Исследование методов оптимизации контроля качественных параметров обработки трафика устройств, функционирующих в программно-определяемой инфраструктуре

№106-1,

технические науки

В данной работе рассмотрена необходимость разработки группового метода испытаний изделий, функционирующих в программно-определяемых сетях, а также изложены требования к разрабатываемой методике и требования для проверки её работоспособности. В настоящее время существуют только методы единичных испытаний, поэтому предмет исследования настоящей статьи представляет научный и практический интерес, а также обладает научной новизной и будет актуален для применения на предприятиях-изготовителях. Использование разрабатываемого метода на производстве позволит значительно сократить время и повысить качество проведения проверок телекоммуникационного оборудования на предмет соответствия ряду определенных требований. В тексте статьи также приведены плюсы и минусы предлагаемого метода относительно уже существующих единичных методов испытаний устройств, функционирующих в программно-определяемой сети.

Похожие материалы

В настоящее время цифровые технологии стремительно совершенствуются, происходит интеграция различных сервисов в одно информационное пространство, что приводит к увеличению трафика в высокоскоростных каналах связи. Возникает потребность уплотнения и приоритезации сетевого трафика, а также необходимость контроля качества обслуживания и оптимального распределения, обработки трафика на телекоммуникационных узлах связи. Для удовлетворения данных потребностей требуется формирование новых высокоскоростных, высоконагруженных и высоконадежных телекоммуникационных сетей или модернизация существующих, когда новое оборудование после внедрения должно функционировать совместно со старым парком оборудования. Модернизация сетевых структур невозможна без увеличения количества используемых телекоммуникационных устройств, использования агрегаций по каналам, использования фильтрации. При этом необходимы алгоритмы, обеспечивающие оптимальную передачу данных и позволяющие снизить избыточность сервисного трафика в каналах передачи за счёт отсечения ненужных путей распространения информации. Увеличение количества используемых устройств неизбежно влечёт за собой усложнение штатно-организационной структуры персонала и более строгие требования к квалификации работников, что, в свою очередь, требует больших финансовых затрат. Для решения вопроса постоянного увеличения трудоемкости и стоимости обслуживания оборудования была разработана группа технологий программно-определяемых телекоммуникационных сетей передачи данных (Software defined networks (SDN)), которые подразумевают применение коммутаторов в сетях передачи данных таким образом, что появляется возможность динамического формирования таблиц маршрутизации потоков данных по всей сети в любой момент времени, а также управление информационными потоками данных, направляемых к непосредственному потребителю. В силу того, что применяемые в программно-конфигурируемых сетях технологии не регламентированы глобальным общемировым стандартом, появляется необходимость контроля параметров устройств, функционирующих в сети. Технологии программно-конфигурируемых сетей подразумевают нестандартную структуру кадров телекоммуникационного трафика, что порождает потребность в проведении отдельных комплексных испытаний каждого сетевого устройства. На данный момент не существует запатентованных, стандартизированных или регламентированных другими иными нормативными документами методик проведения испытания на возможность функционирования в программно-определяемых сетях. Каждый из производителей старается сформировать удовлетворяющий его комплекс проверок телекоммуникационного оборудования, при этом однозначность толкования характеристик не гарантируется, а значит и не гарантируется качество функционирования всей сети.

Ныне существующие методики требуют работы с каждым изделием в отдельности, а цикл испытаний обычно занимает около восьми-десяти часов для каждого изделия, что приводит к большим трудозатратам. Помимо этого, требуются большие экономические затраты на организацию испытательных стендов, которые могли бы обеспечить возможность проведения групповых испытаний и полный комплект технологического оборудования для каждого изделия.

В настоящее время применяется метод единичных испытаний изделий на качество параметров функционирования. Каждое изделие (SW) подключается к АРМ, программное обеспечение АРМ формирует запрос на обработку динамически изменяющихся таблиц OpenFlow. Отслеживается отклик запросов сетевого оборудования. На основании полученных данных формируется вывод о возможности/невозможности функционирования изделия. Схема подключения изделия в процессе испытаний указана на рисунке 1.

Единичный метод испытаний. Физическая схема подключения
Рисунок 1. Единичный метод испытаний. Физическая схема подключения.

Данный метод не является абсолютно достоверным, поскольку оценивает лишь индикатор возможности обработки пакетов структуры SDN телекоммуникационным оборудованием и возможность управления потоками данных на единичных интерфейсах устройства. Зачастую многие производители телекоммуникационного оборудования, применяя данный метод проверки сталкиваются с тем, что прошедшее проверку оборудование демонстрирует снижение производительности при использовании в реальных условиях эксплуатации, возникают некритические отказы, а также потери пакетов данных. Подобные ситуации чаще всего возникают из-за отсутствия имитирующих реальную эксплуатацию комплексных проверок на нагрузочную способность.

В соответствии с вышеизложенным возникает необходимость разработки методики комплексного контроля параметров высокоскоростного телекоммуникационного оборудования, функционирующего в программно-конфигурируемых сетях. Разрабатываемая методика позволит с помощью контроля параметров выходных цифровых сигналов телекоммуникационных устройств определять возможность работы устройства в программно-конфигурируемых сетях. Требуется разработать групповой метод испытаний изделий, позволяющий генерировать нагрузку на изделие, имитирующую реальную структуру сети и трафик с различным протокольным наполнением.

Разрабатываемый метод должен обеспечивать единовременное подключение нескольких телекоммуникационных устройств и прохождение трафика с учетом возможности всех видов обработки и взаимодействия устройств сети с отслеживанием времени и качества обработки трафика. Схема физического подключения устройств должна быть достаточно простой для обеспечения прозрачности измерений. Для этого каждое сетевое устройство подключается к измерителю, и дополнительно устройства физически соединяются между собой. Также к измерителю подключается АРМ для конфигурации измерителя, формирования сценария проведения измерений и отображения подробного отчета по проверке функционирования устройств. Все физические связи между устройствами и измерителем, а также между устройствами регистрируются на АРМ. Формируется логическая схема построения виртуальной сети, по которой будут происходить испытания. Физическая схема подключения устройств приведена на рисунке 2. Групповые связи могут быть как прямые, так и перекрестные, а также могут соединять любое количество испытуемых изделий по любой произвольной схеме соединений.

— Групповой метод проверки. Физическая схема подключения: SW-1..SW-N — испытуемые сетевые устройства.<br>
Рисунок 2. Групповой метод проверки. Физическая схема подключения: SW-1..SW-N — испытуемые сетевые устройства.

Для проверки работоспособности метода необходима нагрузка на измеритель, имитирующая ситуацию эксплуатации в реальных условиях. Предлагается использовать технологию виртуализации сетевых функций NFV (Network Functions Virtualization), чтобы избежать необходимости использования дорогостоящих испытательных стендов. Концепция NFV базируется на идее отделения функций сетевых устройств от аппаратного обеспечения, на котором эти функции реализуются. Нагрузка должна обладать сложной структурой, иметь в своем составе несколько виртуальных коммутаторов, виртуальных маршрутизаторов, серверов-генераторов трафика, серверов-генераторов потребности трафика. Помимо описанных устройств, изделия также необходимо нагружать широковещательным трафиком и трафиком с приоритезацией. Поскольку необходимо проверить возможность функционирования изделий в реальной среде применения, также необходимо генерировать межузловые потоки трафика, генерировать виртуальные терминалы. Также требуется применение различных сетевых протоколов, требующих от испытуемых изделий обработку трафика в масштабе псевдо-реального времени, корректной обработки и полного прохождения трафика от точки входа до точки выхода. Помимо указанного необходимо также проводить проверки на всех уровнях модели OSI (Open Systems Interconnection).

Групповой метод обладает рядом преимуществ относительно единичных:

  • единовременная проверка всех требований по назначению на пиковой нагрузке;
  • сокращение времени проведения проверки группы оборудования;
  • подробный анализ отказов и достоверные данные по зависимости задержек относительно применяемых стандартов;
  • выявление проблемных узлов устройства.

Недостатки группового метода относительно единичных:

  • необходимо применять дополнительное технологическое устройство (требуемый к разработке измеритель);
  • необходимо составлять сложный сценарий комплексных испытаний;
  • необходимо применять дополнительные коммутационные кабели.

Методика учитывает возможные отказы устройств, а также производит моделирование работы аппаратуры в условиях реальной нагрузки с помощью технологий виртуализации информационного пространства NFV. При дальнейшем развитии работы возможно создание единого информационного испытательного стенда, который обеспечит имитацию реальной работы и интеграции оборудования в систему, что поможет оптимизировать процессы отладки и проверки работоспособности изделий, являющихся элементами сложных систем связи. Разрабатываемая методика актуальна для применения на предприятиях-изготовителях, так как обладает научной новизной в части автоматизации производственных процессов для выходного контроля изделий.

Список литературы

  1. Руденков Н.А., Долинер Л.И. Основы сетевых технологий: Учебник для вузов. Екатеринбург: Изд-во Уральского. Федерального университета, 2011. — 300 с.
  2. Основы программно-конфигурируемых сетей: учебное пособие / Н.Ф. Бахарева, Ю. А. Ушаков, М. В. Ушакова, А.Е. Шухман — Самара: ПГУТИ, 2015. — 111с
  3. Сетевые технологии SDN — Software Defined Networking [Электронный ресурс] // habr, 2015. URL: https://habr.com/company/muk/blog/251959/