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Technische Universität München Lehrstuhl für Kommunikationsnetze Prof. Dr.-Ing J. Eberspächer Diplomarbeit Abschlußvortrag Entwicklung und Implementierung.

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Präsentation zum Thema: "Technische Universität München Lehrstuhl für Kommunikationsnetze Prof. Dr.-Ing J. Eberspächer Diplomarbeit Abschlußvortrag Entwicklung und Implementierung."—  Präsentation transkript:

1 Technische Universität München Lehrstuhl für Kommunikationsnetze Prof. Dr.-Ing J. Eberspächer Diplomarbeit Abschlußvortrag Entwicklung und Implementierung von linearen Optimierungsmodellen für Routing- und Kapazitätsplanung in IP-Netzen mit mehreren Verkehrsklassen Daniel Rögelein Betreuer: Dipl.-Ing. (Univ.) Anton Riedl

2 Technische Universität München Lehrstuhl für Kommunikationsnetze Prof. Dr.-Ing J. Eberspächer Daniel Rögelein Diplomarbeit Abschlußvortrag 2 Gliederung Planungsziele Modellierung Implementierung Untersuchungen zur Anwendbarkeit des Modells Zusammenfassung der Ergebnisse der Diplomarbeit Demonstration Netzplanungs-Software OMNI

3 Technische Universität München Lehrstuhl für Kommunikationsnetze Prof. Dr.-Ing J. Eberspächer Daniel Rögelein Diplomarbeit Abschlußvortrag 3 Planungsziele (1) Kapazitäts-Planung: Anpassung der Link-Kapazitäten bei vorgegebenem Routing –Ableiten einer Topologie mit minimalen Kosten –Kapazitäts-Anpassung zur Verminderung der Verzögerung in Netzwerk-Knoten bzw. Einhaltung von Dienstgüte- Anforderungen von Flüssen Routing-Optimierung: Anpassung des Routings von Flüssen bei fixierten Kapazitäten –Minimierte Verzögerung –Lastausgleich durch Minimierung der maximalen Auslastung im Netzkern +Vorteil der Abgrenzung von Kapazitäts- gegenüber Routing- Variabilität: Resultierende Probleme geringerer Komplexität - Nachteil: Starke Einschränkung des Lösungsraumes

4 Technische Universität München Lehrstuhl für Kommunikationsnetze Prof. Dr.-Ing J. Eberspächer Daniel Rögelein Diplomarbeit Abschlußvortrag 4 Planungsziele (2) +Vorteil:Großer Lösungsraum, unter Umständen bessere Ergebnisse als iterative Kapazitäts/Routing-Optimierung - Nachteil:Hohe Komplexität der resultierenden Probleme Erweiterungs-Planung (Kapazitäten und Routing variabel): –Ableiten eines Ergebnisses, welches unter den Gesichtspunkten der Routing-Optimierung sowie Kapazitätsplanung in abzuwägendem Maße optimal ist. Entwicklung eines linearen Optimierungsmodells zur Erweiterungsplanung, welches durch optionale Parametrierung in Untermodelle zur Kapazitäts-Planung bzw. Routing-Optimierung überführt werden kann.

5 Technische Universität München Lehrstuhl für Kommunikationsnetze Prof. Dr.-Ing J. Eberspächer Daniel Rögelein Diplomarbeit Abschlußvortrag 5 Gliederung Planungsziele Modellierung –Abbildung der Topologie –Link-Dimensionierung –Kapazitäts-Partitionierung –Beschreibung von Flüssen nach Fluß-/Pfad-Ansatz –Berechnung der Verzögerung in Netzwerk-Knoten Implementierung Untersuchungen zur Anwendbarkeit des Modells Zusammenfassung der Ergebnisse der Diplomarbeit Demonstration Netzplanungs-Software OMNI

6 Technische Universität München Lehrstuhl für Kommunikationsnetze Prof. Dr.-Ing J. Eberspächer Daniel Rögelein Diplomarbeit Abschlußvortrag 6 Abbildung der Topologie Knoten-Menge, Kanten-Menge Verzögerung eines Links Zugehörigkeit zum Netzkern DA CF EB (A,B) (B,A) (D,G) G (G,D) HI =1 =0 Netzkern Zugangsnetz

7 Technische Universität München Lehrstuhl für Kommunikationsnetze Prof. Dr.-Ing J. Eberspächer Daniel Rögelein Diplomarbeit Abschlußvortrag 7 Link-Dimensionierung (1) Diskretisierung der Kapazitätsstruktur durch Link-Dimensionen

8 Technische Universität München Lehrstuhl für Kommunikationsnetze Prof. Dr.-Ing J. Eberspächer Daniel Rögelein Diplomarbeit Abschlußvortrag 8 Link-Dimensionierung (2) Spezifikation des Bereichs zulässiger Dimensionen pro Link –feste Dimension =3 Rate obere Grenze untere Grenze Rate variable Dimension 1..3 e = Rate obere Grenze = untere Grenze feste Dimension e =3 3 –variable Dimension Variabler Link-Dimensions-Vektor

9 Technische Universität München Lehrstuhl für Kommunikationsnetze Prof. Dr.-Ing J. Eberspächer Daniel Rögelein Diplomarbeit Abschlußvortrag 9 Kapazitäts-Partitionierung Partitionierung der Übertragungsrate pro Link –einfachster Fall: eine Partition, alle Klassen teilen sich gesamte Rate –Reservierung von Kapazität für bestimmte Klassen (Bsp. 2 Partitionen) c2c2 c1c1 c3c3 ={} c2c2 c1c1 c3c3 =x =1-x ={ } } 1,e 2,e e 1,e 2,e c2c2 c1c1 ={ c3c3 } 1,e e =100% 1,e Menge der Verkehrsklassen

10 Technische Universität München Lehrstuhl für Kommunikationsnetze Prof. Dr.-Ing J. Eberspächer Daniel Rögelein Diplomarbeit Abschlußvortrag 10 Darstellung von Verkehrsflüssen (1) Verkehr nach Fluss-Ansatz –Fluss f beschrieben durch Quelle o, Senke d, Klasse c: f =(o,d,c) –Datenrate des Flusses: ; maximaler Delay –Beispiel: f =(A,G,c 3 ) CF E f f –Berechnung, Darstellung der Route anhand binärer Flussmatrix unter Einhaltung von Quell-,innerem,Senken-Gleichgewicht. B AGD =1 f,(A,B) =0 f,(A,D) =0 f,(A,C)

11 Technische Universität München Lehrstuhl für Kommunikationsnetze Prof. Dr.-Ing J. Eberspächer Daniel Rögelein Diplomarbeit Abschlußvortrag 11 Darstellung von Verkehrsflüssen (2) Verkehr nach Pfad-Ansatz –Beispiel: Fluss p =(A,G,c 3 ) –Rate, maximaler Delay pp –Aufteilung der Rate auf Pfadalternativen … –Angabe von (statischen) Pfadalternativen C –… unter Randbedingung der Flusskonservierung A =(1/4) 1,p =(1/2) 2,p BE GD =(1/4) 3,p F Flußkonser- vierung: =1

12 Technische Universität München Lehrstuhl für Kommunikationsnetze Prof. Dr.-Ing J. Eberspächer Daniel Rögelein Diplomarbeit Abschlußvortrag 12 Berechnung der Verzögerung in Netzwerkknoten Routing Wartesysteme Ein Wartesystem pro abgehendem Link Kenntnis der internen Struktur von Vermittlungsknoten erforderlich

13 Technische Universität München Lehrstuhl für Kommunikationsnetze Prof. Dr.-Ing J. Eberspächer Daniel Rögelein Diplomarbeit Abschlußvortrag 13 R Kapazität eines abgehenden Links r Datenrate auf abgehendem Link ρ = r / R Auslastung des abgehenden Links MTU Maximale Paketgröße (worst case) =Mittlere Wartezeit der Pakete Größen des M/D/1-Paket-Wartesystems ~ ~ ~ ~ ~ 1

14 Technische Universität München Lehrstuhl für Kommunikationsnetze Prof. Dr.-Ing J. Eberspächer Daniel Rögelein Diplomarbeit Abschlußvortrag 14 Lineare Approximation der Wartezeit-Funktion 0,40, ,60,2 ρ max Exakter Wert > T 0 ( ) > T 1 ( ) > T 2 ( ) > T 3 ( ) Randbedingungen Approximierter Wert

15 Technische Universität München Lehrstuhl für Kommunikationsnetze Prof. Dr.-Ing J. Eberspächer Daniel Rögelein Diplomarbeit Abschlußvortrag 15 Unterstützung von Verkehrs-Priorisierung Unterstützung von Verkehrs-Priorisierung: Für die Berechnung der Wartezeit ist nur der queuing-relevante Verkehr von Bedeutung: c 1 - relevant c 2 - relevant c 3 - relevant c 1 - relevant c 2 - relevant c 3 - relevant Partition 1 Partition 2 c1,c2,c3- relevant c 1,c 2 - relevant c 3 - relevant Ohne Priorisierung Mit Priorisierung c2c2 c1c1 c3c3 Ordnungsrelation: < < =0 =1

16 Technische Universität München Lehrstuhl für Kommunikationsnetze Prof. Dr.-Ing J. Eberspächer Daniel Rögelein Diplomarbeit Abschlußvortrag 16 Bestandteile der Gesamtverzögerung von Flüssen Die Gesamtverzögerung eines Flusses setzt sich aus Anteilen in Netzwerk-Knoten sowie auf Links zusammen: A D CB c1c1 (A,B),c 1 (B,C),c 1 Beim Pfad-Ansatz werden nur verwendete Pfadalternativen berücksichtigt (auf Links) (in Knoten)

17 Technische Universität München Lehrstuhl für Kommunikationsnetze Prof. Dr.-Ing J. Eberspächer Daniel Rögelein Diplomarbeit Abschlußvortrag 17 Gliederung Planungsziele Modellierung Implementierung –AMPL –Netzplanungs-Software OMNI Untersuchungen zur Anwendbarkeit des Modells Zusammenfassung der Ergebnisse der Diplomarbeit Demonstration Netzplanungs-Software OMNI

18 Technische Universität München Lehrstuhl für Kommunikationsnetze Prof. Dr.-Ing J. Eberspächer Daniel Rögelein Diplomarbeit Abschlußvortrag 18 AMPL-Implementierung Datensatz Pre-Solver Solver Ableitung des LGS Ableitung von Randbedingungen, Zielfunktion AMPL Benutzer Optionen *.mod- Datei *.dat- Datei Konkretes Optimierungsproblem (Topologie, Fluß-Datensatz, TE-Disziplin und Optimierungsziel) wird in *.dat- Datei hinterlegt. Modell Interpretation der Zustands- variablen AMPL liefert gutes Feedback bei der Modell-Entwicklung

19 Technische Universität München Lehrstuhl für Kommunikationsnetze Prof. Dr.-Ing J. Eberspächer Daniel Rögelein Diplomarbeit Abschlußvortrag 19 Software-Implementierung OMNI GUI Interpretation der Zustands- variablen GUI Optionen Datensatz Visualisierung Modell Ableitung des LGS Ableitung von Randbedingungen, Zielfunktion Concert Technology Pre-Solver Solver OMNI Topologie *.top Flüsse *.flow Kap. Kost. *.cost Demonstration

20 Technische Universität München Lehrstuhl für Kommunikationsnetze Prof. Dr.-Ing J. Eberspächer Daniel Rögelein Diplomarbeit Abschlußvortrag 20 Gliederung 1.Planungsziele 2.Modellierung 3.Implementierung 4.Untersuchungen zur Anwendbarkeit des Modells Lastausgleich bei Routing-Optimierung Linkkosten-Minimierung bei Erweiterungsplanung Lastausgleich bei Erweiterungsplanung 5.Zusammenfassung der Ergebnisse der Diplomarbeit 6.Demonstration Netzplanungs-Software OMNI

21 Technische Universität München Lehrstuhl für Kommunikationsnetze Prof. Dr.-Ing J. Eberspächer Daniel Rögelein Diplomarbeit Abschlußvortrag 21 Lastausgleich bei Routing-Optimierung (1) Bereits bei maximal 4 gleichzeitig verwandten kantendisjunkten Pfadalternativen wird optimales Ergebnis gemäß LP Fluß-Ansatz erreicht. Topologie bird, 100 Knoten, 1026 Links, 500 Flüsse Shortest Path Routing, längen- proportionale Kantengewichte

22 Technische Universität München Lehrstuhl für Kommunikationsnetze Prof. Dr.-Ing J. Eberspächer Daniel Rögelein Diplomarbeit Abschlußvortrag 22 Lastausgleich bei Routing-Optimierung (2) Die Ableitung des optimalen Ergebnisses bei 4 Pfadalternativen erfolgt 25 mal schneller als beim LP-Fluß-Ansatz Topologie bird, 100 Knoten, 1026 Links, 500 Flüsse

23 Technische Universität München Lehrstuhl für Kommunikationsnetze Prof. Dr.-Ing J. Eberspächer Daniel Rögelein Diplomarbeit Abschlußvortrag 23 Linkkosten-Minimierung bei Erweiterungsplanung Topologie corse, 20 Knoten, 74 Links, 58 Flüsse Rechenzeit der Optimierung: Anzahl Kapazitäten Ansatz /2 Std.4 Min. 8 Sek.4 Sek.5 Sek. 432 F P / F P Linkkosten-Summe Pfad-Ansatz schneller, aber 40%-50% schlechteres Ergebnis F: Fluß-Ansatz P:Pfad-Ansatz, kantendisjunkte Pfade Routing nach:

24 Technische Universität München Lehrstuhl für Kommunikationsnetze Prof. Dr.-Ing J. Eberspächer Daniel Rögelein Diplomarbeit Abschlußvortrag 24 Lastausgleich bei Erweiterungsplanung (1) Lastausgleich kann bei variablen Kapazitäten nicht durch Minimierung der maximalen Auslastung erfolgen. Alternativ:Trade-Off der Gesamtverzögerung in Netzwerk-Knoten gegenüber der Gesamtkosten der Topologie Als Vergleichswert: Wiederholter Lastausgleich bei Routing-Optimierung gefolgt von Link-Kosten- Minimierung bei Kapazitäts-Planung (Heuristik zur Ableitung eines Referenzwertes)

25 Technische Universität München Lehrstuhl für Kommunikationsnetze Prof. Dr.-Ing J. Eberspächer Daniel Rögelein Diplomarbeit Abschlußvortrag 25 Lastausgleich bei Erweiterungsplanung (2) Topologie corse, 20 Knoten, 74 Links, 4 Kapazitäten, 6 Flüsse

26 Technische Universität München Lehrstuhl für Kommunikationsnetze Prof. Dr.-Ing J. Eberspächer Daniel Rögelein Diplomarbeit Abschlußvortrag 26 Lastausgleich bei Erweiterungsplanung (3) Topologie corse, 20 Knoten, 74 Links, 4 Kapazitäten, 6 Flüsse

27 Technische Universität München Lehrstuhl für Kommunikationsnetze Prof. Dr.-Ing J. Eberspächer Daniel Rögelein Diplomarbeit Abschlußvortrag 27 Gliederung Planungsziele Modellierung Implementierung Untersuchungen zur Anwendbarkeit des Modells Zusammenfassung der Ergebnisse der Diplomarbeit Demonstration Netzplanungs-Software OMNI

28 Technische Universität München Lehrstuhl für Kommunikationsnetze Prof. Dr.-Ing J. Eberspächer Daniel Rögelein Diplomarbeit Abschlußvortrag 28 Zusammenfassung der Ergebnisse der Diplomarbeit Entwicklung eines linearen Optimierungsmodells für –Kapazitätsplanung –Routing-Optimierung –Erweiterungsplanung Implementierungen des Modells in Modellierungssprache AMPL und Netzplanungs- Werkzeug OMNI mit Hilfe von LEDA- /Concert Technology- Bibliotheken Untersuchungen zur Anwendbarkeit des Modells

29 Technische Universität München Lehrstuhl für Kommunikationsnetze Prof. Dr.-Ing J. Eberspächer Daniel Rögelein Diplomarbeit Abschlußvortrag 29 Demonstration Demonstration der Netzplanungs-Software OMNI


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