Verfahren zur Berechnung von Routen zur Gewährleistung von ... · QoS (Quality of Service):...
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Ein Projekt im Forschungsbereich NEGSITNetzeübergreifende Quality of Service bei SIP-basierter VoIP-Kommunikation [QoSSIP]
Fachhochschule KölnCologne University of Applied Sciences
Verfahren zur Berechnung von Routen zurGewährleistung von Ende-zu-Ende QoS
Dipl.-Ing. Stefan Abu SalahDipl.-Ing. Achim MarikarDezember 2007
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QoS (Quality of Service):
Sicherstellung der Qualität
Zeitkritische Datenströme:
AudioSprachtelefonie
VideoVideotelefonieLive-TV (IPTV)
Spiele Multiplayer-Echtzeitspiele
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Leitungsmerkmale
Laufzeit (Delay)
Laufzeitschwankung (Jitter)
Paketverlust (Paketloss)
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Wunsch:
Realität:
Das Verhalten eines (RTP-) Datenstroms
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Telefonnetz:
Leitungsbasierte Netze
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Für jedes Gespräch wird eine Leitung mit garantierter Übertragungskapazität und minimalem Jitter aufgebaut
Es werden nicht mehr Gespräche zugelassen, als das Netz verkraftet
Telefonnetz:
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IP-Netz:
Paketbasierte Netze
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Die Daten werden nach dem Best Efford-Prinzipübertragen
Es finden ggf. mehr Gespräche gleichzeitig statt, als das Netz verkraftet
IP-Netz:
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IP-Netz mit Controller:
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Auf die Routen wird Einfluss genommen
Die Vorteile des IP-Netzes und des PSTN werden vereint
Ein hoher zusätzlicher Verwaltungsaufwand ist notwendig
Ein ähnliches Berechnungsverfahren wird bereits in der Theoretischen Informatik als Traveling Salesman Problem (TSP) behandelt
IP-Netz mit Controller:
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Problem des Handelsreisenden (TSP)
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Berechnung des besten Weges
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Berechnung
Bis zu (n-1)! Möglichkeiten (bei n Orten)
Mit einer nichtdeterministischen Turingmaschine (NTM) in Polynomialzeit lösbar
Mit einer deterministischen Turingmaschine (DTM) in Exponentialzeit lösbar
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Ergebnis:
Problem ist NP-Äquivalent=> nicht berechenbar!
Wikipedia: NP-Äquivalenz [...] liefert eine prinzipielle Aussage darüber, ob Suchprobleme mit wachsender Anzahl der zu durchsuchenden Pfade oder Objekte noch praktisch lösbar sind, oder ob der benötigte Zeit- oder Speicheraufwand rasch in makroskopische Dimensionen wächst.
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Vergleich Routing und TSP
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Fazit
Das Problem des Handelsreisenden ist fast 1:1 übertragbar
Ein Controller kann nicht ohne weiteres die perfekte Route berechnen
Ein neuer Lösungsansatz muss gefunden werden
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Problematik in realen Netzen: Finden des besten Weges
aus Sicht des Providers- möglichst kostengünstiges Routing über Providergrenzen hinweg
aus Sicht des Kunden- möglichst hohe Dienstgüte für die Verbindung
Lösungsansatz welcher beide Interessen berücksichtigt ist erforderlich
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Ein reales Szenario
- Zwei Endkunden (User Equipments (UE)) sind bei unterschiedlichen Providern 'zu Hause'
- Für eine gemeinsame Kommunikation werden unterschiedliche Datennetzeunterschiedlicher Provider beansprucht
- Welche Netze beansprucht werden hängt ab von- Peering Abkommen zwischen den Providern- Kosten die dem Provider für Transit oder Peering entstehen
(i.d.R. wird in das kostengünstigere Netz geroutet)
Provider
CProvider
B
Provider
A
Provider
DProvider
E
Peering Abkommen Netzzugang des UE (User Equipment)
UEUE
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Provider
D
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3
4
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5 6
7
Innerhalb jedes Providernetztes gibt es beliebig viele Knoten und Kanten- Knoten : Aktive Netzelemente (z.B. Router)- Kanten : Übertragungswege (z.B. Kabel)
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Provider
D
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3
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5 6
7
Ein Datenstrom, welcher dieses Netz durchlaufen soll wird geroutet - nach den aktuell vorhandenen Routingtabellen- nach der Klassifizierung des Traffic (im Idealfall)
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Ein Datenstrom durchläuft nicht zwangsläufig den 'besten' Weg- für Echtzeit Kommunikation wäre dies ein Weg mit geringsten
Werten für : Delay, Jitter und Packetloss
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Provider
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Wenig Last (große freie Kapazitäten)
Hohe Last
Mittlere Last
Welcher Weg der beste ist hängt jedoch nicht unbedingt von dessen 'Länge' ab. Wichtig sind andere Parameter wie beispielsweise die auf einem Link verfügbare (freie) Bandbreite.
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Provider
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Wenig Last
Hohe Last
Mittlere Last
Der Standardweg (hier der 'kürzeste') kann unter Umständen ein schlechter Weg sein
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Provider
D
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Wenig Last
Hohe Last
Mittlere Last
Der längere kann unter Umständen ein wesentlich besserer Weg sein da hier genügend Reserven vorhanden sind
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Provider
CProvider
B
Provider
A
Provider
DProvider
E
Peering Abkommen Netzzugang des UE (User Equipment)
UE UE
Was für das Netz eines Providers gilt, gilt auch für das Netz aus unterschiedlichen Providernetzen
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Peering Abkommen Netzzugang des UE (User Equipment)
D E
CBA
UEUE
Auch dieses Netz lässt sich als einfaches Netz aus Knoten und Kanten darstellen. Hier sind
- Knoten : die Netze der Provider- Kanten : die Verbindungen zwischen den Providern
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CBA
Provider
D
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Provider
B
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Provider
C
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23
4
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Provider
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UE
UE3
Man erhält auf diese Weise eine Hierarchie von Netzen jeweils mit gewichteten Kanten
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Man benötigt in jedem Netz ein Element, welches
- den Zustand des eigenen Netzes kennt- Einfluss auf das Routing von Datenströmen nehmen kann- Eine Aussage darüber treffen kann ob ein Datenstrom
gewissen Quallitätsansprüchen genügen kann - Antworten möglichst schnell zur Verfügung stellt
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Man benötigt in jedem Netz ein Element, welches
- den Zustand des eigenen Netzes kennt- Einfluss auf das Routing von Datenströmen nehmen kann- Eine Aussage darüber treffen kann ob ein Datenstrom
gewissen Quallitätsansprüchen genügen kann - Antworten möglichst schnell zur Verfügung stellt
Ein Ansatz diese Anforderungen zu erfüllen ist:
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Provider
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Provider
B
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C
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Provider
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UE
UE3
In jedem Netz gibt es die Kontrollinstanz NetCon
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UE
UE3
1. Will ein UE einen Anruf tätigen stellt er eine Anfrage (meist indirekt) an NetCon im eigenen Netz
2. Dieser NetCon fragt zunächst den in der Hierarchie höheren NetCon um Rat
3. NetCon übernimmt das Provider-übergreifende Routing
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Provider
C
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4
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Provider
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UE
UE3
4. NetCon informiert die in den beteiligten Netzen zuständigen NetCons
5. Die Pfade werden in allen beteiligten Netzen reserviert
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UE
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Provider
C
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Provider
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6. Ist der gesamte Pfad reserviert, kann die Kommunikation beginnen
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UE
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Provider
C
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Provider
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Engpässe werden so umgangen und eine höchst mögliche Dienstgüte erzielt
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UE
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Provider
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ohne NetCon
Ohne NetCon hätte dies eventuell anders ausgesehen
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Wie realisiert NetCon E2E-QoS?
Passiver ModusEs wird ausschließlich geprüft ob auf dem vom Netz vorgesehenen Datenweg die gewünschte QoS garantiert werden kann. Es wird nicht in das Netzwerk eingegriffen.
Kein Eingriff in die beteiligten Netzwerke notwendig
...
Garantierte QoS nicht möglich
Gesamte Routinginformation muss bekannt sein
Routing-Algorithmen müssen implementiert werden
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Ein Projekt im Forschungsbereich NEGSITNetzeübergreifende Quality of Service bei SIP-basierter VoIP-Kommunikation [QoSSIP]
Fachhochschule KölnCologne University of Applied Sciences
Wie realisiert NetCon E2E-QoS?
Aktiver ModusEs wird der beste Weg für die Datenkommunikation ermittelt und für den Call reserviert. Es muss in aktive Komponenten des Netzes zugegriffen werden.
Garantierte QoS möglich
Aufwendige Signalisierung und Steuerung
Kooperation aller Provider erforderlich
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Wie findet NetCon den besten Weg?
Passiver ModusExaktes Abbild der realen Routingtabellen erforderlichRoutingalgorithmus muss implementiert werden
Aktiver ModusAlgorithmus für das Auffinden des besten Weges mussimplementiert werdenWege finden mit Dijkstra oder probabilistischem Algorithmus
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2 [65]
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66 [62] 77 [13]
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9 1012 [125] 13 [12]
14 [98]
15 [33]
16 [65] 17 [33]
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20 [100]
15
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7]
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Wie findet NetCon den besten Weg?
Jedes Netzwerk wird als gewichteter Graph interpretiertKnoten sind aktive NetzwerkelementeKanten sind logische Verbindungen zwischen den Knoten
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Bester Weg von 1 nach 15?
NetCon berechnet die besten Wege gewichtet nach den 'Kosten' jeder Kante. Dies kann auch bidirektional erfolgen (unterschiedliche Kosten für Hin- und Rückrichtung). Die anfallenden Kosten werden quatratisch addiert, um besonders 'teure' Kanten stärker zu gewichten.
Beanspruchte Rechenzeit:real 0m0.007suser 0m0.004ssys 0m0.000s
bei 96 Lösungen
stefan@london:~/$ ./wege_finden -s 1 -d 15 | sort -n -k 6Lines:48ZIEL(k:15)--> 1;2;3;8;11;10;14;15; >>> S=> 190.942400ZIEL(k:15)--> 1;4;8;11;10;14;15; >>> S=> 207.402989ZIEL(k:15)--> 1;2;3;8;13;12;11;10;14;15; >>> S=> 209.799905ZIEL(k:15)--> 1;2;3;9;10;14;15; >>> S=> 210.482778ZIEL(k:15)--> 1;2;3;8;11;12;13;14;15; >>> S=> 223.038113ZIEL(k:15)--> 1;4;8;13;12;11;10;14;15; >>> S=> 224.884415...
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20 [100]
15
21 [204]22 [9
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16
23 [44] 24 [61]
stefan@london:~/$ ./wege_finden -s 16 -d 9 | sort -n -k 6Lines:48ZIEL(k:9)--> 16;5;4;8;11;10;9; >>> S=> 104.699570ZIEL(k:9)--> 16;7;4;8;11;10;9; >>> S=> 117.779455ZIEL(k:9)--> 16;5;6;7;4;8;11;10;9; >>> S=> 126.885775ZIEL(k:9)--> 16;7;6;5;4;8;11;10;9; >>> S=> 129.460419ZIEL(k:9)--> 16;5;4;8;13;12;11;10;9; >>> S=> 136.084533...
Bester Weg von 16 nach 9?
Beanspruchte Rechenzeit:real 0m0.005suser 0m0.000ssys 0m0.004s
bei 125 Lösungen
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Fazit
NetCon kann die besten Wege durch beliebig komplexeNetzwerke in kurzer Zeit finden
NetCon kann auf Basis von echten Routingtabellen eine Abschätzung geben, wie hoch die Wahrscheinlichkeit istdas gewisse Parameter eingehalten werden
NetCon skaliert durch das hierarchische Konzept sehr gut
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Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit!
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