Model walidacyjny usług sieciowych w sieciach teleinformatycznych Centrów Zarządzania Kryzysowego z wykorzystaniem techniki MPLS 4

Transkrypt

1 Robert Sierzputowski 1, Dariusz Laskowski 2, Piotr Łubkowski 3 Wojskowa Akademia Techniczna Model walidacyjny usług sieciowych w sieciach teleinformatycznych Centrów Zarządzania Kryzysowego z wykorzystaniem techniki MPLS 4 Współczesny człowiek od szeregu już lat funkcjonuje w środowisku zagrożeń, które obejmuje zdarzenia losowe, jak i celowe mogące prowadzić w ostatecznym rozrachunku nawet do zagrożenia życia. Tworzą one zalążek sytuacji kryzysowych. Kryzys jest zjawiskiem specyficznym, objawiającym w końcowym etapie procesu zmianami własności środowiska, obejmującym ogół elementów nieożywionych i ożywionych, zarówno naturalnych jak i powstałych w wyniku działalności człowieka, występujących na określonym obszarze oraz ich wzajemne powiązania, oddziaływania i zależności [1]. Zarządzanie w sytuacji kryzysowej jest systematycznym i przemyślanym działaniem zapobiegającym i zmniejszającym konsekwencje wynikające z wystąpienia destrukcyjnego narażenia. Skuteczność postępowań antykryzysowych zależy od metod kierowania pracą ludzi i zarządzania funkcjonowaniem urządzeń telekomunikacyjnych w Systemie Zarządzania Kryzysem (SZK). Urządzenia telekomunikacyjne zapewniają obieg danych między osobami funkcyjnymi (tj. kierującymi akcją) [2]. Na terytorium Rzeczypospolitej Polskiej funkcjonuje kilkanaście Centrów Zarządzania Kryzysowego (CZK), po jednym dla obszaru każdego województwa. Pod każde z tych centrów podlegają mniejsze centra zwane powiatowymi, gminnymi oraz miejskimi CZK. Instytucje te ściśle współpracują ze sobą, by zapewnić bezpieczeństwo społeczeństwu przed zagrożeniami wywołanymi egzystencją ludności, a także czynnikami naturalnymi. Sytuacje, w których te zagrożenia występują nazywane są sytuacjami kryzysowymi. Są to zdarzenia nieprzewidywalne, dlatego istnieje potrzeba minimalizacji ryzyka wystąpienia sytuacji mogących być zalążkiem kryzysu przez oszacowywanie poziomu prawdopodobieństwa ich wystąpienia. Proces ten opisany jest w metodologicznym katalogu procedur definiujących funkcję i zadania podmiotów administracji rządowej i samorządowej odpowiedzialnych za Zarządzanie Sytuacją Kryzysową (ZSK) [2, 3]. W Polsce integralną częścią systemu kierowania bezpieczeństwem narodowym jest Narodowy System Zarządzania Kryzysowego (NSZK, Rys. 1). Głównym zadaniem NSZK jest utrzymanie wymaganego poziomu gotowości oraz podejmowanie odpowiednich działań organów administracji publicznej związanych z przeciwdziałaniem zagrożeniom kryzysowym w czasie pokoju i wojny. Funkcjonowanie NSZK reguluje warunki bezpieczeństwa narodowego oraz wywiązuje się ze zobowiązań państwa związanych ze wspólną obroną i reagowaniem kryzysowym w ramach członkostwa w Organizacji Traktatu Północnoatlantyckiego NATO (ang. North Atlantic Treaty Organization) i Unii Europejskiej oraz członkostwa w innych organizacjach bezpieczeństwa międzynarodowego. Na potrzeby realizacji zadań NSZK tworzone są wojewódzkie, powiatowe, gminne oraz miejskie centra zarządzania kryzysowego (odpowiednio W/P/G/MCZK), a także kryzysowe punkty kontaktowe (KPK) z zapewnieniem obiegu informacji [2]. Usługi oferowane w NSZK powinny charakteryzować się niezawodnością, bezpieczeństwem i jakością. Krytyczną determinantą w strukturach obiegu informacji jest przepływność (możliwie o największej wartości), opóźnienie i jego zmienność oraz straty danych (minimalizowane). Wysokie wymagania determi- 1 inż. R. Sierzputowski, student, Wojskowa Akademia Techniczna, Wydział Elektroniki, Instytut Telekomunikacji, ul. Gen. S. Kaliskiego 2, Warszawa, r.sierzputowski@gmail.com. 2 dr hab. inż. D. Laskowski, Broker Innowacji, Wojskowa Akademia Techniczna, Wydział Elektroniki, Instytut Telekomunikacji, ul. gen. S. Kaliskiego 2, Warszawa, dlaskowski@wat.edu.pl. 3 dr inż. P. Łubkowski, adiunkt n-d, Wojskowa Akademia Techniczna, Wydział Elektroniki, Instytut Telekomunikacji, ul. gen. S. Kaliskiego 2, Warszawa, dlaskowski@wat.edu.pl. 4 Artykuł recenzowany. 1347

2 nują stosowanie coraz to nowszych techniki i technologii sieciowych oferujących perspektywiczne mechanizmy kolejkowania i buforowania pakietów, sterowania obciążeniem na elementach szkieletowych sieci dla aplikacji czasu rzeczywistego. Przykładem tego rodzaju rozwiązani stosowanego w nowoczesnych środowiskach sieciowych jest technika przełączania etykiet MPLS (ang. Multiprotocol Label Switching). RADA BEZPIECZEŃSTWA NARODOWEGO PREZYDENT PARLAMENT (SEJM, SENAT) BIURO BEZPIECZEŃSTWA NARODOWEGO RADA BEZPIECZEŃSTWA PAŃSTWA (nie istnieje projektowana jako instytucjonalna platforma uzgadniania politycznych i strategicznych decyzji) PARLAMENTARNE KOMISJE ds. OBRONY NARODOWEJ I BEZPIECZEŃSTWA WEWNĘTRZNEGO MINISTER SPRAW WEWNĘTRZNYCH i ADMINISTRACJI SZEF OBRONY CYWILNEJ KRAJU KRAJOWE CENTRUM KOORDYNACJI RATOWNICTWA I OCHRONY LUDNOŚCI RADA MINISTRÓW RZĄDOWY ZESPÓŁ KOORDYNACJI KRYZYSOWEJ (ministrowie i kierownicy właściwych instytucji RZĄDOWE CENTRUM BEZPIECZEŃSTWA (instytucja stała : koordynacja analiza planowanie) służby porządkowo - ochronne i ratownicze POZOSTAŁE RESORTY Zespół kolegialny Stała komórka ds. zarządzania kryzysowego ADMINISTRACJA TERENOWA Zespół kolegialny Stała komórka ds. zarządzania kryzysowego Elementy struktury projektowanej struktury organizowane wg. potrzeb Stanowisko kierowania operacyjnego Stanowisko kierowania operacyjnego Rys. 1. Model Narodowego Systemu Zarządzania Kryzysowego. Źródło: D. Laskowski, M. Wrażeń, Minimalizacja ryzyka w zarządzaniu sytuacją kryzysową przez wspomaganie komputerowe, XXXIX ZNS 2010r. Technika MPLS została opracowana na potrzeby szybko rozwijających się sieci IP (ang. Internet Protocol). Głównym jej założeniem jest zwiększenie poziomu jakości usług sieci IPv4/6, ze szczególnym uwzględnieniem multimedialnych aplikacji czasu rzeczywistego. Nazywany jest potocznie protokołem warstwy 2,5 modelu odniesienia OSI ISO RM (ang. Open Systems Interconnection (OSI) Reference Model), ponieważ jego fundament stanowią zalety warstwy drugiej (wydajność i szybkość) oraz warstwy trzeciej (skalowalność). Dlatego też MPLS pozwala na opracowanie koncepcji elastycznej struktury charakteryzującej się większą efektywnością niż dotychczasowe sieci oraz jest przewidywalna i skalowalna. Domena MPLS LER1 LER2 Rys. 2. Domena MPLS. Źródło: Opracowanie własne. LSR W domenie MPLS transport pakietów danych odbywa się z wykorzystaniem ścieżki LSP (ang. Label Switching Path) tworzonej przez przydzielanie odpowiednich etykiet każdemu odcinkowi trasy między 1348

3 węzłami. Istnieją dwa warianty ścieżek LSP ustalone ścieżki przesyłania danych (ang. control-driven) i ścieżki transportu danych budowane na podstawie detekcji określonego strumienia danych (ang. datadriven). W przypadku pierwszego wariantu, wejściowy router LSR (ang. Label Switching Router) wyszczególnia listę węzłów, przez które wyznaczona zostanie ścieżka LSP - to nie koniecznie jest trasą optymalną, ale wzdłuż niej mogą być zarezerwowane zasoby, spełniające wymagania QoS (ang. Quality of Service) dla przesyłanych danych. W przypadku drugiego wariantu pierwszy LSR wybiera niezależnie następny punkt uwzględniając tylko otrzymaną klasę FEC (ang. Forwarding Equivalence Class) pakietu. Wartości zapisane w etykietach mogą ulegać zmianie na każdym odcinku ścieżki LSP. Na podstawie danych zawartych w etykietach urządzenia pracujące w domenie MPLS decydują, gdzie i w jaki sposób ma być kontynuowane przesyłanie pakietu. A więc etykieta jest dla urządzeń sieciowych adresem zamiast adresów zapisanych w nagłówkach pakietu IP. Każde urządzenie sieci MPLS dokonuje analizy etykiet pakietów przychodzących, gdy zostanie podjęta decyzja o dalszym przeznaczeniu pakietu, modyfikuje wartość etykiety tak, aby kolejne urządzenie na jej podstawie mogło dokonać wyboru dalszej trasy pakietu. Gdy pakiet z daną etykietą dotrze do ostatniego urządzenia stanowiącego koniec trasy (LER - ang. Label Edge Router) etykieta zostaje usunięta, a pakiet danych jest przesyłany dalej [4, 5]. Wyniki badań Do analizy badawczej wykorzystując aplikację symulacyjną OpenSimMPLS opracowano model sieci teleinformatycznej (STI) łączącej WCZK na terenie RP. Model STI jest środowiskiem rozległym z zaimplementowaną techniką MPLS (Rys. 3). Celem badania będzie określenie opóźnień transmisji występujących przy realizacji usług sieciowych z wykorzystaniem techniki MPLS w przypadku uruchomienia systemu zarządzania kryzysowego o zasięgu pomiędzy woj. mazowieckim i woj. podlaskim. Do tego przedsięwzięcia zmodyfikowano i uszczegółowiono architekturę sieciową (Rys. 4) opracowano w pozycji bibliograficznej [4]. Służby mundurowe Służby mundurowe Centrum Zarządzania Kryzysowego Centrum Zarządzania Kryzysowego Wojewody Podlaskiego Wojewody Mazowieckiego Gminne Centrum Zarządzania Kryzysowego gminy Miastkowo Powiatowe Centrum Zarządzania Kryzysowego powiat łomżyński Powiatowe Centrum Zarządzania Kryzysowego powiat ostrołęcki Rys. 3. Uogólniony model symulacyjny sieci teleinformatycznej CZK na obszarze woj. mazowieckiego i podlaskiego. Źródło: Opracowanie własne. STI zawierała ruchome stanowiska dyspozytorskich (RSD), systemy zarządzania i radiowe oraz wykorzystywała IPv4 z mechanizmami integracji dla TETRA (ang. Terrestrial Trunked Radio), GSM/UMTS (ang. Global System for Mobile Communications/Universal Mobile Telecommunications System) i klasycznej telefonii. RSD ulokowane w mobilnym punkcie kierowania dołączone są drogą radiową i pozwalają na zarządzanie grupami użytkowników. Szczegółowej analizie został poddany fragment STI inicjujący połączenie między CZKWP oraz CZKWM. Na obszarze tych CZK znajduję się elektrownia i elektrociepłownia, usytuowane są nad rzeką Narew. Spadek poziomu wody do krytycznych wartości może spowodować poważne uszkodzenia, a także pozbawić ogrzewania większości mieszkańców miasta Ostrołęka. Taka sytuacja miała miejsce w grudniu ubiegłego roku (2014r.). 1349

4 W związku z tym analizowany fragment STI mógłby być wykorzystywany do transmisji informacji pomiędzy województwami i jednocześnie umożliwiłby przeprowadzenia w razie potrzeby w trybie natychmiastowym wyspecjalizowanej wideo konferencji pomiędzy organami administracji publicznej. System monitoringu i pomiarów Centrum monitoringu Centrale IP, Bazy danych : pesel, osobowe, sprzętu, stanu sił i środków i inne Sieci LAN dyspozytorów (FastEthernet) SIEĆ ( IP / MPLS ) GSM/UMTS WLAN (802.11n/ac) TETRA IP Rys. 4. Model struktury Systemu Zarządzania Kryzysowego. Źródło: Bajda A., D. Laskowski, M. Wrażeń, Testowanie mechanizmów realizacji usług w procesie zarządzania sytuacją kryzysową, ZNS Szczyrk 2011r. Fragment ten składa się z elementów sieciowych przydzielonych odpowiednio WCZK woj. podlaskie, PCZK pow. łomżyński, GCZK gm. Miastkowo, PCZK pow. Ostrołęcki, WCZK woj. mazowieckie. Przyjęte parametry odnoście rozmiarów przesyłanych pakietów oraz przepływności łączy dostosowane zostały do realizacji usług o najwyższej możliwej jakości. Symulacje zrealizowano w oparciu o technikę MPLS oraz wykorzystanie protokołu IPv4. Po wykonaniu szeregu symulacji otrzymane wyniki poddano analizie statystycznej, a reprezentatywne wyniki przedstawiono w Tab. 1. i zobrazowano na rysunkach (Rys. 5 i 6). Tab. 1. Wyniki pomiarów. Zestawienie opóźnień transmisji pakietów Jednostka CZK WCZK woj. podlaskie PCZK pow. łomżyński GCZK gm. Miastkowo PCZK pow. Ostrołęcki WCZK woj. mazowieckie Czas odbioru pakietu [ms] Czas wysłania pakietu [ms] IP MPLS IP MPLS opóźnienie odbioru [ms] opóźnienie transmisji [ms] 65, ,2 71,4 6,7 10,8 83,2 72,4 85,1 74,2 10,8 10,9 86,1 75, ,4 10,8 12, ,4 90,9 76,6 12,6 14, ,6 139,9 119,7 14,4 20,2 1350

5 ,2 72,4 86, ,3 76,4 79, , WCZK - woj. podlaskie PCZK - pow. łomżyński GCZK - gm. Miastkowo PCZK - pow. Ostrołęcki WCZK - woj. mazowieckie IP MPLS Rys. 5. Opóźnienie odbioru pakietu. Źródło: Opracowanie własne. Jak można zauważyć na przedstawionych rysunkach (Rys.5. i Rys.6.) technika MPLS prezentuje się znacznie lepiej niż sam protokół IPv4. Opóźnienia na każdym urządzeniu sieciowym są zdecydowanie mniejsze. Gwarantuje to szybszą transmisję danych, a więc poprawia obieg niezbędnych informacji, co jest bardzo istotne przy reagowaniu w sytuacjach kryzysowych. 1351

6 , , ,2 71,4 85, ,9 74,2 75,4 76, WCZK - woj. podlaskie PCZK - pow. łomżyński GCZK - gm. Miastkowo PCZK - pow. Ostrołęcki WCZK - woj. mazowieckie IP MPLS Rys. 6. Opóźnienia transmisji pakietów. Źródło: Opracowanie własne. Podsumowanie Celem niniejszego artykułu było zaprezentowanie techniki MPLS uzyskującej coraz to większe zastosowanie w sieciach teleinformatycznych. Główną jej zaletą jest osiąganie mniejszych wartości opóźnień niż w sieci opartej tylko na protokole IP. Wynika to z faktu wykorzystania etykiet eliminujących potrzebę analizowania całego nagłówka IP. Dodatkowym atutem techniki MPLS jest możliwość wykorzystania mechanizmów wsparcia jakości transmisji danych (QoS). Opracowany model symulacyjny może posłużyć dalszym badaniom techniki MPLS, pod kątem jej przydatności w Systemach Zarządzania Sytuacja Kryzysową w ujęciu kompleksowym dla szerszego grona heterogenicznych urządzeń i mechanizmów dostępowych oraz sterowania ruchem sieciowym. Wykorzystanie danych zebranych na temat sytuacji kryzysowej z grudnia 2014r. na terenach województwa mazowieckiego i podlaskiego pozwoliło opracować urzeczywistniony model symulacyjny i dokonać sprecyzowanego doboru parametrów sieciowych. Wieloaspektowa analiza zdarzeń występujących podczas sytuacji kryzysowych i badania wykazały rosnące potrzeby w zakresie implementowania nowoczesnych mechanizmów, technik i technologii sieciowych, które są w stanie spełnić potrzeby wynikające z terminowego przekazywania danych w ramach obiegu informacji między zasadniczymi osobami funkcyjnymi. Jedną z możliwości udrożnienia newralgicznych relacji jest zastosowanie, oprócz techniki MPLS w szkielecie, systemów komunikacji ruchomej trzeciej UMTS (ang. Universal Mobile Telecommunications System) i czwartej LTE (ang. Long Term Evolution) generacji, które to oferują usługi multimedialne w czasie rzeczywistym. 1352

7 Streszczenie W artykule omówiono model sieci teleinformatycznej gwarantującej realizację usług pomiędzy poszczególnymi Centrami Zarządzania Kryzysowego. Wyniki symulacji stały się podstawą do rekomendacji techniki MPLS, która gwarantuje znacznie szybszą i efektywniejsza transmisję danych w sieciach wewnętrznych Centrum oraz w sieciach rozległych między innymi Centrami Zarządzania Kryzysowego. The validation model of network services in ICT networks of Crisis Management Centers utilizing the MPLS technology Abstract The article discusses the ICT network model that guarantees the delivery of services between crisis management centers. The simulation results became the basis for the recommendation of MPLS technology, which ensures much "faster" and more efficient data transmission in the Centre's internal networks and wide area networks, among others, crisis management centers. LITERATURA / BIBLIOGRAPHY [1]. Dela F., Ogólna koncepcja i założenia ustawodawcze polskiego systemu ratownictwa i zarządzania kryzysowego, Międzynarodowe standardy i dyrektywy UE (dyrektywa 2002/22/EC). [2]. D. Laskowski, M. Wrażeń, Minimalizacja ryzyka w zarządzaniu sytuacją kryzysową przez wspomaganie komputerowe, XXXIX ZNS 2010r. [3]. Bajda A., D. Laskowski, M. Wrażeń, Testowanie mechanizmów realizacji usług w procesie zarządzania sytuacją kryzysową, ZNS Szczyrk 2011r. [4]. R. Sierzputowski, D. Laskowski, Koncepcja środowiska badawczo-dydaktycznego własności techniki MPLS, XII KKSiMPN 2015 [5]. Internetowy Serwis Informacyjny Centrum Zarządzania Kryzysowego, [6]. Energa Elektrownie Ostrołęka S.A.,

8 1354