ИСТИНА

Правильность поведения программы подразумевает не только корректность вычисляемой этой программой функции, но и соблюдение некоторых требований, касающихся способа вычисления. Применительно к компьютерным телекоммуникационным сетям это означает, что правильно работающая сеть должна не только обеспечивать требования корректности и безопасности трафика данных, проходящих через сеть, но соблюдать те ограничения, которые составляют понятие качества облуживания (сервиса) пользователей сети. Поведение программно-конфигурируемой сети полностью определяется содержимым таблиц коммутации, которое называется конфигурацией сети. Поэтому в рамках данного проекта предполагается решить задачу проверки соответствия между заданной конфигурацией сетевых устройств и предъявляемыми со стороны пользователей требованиями к задержке передачи и пропускной способности предоставленных им сетевых соединений. При этом предлагается разработать решение на основе многопотоковой маршрутизации, которое обеспечивает выполнение заданных требований к качеству сервиса. Решение этой задачи направлено на создание автоматизированного средства выработки рекомендаций по корректной настройке сетевого оборудования относительно указанных требований. Решение этой задачи предполагается проводить согласно следующему плану. 1. Разработка и исследование математических моделей компьютерных сетей для исследования задачи оценки качества обслуживания потоков пакетов: a. Разработка математической модели для оценки качества сервиса, предоставленного отдельным коммутатором в заданной конфигурации каждому проходящему через него потоку при известном расписании передачи пакетов. b. Разработка математической модели и методов оценки качества сервиса, предоставленного отдельным коммутатором в заданной конфигурации каждому проходящему через него потоку при том условии, что известны лишь некоторые характеристики потоков. c. Разработка математической модели и методов оценки качества сервиса, предоставленного сетью коммутаторов каждому проходящему через неё потоку при том условии, что известны лишь некоторые характеристики потоков, поступающих в сеть. d. Экспериментальное исследование предложенных моделей и методов оценки качества сервиса для отдельного коммутатора. 2. Исследование и разработка методов построения конфигураций коммутатора для заданных требований качества сервиса. a. Исследование и разработка методов построения конфигураций коммутатора, удовлетворяющих требованиям качества проходящих через него потоков при известном расписании передачи пакетов. b. Исследование и разработка методов построения конфигураций коммутатора, удовлетворяющих требованиям качества проходящих через него потоков при том условии, что известны лишь некоторые оценки характеристик потоков, поступающих на вход коммутатора. c. Экспериментальное исследование предложенных моделей и методов оценки качества сервиса для отдельного коммутатора. 3. Разработка языка описания требования качества сервиса, предоставляемого пользователям компьютерной сети. a. Исследование существующих языков спецификации требований к безопасности компьютерных сетей, а так же языков для описания соглашений о предоставляемом уровне качества обслуживания (SLA) в ЦОД. b. Исследование возможностей для интеграции языков описания требований безопасности и качества, разработка языка формальных спецификаций, позволяющего задавать указанные виды требований. c. Построение анализатора для разработанного языка. 4. Разработка и реализация алгоритмов обеспечения заданного качества сервиса в сети коммутаторов с учётом заданного набора требований безопасности. a. Разработка алгоритмов построения сквозного сетевого соединения с заданным качеством сервиса с помощью управления конфигурациями коммутаторов сети. b. Реализация алгоритма построения сквозного сетевого соединения с заданными характеристиками качества. c. Построение тестовых сценариев для исследования характеристик разработанной реализации алгоритма, проведение его экспериментального исследования. 5. Разработка и реализация алгоритма построения маршрутов в сети с учетом требований к качеству сервиса и алгоритма распределения сетевого трафика между построенными маршрутами: a. Разработка алгоритма многопоточной маршрутизации с учетом загрузки отдельных соединений сети и требований к качеству сервиса. b. Реализация алгоритма балансировки трафика, передаваемого между парой узлов, между построенным множеством альтернативных маршрутов. c. Проверка корректности построенных алгоритмов с точки зрения заданных политик маршрутизации и требований к качеству сервиса. 6. Построение инструментального средства для поддержки администрирования компьютерной сети, которое позволяло: a. Верифицировать заданную конфигурацию сети на соответствие указанным требованиям качества сервиса и безопасности. b. Давать рекомендации по эффективной настройке сетевого оборудования с целью выполнения заданных требований.

Настоящий проект направлен на разработку новых подходов к управлению качеством сетевого сервиса, которые стали возможны благодаря массовому распространению Программно-Конфигурируемых компьютерных Сетей (ПКС). В компьютерных сетях традиционной архитектуры каждое из коммутационных устройств наделено собственной независимой логикой работы, а организация передачи данных через сеть достигается с помощью использования распределённых алгоритмов согласования их действий. Программно-конфигурируемые сети предлагают отделить логику организации передачи данных от коммутаторов и консолидировать её в логически-целостном контроллере, который становится единым центром управления сетью. В рамках проекта предлагалось воспользоваться преимуществами централизованного управления ресурсами сети, которые достигается за счёт использования контроллера ПКС, для организации такого распределения этих ресурсов между сетевыми соединениями, которое позволяло бы обеспечить надлежащим качеством обслуживания как можно большее количество приложений. Для достижения указанной цели предполагалось: • Предложить новую модель распределения сетевых ресурсов между сетевыми соединениями. Модель должна с одной стороны обладать достаточной гибкостью и позволять регулировать параметры качества для разных приложений независимо друг от друга. В то же время предложенная модель не должна предъявлять специфических требований к коммутационному оборудованию сети; • Разработать сопутствующие алгоритмы продвинутого управления ресурсами сети. Для улучшения масштабируемости, разработанные алгоритмы не должны приводить к перегрузке контроллера сети, распределяя часть своих вычислений между коммутаторами или конечными узлами сети; • Построить прототип системы управления качеством сетевых соединений, и провести апробацию указанного прототипа в различных сетевых окружениях. Система должна обеспечивать возможности как для перераспределения ресурсов между соединениями с целью дифференциации их обслуживания, так для повышения общей эффективности использования сетевых ресурсов.

Поскольку программно-конфигурируемые сети открывают беспрецедентные возможности по тонкой настройки сети, значительно снижая сложность реализации разнообразных алгоритмов управления организацией передачи данных и, одновременно с этим, повышая гранулярность контроля над сетевыми ресурсами, то на начальном этапе выполнения проекта была поставлена амбициозная задача - разработать такой метод управления качеством сервиса, который позволял бы регулировать сразу несколько характеристик качества соединений: пропускную способность и задержку передачи данных. В ходе решения указанной задачи была построена оригинальная математическая модель для вычисления высокоточных верхних оценок задержки передачи данных отдельного сетевого соединения через заданную физическую инфраструктуру, основанная на теории сетевого исчисления (network calculus). Представленная модель обладает рядом уникальных преимуществ, выделяющих её на фоне аналогичных моделей: • Возможность построения оценок задержек на уровне отдельных потоков данных. Модель учитывает не только характеристики коммутационного оборудования и каналов передачи данных, но и активность других потоков, обслуживаемых той же сетевой инфраструктурой; • Поскольку модель определяет максимально возможную задержку, то она может гарантировать, что время передачи пакета данных никогда не превысит ограничения заданного директивного интервала, что критически важно для широкого класса интерактивных приложений; • Выбранные модельные абстракции допускают её использование для широкого класса коммутационного оборудования. Модель совместима с реализованными в современных устройствах механизмами управления качеством. • Задача вычисления задержки передачи данных в рамках предложенной модели обладает полиномиальной сложностью и сводится к задаче линейного программирования, что позволяет использовать при её решении существующие программные средства. Предложенные в рамках модели алгоритмы оценки задержки были реализованы в виде программного прототипа. Экспериментальное исследование прототипа подтвердило ценность модели и показало возможность использования предложенного подхода для управления сетевыми ресурсами в существующих компьютерных сетях. Однако построенное решение оказалось довольно требовательным к вычислительным ресурсам, что пагубно сказалось на его масштабируемости и существенно ограничило область практической применимости. Чтобы преодолеть ограничения масштабируемости была предложена альтернативная модель управления ресурсами сети, построенная на идее применения принципа многопоточной передачи данных. Данный принцип предполагает прозрачное для приложений разделение каждого порождаемого ими транспортного соединения на несколько потоков, передающихся через сеть независимо друг от друга. Поскольку потоки одного соединения могут передаваться сразу несколькими маршрутами, то они способны задействовать больше сетевых ресурсов, и получить значительный прирост производительности в том случае, если часть ресурсов сети простаивала. Предложенная идея управления качеством соединений на основе многопоточной маршрутизации заключается в динамическом изменении количества потоков, обслуживающих транспортное соединение, в зависимости от его текущих характеристик качества и тех требований, которые предъявляются к нему приложением. Если пропускная способность соединения становится меньше необходимой, то система пытается открыть дополнительный поток передачи данных. Если сеть справляется с нагрузкой без каких-либо трудностей - система пробует сократить количество потоков. Модель управления качеством соединений, построенная на базе указанной эвристики обладает рядом уникальных преимуществ: • Модель делегирует обязанности по контролю над качеством соединений конечным узлам сети. Контроллеру ПКС необходимо лишь устанавливать на подчинённые ему коммутационные устройства надлежащие настройки маршрутизации для дополнительных потоков. Как следствие, модель обладает хорошей масштабируемостью; • Модель позволяет повысить общую эффективность сети за счёт присущей многопоточной передаче пакетов возможности балансировать нагрузку между несколькими маршрутами через сеть. Соединения получают возможность вовлечь ресурсы в стороне от основных маршрутов передачи данных извлечь максимум в озможностей текущей сетевой инфраструктуры; • Распределение задачи управления сетевыми ресурсами между абонентами позволяет наделить систему возможностью автоматической балансировки, которая бы адаптировала её под текущее сетевое окружение. Системы, наделённые указанным свойством, часто обладают более высокой эффективностью, нежели систем с централизованным планированием, обладающих сравнительно низкой скоростью реакции. Для экспериментального исследования эффективности предложенной модели был разработан модуль ядра операционной системы, позволяющий разделять создаваемые приложениями транспортные соединение на несколько независимых потоков, а так же реализовано управляющее приложение контроллера, способное детектировать открытие отдельных потоков многопоточных соединений и маршрутизировать эти потоки таким образом, чтобы добиться максимального вовлечения незадействованных сетевых ресурсов. Проведённые эксперименты подтвердили способность предложенной модели распределения ресурсов как увеличить общую эффективности работы сети, так и дифференцировать качество обслуживания приложений с разными требованиями. Недостатком предложенного решения является недостаточно высокая скорость адаптации соединений под состояние сети. Многие современные распределённые сетевые приложения организуют каждое взаимодействие между своими компонентами с помощью отдельной TCP сессии. Поскольку длительность такой сессии невелика, то алгоритмы определения нужного количества потоков не успевают прийти к оптимальному решению. Для решения указанной проблемы была предложена идея кэширования информации о соединениях и использование сохранённых данных при открытии новых соединений. Такой подход способен значительно повысить эффективность работы множества распределённых систем, устанавливающих большое количество соединений между одними и теми узлами, такими как, например, распределённые базы данных и сети доставки контента. Предоставленная благодаря кэшированию возможность использования не только кратковременной, но и агрегированной долговременной статистикой по состоянию сети, позволила построить сразу несколько новых эвристических алгоритмов управления количеством потоков многопоточного соединения. Экспериментальное исследование указанных алгоритмов продемонстрировало значительное увеличение эффективности использования многопоточной маршрутизации для управления ресурсами сети.