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Technische Universität München Lehrstuhl für Kommunikationsnetze Prof. Dr.-Ing. J. Eberspächer Interdisziplinäres Projekt Abschlussvortrag Bandwidth Consumption.

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Präsentation zum Thema: "Technische Universität München Lehrstuhl für Kommunikationsnetze Prof. Dr.-Ing. J. Eberspächer Interdisziplinäres Projekt Abschlussvortrag Bandwidth Consumption."—  Präsentation transkript:

1 Technische Universität München Lehrstuhl für Kommunikationsnetze Prof. Dr.-Ing. J. Eberspächer Interdisziplinäres Projekt Abschlussvortrag Bandwidth Consumption of Multi-Path Resilience Concepts Wolfgang Mühlbauer / Matthias Wimmer muehlbaw@in.tum.de / m@tthias.net Betreuer: Claus Gruber

2 Technische Universität München Lehrstuhl für Kommunikationsnetze Prof. Dr.-Ing. J. Eberspächer Wolfgang Mühlbauer / Matthias Wimmer Interdisziplinäres Projekt Abschlussvortrag 2 Inhalt Motivation Grundlagen –Konzepte für Ausfallsicherheit –Mehrwege-Erweiterungen –Freigabe der Verbindungsstümpfe Implementierung –Übersicht –Modellierung der Graphen –Aufbau der Nebenbedingungen –Baukastenprinzip –Probleme Ergebnisse –Auswirkungen der Pfadbegrenzung –Vergleich der Ausfallsicherheitskonzepte –Einfluss der Mehrwege-Erweiterungen –Nebeneinanderstellung der Zielfunktionen –Zusammenfassung

3 Technische Universität München Lehrstuhl für Kommunikationsnetze Prof. Dr.-Ing. J. Eberspächer Wolfgang Mühlbauer / Matthias Wimmer Interdisziplinäres Projekt Abschlussvortrag 3 Motivation für Ausfallsicherheit Flughafen Hauptbahnhof Zwei Wege vom Hauptbahnhof zum Flughafen: Jeweils 40 Minuten Fahrzeit

4 Technische Universität München Lehrstuhl für Kommunikationsnetze Prof. Dr.-Ing. J. Eberspächer Wolfgang Mühlbauer / Matthias Wimmer Interdisziplinäres Projekt Abschlussvortrag 4 Konzepte für Ausfallsicherheit: Ansätze Bei Ausfallsicherheit in Datennetzen unterscheidet man zwischen drei Ansätzen: –Protection: Die Fehlerszenarien sind vorausberechnet und die Ausweichpfade sind im Netz vorkonfiguriert. –Restoration: Die Fehlerszenarien sind vorausberechnet, die Ausweichpfade werden aber erst im Bedarfsfall im Netz eingestellt. –Rerouting: Erst im Fehlerfall wird für die betroffenen Pfade ein neuer Weg gesucht. Es ist nicht garantiert, dass ein solcher gefunden wird.

5 Technische Universität München Lehrstuhl für Kommunikationsnetze Prof. Dr.-Ing. J. Eberspächer Wolfgang Mühlbauer / Matthias Wimmer Interdisziplinäres Projekt Abschlussvortrag 5 Konzepte für Ausfallsicherheit: 1+1 Path Protection 01101 11101

6 Technische Universität München Lehrstuhl für Kommunikationsnetze Prof. Dr.-Ing. J. Eberspächer Wolfgang Mühlbauer / Matthias Wimmer Interdisziplinäres Projekt Abschlussvortrag 6 Konzepte für Ausfallsicherheit: 1:1 Path Protection 01101 11101 Nimm den anderen Pfad! 10001

7 Technische Universität München Lehrstuhl für Kommunikationsnetze Prof. Dr.-Ing. J. Eberspächer Wolfgang Mühlbauer / Matthias Wimmer Interdisziplinäres Projekt Abschlussvortrag 7 Konzepte für Ausfallsicherheit: 1:N Path Protection 01101 00001 11111 Nimm den anderen Pfad! 11000

8 Technische Universität München Lehrstuhl für Kommunikationsnetze Prof. Dr.-Ing. J. Eberspächer Wolfgang Mühlbauer / Matthias Wimmer Interdisziplinäres Projekt Abschlussvortrag 8 Konzepte für Ausfallsicherheit: Haskin 01101 11001

9 Technische Universität München Lehrstuhl für Kommunikationsnetze Prof. Dr.-Ing. J. Eberspächer Wolfgang Mühlbauer / Matthias Wimmer Interdisziplinäres Projekt Abschlussvortrag 9 Konzepte für Ausfallsicherheit: Link Protection 01101 00000

10 Technische Universität München Lehrstuhl für Kommunikationsnetze Prof. Dr.-Ing. J. Eberspächer Wolfgang Mühlbauer / Matthias Wimmer Interdisziplinäres Projekt Abschlussvortrag 10 Konzepte für Ausfallsicherheit: Local-to-Egress 01101 11100

11 Technische Universität München Lehrstuhl für Kommunikationsnetze Prof. Dr.-Ing. J. Eberspächer Wolfgang Mühlbauer / Matthias Wimmer Interdisziplinäres Projekt Abschlussvortrag 11 Konzepte für Ausfallsicherheit: Regional Protection 01101 Region 1Region 2 10001 Nimm den anderen Pfad! 01111

12 Technische Universität München Lehrstuhl für Kommunikationsnetze Prof. Dr.-Ing. J. Eberspächer Wolfgang Mühlbauer / Matthias Wimmer Interdisziplinäres Projekt Abschlussvortrag 12 Konzepte für Ausfallsicherheit: Ring-Protection 11111 01110

13 Technische Universität München Lehrstuhl für Kommunikationsnetze Prof. Dr.-Ing. J. Eberspächer Wolfgang Mühlbauer / Matthias Wimmer Interdisziplinäres Projekt Abschlussvortrag 13 Konzepte für Ausfallsicherheit: p-Cycles

14 Technische Universität München Lehrstuhl für Kommunikationsnetze Prof. Dr.-Ing. J. Eberspächer Wolfgang Mühlbauer / Matthias Wimmer Interdisziplinäres Projekt Abschlussvortrag 14 Mehrwege-Erweiterungen (Multi-Working-Path) 100 200? 100

15 Technische Universität München Lehrstuhl für Kommunikationsnetze Prof. Dr.-Ing. J. Eberspächer Wolfgang Mühlbauer / Matthias Wimmer Interdisziplinäres Projekt Abschlussvortrag 15 Mehrwege-Erweiterungen (Multi-Protection-Path) 50 100 50 100 50

16 Technische Universität München Lehrstuhl für Kommunikationsnetze Prof. Dr.-Ing. J. Eberspächer Wolfgang Mühlbauer / Matthias Wimmer Interdisziplinäres Projekt Abschlussvortrag 16 Freigabe der Verbindungsstümpfe 100

17 Technische Universität München Lehrstuhl für Kommunikationsnetze Prof. Dr.-Ing. J. Eberspächer Wolfgang Mühlbauer / Matthias Wimmer Interdisziplinäres Projekt Abschlussvortrag 17 Implementierung - Übersicht Relationenmodell GRAPH Library Repräsentation von Eingabe und Ausgabe Resilience Verfahren Zentrale Ablaufsteuerung Linearer Optimierer CPLEX/Concert Bedingungen (Constraints)

18 Technische Universität München Lehrstuhl für Kommunikationsnetze Prof. Dr.-Ing. J. Eberspächer Wolfgang Mühlbauer / Matthias Wimmer Interdisziplinäres Projekt Abschlussvortrag 18 Implementierung – Repräsentation von Graphen Eingabe: 2 GML Dateien –Physical Network –Demand Graph Ausgabe: 4 GML Dateien –Physical Network –Demand Graph –Working Graph –Protection Graph Verknüpfung der Graphen durch Setzen von Relationen (siehe Beispiel)

19 Technische Universität München Lehrstuhl für Kommunikationsnetze Prof. Dr.-Ing. J. Eberspächer Wolfgang Mühlbauer / Matthias Wimmer Interdisziplinäres Projekt Abschlussvortrag 19 Implementierung – Repräsentation von Graphen Demand GraphPhysical Network Working Graph Protection Graph

20 Technische Universität München Lehrstuhl für Kommunikationsnetze Prof. Dr.-Ing. J. Eberspächer Wolfgang Mühlbauer / Matthias Wimmer Interdisziplinäres Projekt Abschlussvortrag 20 Implementierung – CPLEX Optimierung der Bandbreite mit CPLEX (version 7.5) Zugriff auf CPLEX mittels Concert Solver (Optimierer) Modell VariablenConstraintsZielfunktion Abbildung: Komponenten für den Solver

21 Technische Universität München Lehrstuhl für Kommunikationsnetze Prof. Dr.-Ing. J. Eberspächer Wolfgang Mühlbauer / Matthias Wimmer Interdisziplinäres Projekt Abschlussvortrag 21 Implementierung - CPLEX Variablen Variablen des Optimierers muss eine Bedeutung zugeordnet werden! (z.B. Working Pfad, Protection Pfad) Protection Einheiten Kreise Working Pfade Identifikation von Variablen (Auszug) Träger von Kapazitäten: Pfade PathPair PathPairForErrorEdge RerouteProtectionKey RingProtectionKey

22 Technische Universität München Lehrstuhl für Kommunikationsnetze Prof. Dr.-Ing. J. Eberspächer Wolfgang Mühlbauer / Matthias Wimmer Interdisziplinäres Projekt Abschlussvortrag 22 Implementierung – CPLEX Variablen Semantisch zusammengehörige Variablen werden in gemein- samer Klasse verwaltet (z.B. alle möglichen Working Pfade). Allgemeine Formulierung von Constraints möglich Speichert ausgewählte relevante Variablen erlaubt einfaches Iterieren durch die relevanten Variablen Vorteil: Klasse CplexVariable Attribute: allVariables (map) Methoden: operator[] addVariables(...) Iterator

23 Technische Universität München Lehrstuhl für Kommunikationsnetze Prof. Dr.-Ing. J. Eberspächer Wolfgang Mühlbauer / Matthias Wimmer Interdisziplinäres Projekt Abschlussvortrag 23 Implementierung – CPLEX Constraints Constraint 1 Realisierung der Constraints Constraint {abstract} addYourself() Constraint nConstraint m …… Ziel: Constraints sollen universell einsetzbar sein. Constraints "fügen sich selbst dem Modell hinzu".

24 Technische Universität München Lehrstuhl für Kommunikationsnetze Prof. Dr.-Ing. J. Eberspächer Wolfgang Mühlbauer / Matthias Wimmer Interdisziplinäres Projekt Abschlussvortrag 24 Implementierung – Aufbau eines CPLEX Modells Constraint 1 Ablauf der Erzeugung eines CPLEX Modells Network Calculator (verwaltet die Resilience Klassen) Constraint nConstraint m …… Resilience Klasse (Liste aller Constraints) Aktueller Schritt: Network Calculator erzeugen: Alle CPLEX Para- meter werden initialisiert. Dem Network Calculator die neu angelegte Resilience Klasse hinzufügen. Resilience Klasse erzeugen: Alle relevanten CPLEX Variablen und Constraints erzeugen. Berechnung im Network Calculator starten: Hinzufügen der Constraints aller Resilience Klassen und der Zielfunktion

25 Technische Universität München Lehrstuhl für Kommunikationsnetze Prof. Dr.-Ing. J. Eberspächer Wolfgang Mühlbauer / Matthias Wimmer Interdisziplinäres Projekt Abschlussvortrag 25 Implementierung – Resilience Klassen Problem: Unterstützung verschiedener Resilience- Verfahren und Multipath-Erweiterungen erfordert Vielzahl an Resilience Klassen Lösung: Wiederverwendung und Vererbung Multipath Klassen (Dedicated) Vererbungshierarchie der Resilience Klassen (Grundidee) CplexResilienceStrategy Multipath Klassen (Shared) Konkrete Klassen zentrale Klasse: Berechnet z.B. relevante Working Pfade enthalten zusätzlich Variablen für ge- teilte (Protection) Kantenkapazitäten Spezielle Constraints für das gewählte Resilience Verfahren Constraints und Variablen für die gewählte Multipath Variante

26 Technische Universität München Lehrstuhl für Kommunikationsnetze Prof. Dr.-Ing. J. Eberspächer Wolfgang Mühlbauer / Matthias Wimmer Interdisziplinäres Projekt Abschlussvortrag 26 Implementierung - Zielfunktionen Zielfunktion ist Bestandteil des Network Calculators Implementierung der abstrakten Methode addTargetFunction() in Unterklassen von CplexNetworkCalculator Zukünftige Erweiterbarkeit Mögliche Minimierungsziele: Minimale Gesamtkapazität Minimale Working Kapazität Minimales maximales Kantenauslastungsverhältnis

27 Technische Universität München Lehrstuhl für Kommunikationsnetze Prof. Dr.-Ing. J. Eberspächer Wolfgang Mühlbauer / Matthias Wimmer Interdisziplinäres Projekt Abschlussvortrag 27 Implementierung - Modularität Mehrere Resilience Verfahren Modularität/Vielfältigkeit bezüglich: Resilience Verfahren Zielfunktion Multipath Variante 1+1, 1:N, Haskin, Local-To-Egress, Link, Regional, Rerouting with and without Stub-Release, Ring, pCycle Mehrere Working Pfade je Demand Mehrere Protection Pfade je Working Pfad Beliebige und gleiche Kapazitätsverteilung Verschiedene Optimierungsmöglichkeiten Verwendung unterschiedlicher Resilience Verfahren für jeden einzelnen Demand Graphen (falls mehrere Demand Graphen zu einem Physical Network existieren)

28 Technische Universität München Lehrstuhl für Kommunikationsnetze Prof. Dr.-Ing. J. Eberspächer Wolfgang Mühlbauer / Matthias Wimmer Interdisziplinäres Projekt Abschlussvortrag 28 Implementierung – Probleme mit dem Speicherbedarf COST 239 Netzwerk Folge: ca. 472MiB benötigt, um alle Pfadpaare im Speicher zu halten (geschätzter Wert) # Knoten11 # Kanten52 # Pfade pro Demand923 bis 1760 # Disjunkte Pfadpaare pro Demandca. 250000 bis 500000 Abhilfe durch Reduzierung der verwendeten Pfade: Einführung einer Schranke für die maximale Pfadlänge Nur Verwendung der kürzesten Pfade je Pfadpaar

29 Technische Universität München Lehrstuhl für Kommunikationsnetze Prof. Dr.-Ing. J. Eberspächer Wolfgang Mühlbauer / Matthias Wimmer Interdisziplinäres Projekt Abschlussvortrag 29 Das COST-239-Netz 11 Knoten 2 x 26 Kanten 923 bis 1760 Pfade pro Knotenpaar ¼ bis ½ Million disjunkte Pfadpaare pro Knotenpaar 2 x 110 Demands Kopenhagen Berlin Wien Milan Paris Prag Amsterdam Luxemburg Brüssel London Zürich

30 Technische Universität München Lehrstuhl für Kommunikationsnetze Prof. Dr.-Ing. J. Eberspächer Wolfgang Mühlbauer / Matthias Wimmer Interdisziplinäres Projekt Abschlussvortrag 30 Auswirkungen der Pfadbegrenzung an COST 239 Pfade/KnotenpaarBenutzte KapazitätZeitverbrauch 101.649,12 Gib/s< 1 Minute 201.621,15 Gib/s13 Minuten 301.613,40 Gib/s47 Minuten 401.612,85 Gib/s1 Stunde 24 Minuten 501.612,65 Gib/s3 Stunden 2 Minuten 601.612,65 Gib/s4 Stunden 1 Minute 701.612,65 Gib/s7 Stunden 1 Minute 801.612,65 Gib/s 901.612,65 Gib/s 1001.612,65 Gib/s 1051.612,65 Gib/s Berechnungen am COST-Netzwerk, 1:N Protection, Multipath-Routing erlaubt.

31 Technische Universität München Lehrstuhl für Kommunikationsnetze Prof. Dr.-Ing. J. Eberspächer Wolfgang Mühlbauer / Matthias Wimmer Interdisziplinäres Projekt Abschlussvortrag 31 Vergleich der Ausfallsicherheitskonzepte an COST 239 KonzeptWorking- Pfade Protection- resources Working Kapazität Gesamt- kapazität 1+1 ProtectionEs existiert hierfür keine Lösung 1:N Protection1366131.279,391.612,65 HaskinEs existiert hierfür keine Lösung Link Protection1335971.272,971.743,67 Local-To- Egress 1386511.270,271.719,64 Regional Protection 1337641.279,391.612,65 Rerouting mit Stub-Release 1368081.279,391.612,65 Rerouting ohne Stub-Release 1398501.279,391.612,65

32 Technische Universität München Lehrstuhl für Kommunikationsnetze Prof. Dr.-Ing. J. Eberspächer Wolfgang Mühlbauer / Matthias Wimmer Interdisziplinäres Projekt Abschlussvortrag 32 Wandlung Link-Protection nach 1:N Protection

33 Technische Universität München Lehrstuhl für Kommunikationsnetze Prof. Dr.-Ing. J. Eberspächer Wolfgang Mühlbauer / Matthias Wimmer Interdisziplinäres Projekt Abschlussvortrag 33 Vergleich der Ausfallsicherheitskonzepte an COST 239 KonzeptWorking- pfade Protection -resources Working Kapazität Gesamt- kapazität 1+1 Protection1101161.535,003.142,50 1:N Protection1364551.277,461.582,93 Haskin1284921.267,501.773,44 Link Protection1296461.272,501.692,25 Local-To- Egress 1235651.272,501.679,78 Regional Protection 1346431.277,691.582,92 Rerouting mit Stub-Release 1376681.277,691.582,92 Rerouting ohne Stub-Release 1406871.277,691.582,92

34 Technische Universität München Lehrstuhl für Kommunikationsnetze Prof. Dr.-Ing. J. Eberspächer Wolfgang Mühlbauer / Matthias Wimmer Interdisziplinäres Projekt Abschlussvortrag 34 Das WMW-Netz Selbst erstelltes Netz 9 Knoten 2 x 12 Kanten 7 bis 12 Pfade pro Knotenpaar 72 Demands

35 Technische Universität München Lehrstuhl für Kommunikationsnetze Prof. Dr.-Ing. J. Eberspächer Wolfgang Mühlbauer / Matthias Wimmer Interdisziplinäres Projekt Abschlussvortrag 35 Vergleich der Ausfallsicherheitskonzepte an WMW KonzeptWorking- pfade Protection -resources Working Kapazität Gesamt- kapazität 1+1 Protection72 783,621.466,96 1:N Protection90129564,74867,73 Haskin7989564,741.009,96 Link ProtectionEs existiert hierfür keine Lösung Local-To- Egress Es existiert hierfür keine Lösung Regional Protection 95307564,74867,76 Rerouting mit Stub-Release 94272564,74867,76 Rerouting ohne Stub-Release 94284564,74867,76

36 Technische Universität München Lehrstuhl für Kommunikationsnetze Prof. Dr.-Ing. J. Eberspächer Wolfgang Mühlbauer / Matthias Wimmer Interdisziplinäres Projekt Abschlussvortrag 36 Kapazitätsrelationen zwischen den Konzepten 1+1 = 1:1 Haskin Link Protection 1:1 = Reroute ohne Stub-Release Regional Prot. Rerout mit Stub-Release Link Protection Local-to-Egress Protection Ring Protection P-Cycle Protection

37 Technische Universität München Lehrstuhl für Kommunikationsnetze Prof. Dr.-Ing. J. Eberspächer Wolfgang Mühlbauer / Matthias Wimmer Interdisziplinäres Projekt Abschlussvortrag 37 Ergebnisse – Mehrwege-Erweiterungen Erlaubte Zahl von Working Pfaden Working- pfade Protection -resources Working Kapazität Gesamt- kapazität beliebig viele1374921276,851586,29 31344921276,851586,29 21344831276,851586,29 11103271272,501602,92 COST 239 Netzwerk mit je 200 Gib/s Kantenkapaztiät

38 Technische Universität München Lehrstuhl für Kommunikationsnetze Prof. Dr.-Ing. J. Eberspächer Wolfgang Mühlbauer / Matthias Wimmer Interdisziplinäres Projekt Abschlussvortrag 38 Ergebnisse – gleiche und beliebige Kapazitätsaufteilung Erlaubte Zahl von Working Pfaden Gesamtkapazität (Beliebige Aufteilung) Gesamtkapazität (Gleiche Aufteilung) Beliebig1586,291588,44 31586,291588,47 21586,291588,52 11604,92- COST 239 Netzwerk mit je 200 Gib/s Kantenkapaztiät

39 Technische Universität München Lehrstuhl für Kommunikationsnetze Prof. Dr.-Ing. J. Eberspächer Wolfgang Mühlbauer / Matthias Wimmer Interdisziplinäres Projekt Abschlussvortrag 39 Ergebnisse – Unterschiedliche Zielfunktionen Zielfunktion Gesamt- kapazität Working- kapazität Maximale Kanten- auslastung Mittlere Kanten- auslastung min. Gesamt K.1612,651279,3999,52%69,41% min. Working K.1623,861267,5094,34%67,55% min. maximale Auslastung 1682,831315,6270,00%69,03% COST 239 Netzwerk (Standard)

40 Technische Universität München Lehrstuhl für Kommunikationsnetze Prof. Dr.-Ing. J. Eberspächer Wolfgang Mühlbauer / Matthias Wimmer Interdisziplinäres Projekt Abschlussvortrag 40 Auswahl der kürzesten Pfade zwischen einem Knotenpaar scheinbar sinnvolle Heuristik. Unterschiedlicher Bandbreitenverbrauch der Resilience Verfahren. Bandbreitenverbrauch allerdings nicht einziges relevantes Kriterium Je mehr Freiheit bezüglich der Mehrwege- Erweiterungen desto geringer normalerweise der Bandbreitenverbrauch Zusammenfassung

41 Technische Universität München Lehrstuhl für Kommunikationsnetze Prof. Dr.-Ing. J. Eberspächer Wolfgang Mühlbauer / Matthias Wimmer Interdisziplinäres Projekt Abschlussvortrag 41 Vielen Dank für die Aufmerksamkeit!


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