Оценка эффективности технологии PBB с помощью...

Воробиенко П.П., Гуляев К.Д., Зайцев Д.А., Шмелѐва Т.Р.

Оценка эффективности технологии PBB

с помощью раскрашенных сетей Петри

1. Введение

Технология магистральных мостов провайдера [1] (Provider Backbone Bridge – PBB)

предназначена для построения сетей операторов связи полностью на основе Ethernet.

Соответствующий стандарт IEEE 802.1ah [2], разработка которого начата в 2005 году,

подготовлен в черновом (draft) варианте, в то время как фирмы производители уже начали

выпуск PBB коммутаторов и операторы связи приступили к их эксплуатации. В качестве

Ethernet компонентов сети проекта 21CN («Сеть 21 века») Бритиш Телеком выбрал

коммутатор-маршрутизатор Nortel Metro 8600, а также Metro Ethernet Services Unit серии

1850. Поставки сверхпроизводительных PBB коммутаторов BlackDiamond 20808 компании

Extreme Networks начались в Россию.

С появлением стандартов 1 Gbps и 10 Gbps Ethernet открылись возможности для

массового применения технологии Ethernet в магистральных сетях операторов связи, однако

технология 802.3, 802.1D имеет ряд существенных недостатков, связанных с

масштабируемостью, качеством обслуживания и управляемостью, преодолеть которые

призвана серия новых стандартов IEEE: 802.1Q – виртуальные сети, 802.1QinQ –

многоуровневые виртуальные сети, 802.1ad – мосты провайдера, 802.1ah – магистральные

мосты провайдера, 802.1ag – менеджмент сетей, 802.1Qay – инжиниринг трафика. Указанные

стандарты обеспечивают концепцию «Etnernet транспорта» (Carrier Ethernet) для замены в

магистралях операторов как SDH, так и решений IP-MPLS, хотя IETF предпринимает

активные попытки интеграции стандартов MPLS и PBB в виртуальном частном сервисе

VPLS [3].

Следует отметить, что в [4,5] предложено альтернативное решение для обеспечения

масштабируемости Ethernet при инкапсуляции IP-Ethernet за счѐт создания иерархии единых

сетевых Е6-адресов, размещѐнных в поле MAC-адресов Ethernet кадров. Так как PBB

предполагает увеличение длины заголовков фреймов за счѐт добавления пар MAC-адресов

магистральных коммутаторов, Е6 имеет определѐнные преимущества, обусловленные

аннулированием протоколов TCP, UDP, IP, соответствующих заголовков пакетов и

протоколов отображения адресов ARP/RARP. Модели Е6 сетей, представленные в [6],

создают основу для сравнения двух технологий. Однако, полноценный сравнительный

анализ возможен при построении достаточно детализированных моделей PBB сетей и

моделировании процессов инкапсуляции IP-Ethernet.

Целью настоящей работы является построение моделей основных компонентов PBB

сетей в форме раскрашенных сетей Петри в среде моделирующей системы CPN Tools [7], а

также оценка эффективности технологии PBB с помощью моделирования работы

магистральных PBB сетей.

2. Обзор технологии PBB

Кадр IEEE 802.1ah [1,2] инкапсулирует кадры IEEE 802.1QinQ и IEEE 802.3.

Заголовок кадра IEEE 802.1ah (Рис. 1, Табл. 1) содержит C-MAC – адреса пользователя (C-

DA, C-SA) и B-MAC – адреса магистрали (B-DA, B-SA). Кроме того, предусмотрена

повторная инкапсуляция PBB кадров для создания многоуровневых магистральных сетей.

B-DA B-SA B-Tag I-Tag C-DA C-SA S-Tag C-Tag Data FCS

Рис. 1. Формат заголовка кадра IEEE 802.1ah

Табл. 1. Описание полей заголовка кадра IEEE 802.1ah

Обозначение Название (оригинальное) Название (перевод)

B-DA Backbone destination address Магистральный адрес получателя

B-SA Backbone source address Магистральный адрес отправителя

B-Tag Backbone VLAN tag Магистральный тег виртуальной сети

I-Tag Service instance tag Тег экземпляра сервиса

C-DA Customer destination address Пользовательский адрес получателя

C-SA Customer source address Пользовательский адрес отправителя

S-Tag Service provider VLAN tag Тег виртуальной сети провайдера

C-Tag Customer VLAN tag Тег виртуальной сети пользователя

Data Data Данные

FCS Frame check sequence Контрольная последовательность кадра

Абстрагируясь от полей виртуальных сетей заголовка кадра, рассмотрим

взаимодействие адресных полей на примере сети, представленной на Рис. 2. Пусть

компьютер X c MAC-адресом AX отправляет кадр компьютеру Y с MAC-адресом AY.

Формируется соответствующий кадр 802.3 (802.1ad) с C-DA=AY, C-SA=AX. Кадр

доставляется ближайшему граничному PBB коммутатору PBBX c MAC-адресом ABX. По

адресу назначения AY (с помощью адресных таблиц) коммутатор PBBX определяет адрес

ABY магистрального PBB коммутатора PBBY, к которому подключена сеть, содержащая Y.

PBBX инкапсулирует 802.3 кадр в 802.1ah кадр с указанием B-DA=ABY, B-CA=ABX и

отправляет кадр в магистраль. Магистральные PBB коммутаторы используют только пару

адресов B-DA, B-SA для доставки кадра граничному PBB коммутатору PBBY. При

получении кадра PBBY извлекает инкапсулированный кадр 802.3 (802.1ad) и выполняет

доставку кадра компьютеру Y, используя пару адресов C-DA, C-SA.

Магистральный мост

провайдера

PBB0

PBB3

PBB4 PBB2

PBB1

SW11

SW21

SW33

SW31

SW41

SW12

SW22

SW23

SW24

SW32

SW42

SW43

SW44

SW45

Сервер

Рабочая

станция

Коммутатор

PBB коммутатор

X AY AX … AY AX … Y AY AX … ABY ABX

PBBX PBBY

Рис. 2. Пример сети с магистральным мостом провайдера PBB

Для заполнения адресных таблиц используется пассивное прослушивание. Если адрес

назначения неизвестен – выполняется широковещание. На Рис. 2 представлена древовидная

сеть; для работы на недревовидных топологиях стандарт предусматривает использование

модифицированных алгоритмов покрывающего дерева.

Преимуществом технологии PBB является повышение производительности

магистрали за счѐт значительного сокращения числа записей в адресных таблицах

магистральных PBB коммутаторов, содержащих только B-MAC адреса. При этом

усложняется работа граничных PBB коммутаторов, которые выполняют отображение C-

MAC адресов в B-MAC адреса и инкапсуляцию кадров. На периферии сети могут работать

обычные 802.1D коммутаторы.

3. Общая организация модели

Для построения моделей выбрана моделирующая система CPN Tools [7], разработанная в

университете Охуса в Дании, которая использует для описания моделей язык раскрашенных

сетей Петри [8]. В Одесской национальной академии связи им. А.С. Попова в среде

CPN Tools создана библиотека моделей компонентов сетей Ethernet, IP, MPLS, Bluetooth, E6,

а также библиотека измерительных фрагментов для оценки производительности и качества

обслуживания сетей [6,9-12].

В настоящей работе при моделировании PBB технологии учитывалась только

адресная часть заголовков кадров без использования тегов виртуальных сетей, кроме того,

рассматривался один уровень иерархии мостов провайдера и древовидная структура сети.

Моделирование тегов виртуальных сетей, многоуровневой иерархии и работы алгоритмов

покрывающего дерева магистральных мостов являются направлениями для перспективных

исследований. Кроме того, исследование полносвязных сетевых структур (без разделения на

виртуальные частные сети), аналогичных Интернет, соответствует цели последующего

сравнительного анализа PBB и E6 с точки зрения преимуществ использования во всемирных

сетях.

Для моделирования PBB сетей построены следующие компоненты:

– модель магистрального PBB коммутатора SWBm;

– модель граничного PBB коммутатора SWBm-n;

– модель коммутатора 802.1D (традиционного) SWBn;

– модели терминального (абонентского) оборудования: WS – рабочая станция, MWS –

измерительная рабочая станция, S – сервер.

Числа m, n обозначают количество B-портов и C-портов соответственно.

За основу при построении модели коммутатора SWBn (модель порта – port) выбрана

[9] с динамическим ведением таблиц коммутации, модифицированная с учѐтом применения

только микросегментированной Ethernet и ведения раздельных очередей кадров по портам.

Модель магистрального PBB коммутатора SWBm (модель порта – PBBport) имеет отличия,

связанные с обработкой магистральных B-MAC адресов. Наиболее сложной является модель

граничного PBB коммутатора SWBm-n (модели портов – cport, bport), поскольку она

обеспечивает отображение пользовательских C-MAC и магистральных B-MAC адресов, а

также соответствующее широковещание двух видов.

При моделировании трафика использовалась концепция взаимодействия клиент-

сервер и соответствующие компоненты [9,10], в которые добавлены счѐтчики для оценки

полезного и широковещательного трафика, а также использованы различные законы

распределения случайных функций. Следует отметить, что при моделировании

крупномасштабных магистралей в дальнейшем целесообразно также использовать модели

потокового трафика [6], чтобы абстрагироваться от детализации периферии сети.

Компоненты использованы для построения и исследования модели сети,

изображѐнной на Рис. 1; соответствующая главная страница модели названа Network.

Измерительные рабочие станции MWS [9,10] обеспечивают оценку времени отклика сети;

счѐтчики, представленные совмещѐнными позициями, вынесенными на главную страницу

модели, обеспечивают оценку полезного и широковещательного трафика.

4. Модель сети

Модель сети, изображѐнной на Рис. 2, представлена главной страницей модели Network на

Рис. 3. и моделями использованных компонентов на Рис. 5-9. Главная страница построена на

основе принципа прямого отображения структурной схемы сети. Для моделирования PBB

магистрали использован один 4-х портовый магистральный PBB-коммутатор PBB0 типа

SWB4 и 4 граничных 3-х портовых PBB-коммутатора PBB1-PBB4 типа SWB1-2 с одним B-

портом и двумя C-портами. Для моделирования периферийных сетей использованы 14 4-х

портовых коммутароров типа SW4. Модель терминального (абонентского) оборудования

представлена 24 рабочими станциями WS, 4 измерительными рабочими станциями MWS и 8

серверами S.

Statistics

c2a

S

c38

S

c37

S

c4c

WS

c4b

WS

c4a

S

c49

MWS

c48

WS

c47

WS

c46

WS

c45

WS

c44

S

c43

WS

c42

WS

c41

WS

c36

MWS

c35

WS

c34

WS

c33

WS

c32

WS

c31

S

c29

WS

c28

WS

c27

S

c26

MWS

c25

WS

c24

WS

c23

WS

c22

WS

c21

WS

c16

MWS

c15

WS

c14

WS

c13

WS

c12

WS

c11

S

SW32

SW4

SW24

SW4

SW33

SW4

SW31

SW4

SW44

SW4

SW43

SW4

SW45

SW4

SW41

SW4

SW42

SW4

SW23

SW4

SW22

SW4

SW21

SW4

SW12

SW4

SW11

SW4

PBB2

SWB1-2

PBB1

SWB1-2

PBB4

SWB1-2

PBB3

SWB1-2

PBB0

SWB4

DrpFrmT

dfT

0

INT

DrpFrmNw

dfN

0

INT

RcvFrmT

rfT

0

INT

SndFrmT

sfT

0

INT

ab1

81

mac

ab2

82

mac

ab4

84

mac

ab3

83

mac

ab0

80

mac

o26

avail

seg

i26

avail

seg

a2a

30

mac

i60

avail

seg

o60

avail

seg

o61

avail

seg

i61

avail

seg

a38

38

mac

a37

37

mac

a29

29

mac

a28

28

mac

a27

27

mac

a26

26

mac

a25

25

mac

a24

24

mac

a23

23

mac

a22

22

mac

a21

21

mac

a16

16

mac

a15

15

mac

a14

14

mac

a13

13

mac

a12

12

mac

a11

11

mac

a4c

52

mac

a4b

51

mac

a4a

50

mac

a49

49

mac

a48

48

mac

a47

47

mac

a46

46

mac

a45

45

mac

a44

44

mac

a43

43

mac

a42

42

mac

a41

41

mac

a36

36

mac

a35

35

mac

a34

34

mac

a33

33

mac

a32

32

mac

a31

31

mac

o59

avail

seg

i59

avail

seg

o58

avail

seg

i58

avail

seg

o57

avail

seg

i57

avail

seg

o56

avail

seg

i56

avail

seg

o55

avail

seg

i55

avail

seg

o54

avail

seg

i54

avail

seg

o53

avail

seg

i53

avail

seg

o52

avail

seg

i52

avail

seg

o51

avail

seg

i51

avail

seg

o50

avail

seg

i50

avail

seg

o49

avail

seg

i49

avail

seg

o48

avail

seg

i48

avail

seg

o46

avail

seg

i46

avail

seg

i45

avail

sego45

avail

seg

i44

avail

seg

o44

avail

seg

o43

avail

seg

i43

avail

seg

o42

avail

seg

i42

avail

seg

o41

avail

seg

i41

avail

seg

o25

avail

seg

i25

avail

seg

o24

avail

seg

i24

avail

seg

o23

avail

seg

i23

avail

seg

o22

avail

seg

i22

avail

seg

o21

avail

seg

i21

avail

seg

o20

avail

seg

i20

avail

seg

i19

avail

sego19

avail

seg

o18

avail

seg

i18

avail

seg

o17

avail

seg

i17

avail

seg

o16

avail

seg

i16

avail

seg

o15

avail

seg

i15

avail

seg

o145

avail

seg

i14

avail

seg

o13

avail

seg

i13

avail

seg

o12

avail

seg

i12

avail

seg

011

avail

seg

i11

avail

seg

i31

avail

seg

o31

avail

seg

o08

avail

seg

i08

avail

seg

o38

avail

seg

i38

avail

seg

o37

avail

seg

i37

avail

seg

o36

avail

seg

i36

avail

seg

o35

avail

seg

i35

avail

seg

o34

avail

seg

i34

avail

seg

o32

avail

seg

i32

avail

seg

o33

avail

seg

i33

avail

seg

o10

avail

seg

i10

avail

seg

o09

avail

seg

i09

avail

seg

o07

avail

seg

i07

avail

seg

o05

avail

seg

io5

avail

seg

o06

avail

seg

i06

avail

seg

o02

bavail

PBBseg

i02

bavail

PBBseg

o01

bavail

PBBseg

i01

bavail

PBBseg

o04

bavail

PBBseg

i04

bavail

PBBseg

o03

bavail

PBBseg

i03

bavail

PBBseg

sfT

rfT

dfN

dfT

SWB4

SWB1-2

SWB1-2

SWB1-2

SWB1-2

SW4

SW4

SW4

SW4

SW4

SW4

SW4

SW4

SW4

SW4

SW4

SW4

SW4

SW4

S

WS

WS

WS

WS

MWS

WS

WS

WS

WS

WS

MWS

S

WS

WS

S

WS

WS

WS

WS

MWS

WS

WS

WS

S

WS

WS

WS

WS

MWS

S

WS

WS

S S

S

Рис. 3. Модель сети

Описания основных типов данных и функций модели приведены на Рис. 4. На главной

странице модели использованы следующие типы позиций: mac – MAC-адрес, seg – обычный

сегмент, PBBseg – PBB сегмент; в качестве признака доступности сегмента использованы

константы avail, bavail для обычного и PBB сегмента соответственно.

На главной странице модели указаны C-MAC адреса абонентского оборудования в

позициях a11-a4c и B-MAC адреса PBB-коммутаторов в позициях ab0-ab5; MAC адреса

представлены целыми числами, что не ограничивает общности, если рассматривать,

например, только последний байт MAC адресов, совпадающих в первых 5-ти байтах.

Каждый порт коммутаторов представлен парой позиций, моделирующих

полнодуплексный режим работы. Позиция ik – входной (input) канал k-го порта; позиция ok

– выходной (output). Соединение оборудования в соответствии со структурной схемой сети

выполняется путѐм совмещения входных и выходных позиций портов. Следует отметить,

что при соединении двух коммутаторов входной канал одного из них совмещается с

выходным каналом другого и наоборот; названия позиций портов выбраны по отношению к

коммутатору наиболее близкому к PBB0.

Кроме того, на главную страницу вынесены совмещѐнные позиции для оценки

трафика: SndFrmT вида sfT – счѐтчик отправленных кадров, RcvFrmT вида rfT – счѐтчик

принятых кадров, DrpFrmNw вида dfN – счѐтчик потерянных кадров сети, DrpFrmT вида dfT

– счѐтчик потерянных кадров терминального оборудования.

colset mac = INT;

colset mact = mac timed;

colset frm = product mac * mac * nfrm timed;

colset PBBfrm = product mac * mac * mac * mac * nfrm

timed;

colset seg = union f:frm + avail timed;

colset PBBseg = union b:PBBfrm + bavail timed;

colset swi = product mac * portnum;

colset swita=list swi;

colset PBBswi = product mac * mac * portnum;

colset PBBswita = list PBBswi;

colset qfrm = list frm;

colset pqfrm = product portnum *qfrm;

colset xfrm = union cf:frm + bf:PBBfrm;

colset qxfrm = list xfrm;

colset pqxfrm = product portnum *qxfrm;

fun eqa a (rr:swi)=((#1 rr)=a);

fun eqaB a (rr:PBBswi)=((#1 rr)=a);

fun eqbaB a (rr:PBBswi)=((#2 rr)=a);

fun grec prd [] = (0,0) | grec prd (q::r) = if prd(q) then q

else grec prd r;

fun xrec prd [] = [] | xrec prd (q::r) = if prd(q) then r else

q::(xrec prd r);

fun grecB prd [] = (0,0,0) | grecB prd (q::r) = if prd(q)

then q else grecB prd r;

fun xrecB prd [] = [] | xrecB prd (q::r) = if prd(q) then r

else q::(xrecB prd r);

fun Delay() = poisson( Delta );

fun Dexec() = poisson( dex );

fun Nsend() = poisson( nse );

fun cT()=IntInf.toInt(!CPN'Time.model_time)

val TCL=100000000;

Рис. 4. Описание основных типов данных и функций

5. Модели сетевого оборудования

Модели сетевого оборудования представлены указанными ранее моделями коммутаторов

трѐх различных типов: SW4, SWB4, SWB1-2. Общая организация модели коммутатора имеет

незначительные отличия и может быть рассмотрена на примере коммутатора 802.1D

(традиционного) SW4. Модель набирается клонированием необходимого количества

моделей портов port.

Каждый порт идентифицируется уникальным номером (myport*). Для взаимодействия

портов используются общие данные, хранимые в памяти коммутатора. В качестве наиболее

простой рассматривается архитектура с обязательной буферизацией кадров. Кадр,

поступивший во входной канал порта A, размещается для временного хранения в буфере

Buf; при этом с помощью таблицы коммутации SwT определяется номер порта B для

перенаправления кадра. Если адрес назначения кадра не указан в таблице, порт выполняет

широковещание – кадр перенаправляется во все порты коммутатора, кроме порта A.

Выходной канал порта B извлекает кадр из буфера и передаѐт его в соответствующий

сегмент. Общее количество портов коммутатора nport и номер собственного порта myport*

используются в широковещании. Позиция timer содержит MAC адреса, указанные в таблице

SwT, вместе с временными метками (тип данных mact); переход ClrSwTa обеспечивает

удаление соответствующей записи таблицы SwT по истечении интервала времени старения

записи (константа TCL); рекурсивная функция xrec выполняет удаление записи из таблицы,

представленной переменной x; функция eqa выполняет сравнение адресов. Порт реализует

пассивное прослушивание трафика (адресов отправителя) с целью заполнения таблицы

новыми записями.

Следует отметить, что в буфере Buf типа qpfrm организованы раздельные FIFO

очереди кадров по портам коммутатора в соответствии со стандартами. Начальная

маркировка создаѐт 4 пустые очереди (списка); заголовок очереди равен номеру

соответствующего порта.

xrec (eqa target) xx target

Port4

port

Port3

port

Port2

port

Port1

port

ClrSwTa

[List.exists (eqa target) x]

myport3

1`3

portnum

myport4

1`4

portnum

OutP4

I/Oseg

InP4

I/Oseg

OutP3

I/Oseg

InP3

I/Oseg

myport2

1`2

portnum

OutP2

I/Oseg

InP2

I/Oseg

myport1

1`1

portnum

qport

1`4

INT

SwT

[]

swita

Buf

1`(1,[])++1`(2,[])++1`(3,[])++1`(4,[])

pqfrm

OutP1

I/Oseg

InP1

I/Oseg

Timer

mact

I/O

I/O

I/O

I/O

I/O

I/O

I/O

I/O

port

port

port

port

Рис. 5. Модель коммутатора 802.1D (SW4)

5.1. Модель порта коммутатора (port)

Модель порта port коммутатора 802.1D представлена на Рис. 6. Тип seg использован для

описания канала сегмента Ethernet, который может быть либо свободен (константа avail),

либо занят передачей кадра f. Тип frm использован для описания кадра f, состоящего из

адреса отправителя src, адреса получателя dst и номера кадра nf (описание абстрагируется от

содержимого кадра). Тип swita описывает таблицу коммутации как список записей swi,

состоящих из адреса назначения dst и номера порта pnum. Рекурсивная функция grec

выбирает запись таблицы коммутации. Тип pqfrm буфера Buf описывает занумерованные по

портам очереди qfrm кадров frm. Надписи дуг добавления и извлечения, которые будут

описаны далее, реализуют FIFO дисциплину очередей.

Кадр поступает во входной канал порта PortIn, при этом адрес отправителя src может

быть либо новым (переход NewSrc), либо известным (переход OldSrc). Переход NewSrc

пополняет таблицу коммутации новой записью, в которой указан адрес отправителя src и

номер порта m (текущий порта коммутатора). Кадр размещается в промежуточной позиции

Aux1, затем анализируется адрес получателя кадра dst, который может быть либо новым

(переход NewDst), либо известным (переход OldDst). Переход OldDst размещает кадр в

буфере Buf с указанием найденного номера выходного порта. Переход NewDst размещает

кадр в промежуточной позиции Aux2 и запускает широковещание. Позиция pnum

используется для последовательной (i:=i+1) нумерации портов широковещания. Переход

BroadC выполняет широковещание до тех пор, пока не исчерпаются номера всех портов

(i<=q); затем при (i>q) запускается переход clean, который очищает промежуточные позиции

и возвращает признак доступности avail в сегмент. Проверка (i<>m) в надписи дуги

широковещания BroadC->Buf исключает широковещание в собственный порт.

Выходной канал порта выбирает кадры из буфера Buf, перенаправленные в текущий

порт (m), и передаѐт их в сегмент с помощью перехода Out, который ожидает и удаляет

признак доступности сегмента avail.

Рассмотрим более подробно работу с очередями кадров в буфере Buf. Добавление

записи выполняется в хвост очереди порта i; для этого из позиции Buf извлекается

соответствующая очередь с помощью надписи дуги (i,qu), затем кадр f добавляется в хвост

очереди с помощью надписи дуги (i,qu^^[f]). Извлечение записи выполняется из головы

очереди порта m; для этого из позиции Buf извлекается очередь с выделенным первым

кадром с помощью надписи дуги (m,f::qu), затем очередь без первого элемента возвращается

с помощью надписи дуги (m,qu). Операция ^^ выполняет конкатенацию очередей; операция

:: выделяет головной элемент.

m(i,qu)(i,qu)

(m,qu)

m

m

avail

avail

x

(m,(src,dst,nf)::qu)

q

i

(src,dst,nf)

m

q

i+1

if i<>m then1`(i,qu^̂ [(src,dst,nf)]) else 1`(i,qu)

i

(src,dst,nf)

1

(src,dst,nf)

avail

f(src,dst,nf)

if i<>m then1`(i,qu^̂ [(src,dst,nf)])else 1`(i,qu)

(src,dst,nf)

x

(src,dst,nf)

(src,dst,nf)

(src,dst,nf)

f(src,dst,nf)

f(src,dst,nf)

(src,m)::x

xclean

[i>q]

BroadC

[i<=q]

Out

@+1

OldDst

[List.exists (eqa dst) x,i=(#2 (grec (eqa dst) x))]

NewDst

[not (List.exists (eqa dst) x)]

OldSrc

[List.exists (eqa src) x]

NewSrc

[not (List.exists (eqa src) x)]

timer

Outmact

fnum

INT

Aux2

frm

myport

I/Oportnum

qports

I/OINT

PortOut

I/O

seg

Buf

I/Opqfrm

Aux1

frm

PortIn

I/O

seg

SwTa

I/Oswita

I/O

I/O

I/O

I/O

Outx

src@+TCL

I/O

I/O

Рис. 6. Модель порта коммутатора 802.1D (port)

5.2. Модель порта магистрального PBB коммутатора (PBBport)

Модель порта PBBport магистрального PBB коммутатора представлена на Рис. 7. Работа

порта магистрального PBB коммутатора во многом аналогична работе порта обычного

коммутатора представленного на Рис. 6 с той разницей, что вместо C-MAC адресов

используются B-MAC адреса 802.1ah кадра.

(bsrc,bdst,src,dst,nf)




b(bsrc,bdst,src,dst,nf)


(i,qx)

i+1i

mm

mm


bsrc@+TCL

m

m

bavail

bavail

x

x

qi


m

q

i+1

if i<>m then1`(i,qx^̂ [bf(bsrc,bdst,src,dst,nf)]) else 1`(i,qx)


1


bavail


x



(bsrc,m)::x

x

MYbdst

[bdst=mm]

NotMYbdst

[bdst<>mm]

clean

[i>q]

BroadC

[i<=q]

Out

@+1

OldDst

[bdst<>BC,List.exists (eqa bdst) x,i=(#2 (grec (eqa bdst) x))]

NewDst

[bdst=BC orelse (not (List.exists (eqa bdst) x))]

OldSrc

[List.exists (eqa bsrc) x]

NewSrc

[not (List.exists (eqa bsrc) x)]

dfPBB

dfN

0

INT

mymac

I/Omac

Aux2

PBBfrm

timer

Outmact

fnum

Aux3

PBBfrm

myport

I/Oportnum

qports

I/Oportq

PBBOut

I/OPBBseg

Buf

I/Opqxfrm

Aux1

PBBfrm

PBBIn

I/OPBBseg

SwTa

I/Oswita

I/O

I/O

I/O

I/O

Out I/O

dfN

(m,bf(bsrc,bdst,src,dst,nf)::qx)

(m,qx)

mif i<>mthen 1`(i,qx^̂ [bf(bsrc,bdst,src,dst,nf)])else 1`(i,qx)

(i,qx)

I/O

I/O

INT

i

Рис. 7. Модель порта магистрального PBB коммутатора (PBBport)

Тип PBBseg использован для описания канала PBB сегмента, который может быть

либо свободен (константа bavail), либо занят передачей кадра b. Тип PBBfrm использован

для описания кадра b, состоящего из адреса отправителя магистрали bsrc, адреса получателя

магистрали bdst и инкапсулированного 803.3 кадра frm. Таблица коммутации содержит

только адреса магистрали B-MAC. Тип pqxfrm буфера Buf описывает очереди кадров xfrm

портов; тип xfrm представляет собой объединение кадров cf типа frm или кадров bf типа

bfrm. Магистральный PBB коммутатор обрабатывает только bfrm кадры; возможность

объединения кадров использована в моделях граничных коммутаторов.

Основные отличия в работе порта связаны с обработкой кадра типа PBBfrm вместо

frm и использованием адресов bsrc, bdst вместо адресов src, dst соответственно. Кроме того,

переход NotMYbdst устанавливает, что кадр не адресован текущему коммутатору, а переход

MYbdst моделирует обработку (служебного) кадра, адресованного текущему коммутатору,

путѐм поглощения кадра и инкремента счѐтчика dfn в позиции dfPBB.

5.3. Модели портов граничного PBB коммутатора (cport, bport)

Основное отличие портов граничного PBB коммутатора состоит в обработке как C-MAC

адресов, так и B-MAC адресов и ведении таблиц коммутации, обеспечивающих отображение

C-MAC адресов в B-MAC адреса. Кроме того, выполняется широковещание двух видов: по

C-портам и по B-портам, передающим кадры различных типов.

Для описания элементов очередей внутреннего буфера использован тип данных

объединения xfrm, который может хранить либо кадр cf типа frm, либо кадр bf типа PBBfrm.

Для плоского реляционного представления многоуровневых таблиц коммутации и

отображения адресов использован тип данных PBBswi, содержащий адрес назначения dst,

адрес назначения магистрали bdst и номер порта pnum. Дублирование поля bdst в нескольких

записях имеет преимущество быстрого поиска полной информации по ключу src.

5.3.1. C-порт

Модель C-порта cport граничного PBB коммутатора представлена на Рис. 8. Основное

отличие от портов port, PBBport (Рис. 6,7) состоит в пополнении таблицы коммутации

записями, содержащими кроме src, магистральный адрес bsrc, совпадающий с собственным

B-MAC адресом. Кроме того, модифицирована функция рекурсивного поиска grecB и

функция сравнения адресов eqaB для обработки записей типа PBBswi; использованы как

второе (#2) так и третье (#3) поля таблицы PBBswT; выполняется дополнительная проверка

известного адреса назначения с помощью переходов OldDstMy, OldDstNotMy на

принадлежность собственной сети. Если известный адрес назначения dst находится в

собственной сети (переход OldDstMy) формируется запись cf, которая затем

перенаправляется в С-порт. Если известный адрес назначения dst не находится в собственной

сети (переход OldDstNotMy) формируется запись bf, которая затем перенаправляется в B-

порт, при этом из таблицы определяется не только номер порта назначения (#3 (grecB (eqaB

dst) y)), но также магистральный адрес назначения (#2 (grecB (eqaB dst) y)). Широковещание

(переход BroadC) различает порты с помощью позиции nPBBp, которая хранит номер

первого В-порта; порты нумеруются последовательно: сначала все С-порты, затем все В-

порты. Поэтому указанное в надписи дуги BroadC->Buf условие i<pbp выделяет только С-

порты, его альтернатива (then) – только В-порты; в зависимости от этого формируется cf

либо bf запись в буфере соответственно. Для широковещания в магистрали в качестве адреса

назначения bdst используется константа BC, равная 255.

5.3.2. B-порт

Модель В-порта граничного PBB коммутатора bport представлена на Рис. 9. Она является

наиболее сложной, поэтому приведѐм еѐ подробное описание. Пассивное прослушивание

(переходы NewSrc, OldSrc) пополняет таблицу SwTa записями (переход NewSrc),

содержащими как пользовательский src, так и магистральный bsrc адреса из текущего кадра.

Затем анализируется магистральный адрес назначения bdst; альтернативы представлены

переходами: bdstMy – собственный bdst текущего коммутатора, bdstBC –

широковещательный bdst, bdstNotMy – адрес bdst некоторого другого PBB коммутатора.

Затем выполняются поиск записи в таблице: ключ – адрес назначения dst для собственного

bdst (переходы dstNew, dstOld), ключ – адрес bdst для чужого bdst (переходы bdstNew,

bdstOld). В обоих случаях при удачном завершении поиска кадр перенаправляется в буфер

(переходы bdstOld, dstOld); в первом случае (переход bdstOld) – без изменения, во втором

случае (переход dstOld) – извлекается инкапсулированный 802.3 кадр. Остальные варианты

проверок (переходы dstNew, bdstBC, bsdtNew) приводят к запуску широковещания (переход

BroadC). Таким образом формируется множество из пяти альтернатив: bsdtMy&dstNew,

bdstMy&dstOld, bdstBC, bdstNotMy&bdstNew, bdstNotMy&bdstOld. Кроме того, специально

обрабатывается (переход wrong) случай возможной ошибки: кадр адресован текущему

коммутатору (bdstMy), адрес dst присутствует в таблице, но запись таблицы содержит bdst

отличный от адреса текущего коммутатора.

Для правильного формирования широковещания использованы дополнительные

булевы признаки в позициях: BCcport – широковещание по С-портам, BCbport –

широковещание по В-портам. Каждая из трѐх альтернатив широковещания формирует

собственный набор признаков: bsdtMy&dstNew – BCcport=true&BCbport=false, bdstBC –

BCcport=true&BCbport=true, bdstNotMy&bdstNew – BCcport=false&BCbport=true. В

зависимости от комбинации признаков надпись дуги BroadC->Buf формирует кадры

широковещания перенаправленные в С-порты и В-порты.

Следует отметить, что так как элементы очередей буфера представлены

объединением, выходные каналы С-портов (переход Out) извлекают из него записи cf, В-

портов – записи bf, и передают в сегменты (типа seg либо PBBseg) соответствующие кадры.

m

(i,qx)

(i,qx)

(m,qx)

avail

mm

mm

y

mm

m

m

avail

y

y

(m,cf(src,dst,nf)::qx)

q

i

(src,dst,nf)

m

q

(src,dst,nf)

1

(src,dst,nf)

avail

f(src,dst,nf)

(src,dst,nf)

y

(src,dst,nf)

(src,dst,nf)f(src,dst,nf)

f(src,dst,nf)

(src,mm,m)::y

y

OldDstNotMy

[(List.exists (eqaB dst) y),(#2 (grecB (eqaB dst) y)<>mm),i=(#3 (grecB (eqaB dst) y))]

clean

[i>q]

BroadC

[i<=q]

Out

@+1

OldDstMy

[(List.exists (eqaB dst) y),(#2 (grecB (eqaB dst) y)=mm),i=(#3 (grecB (eqaB dst) y))]

NewDst

[not (List.exists (eqaB dst) y)]

OldSrc

[List.exists (eqaB src) y]

NewSrc

[not (List.exists (eqaB src) y)]

timer

Out

mact

PBBportq

mymac

I/O

1`21

mac

fnum

INT

Aux2

frm

myport

I/Oportnum

qports

I/O portq

PortOut

I/Oseg

Buf

I/Opqxfrm

Aux1

frm

PortIn

I/O

seg

SwTa

I/O

PBBswita

I/O

I/O

I/O

I/O

I/O

I/OI/OOut

if i<>m then if i<pbp then 1`(i,qx^̂ [cf(src,dst,nf)]) else 1`(i,qx^̂ [bf(mm,BC,src,dst,nf)])else 1`(i,qx)

(i,qx)

if i<>mthen 1`(i,qx^̂ [cf(src,dst,nf)])else 1`(i,qx)

m

avail

(src,dst,nf) (src,dst,nf)

mm

src@+TCL

ii+1

pbp

nPBBp

I/OI/O

if i<>mthen 1`(i,qx^̂ [bf(mm,#2 (grecB (eqaB dst) y),src,dst,nf)])else 1`(i,qx)

Рис. 8. Модель C-порта граничного PBB коммутатора (cport)

6. Модели терминального оборудования

В настоящей работе использованы модели терминального оборудования, представленные в

[9,10]. Рабочая станция WS периодически генерирует запросы серверам; распределение

времени между запросами задано случайной функцией Delay(). Сервер выполняет запрос

рабочей станции и возвращает случайное число кадров ответа; распеределение числа кадров

задано случайной функцией Nsend(); распределение времени обработки запроса задано

случайной функцией Dexec(). Анализировались результаты применения различных законов

распределения случайных величин: равномерное, Пуассона, Эрланга.

В модели терминального оборудования добавлены счѐтчики, представленные

совмещѐнными позициями: SndFrmT вида sfT – счѐтчик отправленных кадров, RcvFrmT вида

rfT – счѐтчик принятых кадров, DrpFrmT вида dfT – счѐтчик потерянных кадров. Для

удобства оценки характеристик модели счѐтчики вынесены на главную страницу (Network).

Кроме того, измерительные рабочие станции MWS выполняют оценку времени отклика сети

непосредственно в процессе моделирования [9,10].

(i,qx)

(m,qx)

i+1

i

bavail

1

1

bavail

bavail

y

mm

mm (bsrc,bdst,src,dst,nf)

y

y

y

mm


1



true

false

true

true

false

true






(bsrc,bdst,src,dst,nf)(bsrc,bdst,src,dst,nf)




src@+TCL

bavail

pbp

m

my

(m,bf(bsrc,bdst,src,dst,nf)::qx)

q

i

m

q

bavail




(src,bsrc,m)::y

y

wrong

[(List.exists (eqaB dst) y),(#2 (grecB (eqaB dst) y)<>mm)]

[(List.exists (eqaB dst) y),(#2 (grecB (eqaB dst) y)=mm),i=(#3 (grecB (eqaB dst) y))]

dstNew

[not (List.exists (eqaB dst) y)]

bdstOld

bdstNew

[not (List.exists (eqbaB bdst) y)]

bdstBC

[bdst=BC]

bdstNotMY

[bdst<>mm,bdst<>BC]

bdstMY

[bdst=mm]

clean

[i>q]

BroadC

[i<=q]

Out

@+1

OldSrc

[List.exists (eqaB src) y]

NewSrc

[not (List.exists (eqaB src) y)]

dfcp

dfN

0

INT

BCbport

BOOL

BCcport

BOOL

PBBfrm

Aux3

PBBfrm

Aux2

PBBfrm

timer

Outmact

nPBBp

I/OPBBportq

mymac

I/O

1`21

mac

fnum

INT

myport

I/Oportnum

qports

I/Oportq

PortOut

I/OPBBseg

Buf

I/O

Aux1

PBBfrm

SwTa

I/O

PBBswita

PortBIn

I/O

PBBseg I/O

I/O

I/O

I/OI/O

I/O

Out dfN

I/O

I/O


DstOld

pqxfrm

if i<>m then if (i<pbp) andalso BCc then 1`(i,qx^̂ [cf(src,dst,nf)]) elseif (i>=pbp) andalso BCb then 1`(i,qx^̂ [bf(bdst,bsrc,src,dst,nf)]) else 1`(i,qx)else 1`(i,qx)

[(List.exists (eqbaB bdst) y),(#2 (grecB (eqaB dst) y)=bdst),i=(#3 (grecB (eqbaB bdst) y))]

(i,qx)

y

m

(bsrc,bdst,src,dst,nf)mm

Aux4


m

i+1 i

BCb

BCc

BCc

BCb

if i<>mthen 1`(i,qx^̂ [cf(src,dst,nf)])else 1`(i,qx)

if i<>m then1`(i,qx^̂ [bf(bdst,bsrc,src,dst,nf)])else 1`(i,qx)

(i,qx)

Рис. 9. Модель B-порта граничного PBB коммутатора (bport)

7. Анализ результатов моделирования

Первоначально выполнена раздельная отладка компонентов, а затем комплексная отладка

модели сети; выполнена трассировка процессов доставки отдельных кадров и заполнения

адресных таблиц. С помощью дополнительных счѐтчиков установлено, что все

отправленные кадры доставляются по назначению. Динамически построенные адресные

таблицы полностью соответствуют структурной схеме сети.

Единица модельного времени (MTU) равна 1,2 мкс, что соответствует времени

передачи кадров в 10Gbps сегменте. Время работы компонентов оборудования не

моделировалось, так как для этого требуются наносекундный масштаб времени, что

затрудняет оценки работы сети на длительных временных интервалах.

Измерительные фрагменты модели представлены измерительными рабочими

станциями MWS для оценки времени отклика сети и счѐтчиками кадров для оценки

производительности и полезной производительности. Источником накладных расходов в

технологии Ethernet, включая PBB, является использование широковещания, а также затраты

ресурсов на построение покрывающих деревьев. Настоящая модель позволяет оценить долю

производительности сети, затрачиваемой на широковещание; оценка работы алгоритма

покрывающего дерева не выполнялась.

Общее число доставленных терминальному оборудованию кадров широковещания

содержит счѐтчик DrpFrmT множества dfT на главной странице модели; общее число

доставленных полезных кадров – счѐтчик RcvFrmT множества rfT. При останове модели по

времени содержимое RcvFrmT меньше содержимого SndFrmT – счѐтчика отправленных

кадров, что связано с тем, что определѐнное число кадров находится в процессе доставки в

сети; однако, при генерации заданного числа кадров и останове модели по отсутствию

событий значения двух счѐтчиков совпадают.

Полезная производительность сети существенно зависит от времени старения записей

адресных таблиц TCL. Кроме того, при включении сети (подключении новых подсетей)

создаѐтся кратковременная перегрузка, вызванная интенсивным широковещанием, что

приводит к временному снижению качества обслуживания (времени отклика сети).

Динамика широковещания и времени отклика (как показателя качества обслуживания QoS)

представлены на Рис. 10. На графиках показан всплеск широковещания при включении сети

и его влияние на время отклика, а также вторая волна широковещания после очистки записей

таблиц (через 12 с.), влияние которой сглаживается во времени.

Процент широковещания

0

20

40

60

80

100

1.62 2.67 3.72 4.78 5.83 6.88 7.93 8.99 10.04 11.08 12.08 13.07 14.11 15.15 16.2 17.26 18.29 19.33 20.37

Время (с)

Время отклика сети (мкс)

33

34

35

36

37

38

1.62 2.67 3.72 4.78 5.83 6.88 7.93 8.99 10.04 11.08 12.08 13.07 14.11 15.15 16.2 17.26 18.29 19.33 20.37

Время (с)

Рис. 10. Динамика широковещания и QoS после включения

Зависимость полезной производительности и времени отклика сети от времени

старения записей приведены на Рис. 11. Увеличение времени старения записей приводит к

повышению производительности сети и качества обслуживания, однако снижает

возможности сети по адаптации к изменению структуры и приводит к неправильной

доставке кадров в результате использования неактуальных записей адресных таблиц.

Влияние времени старения записей усиливается при увеличении интенсивности

трафика в соответствии с оценками, представленными на Рис. 12. Полезная

производительность сети повышается при увеличении интенсивности трафика (хотя и

приводит к снижению качества обслуживания), что связано с увеличением частоты

использования записей адресных таблиц.

Таким образом, несмотря на существенные преимущества, технология PBB имеет

определѐнные недостатки, затрудняющие обеспечение заданного качества обслуживания, и

требующие резервирования производительности для сглаживания возможных перегрузок.

Следует отметить, что в настоящей работе не рассматривались виртуальные сети, которые

позволяют изолировать широковещательный трафик (в пределах виртуальной сети).

Полезная производительность сети (%)

90

91

92

93

94

95

96

97

98

99

100

0.5 1 2 4 8 16 32 64 128 256 512 1024 2048

Время старения записи (с)


0

50

100

150

200

250

0.5 1 2 4 8 16 32 64 128 256 512 1024 2048

Время старения записи (c)

максимальное

среднее

Рис. 11. Влияние времени старения записи на производительность и QoS

Полезная производительность сети (%)

90

92

94

96

98

100

1K 5K 10K 50K 100K 200K 500K 1M 2M 5M 10M 15M 20M

Трафик РС (бит/с)


0

50

100

150

200

250

300

350

400

450

1K 5K 10K 50K 100K 200K 500K 1M 2M 5M 10M 15M 20M

Трафик РС (бит/с)

среднее

максимальное

Рис. 12. Влияние интенсивности трафика на производительность и QoS

На основе моделей, построенных в настоящей работе, и моделей Е6 сетей [6] можно

выполнить предварительный сравнительный анализ двух технологий. Отсутствие

служебного широковещания в Е6 позволяет обеспечить гарантированное качества

обслуживания. Иерархическая структура Е6 сети (включая магистраль) задаѐтся при помощи

иерархических Е6 адресов и не приводит к увеличению заголовка кадра; в PBB каждый

новый уровень иерархии магистрали требует не менее 12 дополнительных байтов заголовка

кадра (для пары B-MAC адресов). Кроме того, стек Е6 аннулирует 20-36 байтов заголовков

протоколов TCP, IP каждого инкапсулрованного пакета. Технология PBB при инкапсуляции

IP-Ethernet предполагает двойное отображение адресов: IP->C-MAC, C-MAC->B-MAC,– в то

время как Е6 полностью аннулирует отображение адресов в сети за счѐт использования

единого Е6 адреса.

8. Выводы

В настоящей работе построены основные компоненты PBB сетей: магистральный PBB

коммутатор, граничный PBB коммутатор с динамическим ведением адресных таблиц.

Выполнено моделирование работы PBB сети. Анализ результатов моделирования позволяет

сделать вывод об определѐнных недостатках PBB технологии, обусловленных

чувствительностью к времени старения записей адресных таблиц, затрудняющих

обеспечение заданного качества обслуживания.

Предварительные сравнения подтверждают ряд существенных преимуществ Е6

адресации по сравнению с PBB. Для всесторонней сравнительной оценки двух технологий

необходимо построение моделей, отображающих особенности инкапсуляции IP-Ethernet,

ведение динамических адресных таблиц Е6, работу виртуальных сетей технологии PBB, что

является направлением для дальнейших исследований.

Литература

1. Fang L., Zhang R., Taylor M. The Evolution of Carrier Ethernet Services – Requirements and

Deployment Case Studies. – Communications, vol. 46, no. 3, March 2008. – p. 69-76.

2. IEEE Draft P802.1ah/D4.2 "Virtual Bridged Local Area Networks, Amendment 6: Provider

Backbone Bridges", Work in Progress, March 26, 2008.

3. IETF: VPLS Extensions for Provider Backbone Bridging draft-balus-l2vpn-vpls-802.1ah-03.txt,

Work in Progress, July 2008.

4. Воробиенко П.П., Зайцев Д.А., Нечипорук О.Л. Всемирная сеть Ethernet?– Зв'язок, № 5,

2007. - с. 14-19.

5. Воробієнко П.П., Зайцев Д.А., Гуляєв К.Д. Спосіб передачі даних в мережі із заміщенням

мережного та транспортного рівнів універсальною технологією канального рівня.–

Патент на корисну модель № 35773, Зареєстровано в Державному реєстрі патентів

України на винаходи 10.10.2008.

6. Guliaiev K.D., Zaitsev D.A., Litvin D.A., Radchenko E.V. Simulating E6 Protocol Networks

using CPN Tools.– Proc. of International Conference on IT Promotion in Asia, August 22-26,

2008, Tashkent (Uzbekistan), P. 203-208.

7. Beaudouin-Lafon M., Mackay W.E., Jensen M. et al. CPN Tools: A Tool for Editing and

Simulating Coloured Petri Nets. LNCS 2031: Tools and Algorithms for the Construction and

Analysis of Systems.– 2001, 574-580 (http://www.daimi.au.dk/CPNTools).

8. Jensen K. Colored Petri Nets – Basic Concepts, Analysis Methods and Practical Use.– Vol. 1-3,

Springer-Verlag, 1997.

9. Zaitsev D.A., Shmeleva T.R. Switched Ethernet Response Time Evaluation via Colored Petri

Net Model.– Proc. of International Middle Eastern Multiconference on Simulation and

Modelling, August 28-30, 2006. - Alexandria (Egypt). - 2006. - P. 68-77.

10. Зайцев Д.А. Измерительные фрагменты в моделях Петри телекоммуникационных сетей.–

Зв'язок №2(54), 2005, с. 65-71.

11. Зайцев Д.А., Сакун А.Л. Исследование эффективности технологии MPLS с помощью

раскрашенных сетей Петри.– Зв'язок. – 2006. – Т. 65, №5. – С. 49-55.

12. Зайцев Д.А., Березнюк М.В. Исследование эффективности использования адресного

пространства протокола Bluetooth.– Радиоэлектроника. Информатика. Управление. -

2006, №1. - C. 57-63.

Опубликовано: Зв'язок, 2009, № 4(88), С. 39-46.

http://www.daimi.au.dk/CPNTools

Оценка эффективности технологии PBB с помощью...

Documents

Transcript of Оценка эффективности технологии PBB с помощью...