Entwurf und simulative Bewertung eines Verfahrens zur dynamischen Steuerung des Overprovisioning durch Bandwidth Broker

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Moritz Glöckner
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1 Einleitungsvrtrag zur Diplmarbeit Entwurf und simulative Bewertung eines Verfahrens zur dynamischen Steuerung des Overprvisining durch Bandwidth Brker Marcus Drews

2 Gliederung 1. Einleitung / Mtivatin Diffserv Bandwidth Brker Adaptive Reservierung Expnential Estimatin Cngestin Behandlung Overprvisining Admissin Cntrl 2. Ziele der Diplmarbeit 3. Vrgehensweise 4. Zeitplan 2

3 1. Einleitung - Diffserv Differenzierung vn Paketen bzw. Strömen IP : alle Pakete werden gleich behandelt Diffserv: Einteilung in Klassen (DSCP) : EF, AF11, AF21, BE,... Kmplexität am Rand der Dmäne An allen Knten: Per Hp Behaviur (PHB) wird umgesetzt An Randknten: zusätzlich Cnditining, Shaping Diffserv-Dmäne Bezeichnet einen Administratinsbereich Internet Service Prvider (ISP) Service Level Agreement (SLA) Abkmmen zwischen zwei ISP Bestimmt Verkehrsparameter und Preise Statisch festgesetzt der dynamisch verhandelt durch Bandwidth-Brker 3

.. Kmplexität am Rand der Dmäne An allen Knten: Per Hp Behaviur (PHB) wird umgesetzt An Randknten: zusätzlich Cnditining, Shaping

4 Bandwidth-Brker (1) Aufgaben Verwaltung vn Ressurcen einer Diffserv-Dmäne Zugangskntrlle (Admissin Cntrl) z.b. Ablehnen vn Reservierungsanfragen bei Überlastung des Netzes SLA Verhandlung zwischen benachbarten Bandwidth Brkern SLA - Verwaltung Knfigurierung der Brder Ruter Mnitring Kmmunikatin Inter Dmain Prtkll zwischen zwei Bandwidth-Brkern (z.b. SLA-Verhandlung) zwischen Anwendung und Bandwidth-Brker (z.b Reservierungsanfragen) Intra Dmain Prtkll zwischen Bandwidth-Brker und Brder-Ruter 4

Ablehnen vn Reservierungsanfragen bei Überlastung des Netzes SLA Verhandlung zwischen benachbarten Bandwidth Brkern SLA -

5 Bandwidth-Brker (2) SLA SLA Legende: SLA Brder Ruter Bandwidth Brker Intra-Dmain-Km. Inter-Dmain-Km. 5

6 Adaptive Reservierung Es Es liegen liegen keine keine Ende-zu-Ende Ende-zu-Ende Inf s Inf s vn vn Strömen Strömen vr vr (limited (limited ntificatin) ntificatin) Bei Bei Admissin-Cntrl Admissin-Cntrl wird wird benötigte benötigte Bandbreite Bandbreite nur nur abgeschätzt abgeschätzt (Expn. (Expn. Estim.) Estim.) Die Die Bandbreite Bandbreite muß muß dynamisch dynamisch durch durch Bebachtung Bebachtung der der Auslastung Auslastung eingestellt eingestellt werden werden Adaptive Reservierung nach Günter / Braun Messen Messen der der Bandbreite Bandbreite am am Brder Brder Ruter Ruter Berechnung Berechnung der der Auslastung Auslastung U am am Bandwidth Bandwidth Brker: Brker: U neu := neu :=(1-α) U alt + alt α U akt akt Steuerung Steuerung des des SLAs SLAs durch durch Schwellwerte Schwellwerte τ τ = ,, τ/2 τ/2 = und und = :: U neu > neu τ τ bw bw neu := neu :=(1(1 + ) ) bw bw alt alt U neu < neu τ/2 τ/2 bw bw neu := neu :=(1(1-- ) ) bw bw alt alt U = 1 τ = 0.8 τ/2 = 0.4 U = 0 Zeit Statisches Overprvisining vn vn z.b. z.b % Feste Feste Schwellwerte τ τ und und nicht nicht flexibel flexibel 6

) Die Die Bandbreite Bandbreite muß muß dynamisch dynamisch durch durch Bebachtung Bebachtung der der Auslastung Auslastung eingestellt eingestellt werden werden Adaptive Reservierung nach Günter /

7 Expnential Estimatin Wegen der Skalierbarkeit werden nur aggregierte Ströme betrachtet es sind keine Zieladressen der einzelnen Ströme bekannt Lösung: Expnential Estimatin nach Günter/Braun Verwaltung einer Matrix D(i,j) : Mit W keit d ij verlässt ein Strm das Netz durch Knten j, der das Netz durch Knten i betreten hat. Anwendung: Admissin-Cntrl-Algrithmus Mögliche Unzulänglichkeiten : Die Richtung wird nicht genau vrhergesagt Es wird zuwenig Bandbreite reserviert Overprvisining ntwendig Wie hch wird das Overprvisining gewählt? 35 % 40 % 25 % 7

Knten j, der das Netz durch Knten i betreten hat.

8 Cngestin-Behandlung Verfahren vn Bernd Wllersheim zur Cngestin-Behandlung Phase 1 LIMITS- MODIFIED Phase 2 REALLOCATE- BW Phase 3 CBS-SENT Teilweise Auslastung des SLA s Steuerung Steuerung des des Overprvisining Overprvisining durch durch statische statische Schwellwerte Schwellwerte in in den den Phasen Phasen 1 und und 2 Vermutung Vermutung BW BW :: Durch Durch dynamische dynamische Steuerung Steuerung kann kann die die Effizienz Effizienz verbessert verbessert werden werden Herausfrderung Herausfrderung für für die die Diplmarbeit: Diplmarbeit: Phase Phase 1: 1: Einstellung Einstellung des des Overprvisining Overprvisining innerhalb innerhalb einer einer Diffserv-Klasse Diffserv-Klasse Phase Phase 2: 2: Aufteilung Aufteilung des des Overprvisining Overprvisining zwischen zwischen den den Diffserv-Klassen Diffserv-Klassen Cngestin-Vermeidung Phase 4 NO- CONGESTION Wiederherstellung des ursprünglichen Zustands 8

Steuerung Steuerung kann kann die die Effizienz Effizienz verbessert verbessert werden werden Herausfrderung Herausfrderung für für die die Diplmarbeit: Diplmarbeit: Phase Phase 1: 1: Einstellung

9 Overprvisining (1) Unter Unter Overprvisining Overprvisining versteht versteht man man die die Reservierung Reservierung vn vn mehr mehr Ressurcen, Ressurcen, als als man man zum zum Zeitpunkt Zeitpunkt der der Reservierung Reservierung zur zur Übertragung Übertragung des des Datenstrmes Datenstrmes benötigt. benötigt. Durch geeignetes Overprvisining erreicht man: Auffangen vn kurzfristigen Schwankungen Verminderung vn ut-f-prfile Paketen Reduzierung der Anzahl der Neuverhandlungen Vermeidung vn Cngestin SOMIT: Je mehr Overprvisining, dest besser ist QS ABER: Je weniger Overprvisining, dest besser ist die Auslastung und dest geringer sind die Ksten. Statisches Overprvisining ist immer nur ein Kmprmiss Deshalb ermöglicht dynamisches Overprvisining zusätzlich: Berücksichtigung der Charakteristik des Netzes Berücksichtigung der Charakteristik der aggregierten Ströme Optimierung der Auslastung Reduzierung der Ksten Variable Zuverlässigkeit (z.b. 95 % der z.b 50 %) Was heisst geeignet? 9

10 Overprvisining (2) Bestimmung des Overprvisining durch statistische Verfahren: Verkehrsflüsse statistisch erfassen Auswerten der Statistiken Abschätzen des Overprvisining Bebachte Vergangenheit und mache Aussagen über die Zukunft Statistische Hilfsmittel Erwartungswert Streuung Varianz, Standardabweichung Bandbreitenvrhersage bei statistischem Multiplexing (überwiegend ATM) Gaussapprximatin Diffusinsapprximatin (Vrteil: berücksichtige Pufferinhalte) Erster Ansatz: Overprvisining := f (Erwartungswert, Streuung) Mögliche Erweiterung: Betrachte Out-Prfile-Pakete Overprvisining := f (Erwartungswert, Streuung, Out-Prfile- Pakete) 10

Bandbreitenvrhersage bei statistischem Multiplexing (überwiegend ATM) Gaussapprximatin Diffusinsapprximatin (Vrteil: berücksichtige Pufferinhalte) Erster

11 Overprvisining (3) Flgende Ansätze können in Bandwidth-Brker gesteuerten Diffserv-Netzen zur Bestimmung des Overprvisining verflgt werden: 1. ungenaue Richtungsvrhersage bei Expnential estimatin betrachte Richtungsschwankungen 2. Limited ntificatin es werden nicht alle Reservierungsanfragen weitergeleitet 3. Schwankungen durch V-Ströme Beispiel zu 1.) : (+ 2.5 Mbps / 2.0 Mbps) σ := f(σ 1, σ 2, σ 3 ) c c Anfrage: + 10 Mbps a 25 % 50 % 25 % d (+ 2.5 Mbps / 2,8 Mbps) a σ 1 σ 3 σ 2 d b b (+ 5 Mbps / 5,2 Mbps) (reservierte Bandbreite / tatsächliche Bandbreite) 11

Limited ntificatin es werden nicht alle Reservierungsanfragen weitergeleitet 3. Schwankungen durch V-Ströme Beispiel zu 1.) : (+ 2.

12 Overprvisining (4) Beispiel zu 2.) : + 4,5 Mbps? 45 % + 4,5 Mb 25 % 30 % + 10 Mbps? Adaptive Reservierung 12

13 Admissin Cntrl Admissin Cntrl: Ablehnen vn Strömen zur Überlastvermeidung Bis jetzt: alle Ströme werden gleich behandelt Neu: Schwankungen vn Strömen bei Admissin Cntrl berücksichtigen Bei stark schwankenden Strömen wird daher eher eine Abfrage abgelehnt 13

behandelt Neu: Schwankungen vn Strömen bei Admissin Cntrl

14 2. Ziele der Diplmarbeit Entwurf und Entwicklung eines der mehrerer Verfahren zur dynamischen Steuerung des Overprvisinings beim Bandwidth- Brkering durch statistische Hilfsmittel Erweiterung des Knzepts vn Bernd Wllersheim Betrachtung bei geringer Auslastung (Phase 0 / 1): Regelung des Overprvisining innerhalb einer Diffserv-Klasse Betrachtung bei hher Auslastung (Phase 2): Overprvisining zwischen Diffserv-Klassen aufteilen Entwurf eines Admissin Cntrl Verfahrens Berücksichtigung vn Schwankungen Vergleich und Bewertung der Verfahren durch Simulatinen in ns-2 Unter welchen Bedingungen ist das entwickelte Verfahren einsetzbar? Randnetz? Kernnetz, Backbne? Wann ist es besser, statisches Overprvisining zu benutzen? Wann ist es besser, dynamisches Overprvisining zu benutzen? Kein Ziel: Entwurf eines Kstenmdells 14

zwischen Diffserv-Klassen aufteilen Entwurf eines Admissin Cntrl Verfahrens Berücksichtigung vn Schwankungen Vergleich und Bewertung der Verfahren durch Simulatinen in ns-2 Unter welchen Bedingungen

15 3. Vrgehensweise Entwurf eines Verfahrens zur dynamischen Steuerung des Overprvisining, das auf den Richtungsschwankungen beruht. Implementierung in ns-2 Erweiterung des Brder-Ruter-Agenten Erfassung vn statistischen Daten Erweiterung des Bandwidth-Brker-Agenten Auswerten der statistischen Daten Berechnung des Overprvisinings Erweiterung des Intra-Dmain-Prtklls Entwurf geeigneter Szenarien und Lastmdelle Simulatinen in ns-2 Vn Simulatinsergebnissen ist abhängig, b Erweiterung des Verfahrens Betrachtung eines alternativen Verfahrens 15

Auswerten der statistischen Daten Berechnung des Overprvisinings Erweiterung des Intra-Dmain-Prtklls Entwurf geeigneter Szenarien und

16 4. Zeitplan Einarbeitung Verfahren basierend auf Richtungsschwankungen Erstellung vn Szenarien Implementierung Verfahren 1 Erweiterung / Verfeinerung des Verfahrens Simulatin und Bewertung Ausarbeitung Juli August September Oktber Nvember Dezember Januar 16

Verfahren 1 Erweiterung / Verfeinerung des Verfahrens Simulatin

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Einleitungsvortrag zur Diplomarbeit: Entwurf und simulative Bewertung eines Verfahrens zur Behandlung von Engpässen in Bandwidth-Broker-gesteuerten DiffServ- Netzwerken --- Bernd Wollersheim --- --- wollersh@informatik.uni-bonn.de