ES2253664T3 - Procedimiento para determinar la carga de trafico en una red de telecomunicaciones por medio de marcaje de paquetes de datos. - Google Patents

Procedimiento para determinar la carga de trafico en una red de telecomunicaciones por medio de marcaje de paquetes de datos.

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ES2253664T3 ES03711817T ES03711817T ES2253664T3 ES 2253664 T3 ES2253664 T3 ES 2253664T3 ES 03711817 T ES03711817 T ES 03711817T ES 03711817 T ES03711817 T ES 03711817T ES 2253664 T3 ES2253664 T3 ES 2253664T3
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Abstract

Un método para determinar la carga de los elementos de red existentes en una red de telecomunicaciones con elementos de red, en particular nodos y enlaces internos, y con nodos de acceso, en la que cada uno de los nodos de acceso consiste en un nodo de entrada y un nodo de salida, y pasar datos hacia o procedentes de dispositivos terminales y/u otras redes, en el que los nodos y enlaces internos forman rutas según algoritmos de encaminamiento mediante los que se encaminan los paquetes de datos desde un nodo de entrada hacia un nodo de salida, y en el que los nodos internos proporcionan paquetes de datos con marcado dependiente de la carga, caracterizado porque los nodos de salida cuentan los paquetes de datos procedentes de la red de comunicaciones y las marcas contenidas en los mismos por rutas separadas, y derivan un valor de la carga relativa existente a lo largo de una ruta particular, y porque los valores derivados de todos los nodos de salida se introducen como parámetros en un sistema de ecuaciones que describe la red de comunicaciones, y su solución produce la carga relativa determinada de los elementos de la red.

Description

Procedimiento para determinar la carga de tráfico en una red de telecomunicaciones por medio de marcaje de paquetes de datos.
Ámbito técnico
La invención se refiere a un método para determinar la carga de los elementos de red existentes en una red de telecomunicaciones con elementos de red, en particular nodos y enlaces internos, y con nodos de acceso, en la que cada uno de los nodos de acceso consiste en un nodo de entrada y un nodo de salida, y pasar datos hacia o procedentes de dispositivos terminales y/u otras redes, en el que los nodos y enlaces internos forman rutas según algoritmos de encaminamiento mediante los que se encaminan los paquetes de datos desde un nodo de entrada hacia un nodo de salida, y en el que los nodos internos proporcionan paquetes de datos con marcado dependiente de la carga.
Situación de la técnica
Para identificar sobrecargas o congestión en Internet, Kudangode K. Ramakrishnan, Sally Floyd y David Black, IETF RFT 3168: Adición de notificación explícita de congestión (ECN) al IP ("The Addition of Explicit Congestion Notification (ECN) to IP"), Septiembre 2001, han dado a conocer que a los paquetes de datos que hayan pasado por al menos un nodo interno y que hayan tenido una identificación de sobrecarga se les añade una marca que consiste en un bit de ajuste correspondiente. Tras la recepción del paquete de datos en un nodo de salida, puede determinarse si al menos uno de los nodos y enlaces usados para transferir esos paquetes de datos está sumamente cargado o sobrecargado. El documento antes mencionado y los documentos del Grupo de Trabajo de Ingeniería de Internet - IETF ("Internet Engineering Task Force") que se mencionan más adelante, pueden encontrarse en Internet en la dirección http://www.ietf.org/rfc.html.
En los procedimientos conocidos de marcado dependiente de la carga, el término carga se refiere a la carga de transmisión del enlace de salida, en lugar de a la carga informática del nodo retransmisor. Esto incluye la suposición implícita de que la capacidad de reenvío del nodo retransmisor siempre es adecuada, y la carga elevada se convierte en sobrecarga si la suma del tráfico existente supera esta capacidad de un enlace específico.
Los procedimientos conocidos de marcado dependiente de la carga pueden subdividirse en:
- Orientados a colas (el marcado se produce cuando la cola supera un nivel especificado de ocupación),
- Orientados a la velocidad de transferencia (el marcado se produce en función de la velocidad de transferencia del tráfico), y
- Cola virtual (en este caso se simula un sistema virtual en el que la capacidad de transferencia es menor que la del sistema real; cuando la cola del sistema virtual supera el nivel de ocupación especificado se produce el marcado en el sistema real).
En el documento titulado "Señalización y recargo de la calidad de servicio en Internet multiservicio usando RSVP" ("QoS Signalling and Charging in a Multi-service Internet using RSVP"), de Karsten M., Universidad Técnica de Darmstadt - 2000, se muestran diferentes posibilidades de señalizar la calidad de servicio ("Quality of Service" - QoS) y de recargar el coste usando el protocolo de reserva de recursos ("resource reservation protocol" - RSVP), el cual transmite el estado de reserva de las rutas existentes dentro de Internet. No obstante, la señalización del servicio puede efectuarse a través de una subred cuyo recargo es posible mediante notificación explícita de congestión ("explicit congestion notification" - ECN).
Usando estos procedimientos conocidos es posible realizar una determinación aproximada de la carga de cualquier ruta. Sin embargo no es posible efectuar la determinación de la carga existente dentro de la red de comunicaciones, particularmente en elementos individuales de la red.
En consecuencia, el objeto de la invención es proporcionar un método para determinar la carga existente dentro de una red de comunicaciones mediante el que pueda determinarse la carga de elementos individuales de la red.
Sumario de la invención
Este objeto se consigue en la invención, en la que los nodos de salida cuentan los paquetes de datos y las marcas incluidas que entran en la red de comunicaciones, y producen un resultado para cada uno de la carga relativa existente a lo largo de esa ruta particular, y en la que todos los valores derivados de todos los nodos de salida se introducen como parámetros en un sistema de ecuaciones que describe la red de comunicaciones, con nodos internos y nodos de acceso, y cuya solución produce la carga relativa determinada de los elementos de la red.
El procedimiento según la invención tiene la ventaja de que puede determinarse la carga de los elementos de la red que fueron identificados cuando se pusieron las marcas. Tales elementos de la red fundamentalmente son nodos y enlaces, pero el procedimiento no se limita a estos elementos de la red, sino que en el procedimiento pueden introducirse otros elementos de la red, tales como memorias intermedias. En los nodos no se requiere ningún equipo adicional de envío de mensajes de carga a uno o varios puntos centrales o no centrales. Los nodos internos pueden permanecer en la misma estructura que la habitual de Internet, por ejemplo.
Un desarrollo adicional del método según la invención consiste en el hecho de que el sistema de ecuaciones es lineal. Este desarrollo puede configurarse ventajosamente de modo que el sistema de ecuaciones sea como sigue:
\sum ln (1 - m(L_{n})) = ln (1 - m(P_{ij}))
para todo i y j, donde ln es el logaritmo natural, L_{n} es la carga pertinente de un elemento de la red, m(L) es una función de cálculo de probabilidad de marca comprendida entre 0 y 1 para una carga relativa L, y M(P_{ij}) es la carga relativa derivada de una ruta p existente entre un nodo de entrada i y un nodo de salida j, y donde se forma la suma de todos los elementos de la red de la ruta específica P_{ij}.
Este desarrollo permite calcular las ecuaciones en el menor tiempo posible de cálculo, de modo que la determinación de la carga se efectúa durante estos intervalos mayoritariamente breves sin gran tiempo de cálculo. Estos cálculos pueden realizarse en una ubicación central. También es posible dirigir el procedimiento basado en la invención desde muchas ubicaciones adecuadas no centrales, tales como los nodos de acceso.
Un prerrequisito para la determinación fiable de la carga se proporciona en una realización ejemplar, en la que los nodos reflejan la frecuencia de marcas de acuerdo con una función continua y estrictamente monótona creciente de la carga.
Para determinar la carga existente en un elemento particular de la red, concretamente en los nodos y enlaces internos, el procedimiento basado en la invención puede incluir el hecho de que, durante el marcado efectuado en los nodos, se determina la carga existente en el nodo, y/o de que, tras el marcado, se tienen en cuenta las cargas existentes en el enlace anterior del nodo.
Otra realización del método según la invención usa la carga relativa determinada para controlar algoritmos de encaminamiento, y las cargas relativas determinadas se tienen en cuenta en la asignación de la ruta de los paquetes de datos a enviar al nodo de entrada.
Asimismo, las cargas relativas determinadas pueden almacenarse para usarlas en sus evaluaciones.
Normalmente el número de rutas supera al de enlaces o nodos. Dado que los parámetros individuales de los cálculos también incluyen cierto grado de error (a causa de la demora producida durante la adquisición de datos), puede ocurrir que el sistema de ecuaciones esté especificado en exceso y que, por tanto, no sea resoluble directamente. Esto se evita en otra realización ejemplar por el hecho de que los cálculos de la solución del sistema de ecuaciones tienen lugar cuando el número de valores de la carga relativa indicados por los nodos de salida es adecuado para dar una solución unívoca al sistema de ecuaciones.
Esto quiere decir que para los cálculos sólo se usan los últimos valores de carga de la ruta que contengan la cantidad de elementos de la red que sean linealmente independientes, englobando por tanto a todos los elementos de la red.
Además de la determinación de la carga relativa existente dentro de la red de comunicaciones, particularmente la carga relativa de todos los elementos de la red, el método según la invención también puede usarse para determinar las capacidades de todos los elementos de la red. Para ello, una realización ejemplar adicional de la invención prevé que en los nodos de salida la velocidad de transferencia de los datos de entrada se determine además basándose en rutas separadas, y que se utilice la siguiente ecuación para determinar las capacidades de todos los elementos de la red:
C_{n} = (\sum t_{ij} ) / L_{n},
donde C_{n} es la capacidad del elemento de la red, L_{n} es la carga relativa determinada, t_{ij} es la velocidad de transferencia de los datos transferidos a lo largo de una ruta P_{ij}, y se forma la suma sobre todas las rutas P_{ij}.
En el método según la invención puede determinarse o, expresado con mayor propiedad, puede estimarse la carga relativa de los elementos individuales de la red, pero se originan errores debidos a las inevitables inexactitudes de medida y demoras de transferencia. En la ampliación antes mencionada del procedimiento basado en la invención, el sistema de ecuaciones consiste en un encadenamiento multiplicativo de coeficientes. Este encadenamiento se convierte en un encadenamiento aditivo mediante una función logarítmica de transformación, de modo que se obtiene un sistema lineal de ecuaciones. Debido al encadenamiento multiplicativo de coeficientes original los errores antes mencionados pueden ser bastante grandes.
Esto se evita mediante otro desarrollo de la realización, en el que:
- la velocidad de transferencia de los datos de entrada en los nodos de salida se determina separadamente por ruta,
- las velocidades de transferencia de datos determinadas para los elementos individuales determinados de la red, para las rutas en las que está situado el elemento particular de la red, se suman a la velocidad total de transferencia de datos del elemento de la red,
- la velocidad total de transferencia de datos y la carga relativa pueden determinarse de nuevo, y
- la carga relativa determinada se corrige teniendo en cuenta la carga relativa previamente determinada y una alteración de la velocidad total de transferencia de datos.
Las velocidades de transferencia de datos de todas las rutas que atraviesan el nodo o enlace se suman para determinar la velocidad total de transferencia de datos por nodo o por enlace. Esta suma tiene la ventaja de que los errores no se repiten, ni se amplían, como en el sistema de ecuaciones antes mencionado.
Una realización ventajosa de este desarrollo se basa en el hecho de que la carga relativa corregida se calcula a partir del valor medio de cada carga determinada y de que la carga relativa previamente determinada se pondera con la alteración de la velocidad total de transferencia de datos.
Esta realización puede diseñarse de modo que el cálculo de la carga relativa corregida se base en la ecuación
L_{k} = (\alpha \cdot L_{a} \cdot U_{n} / U_{a} + L_{n})/(\alpha + 1),
donde L_{k} es la carga relativa corregida, \alpha es un factor de ponderación que determina la intensidad con que se tiene en cuenta la alteración de la velocidad total de transferencia de datos, L_{a} es el valor previamente determinado de la velocidad relativa de transferencia de datos, U_{n} es la velocidad total particular de transferencia de datos determinada, U_{a} es la velocidad total de transferencia de datos previamente determinada, y L_{n} es la carga relativa determinada realmente.
El factor de ponderación \alpha ha de determinarse individualmente por el especialista basándose en precondiciones.
Breve descripción de las figuras
Existen muchas realizaciones posibles de la invención. Algunas de ellas se representan esquemáticamente en el dibujo y se describen a continuación.
Descripción de las realizaciones preferidas
El dibujo muestra esquemáticamente la red de comunicaciones 1 con nodos de acceso 2, 3, 4 (elementos de interconexión o pasarelas) y nodos internos 5, 6, 7, 8, 9. Los nodos de acceso 2, 3, 4 conectan la red de comunicaciones 1 con otras redes y otros dispositivos terminales, y cada nodo de acceso consiste en un nodo de entrada 21, 31, 41 ("ingress node") y un nodo de salida 22, 32, 42 ("egress node"). Los nodos internos 5 a 9 sirven para retransmitir los paquetes de datos procedentes de un nodo de entrada 21, 31, 41 hacia un nodo de salida 22, 32, 42. La ruta que toma un paquete de datos particular se determina mediante los algoritmos de encaminamiento y se ajusta basándose en las cargas de los nodos individuales. Los algoritmos de encaminamiento son conocidos en particular y no es necesario describirlos con mayor detalle en relación con esta invención.
Si, por ejemplo, se produce un aumento de la demanda de tráfico en los nodos internos 5, 6 entonces se aplica una marca M a los paquetes de datos que ellos retransmiten. Tales marcas las contienen, por ejemplo, los paquetes de datos que se retransmiten desde el nodo de entrada 21 por los nodos internos 5, 6 hacia el nodo de salida 32. Si se sobrecargan los nodos internos, además de sus conexiones entre sí y con los nodos 21 y 32, entonces los paquetes de datos a enviar desde el nodo de entrada 21 al nodo de salida 32 se encaminan a través de los nodos internos 8, 9.
En el nodo de salida 32 se cuentan durante un intervalo de tiempo predeterminado los paquetes de datos recibidos procedentes del nodo de entrada 21 que estén marcados con M. También se cuentan los octetos y los paquetes de datos que se transfieran desde el nodo de entrada 21 hacia el nodo de salida 32 durante el intervalo de tiempo predeterminado. El número de marcas dividido por el número de paquetes de datos proporciona una buena medida de la carga existente en la red de comunicaciones respecto a la transferencia existente entre el nodo de entrada 21 y el nodo de salida 32.
En los nodos internos individuales se realiza el marcado con una probabilidad m(L), donde L es una carga relativa. Para cada par (i, j) de nodos de acceso conectados por una ruta, p_{ij} es la ruta de conexión. Por consiguiente, la carga medida M(p_{ij}) a lo largo de la ruta P_{ij} asciende a
M(p_{ij}) = 1 - ((1 - m(L_{1})) \cdot (1 - m(L_{2})) \cdot ... \cdot (1 - m (L_{n}))),
donde n es el número de nodos de cada ruta, y se genera una ecuación para cada ruta p_{ij}. Este sistema de ecuaciones puede transformarse como sigue:
1 - M(p_{ij}) = ((1 - m(L_{1})) \cdot (1 - m(L_{2})) \cdot ... \cdot (1 – m(L_{n}))).
Por medio de una aplicación logarítmica se obtiene el sistema lineal de ecuaciones
\sum ln(1 - m(L_{n})) = ln(1 - M(p_{ij}))
para cualquier valor de i y j, en el que la función ln(1 - m(L_{1})) puede sustituirse por y_{i}. En caso de que m(L_{1}) tenga una función inversa comprendida entre 0 y 1, entonces puede resolverse ln(l -m(L(_{1})) = y_{i} para todos los nodos. Usando la solución del sistema lineal de ecuaciones puede determinarse la solución del sistema de ecuaciones de salida.
En caso de que el cálculo de m(L) se base en la carga de un enlace, entonces las rutas pueden verse según estén dirigidas, es decir, ambas direcciones de una ruta se consideran por separado. Por consiguiente, ambas direcciones de un enlace se representan mediante condiciones de carga separadas.
La capacidad c_{n} de los nodos o enlaces puede calcularse basándose en los valores determinados de la carga relativa L_{n} de los nodos o enlaces internos y en las velocidades de transferencia de datos determinadas en los nodos de salida o transferidos a través de las rutas individuales P_{ij} de datos como sigue:
C_{n} = (\sum t_{ij})/L_{n},
donde C_{n} es la capacidad del elemento de la red, L_{n} es la carga relativa determinada, t_{ij} es la velocidad de transferencia de los datos transferidos a lo largo de una ruta P_{ij}, y se forma la suma usando todas las rutas P_{ij}.

Claims (14)

1. Un método para determinar la carga de los elementos de red existentes en una red de telecomunicaciones con elementos de red, en particular nodos y enlaces internos, y con nodos de acceso, en la que cada uno de los nodos de acceso consiste en un nodo de entrada y un nodo de salida, y pasar datos hacia o procedentes de dispositivos terminales y/u otras redes, en el que los nodos y enlaces internos forman rutas según algoritmos de encaminamiento mediante los que se encaminan los paquetes de datos desde un nodo de entrada hacia un nodo de salida, y en el que los nodos internos proporcionan paquetes de datos con marcado dependiente de la carga, caracterizado porque los nodos de salida cuentan los paquetes de datos procedentes de la red de comunicaciones y las marcas contenidas en los mismos por rutas separadas, y derivan un valor de la carga relativa existente a lo largo de una ruta particular, y porque los valores derivados de todos los nodos de salida se introducen como parámetros en un sistema de ecuaciones que describe la red de comunicaciones, y su solución produce la carga relativa determinada de los elementos de la red.
2. El método según la reivindicación 1, caracterizado porque el sistema de ecuaciones es lineal.
3. El método según la reivindicación 2, caracterizado porque el sistema de ecuaciones es como sigue:
\sum ln(1 - m(L_{n})) = ln(1 - m(P_{ij}))
para todo i y j, donde ln es el logaritmo natural, L_{n} es la carga pertinente de un elemento de la red, m(L) es una función de cálculo de probabilidad de marca comprendida entre 0 y 1 para una carga relativa L, y M(P_{ij}) es la carga relativa derivada de una ruta p existente entre un nodo de entrada i y un nodo de salida j, y donde se forma la suma de todos los elementos de la red de la ruta específica P_{ij}.
4. El método según una de las reivindicaciones precedentes, caracterizado porque los nodos establecen la frecuencia de marcado basándose en una función continua y estrictamente monótona creciente de la carga.
5. El método según la reivindicación 4, caracterizado porque la implementación de las marcas en los nodos se basa en la carga de los nodos.
6. El método según la reivindicación 4, caracterizado porque la implementación de las marcas en los nodos se basa en las cargas de los enlaces de salida de los nodos.
7. El método según una de las reivindicaciones precedentes, caracterizado porque la carga relativa determinada se usa para controlar algoritmos de encaminamiento.
8. El método según una de las reivindicaciones precedentes, caracterizado porque la carga relativa determinada se tiene en cuenta en las asignaciones de las rutas de los paquetes de datos a enviar desde los nodos de entrada.
9. El método según una de las reivindicaciones precedentes, caracterizado porque las cargas relativas determinadas se almacenan en una memoria intermedia para su evaluación.
10. El método según una de las reivindicaciones precedentes, caracterizado porque los cálculos de resolución del sistema de ecuaciones se llevan a cabo cuando el número de valores de la carga relativa indicados por los nodos de salida es suficiente para dar una solución unívoca al sistema de ecuaciones.
11. El método según una de las reivindicaciones precedentes, caracterizado porque un ejemplo ampliado de realización de la invención prevé que la velocidad de transferencia de los datos de entrada en los nodos de salida se determine además basándose en rutas separadas, y que se use la siguiente ecuación para determinar las capacidades de todos los elementos de la red:
C_{n} = (\sum T_{ij})/l_{n},
donde C_{n} es la capacidad del elemento de la red, L_{n} es la carga relativa determinada, T_{ij} es la velocidad de transferencia de los datos transferidos a lo largo de una ruta P_{ij}, y se forma la suma sobre todas las rutas P_{ij}.
12. El método según una de las reivindicaciones precedentes, caracterizado porque:
- la velocidad de transferencia de los datos de entrada en los nodos de salida se determina separadamente por ruta,
- las velocidades de transferencia de datos determinadas para los elementos individuales determinados de la red, para las rutas en las que está situado el elemento particular de la red, se suman a la velocidad total de transferencia de datos del elemento de la red,
- la velocidad total de transferencia de datos y la carga relativa pueden determinarse de nuevo, y
- la carga relativa determinada se corrige teniendo en cuenta la carga relativa previamente determinada y una alteración de la velocidad total de transferencia de datos.
13. El método según la reivindicación 12, caracterizado porque la carga relativa corregida se calcula a partir del valor medio de cada carga determinada y porque la carga relativa previamente determinada se pondera con la alteración de la velocidad total de transferencia de datos.
14. El método según la reivindicación 13, caracterizado porque el cálculo de la carga relativa corregida se efectúa mediante la ecuación
L_{k} = (\alpha \cdot L_{a} \cdot U_{n} / U_{a} + L_{n})/(\alpha + 1),
donde L_{k} es la carga relativa corregida, \alpha es un factor de ponderación que determina la intensidad con que se tiene en cuenta la alteración de la velocidad total de transferencia de datos, L_{a} es el valor previamente determinado de la velocidad relativa de transferencia de datos, U_{n} es la velocidad total particular de transferencia de datos determinada, U_{a} es la velocidad total de transferencia de datos previamente determinada, y L_{n} es la carga relativa determinada realmente.
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