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Technische Universität München
Lehrstuhl für KommunikationsnetzeProf. Dr.-Ing. J. Eberspächer
Interdisziplinäres Projekt
Abschlussvortrag
Bandwidth Consumption ofMulti-Path Resilience Concepts
Wolfgang Mühlbauer / Matthias Wimmermuehlbaw@in.tum.de / m@tthias.net
Betreuer: Claus Gruber
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Wolfgang Mühlbauer / Matthias WimmerInterdisziplinäres 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
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Wolfgang Mühlbauer / Matthias WimmerInterdisziplinäres Projekt
Abschlussvortrag 3
Motivation für Ausfallsicherheit
Flughafen
Hauptbahnhof
Zwei Wege vom Hauptbahnhof zum Flughafen:Jeweils 40 Minuten Fahrzeit
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Wolfgang Mühlbauer / Matthias WimmerInterdisziplinäres 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.
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Wolfgang Mühlbauer / Matthias WimmerInterdisziplinäres Projekt
Abschlussvortrag 5
Konzepte für Ausfallsicherheit: 1+1 Path Protection
01101
0110111101
11101
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Abschlussvortrag 6
Konzepte für Ausfallsicherheit: 1:1 Path Protection
0110111101
Nimm denanderen Pfad!
10001
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Abschlussvortrag 7
Konzepte für Ausfallsicherheit: 1:N Path Protection
01101 00001 11111Nimm den
anderen Pfad!
11000
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Wolfgang Mühlbauer / Matthias WimmerInterdisziplinäres Projekt
Abschlussvortrag 8
Konzepte für Ausfallsicherheit: Haskin
0110111001
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Abschlussvortrag 9
Konzepte für Ausfallsicherheit: Link Protection
01101
00000
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Abschlussvortrag 10
Konzepte für Ausfallsicherheit: Local-to-Egress
01101
11100
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Abschlussvortrag 11
Konzepte für Ausfallsicherheit: Regional Protection
01101
Region 1 Region 2
10001
Nimm denanderen Pfad!
01111
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Abschlussvortrag 12
Konzepte für Ausfallsicherheit: Ring-Protection
1111101110
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Abschlussvortrag 13
Konzepte für Ausfallsicherheit: p-Cycles
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Abschlussvortrag 14
Mehrwege-Erweiterungen (Multi-Working-Path)
100 100
100
10010
0
200?
100
100
100
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Abschlussvortrag 15
Mehrwege-Erweiterungen (Multi-Protection-Path)
50 50
100
50
50
100
50
50
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Abschlussvortrag 16
Freigabe der Verbindungsstümpfe
100
100
100
100
100
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Abschlussvortrag 17
Implementierung - Übersicht
Relationenmodell GRAPH Library
Repräsentation von Eingabe und Ausgabe
Resilience Verfahren
Zentrale Ablaufsteuerung
Linearer Optimierer CPLEX/Concert
Bedingungen (Constraints)
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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)
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Abschlussvortrag 19
Implementierung – Repräsentation von Graphen
Demand GraphPhysical Network
Working Graph
Protection Graph
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Abschlussvortrag 20
Implementierung – CPLEX
• Optimierung der Bandbreite mit CPLEX (version 7.5)
• Zugriff auf CPLEX mittels Concert
Solver (Optimierer)
Modell
Variablen ConstraintsZielfunktion
Abbildung: Komponenten für den Solver
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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
PathPairPathPairForErrorEdgeRerouteProtectionKeyRingProtectionKey
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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
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Abschlussvortrag 23
Implementierung – CPLEX Constraints
Constraint 1
Realisierung der Constraints
Constraint {abstract}
addYourself()
Constraint n Constraint m… …
• Ziel: Constraints sollen universell einsetzbar sein.• Constraints "fügen sich selbst dem Modell hinzu".
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Abschlussvortrag 24
Implementierung – Aufbau eines CPLEX Modells
Constraint 1
Ablauf der Erzeugung eines CPLEX Modells
Network Calculator(verwaltet die Resilience Klassen)
Constraint n Constraint m… …
Resilience Klasse(Liste aller Constraints)Aktueller Schritt:
Network Calculator erzeugen:Alle CPLEX Para- meter werden initialisiert.
Dem Network Calculator die neu angelegte ResilienceKlasse 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
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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
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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
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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)
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Abschlussvortrag 28
Implementierung – Probleme mit dem Speicherbedarf
COST 239 Netzwerk
Folge: ca. 472MiB benötigt, um alle Pfadpaare im Speicher zu halten (geschätzter Wert)
# Knoten 11
# Kanten 52
# Pfade pro Demand 923 bis 1760
# Disjunkte Pfadpaare pro Demand ca. 250000 bis 500000
Abhilfe durch Reduzierung der verwendeten Pfade:• Einführung einer Schranke für die maximale Pfadlänge• Nur Verwendung der kürzesten Pfade je Pfadpaar
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Abschlussvortrag 30
Auswirkungen der Pfadbegrenzung an COST 239
Pfade/Knotenpaar Benutzte Kapazität Zeitverbrauch
10 1.649,12 Gib/s < 1 Minute
20 1.621,15 Gib/s 13 Minuten
30 1.613,40 Gib/s 47 Minuten
40 1.612,85 Gib/s 1 Stunde 24 Minuten
50 1.612,65 Gib/s 3 Stunden 2 Minuten
60 1.612,65 Gib/s 4 Stunden 1 Minute
70 1.612,65 Gib/s 7 Stunden 1 Minute
80 1.612,65 Gib/s
90 1.612,65 Gib/s
100 1.612,65 Gib/s
105 1.612,65 Gib/sBerechnungen am COST-Netzwerk, 1:N Protection, Multipath-Routing erlaubt.
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Abschlussvortrag 31
Vergleich der Ausfallsicherheitskonzepte an COST 239
Konzept Working- Pfade
Protection-resources
Working Kapazität
Gesamt-kapazität
1+1 Protection Es existiert hierfür keine Lösung
1:N Protection 136 613 1.279,39 1.612,65
Haskin Es existiert hierfür keine Lösung
Link Protection 133 597 1.272,97 1.743,67
Local-To-Egress
138 651 1.270,27 1.719,64
Regional Protection
133 764 1.279,39 1.612,65
Rerouting mit Stub-Release
136 808 1.279,39 1.612,65
Rerouting ohne Stub-Release
139 850 1.279,39 1.612,65
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Wolfgang Mühlbauer / Matthias WimmerInterdisziplinäres Projekt
Abschlussvortrag 32
Wandlung Link-Protection nach 1:N Protection
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Wolfgang Mühlbauer / Matthias WimmerInterdisziplinäres Projekt
Abschlussvortrag 33
Vergleich der Ausfallsicherheitskonzepte an COST 239
Konzept Working- pfade
Protection-resources
Working Kapazität
Gesamt-kapazität
1+1 Protection 110 116 1.535,00 3.142,50
1:N Protection 136 455 1.277,46 1.582,93
Haskin 128 492 1.267,50 1.773,44
Link Protection 129 646 1.272,50 1.692,25
Local-To-Egress
123 565 1.272,50 1.679,78
Regional Protection
134 643 1.277,69 1.582,92
Rerouting mit Stub-Release
137 668 1.277,69 1.582,92
Rerouting ohne Stub-Release
140 687 1.277,69 1.582,92
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Wolfgang Mühlbauer / Matthias WimmerInterdisziplinäres Projekt
Abschlussvortrag 34
Das WMW-Netz
• Selbst erstelltes Netz• 9 Knoten• 2 x 12 Kanten• 7 bis 12 Pfade pro
Knotenpaar• 72 Demands
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Wolfgang Mühlbauer / Matthias WimmerInterdisziplinäres Projekt
Abschlussvortrag 35
Vergleich der Ausfallsicherheitskonzepte an WMW
Konzept Working- pfade
Protection-resources
Working Kapazität
Gesamt-kapazität
1+1 Protection 72 72 783,62 1.466,96
1:N Protection 90 129 564,74 867,73
Haskin 79 89 564,74 1.009,96
Link Protection Es existiert hierfür keine Lösung
Local-To-Egress
Es existiert hierfür keine Lösung
Regional Protection
95 307 564,74 867,76
Rerouting mit Stub-Release
94 272 564,74 867,76
Rerouting ohne Stub-Release
94 284 564,74 867,76
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Wolfgang Mühlbauer / Matthias WimmerInterdisziplinäres 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
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Wolfgang Mühlbauer / Matthias WimmerInterdisziplinäres Projekt
Abschlussvortrag 37
Ergebnisse – Mehrwege-Erweiterungen
Erlaubte Zahl von Working Pfaden
Working- pfade
Protection-resources
Working Kapazität
Gesamt-kapazität
beliebig viele 137 492 1276,85 1586,29
3 134 492 1276,85 1586,29
2 134 483 1276,85 1586,29
1 110 327 1272,50 1602,92
COST 239 Netzwerk mit je 200 Gib/s Kantenkapaztiät
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Wolfgang Mühlbauer / Matthias WimmerInterdisziplinäres Projekt
Abschlussvortrag 38
Ergebnisse – gleiche und beliebige Kapazitätsaufteilung
Erlaubte Zahl von Working Pfaden
Gesamtkapazität (Beliebige Aufteilung)
Gesamtkapazität (Gleiche Aufteilung)
Beliebig 1586,29 1588,44
3 1586,29 1588,47
2 1586,29 1588,52
1 1604,92 -
COST 239 Netzwerk mit je 200 Gib/s Kantenkapaztiät
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Wolfgang Mühlbauer / Matthias WimmerInterdisziplinäres Projekt
Abschlussvortrag 39
Ergebnisse – Unterschiedliche Zielfunktionen
ZielfunktionGesamt-kapazität
Working-kapazität
Maximale Kanten-auslastung
Mittlere Kanten-auslastung
min. Gesamt K. 1612,65 1279,39 99,52% 69,41%
min. Working K. 1623,86 1267,50 94,34% 67,55%
min. maximale Auslastung
1682,83 1315,62 70,00% 69,03%
COST 239 Netzwerk (Standard)
Technische Universität München Lehrstuhl für KommunikationsnetzeProf. Dr.-Ing. J. Eberspächer
Wolfgang Mühlbauer / Matthias WimmerInterdisziplinäres 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
Technische Universität München Lehrstuhl für KommunikationsnetzeProf. Dr.-Ing. J. Eberspächer
Wolfgang Mühlbauer / Matthias WimmerInterdisziplinäres Projekt
Abschlussvortrag 41
Vielen Dank für die
Aufmerksamkeit!