Qualität und Verfügbarkeit von Kommunikationsnetzen · ITT, jetzt Alcatel-Lucent in Zürich (9...

© 2007 Institut für Breitbandkommunikation Technische Universität Wien1

Qualität und Verfügbarkeit von Kommunikationsnetzen

o.Univ. Prof. Dr.-Ing. Harmen R. van As


Übersicht des Vortrags

Einleitung

• Vorstellung des Institutes: Lehre und Forschungsgebiete• Netztechnologien: Allgemeiner Überblick• Vernetzungsbeispiel

Modellierung von Netzen

• Modellierungsmethoden und -schritte• Mathematische Planung und Optimierung• Analytische Modelle• Simulationen

Kooperationsgebiete im Bereich Netze und Netzsysteme

• Unterstützung beim technischen Wissen• Planung, Betrieb und Optimierung• Modellierung und Evaluierung• Simulationen und Visualisierung


Vorstellung des Instituts

- Studium: Elektrotechnik, Operations Research - Delft, ETH Zürich, Siegen (Dr.-Ing) - 21-jährige Erfahrung in industrieller Entwicklung, Standardisierung und Forschung:

ITT, jetzt Alcatel-Lucent in Zürich (9 Jahre), IBM Zurich Research Laboratory (12 Jahre)

1996 Gründung des Instituts für Kommunikationsnetze jetzt: Breitbandkommunikation

1997 Gründung der jährlichen intern. Konferenz ONDM (Optical NetworkDesign and Modeling), Wien, Rome, Paris, Athen, Wien, Turin, Budapest, Gent, Mailand, Kopenhagen, Athen

1999 Gründung der internationalen wissenschaftlichen Zeitschrift PNET (Photonic Network Communications), Springer Verlag.

o. Univ.-Prof. Dr.-Ing. Harmen R. van As

Institutseingang:Favoritenstraße 9Stiege 31.Stock, roter Bereich

1 Professor18 wiss. Mitarbeiter440 m2 Laborfläche


Lehre des Instituts

• Basis Kenntnisse (Netze, Codierung, Übertragung, Vermittlung, Software, Systeme)• Technik der Netze (Netztechnologien, Module, Komponenten)• Software und Protokolle (Netz-Software, Protokolle, Service-Plattformen, Dienste)

Weitverkehrsnetze

Zugangsnetze(Funk, Festnetz)

Metro-Netze(Regionalnetze)

• Vermittlungsprinzipen (Theoretische und realisierte Prinzipien in der Kommunikation)• Netzdimensionierung und -Optimierung (Mathematische Beschreibung von Netzen)• Performance Modellierung und Evaluierung (Stochastische Analyse, Simulation)

Vorlesungen: Basis (1), Netze (4), Protokolle (5), mathematisch (7)


Forschungsgebiete des Instituts

Photonische NetzeWDM – MetrosystemeOptische Lokale NetzeOptische Paketvermittlung

Ethernet, Carrier EthernetIP-NetzeMobile Netze Signalisierungsnetze SatellitennetzeDrahtlosnetze, Home-NetzeZugangsnetzeInterworking

MM-MulticastMM-Server and SystemeIP-Telefonie, IP- Multimedia

HochleistungsprotokolleNetzmanagementMobile Software-AgentenMobilitätNetzintelligenzAktive Netze

SicherheitsprotokolleNetz- und Systemsicherheit

Netz- und SystemmodellierungNetzoptimierungSimulation und AnalyseNetz- und SystemsimulationVerkehrstheorie, QueueingTraffic Engineering

Netzsicherheit

Optimierung und Leistungsbewertung

Multimedia-Kommunikation

Breitbandnetze

Photonische Infrastruktur Kommunikationssoftware


Ebenen-Architektur von Kommunikationsnetzen

Ebene der Netzintelligenz

Ebene des Netzmanagements

Optische Übertragungs-ebene

ElektronischeÜbertragungs-ebene

Vermittlungs-ebene

Anschlussnetze Regionalnetze Weitverkehrsnetze

SDH-ÜbertragungsnetzeRichtfunk, Satellitenverbindung

Photonische Netze

Transport

Netzintelligenz

Signalisierungsnetze

Signalisierungs-ebene

Elektrischer AnschlussFunkanschluss

Optischer Anschluss


Festnetz- und Funkanschluss

Satellitenanschluss Funk-LAN-Anschluss

Festnetzanschluss- xDSL, digital, analog- LAN, Glasfaser

Fester Funkanschluss

Kommunikationsinfrastruktur

Vermittlung

Elektronische Übertragungsnetze

Photonische Übertragungsnetze

Signalisierung

Netzintelligenz

Netzmanagement

Schnurlos-anschluss

Mobil-anschluss

Breitband-Funkanschluss

xDSL Digital Subscriber LineLAN: Local Area Network


Benutzeranwendungen und Netzdienste

Kommunikationsinfrastruktur

Vermittlung

Elektronische Übertragungsnetze

Photonische Übertragungsnetze

Signalisierung

Netzintelligenz

Netzmanagement

Middleware, Service-Plattformen

DienstanbieterInformationsanbieter

Mobilität

InformationUnterhaltung

Gaming

Visuelle Kommunikation


Schichtung der Vermittlung und Übertragung

ATM: Asynchronous Transfer ModeIP: Internet ProtocolMPLS: Multi-Protocol Label SwitchingETH EthernetFR Frame RelayX.25 X.25-Packet switchingGPRS: General Packet Radio ServiceUMTS: Universal Mobile Telecommunications Syst.OBS: Optical Burst SwitchingOPS: Optical Packet Switching

ISDN: Integrated Services Digital NetworkPSTN: Public Switched Telephone NetworkTDM: Time Division Multiplexing GSM: Global System for Mobile Comm.OTN: Optical Transport Network SDH: Synchronous Digital HierarchyOTDM: Optical Time Division MultiplexingWDM: Wavelength Division Multiplexing

OBS, OPSLogischer KanalOptische PaketvermittlungWDM, OTDMPhysikalischer KanalPhotonische ÜbertragungsnetzeSDH, OTNPhysikalischer KanalElektrische ÜbertragungsnetzePSTN, ISDN, GSM, TDMPhysikalischer KanalDurchschaltevermittlungATMLogischer KanalPaketvermittlung (Schicht 1)Ethernet, Frame RelayLogischer KanalPaketvermittlung (Schicht 2)MPLSLogischer KanalPaketvermittlung (Schicht 2,5)IP, X.25, GPRS, UMTSLogischer KanalPaketvermittlung (Schicht 3)

PaketvermittlungDurchschaltevermittlung

Vermittlungsnetze Elektronische ÜbertragungsnetzePhotonische Übertragungsnetze


Weltweite Standardisierung und Koordination

UMTS Forum



Einleitung







Heterogenes Experimentiernetz

- Wissenschaftliche Studien und Publikationen- Realisierung von Ideen in Form von Prototypen oder Prototypspezifikationen - Installation von heterogenen Testumgebungen (Zugang, Metro, Kernnetz)- Entwicklung von eigenen Netzelementen (Hardware, Software) - Erfahrungsverbesserung in Netzkontrolle, Netzintelligenz und Netzmanagement

Ziele


Performance Untersuchungen von Netzen

Nachteile von Live-Tests: • Netz muss vorhanden sein• Sehr viele Parameter• Nur Algorithmen und Parametereinstellungen der Hersteller• Einzeleffekte teilweise sehr schwierig erkennbar• Keine Skalierung bezüglich Netzgröße und Verkehrsvolumen• Erweiterung schwierig• Sehr aufwendig und äußerst kostspielig in der Anschaffung

Vorteile der Modellierung: • Beseitigt alle Nachteile von Live-Tests• Ermöglicht die gezielte Untersuchung von Effekten• Produziert reproduzierbare Resultate• Trägt zum Verständnis des Netzgeschehens bei • Erlaubt die Untersuchung von stationären und transienten

Verkehrflüssen in Netzen von fast-beliebiger Größe

• Live Tests: Funktionstests, Gerätetests, Performance Tests• Modellierung: Verkehrsuntersuchungen, skalierbar, funktionelle Freiheit, vielfältig

Modellierung und Live-Tests sind komplementär




Operations Research Modelle Analytische Modelle Simulationsmodelle

Optimierungsmethoden für• Routing• Verkehrspfade bestimmen• Platzierungen• Kontrollfunktionen• Kosten

Performance Berechnungen• Durchsatz, Verzögerung• Puffergröße, Verluste• Verteilungen

Tausende Modelle(Theorien seit 1915)

Performance Simulationen• Ereignis-basiert• Statistische Messungen• Hybride Kombinationen

mit analytischen Modellen und Live-Systemen

µµ µ µ

λ λ λ λ

t

Durchführung von Aktionenin einem Netzmodell

Ereignisse

Ereignisse: Ankunft, Bedienende,Time-out, Periodische Zeitmarke …

Netzgraphen, VerkehrsmatrixZielfunktion, Bedingungen


Modellbildung und Simulation von Netzen

1

2

3

4

Reale Welt ModellAbstrahierung • Nur wesentliche Funktionen

• Abstrahierungsgrad je nach Ziel• Graduelle Verfeinerung

• Verringerung der Komplexität: Einbindung von analytischen oder simulativenResultaten

• Verkürzung der Simulationszeiten: Parallelisierung auf mehreren Rechnern

• Statische Messungen und on-line Visualisierung• Auswertung der Resultate

• Topologie, Verkehrsmatrix• Verkehrsflüsse = Fluss-Verknüpfungen der Simulationsobjekte (Netzelemente)

Netzmodell

Pro Netzebene:Routing, Aufbau der Pfade, Flusskontrolle, Staukontrolle, …

Warteschlangen-netz


Ereignis-basierte Simulation

tt0 t1 t2 t3 t4 t5

Zeitlich sortierte Ereignisliste

Play-outPuffer

Quelle

t6 t7

Netzsimulation: Viele zeitverschachtelte Ereignisse


Simulationsumgebungen am Institut

• Simulationen auf einem einzigen Server oder Arbeitsrechner

• Parallele Simulationen von unabhängigen Lastszenarien auf dem Simulations-Cluster

• Parallele Simulationen von unabhängigen Teilen eines einzigen Lastszenarios auf dem Simulations-Cluster

• Simulationsaufteilung eines Netzes auf dem Mehrrechner-Simulator

• Hybride Simulation mit analytischen Teilmodellen auf dem Simulations-Cluster oder dem Mehrrechner-Simulator

• Echtzeitsimulation auf dem hybriden Mehrrechner-Simulator

• Visualisierung von Simulationsläufen auf mehreren Bildschirmen


Parallelisierung auf mehreren Rechnern

…

TransientePhase

ParalleleTeiltests aufmehrerenRechnern

Statistische Auswertung mittels Teiltests

X

Last

Jeder Lastpunktgleichzeitigauf einem Rechner

Aufteilung eines Netzesauf gekoppelte Rechner

Gesamtnetz

t

XX (1) X (2) X (3) X (n)


Kooperationsgebiete

Einleitung







Weshalb Kooperationen interessant?

• Aktuellstes Wissen über Standards und Netztechnologien• Optimierung, Modellierung, Simulation und Visualisierung von Netzen• Prototypen von Netzsystemen• Unterstützung bei Netzaufbau, Netztests und Spezialsituationen

• Netzbetreiber, Herstellerfirmen in der Telekommunikationsbranche• Netz- und Systemintegratoren• Diensteanbieter• Fremdbranchen mit Vernetzungsbedarf• Beratungsfirmen sowie Ausbildungsinstitute

Was:

Wer:


Partner in zahlreichen Kooperationen


Frühere und bestehende Kooperationen• Alcatel: IPv6, IP-TV Live-Netz, WLAN, Hotspots, Mobile Agenten, …• Acterna: Einsatz von Messgeräten • Datentechnik: Entwurf eines lokalen Paketvermittlungsnetzes• Frequentis: Flugsicherungsnetz-Simulationen (ATM)• Mobilkom: Netzqualitätsbewertung seit (1999), IMS• Ericsson: Systemstudien, analytische Modellierung• E-Photon-One: EU-Projekt Photonische Infrastruktur• ftw: MPLS-Testnetz, IMS-Testnetz, Netzmanagement, IPv6, …• FWF (Wissenschaftsfonds): Photonisches LAN für 100 Gbit/s• IEEE 802.17: Standardisierung von RPR (Resilient Packet Ring)• Kapsch: Systemstudien, analytische Modellierung• KSI: Netzkomponenten-Tests• Lucent Technologies: Testbed-Aufbau, Geräte-Tests • ORF: Multimedia• PMC-Sierra: Systementwurf mit Kommunikations-Chips• Siemens: WLAN, Mobile IP, IPv6, Netzsicherheit, …• Stadt Wien: Studie FTTH, Zugangstechnologien• Telekom Austria: MPLS-Simulationen, SANs, Übertragungssysteme SDH, OTN, ..• T-Systems: Netzplanung• Wienstrom: Übertragungsnetzmessungen, 10GbE

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