Otimização da Função de Roteamento para a Engenharia de Tráfego em Redes IP

This work presents an alternative analysis for the shortest path optimal routing problem and proposes novel heuristic methods to solve it. In practical terms, a solution for the shortest path optimal routing problem determines the link weights that optimizes a computer network operating under standard routing protocols (e.g. OSPF). We based our solution on traffic engineering techniques that respect the OSPF routing model. We considered the main objectives of traffic engineering, such as: load balancing, better use of available resources and capacity to support growing traffic demands. Our proposal presents better results than traditional approaches. Resumo. Esse trabalho apresenta uma abordagem alternativa para o problema do roteamento ótimo de menor caminho e propõe novos algoritmos para a solução do problema. Em termos gerais, uma solução para o roteamento ótimo de menor caminho determina quais são os pesos ideais para os enlaces da rede de forma que protocolos de roteamento tradicionais (p.ex. OSPF) possam otimizar a distribuição do tráfego na rede. Foram considerados os objetivos principais da engenharia de tráfego: balanceamento de carga, otimização do uso dos recursos da rede e tolerância a demandas crescentes de tráfego. Resultados numéricos mostraram um desempenho bastante significativo para os algoritmos propostos. 1. Introdução A engenharia de tráfego abrange a aplicação de tecnologias e princı́pios cientı́ficos de medição, caracterização, modelagem, e controle do tráfego em uma rede de comunicação. O objetivo principal da engenharia de tráfego é otimizar o desempenho da rede por meio de operaçãoes de gerência da capacidade e/ou de gerência do tráfego [Awduche 2002]. A gerência do tráfego inclui funções de controle do tráfego tais como o condicionamento do tráfego e o controle das filas nos roteadores. Por outro lado, a gerência da capacidade inclui o planejamento de capacidade, a alocação dos recursos disponı́veis, e o controle da função de roteamento que é o foco desse trabalho. O protocolo Open Shortest Path First (OSPF)[Moy 1991] é o protocolo de roteamento intradomı́nio mais utilizado na Internet. O protocolo se tornou bastante utilizado Apoiado pelo Instituto Militar de Engenharia e CAPES. por sua confiabilidade, escalabilidade e robustez. O OSPF fundamenta-se no estado do enlace e em algoritmos de menor caminho, tais como Dijkstra e Bellman-Ford. Os nós que fazem parte de um domı́nio OSPF trocam informações que proporcionam a cada nó a implementação de um banco de dados que represente a topologia da rede. O algoritmo de menor caminho é utilizado para construir uma árvore de menor caminho para todos os destinos, levando em conta o estado do enlace e seu peso (configurados pelos administradores da rede). Os fabricantes de roteadores sugerem que o peso atribuı́do a cada enlace deva ser 1/C, onde C é a capacidade de transmissão do enlace de comunicação. Tal acertiva pode ser observada em [Thomas 1998]. Uma das dificuldades centrais do OSPF para a engenharia de tráfego deve-se a utilização do paradigma de encaminhamento baseado no destino. A origem do tráfego não tem controle e nem pode influenciar sobre o procedimento de seleção do caminho, a decisão de roteamento é efetuada em cada roteador. O algoritmo baseado no menor custo seleciona os caminhos mais curtos para preencher a tabela de roteamento. Caso os caminhos mais curtos estejam sobrecarregados, outros caminhos de maior comprimento não serão utilizados mesmo se estiverem subutilizados. Em função das dificuldades encontradas pelo OSPF para a implementação de procedimentos destinados à engenharia de tráfego, outras soluções são comumente adotadas. A tecnologia MPLS [Rosen et al. 2001] vem sendo amplamente difundida como uma das principais ferramentas para atender aos requisitos da engenharia de tráfego [Srinivasan et al. 2004]. Além de muitos atrativos da tecnologia MPLS para essa aplicação, pode-se dizer em termos gerais que o MPLS fornece uma camada orientada à conexão para redes IP, o que facilita o estabelecimento de caminhos alternativos e os procedimentos gerais de roteamento baseado em restrições [Awduche 1999]. Apesar das aparentes vantagens da tecnologia MPLS, a maioria dos provedores de serviços empregam protocolos de roteamento tradicionais em função da experiência legada, da alta confiabilidade, escalabilidade e robustez desse protocolos. Fortz e Thorup em [Fortz and Thorup 2002] estudaram o comportamento dos algoritmos de roteamento tradicionais no desempenho das funções de engenharia de tráfego. Os resultados obtidos mostraram que o desempenho dos algoritmos pode atingir praticamente os mesmos nı́veis do desempenho da tecnologia MPLS caso os algoritmos operem com um conjunto de pesos ideais nos enlaces de comunicação. A determinação dos pesos ideais envolve a solução do problema de roteamento ótimo de menor caminho, no entanto, esse problema é NP-completo [Fortz and Thorup 2000]. A motivação principal para a realização desse trabalho fundamenta-se na investigação de soluções alternativas para o problema do roteamento ótmio de menor caminho, de forma que os protocolos de roteamento legados possam ser empregados com eficiência nas operações de engenharia de tráfego. Nossas propostas são avaliadas de acordo com três aspectos principais: i) distância dos pontos retornados em relação ao ótimo absoluto (roteamento ótimo com bifurcação), ii) melhoria em relação às especificações dos fabricantes, e iii) tempo de execução dos algoritmos. Esse trabalho está organizado da seguinte forma. A Seção 2 descreve as categorias de problemas de roteamento ótimo, incluindo o estudo do problema de determinação do peso ótimo de um único enlace. Tais problemas ajudam a ilustrar e embasar a discussão e o entendimento das restrições impostas pelo problema de roteamento ótimo de menor caminho (problema do roteamento OSPF). A Seção 3 apresenta as propostas de solução para o problema. Os resultados obtidos da implementação das propostas são apresentados na Seção 4 e o trabalho concluı́do na Seção 5. 2. Categorias de Problemas de Roteamento 2.1. Problema Geral do Roteamento Ótimo O problema geral do roteamento ótimo consiste em distribuir o tráfego de cada demanda OD (tráfego total entre um nó Origem e um nó Destino) entre os vários caminhos disponı́veis na rede, de forma a minimizar uma certa função de custo global. Esse problema também é conhecido na literatura como problema do roteamento ótimo com bifurcação. A formulação matemática desse problema pode ser encontrada em várias referências. No entanto, utilizaremos a formulação encontrada em [Bertsekas and Gallager 1992] por ser simplificada: