Лемешко Олександр Віталійович, Круглова Анастасія Олексіївна, Журавльова Ганна Станіславівна, Лемешко Валентин Олександрович

Вдосконалена модель балансування навантаження в інфокомунікаційній мережі

У роботі запропоновано вдосконалену математичну модель балансування навантаження в інфокомунікаційній мережі (ІКМ), яка відповідає принципам концепції Traffic Engineering (TE). Модель математично формалізує випадок побудови ІКМ, коли кожна мережа доступу для підвищення відмовостійкості комутується одночасно не до одного, а до декількох приграничних маршрутизаторів. Тому пропонується покращити рівень балансування навантаження в ІКМ за критерієм TE шляхом забезпечення розподілу трафіка на рівні доступу між декількома приграничними маршрутизаторами, які створюють віртуальний шлюз за замовчуванням. Запропонована математична модель ґрунтується на умовах реалізації одно або багатошляхової маршрутизації; балансування навантаження на рівні доступу; збереження потоку на рівні доступу та самої мережі; запобігання перевантаження каналів зв’язку, які фактично виступають умовами балансування навантаження в ІКМ. В межах запропонованої моделі задача балансування навантаження в ІКМ сформульована як оптимізаційна задача змішаного цілочисельного лінійного програмування. Результати проведеного дослідження підтвердили ефективність запропонованого рішення. Забезпечення погодженого балансування навантаження як на рівні доступу, так і рівні ІКМ взагалі дозволило підвищити продуктивність мережі на 25,45% у порівнянні з рішенням, що базувалось на багатошляховій маршрутизації, але без балансування на рівні доступу, та у 2,76 разів у порівнянні з моделлю, при якій балансування навантаження в ІКМ було відсутнє. В межах доступного для кожної з порівнюваних моделей навантаження використання запропонованого рішення дозволило знизити верхній поріг завантаженості каналів зв’язку мережі у середньому від 20 до 60%. Зниження верхнього порогу завантаженості каналів зв’язку позитивно впливає на кількісні значення основних показників якості обслуговування – середньої міжкінцевої затримки, джитеру та ймовірності втрат пакетів.

Ключові слова: мережа, маршрутизація, балансування, навантаження, оптимізація

Lemeshko Oleksandr, Kruhlova Anastasiia, Zhuravlova Anna, Lemeshko Valentyn

Improved Model of Load Balancing in the Infocommunication Network

The paper proposes an improved mathematical model of load balancing in the infocommunication network (ICN), corresponding to the Traffic Engineering (TE) concept principles. The model mathematically formalizes the case of ICN construction when each access network is switched simultaneously to not one but to several border routers to increase fault tolerance. Therefore, it is proposed to improve the load balancing level in the ICN according to the TE criterion by ensuring the distribution of traffic at the access level between several border routers that create a default virtual gateway. The proposed mathematical model is based on the conditions of implementation of single or multipath routing; load balancing at the access level; flow conservation at the access level and the network itself; overload prevention of communication links, which act as conditions for load balancing in ICN. Within the proposed model, the load balancing task in ICN is formulated as an optimization problem of mixed-integer linear programming. The results of the study confirmed the effectiveness of the proposed solution. Ensuring coordinated load balancing at both access and core network levels, in general, has increased network performance by 25.45% compared to a solution based on multipath routing, but without access level balancing, and 2.76 times compared to the model in which load balancing in the ICN was absent. Within the available load for each of the compared models, the use of the proposed solution allowed to reduce the upper bound of the network links utilization by an average from 20% to 60%. Lowering the upper bound of the network links utilization positively affects the quantitative values of the main Quality of Service indicators – the average end-to-end delay, jitter, and packet loss probability.

Keywords: network, routing, balancing, load, optimization