

Cо стороны теории автоматического управления модель обслуживания абонентов в таких системах будет выглядеть следующим образом (рисунок 4).

Рис. 4 – Модель управления центром коммутации

Под абонентским трафиком понимается совокупность абонентских станций и абонентского оборудования формирующих суммарный поток пакетов λ_Σ(t). Устройство управления интенсивностью трафика и коммутатором в качестве входных данных использует информацию о состоянии коммутатора S(t), а в качестве выходных формирует управляющие воздействия на абонентов портов коммутатора u(t), и приоритетность обслуживания пакетов в очереди. Коммутатор обслуживает поток заявок с интенсивностью μ_Σ и информирует устройство управления о своём состоянии (S(t)).

Цель управления потоком, состоит в поддержке максимально возможной скорости обработки пакетов при гарантии отсутствия потерь из-за переполнения входного буфера коммутатора.

Модель функционирования коммутатора описывается конечной Марковской цепью исходя из заданного количества рабочих каналов и объёма буфера. Она позволяет, с помощью системы дифференциальных уравнений Колмогорова, оценить вероятность отказа при заданных значениях λ_Σ(t) и μ_Σ [3]. Таким образом, задаваясь пороговым значением вероятности отказа достигнуть цели управления возможно оптимальным управлением потоком заявок, которое обеспечивается за счёт оперативного увеличения или уменьшения величины λ_Σ(t). Для этого необходимо выполнение следующего условия: время формирования и передачи управляющего воздействия u₁(t₀), запрещающего передачу заявок абонентскому устройству не должно превышать периода Т₀ поступления заявок на момент времени t₀.

          (1)

Вследствие неоднородности парциальных интенсивностей поступления заявок от различных абонентских станций (используются различные виды связи, такие как телефон, ПД, видеоинформация и др.) суммарная интенсивность поступления заявок от абонентов коммутатора является нестационарной, но при длительном времени функционирования ЦК будет подчиняться закону распределения близкому к экспоненциальному. Пусть известно матожидание  случайной величины λ_Σ(t). Тогда, зная производительность рабочих каналов, выраженную в μ_Σ, можно спроектировать оптимальный по критерию цена – качество коммутатор. Математическая интерпретация такой задачи будет иметь вид:

             (2)

при ограничении на вероятность отказа , среднее число заявок в очереди  и среднее время пребывания заявки в очереди :

,         (3)

 Где .        (4)

ρ - информационная нагрузка, определяемая по формуле:

          (5)

Решив данную задачу нелинейного программирования, получим оптимальные значения количества рабочих каналов – n и объёма буфера – m. При достаточно большом времени функционирования ЦК вырастет вероятность пребывания коммутатора в одном из устойчивых состояний. При этом будет обеспечиваться требование по вероятности отказа.

С помощью программной конфигурации сетей передачи данных возможно решение и других задач повышения эффективности функционирования сетевого оборудования, например отыскания оптимальных параметров взаимодействия сетевых устройств на канальном уровне [5].

Таким образом, промышленным предприятиям и научно-исследовательским организациям совместно с другими производителями сетевой инфраструктуры необходимо в приоритетном порядке разработать стратегию внедрения технологий SDN в коммуникационную составляющую функционирования систем по отраслям.

Литература

1. Апрышкина Галина. Мониторинг в корпоративных сетях. – Ежемесячный компьютерный журнал «КомпьютерПресс». №7, 2001г.
2. Сергей Орлов. SDN и другие. Журнал сетевых решений/LAN. № 06, 2014.
3. OpenFlow Specification 1.3. Open Networking Foundation.
4. Потапов С.Е., Исаева Т.А. Оптимизация параметров узла коммутации сети передачи данных с интеграцией служб. Труды LXIII научной сессии РНТОРЭС им. Попова – Москва: РНТОРЭС им. Попова, 2012. – с. 243.
5. Цимбал В.А., Косарева Л.Н., Исаева Т.А., Потапов С.Е., Ваганов И.Н. Математическая модель доставки многопакетных сообщений в соединении «точка-точка» на сети передачи данных с процедурой «скользящее окно»//Известия Института инженерной физики, 2009. №3(13). С. 13-19.

 

References

1. Apryshkina Galina. Monitoring of corporate networks. - The monthly computer magazine "ComputerPress." №7, 2001.
2. Sergey Orlov. SDN and others. Network Solutions Magazine / LAN. Number 06, in 2014.
3. OpenFlow Specification 1.3. Open Networking Foundation. 2011.
4. Potapov SE, TA Isayeva Optimization parameters switching node data network integration services. Proceedings of the scientific session LXIII REDS them. Popov - Moscow: RSTSRT them. Popov, 2012. - p. 243.
5. VA Tsymbal, Kosarev LN, Isayev TA, Potapov SE, IN Vaganov Mathematical model of delivery multipacket messages in connection "point to point" on a data network to the procedure of "sliding window" // Proceedings of the Institute of Engineering Physics, 2009. №3 (13). S. 13-19.