Solution for the Default Gateway Protection within Fault-Tolerant Routing in an IP Network

In this paper, the consistent solution for default gateway protection within fault-tolerant routing in an IP network is presented, and it is based on development of the appropriate flow-based mathematical model. Within the framework of the proposed model, a fault-tolerant routing problem has been reduced to the solution of the optimization problem of nonlinear programming. Fault-tolerance functions are implemented by introducing additional routing variables responsible for the calculation of a backup default gateway and the corresponding path (multipath) in the transport network. Several examples have demonstrated features of the application of the proposed model in solving default gateway protection within fault-tolerant routing for the case of realization of single path and multipath routing. The results have confirmed the efficiency of the proposed model and adequacy of the calculation results obtained

УСОВЕРШЕНСТВОВАННАЯ МОДЕЛЬ БЫСТРОЙ ПЕРЕМАРШРУТИЗАЦИИ С РЕАЛИЗАЦИЕЙ СХЕМЫ ЗАЩИТЫ ПУТИ И ПРОПУСКНОЙ СПОСОБНОСТИ В ПРОГРАММНО-КОНФИГУРИРУЕМЫХ СЕТЯХ

Предметом дослідження в статті є процеси швидкої перемаршрутизації з реалізацією схеми захисту шляху та пропускної здатності. Мета роботи – вдосконалення моделі швидкої перемаршрутизації з реалізацією схеми захисту шляху та пропускної здатності, яка може бути використана для програмно-конфігурованих мереж. У статті вирішуються наступні завдання: вдосконалення та дослідження математичної моделі швидкої перемаршрутизації з реалізацією схеми захисту шляху та пропускної здатності. Використовуються такі методи: теорія графів, теорія масового обслуговування та методи математичного програмування. Отримано наступні результати: вдосконалено та досліджено математичну модель швидкої перемаршрутизації, яка завдяки введенню додаткових умов дозволяє реалізувати схему захисту шляху 1:n та пропускну здатність у програмно-конфігурованих мережах. Висновки: В рамках запропонованої моделі швидкої перемаршрутизації з реалізацією схеми захисту шляху та пропускної здатності було вирішено завдання розрахунку множини основних і резервних шляхів, що не перетинаються, яке зводилося до розв’язання оптимізаційної задачі цілочисельного лінійного програмування. Перевагою вдосконаленої моделі є можливість реалізації схем захисту 1:1, 1:2,…, 1:n без введення додаткової множини керуючих (маршрутних) змінних, що сприяє зменшенню розмірності оптимізаційної задачі, що розв’язується, та обчислювальної складності її практичної реалізації. Критерій оптимальності маршрутних рішень сприяє формуванню основних і резервних шляхів, що не перетинаються, з максимально високою пропускною здатністю. У цьому випадку шлях з найвищою пропускною здатністю буде відповідати основному шляху, тоді як решта шляхів будуть використовуватися як резервні в порядку зменшення їх пропускної здатності. Загальна кількість обчислених шляхів, що не перетинаються, залежить від обраної схеми надмірності.The subject matter of the article is the fast rerouting processes with the implementation of the protection scheme of the path and its bandwidth. The goal of the work is to improve the performance-based Fast ReRoute model with the protection scheme of the path and its bandwidth, which can be used for Software-Defined Networks. The following tasks are solved in the article: improvement and research of the Fast ReRoute model with the protection scheme of the path and its bandwidth. The following methods are used: graph theory, queuing theory, and mathematical programming methods. The following results were obtained: Fast ReRoute model was improved and investigated. That allows implementing the 1:n protection scheme of the path and its bandwidth in Software-Defined Networks. Conclusions: Within the framework of the proposed Fast ReRoute model with the schemes of the path protection and its bandwidth, the problem of calculating the set of primary and backup disjoint paths was solved. The proposed mathematical model, using the introduction of additional conditions, allowed us to reduce the solution of the technological problem of fast rerouting to the solution of the optimization problem of mixed integer linear programming. The advantage of the improved model is the possibility of implementing protection schemes 1:1, 1:2, ..., 1:n without introducing an additional set of control (routing) variables. This helps to reduce the dimension of the optimization problem to be solved and the computational complexity of its implementation. The optimality criterion of routing solutions contributes to the formation of primary and backup disjoint paths with the maximum bandwidth. In this case, the path with the highest bandwidth will correspond to the primary path, while the remaining paths will be used as a backup, in order to reduce their bandwidth. The total number of calculated disjoint paths depends on the selected redundancy scheme.Предметом исследования в статье являются процессы быстрой перемаршрутизации с реализацией схемы защиты пути и пропускной способности. Цель работы – усовершенствование модели быстрой перемаршрутизации с реализацией схемы защиты пути и пропускной способности, которая может быть использована для программно-конфигурируемых сетей. В статье решаются следующие задачи: усовершенствование и исследование математической модели быстрой перемаршрутизации с реализацией схемы защиты пути и пропускной способности. Используются следующие методы: теория графов, теория массового обслуживания и методы математического программирования. Получены следующие результаты: усовершенствована и исследована математическая модель быстрой перемаршрутизации, которая благодаря введению дополнительных условий позволяет реализовать схему защиты пути 1:n и пропускной способности в программно-конфигурируемых сетях. Выводы: В рамках предложенной модели быстрой перемаршрутизации с реализацией схемы защиты пути и пропускной способности была решена задача расчета множества основных и резервных непересекающихся путей, которая сводилась к решению оптимизационной задачи целочисленного линейного программирования. Преимуществом усовершенствованной модели является возможность реализации схем защиты 1:1, 1:2, ..., 1:n без введения дополнительного множества управляющих (маршрутных) переменных, что способствует уменьшению размерности решаемой оптимизационной задачи и вычислительной сложности ее практической реализации. Критерий оптимальности маршрутных решений способствует формированию основных и резервных непересекающихся путей с максимальной пропускной способностью. В этом случае путь с наивысшей пропускной способностью будет соответствовать основному пути, тогда как остальные пути будут использоваться как резервные, в порядке уменьшения их пропускной способности. Общее количество рассчитанных непересекающихся путей зависит от выбранной схемы резервирования

Fast ReRoute Model with Realization of Path and Bandwidth Protection Scheme in SDN

The paper proposes a Fast ReRoute model with the realization of path and bandwidth protection scheme, which can be used in MPLS for SDN. The task of calculating the set of disjoint primary and backup paths during fast rerouting was reduced to solving the optimization problem of Integer Linear Programming. The advantage of the proposed solution is the possibility of implementing 1:1, 1:2, …, 1:n path protection schemes without the introduction of an additional set of control (routing) variables, which contributes to reducing the dimension of the optimization problem being solved and the computational complexity of its practical implementation. The criterion of optimality of routing solutions contributes to the formation of the primary and backup disjoint paths with the highest possible bandwidth. In this case, the path with the maximum bandwidth will correspond to the primary path, while the remaining paths will be used as backup ones in decreasing order of their bandwidth. The total number of calculated disjoint paths depends on the selected redundancy scheme. The study conducted showed the efficiency and adequacy of the proposed Fast ReRoute model when using various redundancy schemes

Comparison of New Solutions in IP Fast Reroute

Currently, network requirements are placed on the efficiency and size of the networks. These conditions can be ensured by modern converged networks that integrate the functions of both data and telecommunication networks. Line or router failures have always been a part of transmission networks, which is no different from converged networks. As a result of outages, which can take from ms to tens of seconds, packets are lost. These outages cause degraded transmission quality, which is undesirable when transmitting real-time multimedia services (Voice over IP, video). To solve the mentioned problems, the IETF organization has developed IP Fast Reroute mechanisms to minimise the time to restore the connection after a line or node failure and, consequently, less packet loss. The article reviews and compares the latest IP Fast Reroute mechanisms deployed in the last three years. First, we have Optimistic Fast Rerouting, which calculates optimistic and fallback scenarios. The second is Post-processing Fast Reroute, which decomposes the network according to metrics such as load and route length. Third, Local Fast Reroute focused on low congestion and random access

Розробка динамічної тензорної моделі управління трафіком в телекомунікаційній мережі з підтримкою різних класів обслуговування

A model of traffic management, based on the tensor generalization of nonlinear differential equations of network state was proposed. This made it possible to obtain coordinated solution of the problems of routing and link resource allocation between the flows of different classes. The solution makes it possible to provide for the Quality of Service by the parameters of the average packet transmission rate and the packet delay, including the nonstationary operating mode of the network routers interfaces. The coordinate system of interpolar paths and internal node pairs was used in the tensor geometrization of the network structure. This made it possible to provide for the solution, in which the QoS requirements were satisfied not only along the basic paths, but also on the entire set of calculated routes. The problem of traffic management in the telecommunication network was set as the problem of optimization. In this case, it was necessary to calculate many sets of control variables of two types, responsible for flow routing and for determining the order of the link resource allocation in the network in the course of minimization of the quadratic criterion of optimality. The selection of the criterion of quadratic form was determined by the fact that its use contributes to obtaining solutions of the balanced use of available network resources. On the other hand, the consideration of the state dynamics of network interfaces over time made it possible to provide meeting the requirements on the packets transmission rate and the average delay not in a specific moment of time, but throughout the entire routing table update timer.Предложена модель управления трафиком, основанная на тензорном обобщении нелинейных дифференциальных уравнений состояния сети. Это позволило получить согласованное решение задач маршрутизации и распределения канального ресурса между потоками различных классов. Решение позволяет обеспечить качество обслуживания по показателям средней пакетной скорости передачи и задержке пакетов, в том числе в нестационарном режиме работы интерфейсов маршрутизаторов сетиЗапропоновано модель управління трафіком, яка заснована на тензорному узагальненні нелінійних диференціальних рівнянь стану мережі. Це дозволило отримати узгоджене розв’язання задач маршрутизації та розподілу канального ресурсу між потоками різних класів. Рішення дозволяє забезпечити якість обслуговування за показниками середньої пакетної швидкості передачі та затримки пакетів, в тому числі в нестаціонарному режимі роботи інтерфейсів маршрутизаторів мереж

МОДЕЛЬ ШВИДКОЇ QОS-ПЕРЕМАРШРУТИЗАЦІЇ ТРАФІКУ ДАНИХ В ІНФОКОМУНІКАЦІЙНИХ МЕРЕЖАХ

The subject of research in the article is the processes of fast rerouting with the protection of the Quality of Service level in infocommunication networks. The aim of the work is the development of a mathematical model of Fast ReRouting with the protection of the Quality of Service level by the bandwidth and probability of packet loss for data traffic. The following tasks are solved in the article: development and research of a fast rerouting flow-based model with the protection of the Quality of Service level of data traffic in the infocommunication network. The following methods are used: the graph theory, the teletraffic theory, the queuing theory, and mathematical programming methods. The following results were obtained: the fast rerouting flow-based model was developed and investigated, which, due to the introduced protection conditions on indicators of bandwidth and packet loss probability, allows providing the Quality of Service along both the primary and backup multipath. Conclusions: Within the framework of the proposed flow-based model, the fast rerouting technological task was formulated as an optimization problem with the constraints of the conditions of implementation of the multipath routing strategy, conditions of flow conservation, and conditions of protection of the link, node, and level of Quality of Service in terms of bandwidth and packet loss probability. The application of this solution contributes to the optimal use of the available network resource while providing the specified level of Quality of Service in terms of bandwidth and probability of packet loss along both the primary and backup routes in the case of a failure of the infocommunication network elements. The proposed flow-based model can be used as the basis of the algorithmic software of existing routers and/or controllers of Software-Defined Networks, which are responsible for the calculation of the primary and backup paths in the fast rerouting of data traffic sensitive to such Quality of Service indicators as bandwidth and packet loss probability.Предметом исследования в статье являются процессы быстрой перемаршрутизации с защитой уровня качества обслуживания в инфокоммуникационных сетях. Цель работы – разработка математической модели быстрой перемаршрутизации с защитой уровня обслуживания по показателям пропускной способности и вероятности потерь пакетов для трафика данных. В статье решаются следующие задачи: разработка и исследование потоковой модели быстрой перемаршрутизации с защитой уровня качества обслуживания трафика данных в инфокоммуникационных сетях. Используются следующие методы: теория графов, теория телетрафика, теория массового обслуживания и методы математического программирования. Получены следующие результаты: разработана и исследована потоковая модель быстрой перемаршрутизации, которая благодаря введенным условиям защиты по показателям пропускной способности и вероятности потерь пакетов позволяет обеспечить уровень качества обслуживания вдоль как основного, так и резервного мультипутей. Выводы: В рамках предложенной потоковой модели технологическая задача быстрой перемаршрутизации была сформулирована как оптимизационная с ограничениями, в качестве которых выступали условия реализации многопутевой стратегии маршрутизации, условия сохранения потока, условия защиты канала, узла и уровня качества обслуживания по показателям пропускной способности и вероятности потерь пакетов. Применение полученного решения способствует оптимальному использованию доступного сетевого ресурса при обеспечении заданного уровня качества обслуживания по показателям пропускной способности и вероятности потерь пакетов вдоль как основных, так и резервных маршрутов при отказах элементов инфокоммуникационной сети. Предложенная потоковая модель может использоваться как основа алгоритмически-программного обеспечения существующих маршрутизаторов и/или контроллеров программно-конфигурируемых сетей, которые отвечают за расчет основных и резервных путей при быстрой перемаршрутизации трафика данных, чувствительного к таким показателям качества обслуживания как пропускная способность и вероятность потерь пакетов.Предметом дослідження в статті є процеси швидкої перемаршрутизації із захистом рівня якості обслуговування в інфокомунікаційних мережах. Мета роботи – розробка математичної моделі швидкої перемаршрутизації із захистом рівня обслуговування за показниками пропускної здатності та ймовірності втрат пакетів для трафіку даних. В статті вирішуються наступні завдання: розробка та дослідження потокової моделі швидкої перемаршрутизації із захистом рівня якості обслуговування трафіку даних в інфокомунікаційній мережі. Використовуються такі методи: теорія графів, теорія телетрафіка, теорія масового обслуговування та методи математичного програмування. Отримано наступні результати: розроблено та досліджено потокову модель швидкої перемаршрутизації, яка завдяки введеним умовам захисту за показниками пропускної здатності та ймовірності втрат пакетів дозволяє забезпечити рівень якості обслуговування вздовж як основного, так і резервного мультишляхів. Висновки: В рамках запропонованої потокової моделі технологічна задача швидкої перемаршрутизації була сформульована як оптимізаційна з обмеженнями, якими виступали умови реалізації багатошляхової стратегії маршрутизації, умови збереження потоку, умови захисту каналу, вузла та рівня якості обслуговування за показниками пропускної здатності та ймовірності втрат пакетів. Застосування отриманого рішення сприяє оптимальному використанню доступного мережного ресурсу при забезпеченні заданого рівня якості обслуговування за показниками пропускної здатності та ймовірності втрат пакетів вздовж як основних, так і резервних маршрутів при відмовах елементів інфокомунікаційної мережі. Запропонована потокова модель може використовуватися як основа алгоритмічно-програмного забезпечення існуючих маршрутизаторів та/або контролерів програмно-конфігурованих мереж, які відповідають за розрахунок основних і резервних шляхів при швидкій перемаршрутизації трафіку даних, чутливого до таких показників якості обслуговування як пропускна здатність та ймовірність втрат пакетів

МОДЕЛЬ ШВИДКОЇ QОS-ПЕРЕМАРШРУТИЗАЦІЇ ТРАФІКУ ДАНИХ В ІНФОКОМУНІКАЦІЙНИХ МЕРЕЖАХ

The subject of research in the article is the processes of fast rerouting with the protection of the Quality of Service level in infocommunication networks. The aim of the work is the development of a mathematical model of Fast ReRouting with the protection of the Quality of Service level by the bandwidth and probability of packet loss for data traffic. The following tasks are solved in the article: development and research of a fast rerouting flow-based model with the protection of the Quality of Service level of data traffic in the infocommunication network. The following methods are used: the graph theory, the teletraffic theory, the queuing theory, and mathematical programming methods. The following results were obtained: the fast rerouting flow-based model was developed and investigated, which, due to the introduced protection conditions on indicators of bandwidth and packet loss probability, allows providing the Quality of Service along both the primary and backup multipath. Conclusions: Within the framework of the proposed flow-based model, the fast rerouting technological task was formulated as an optimization problem with the constraints of the conditions of implementation of the multipath routing strategy, conditions of flow conservation, and conditions of protection of the link, node, and level of Quality of Service in terms of bandwidth and packet loss probability. The application of this solution contributes to the optimal use of the available network resource while providing the specified level of Quality of Service in terms of bandwidth and probability of packet loss along both the primary and backup routes in the case of a failure of the infocommunication network elements. The proposed flow-based model can be used as the basis of the algorithmic software of existing routers and/or controllers of Software-Defined Networks, which are responsible for the calculation of the primary and backup paths in the fast rerouting of data traffic sensitive to such Quality of Service indicators as bandwidth and packet loss probability.Предметом исследования в статье являются процессы быстрой перемаршрутизации с защитой уровня качества обслуживания в инфокоммуникационных сетях. Цель работы – разработка математической модели быстрой перемаршрутизации с защитой уровня обслуживания по показателям пропускной способности и вероятности потерь пакетов для трафика данных. В статье решаются следующие задачи: разработка и исследование потоковой модели быстрой перемаршрутизации с защитой уровня качества обслуживания трафика данных в инфокоммуникационных сетях. Используются следующие методы: теория графов, теория телетрафика, теория массового обслуживания и методы математического программирования. Получены следующие результаты: разработана и исследована потоковая модель быстрой перемаршрутизации, которая благодаря введенным условиям защиты по показателям пропускной способности и вероятности потерь пакетов позволяет обеспечить уровень качества обслуживания вдоль как основного, так и резервного мультипутей. Выводы: В рамках предложенной потоковой модели технологическая задача быстрой перемаршрутизации была сформулирована как оптимизационная с ограничениями, в качестве которых выступали условия реализации многопутевой стратегии маршрутизации, условия сохранения потока, условия защиты канала, узла и уровня качества обслуживания по показателям пропускной способности и вероятности потерь пакетов. Применение полученного решения способствует оптимальному использованию доступного сетевого ресурса при обеспечении заданного уровня качества обслуживания по показателям пропускной способности и вероятности потерь пакетов вдоль как основных, так и резервных маршрутов при отказах элементов инфокоммуникационной сети. Предложенная потоковая модель может использоваться как основа алгоритмически-программного обеспечения существующих маршрутизаторов и/или контроллеров программно-конфигурируемых сетей, которые отвечают за расчет основных и резервных путей при быстрой перемаршрутизации трафика данных, чувствительного к таким показателям качества обслуживания как пропускная способность и вероятность потерь пакетов.Предметом дослідження в статті є процеси швидкої перемаршрутизації із захистом рівня якості обслуговування в інфокомунікаційних мережах. Мета роботи – розробка математичної моделі швидкої перемаршрутизації із захистом рівня обслуговування за показниками пропускної здатності та ймовірності втрат пакетів для трафіку даних. В статті вирішуються наступні завдання: розробка та дослідження потокової моделі швидкої перемаршрутизації із захистом рівня якості обслуговування трафіку даних в інфокомунікаційній мережі. Використовуються такі методи: теорія графів, теорія телетрафіка, теорія масового обслуговування та методи математичного програмування. Отримано наступні результати: розроблено та досліджено потокову модель швидкої перемаршрутизації, яка завдяки введеним умовам захисту за показниками пропускної здатності та ймовірності втрат пакетів дозволяє забезпечити рівень якості обслуговування вздовж як основного, так і резервного мультишляхів. Висновки: В рамках запропонованої потокової моделі технологічна задача швидкої перемаршрутизації була сформульована як оптимізаційна з обмеженнями, якими виступали умови реалізації багатошляхової стратегії маршрутизації, умови збереження потоку, умови захисту каналу, вузла та рівня якості обслуговування за показниками пропускної здатності та ймовірності втрат пакетів. Застосування отриманого рішення сприяє оптимальному використанню доступного мережного ресурсу при забезпеченні заданого рівня якості обслуговування за показниками пропускної здатності та ймовірності втрат пакетів вздовж як основних, так і резервних маршрутів при відмовах елементів інфокомунікаційної мережі. Запропонована потокова модель може використовуватися як основа алгоритмічно-програмного забезпечення існуючих маршрутизаторів та/або контролерів програмно-конфігурованих мереж, які відповідають за розрахунок основних і резервних шляхів при швидкій перемаршрутизації трафіку даних, чутливого до таких показників якості обслуговування як пропускна здатність та ймовірність втрат пакетів