DE102004003547B3

DE102004003547B3 - Hinsichtlich der Netzauslastung optimiertes Shortest Path Routing

Info

Publication number: DE102004003547B3
Application number: DE102004003547A
Authority: DE
Inventors: Gero Dr. Schollmeier; Christian Dr. Winkler
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Nokia Solutions and Networks GmbH and Co KG
Priority date: 2004-01-23
Filing date: 2004-01-23
Publication date: 2005-06-30
Anticipated expiration: 2024-01-24
Also published as: CN1910875B; CN1910875A; WO2005071899A2; US20090185491A1; WO2005071899A3; US7903563B2

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren für ein in Bezug auf die Netzauslastung optimiertes Shortest Path Routing. Dabei werden, ausgehend von Anfangswerten, für die Linkkosten (LK(L)) die für das Routing innerhalb des Netzes kürzesten bzw. optimalen Wege (Pi(Z)) berechnet. Diese Wege beinhalten mögliche Wegealternativen. Durch Veränderung der Linkkosten (LK(L)) nach Maßgabe der Belastung der einzelnen Links (L) wird die Menge der ursprünglich berechneten Wege (Pi(Z)) auf den Satz eindeutiger Wege (keine Wegealternativen) reduziert, welcher zu einer optimierten Belastung der Links (L), d. h. einer optimierten Netzauslastung, führt. Das erfindungsgemäße Verfahren erlaubt eine aufwandsarme Bestimmung von Wegen für ein hinsichtlich der Netzauslastung optimiertes Single Shortest Path Routing.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung von Wegen in einem mit Links gebildeten Kommunikationsnetz für ein in Bezug auf die Netzauslastung und ein für das Kommunikationsnetz erwartetes Verkehrsaufkommen optimiertes Shortest Path Routing.
Die Erfindung liegt auf dem Gebiet der Kommunikationsnetze und berührt insbesondere Aspekte des Gebietes der paketbasierten Netze.
In Datennetzen bzw. paketbasierten Netzen, wie z. B. dem IP (Internet Protocol) basierten Internet, werden derzeit meistens so genannte Single Shortest Path Routing Verfahren verwendet. Bei diesen Verfahren, z.B. OSPF (Open Shortest Path First) und IS-IS (Intermediate System – Intermediate System) werden den Links eines mit Links gebildeten Netzes so genannte Linkkosten zugewiesen. In diesem Zusammenhand spricht man auch von einer Metrik. Zwischen zwei Punkten oder Knoten wird dann im Sinne dieser Metrik der kostengünstigste bzw. kürzeste Weg (Shortest Path) bestimmt. Dieser kürzeste Weg ist gegeben durch den Weg mit den geringsten für die den Weg konstituierenden Links akkumulierten Linkkosten. Eine sehr konservative Wahl ist es, die Linkkosten für jeden Link gleich (z.B. gleich eins) zu setzen. Damit ist der kürzeste Weg bzw. Shortest Path der Weg mit der geringsten Anzahl an Hops bzw. Links.
Es ist wünschenswert, in einem Netz alle Links möglichst gleichmäßig auszulasten. Eine gleichmäßige Auslastung maximiert in dem Netz die Unempfindlichkeit gegenüber dynamischen Laständerungen, die sowohl durch zusätzliches Verkehrsaufkom men wie auch durch den Ausfall von Links auftreten können. Es sind Verfahren bekannt, die mit hohem Programmier- und Rechenaufwand den Links im Netz Kosten derart zuweisen, dass ein im Hinblick auf die Verkehrsverteilung optimales Routing erreicht wird. Diese Verfahren sind jedoch in der Regel so aufwändig, dass eine verteilte Durchführung in allen Routern des Netzes nicht vertretbar ist. Es werden deshalb heute überwiegend nicht optimale Linkkosten verwendet, z.B. gleiche Kosten für alle Links oder Knoten, die umgekehrt proportional zur Bandbreite des Links sind. Unumgängliche Anpassungen der Linkkosten werden häufig manuell gemacht, was ein hohes Fehlerrisiko birgt. Somit wird in praktischen Netzen meist eine suboptimale Verkehrsverteilung in Kauf genommen.

Aus der Druckschrift WO 02/46947A1 ist ein Verfahren zur Bestimmung von Wegen in einem mit Links gebildeten Kommunikationsnetz für ein in Bezug auf die Netzauslastung und ein für das Kommunikationsnetz erwartetes Verkehrsaufkommen optimiertes shortest-path Routing bekannt. Dabei werden den Links Startwerte für Linkkosten zugewiesen, bzgl. der Linkkosten optimale Wege für das Routing in dem Kommunikationsnetz berechnet und für das Routing des erwarteten Verkehrsaufkommens über die berechneten optimalen Wege die Auslastung der Links des Kommunikationsnetzes ermittelt.

Aus der Druckschrift Harmatos, J.: A heuristic algorithm for solving the static weight optimisation problem in OSPF networks, Global Telecommunications Conference, 2001, IEEE, Volume 3, ist bekannt, Verteilgewichte entsprechend eines die Verkehrslast der einzelnen Links betreffenden Parameters anzupassen, wobei den Links mit höherer Last ein höheres Verteilgewicht zugewiesen wird.

Die Erfindung hat zur Aufgabe, ein einfaches Verfahren zur Bestimmung von Wegen für ein optimiertes Shortest Path Routing anzugeben.

Diese Aufgabe wird durch Anspruch 1 gelöst.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren werden Wege (häufig auch in der Literatur Pfade genannt) für ein im Bezug auf die Netzauslastung optimiertes Shortest Path Routing bestimmt. Shortest Path Routing bedeutet dabei, dass hinsichtlich einer Metrik kürzeste Wege bestimmt werden. Um die Netzauslastung quantifizieren zu können, wird von einem erwarteten Verkehrsaufkommen ausgegangen. Dieses Verkehrsauf kommen wird beispielsweise mittels einer Verkehrsmatrix, d.h. einer Matrix, welche für einen Quell- und einen Zielpunkt eine zu transportierende Verkehrsmenge vorsieht, mathematisch ausgedrückt. Die Einträge der Verkehrsmatrix können aufgrund von Erfahrungswerten oder gemessenen Werten bestimmt sein. Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren werden folgende Schritte durchgeführt:

a) Den Links des Kommunikationsnetzes werden Startwerte für die Linkkosten zugewiesen. Diese Startwerte sind bei spielsweise alle gleich und haben einen numerischen Wert, beispielsweise 1.
b) Anhand dieser Linkkosten, bzw. der durch sie gegebenen Metrik werden optimale Wege für das Routing in dem Kommunikationsnetz berechnet. Bei dieser Berechnung ist es sinnvoll, möglichst alle optimalen Wege, d.h. auch Alternativwege zu berücksichtigen und für das weitere Verfahren zu verwenden. Eine derartige Berechnung kann beispielsweise in jedem Router für die möglichen Ziele mittels eines Protokolls wie OSPF oder IS-IS durchgeführt werden. Um Alternativwege zu berücksichtigen, kann das im Rahmen des OSPF-Protokolls definierte ECMP (Equal Cost Multi Path) Konzept, welches die Verwendung von äquivalenten Wegealternativen vorsieht, verwendet werden.
c) Für die berechneten optimalen Wege wird mit Hilfe des erwarteten Verkehrsaufkommens ein die Linknutzung oder Link-Verkehrslast betreffender Parameter für die einzelnen Links des Kommunikationsnetzes ermittelt. Dieser Parameter ist beispielsweise durch die absolute Verkehrslast der einzelnen Links, die auf die Bandbreite bezogene relative Verkehrslast, bei der Linkbenutzung anfallende verkehrsabhängige Kosten, die Linkverfügbarkeit die Laufzeit des jeweiligen Links oder die Belastbarkeit von Endknoten der jeweiligen Links gegeben.
d) Mit diesem für die einzelnen Links ermittelten Parameter werden die Linkkosten der einzelnen Links geändert, und zwar in der Weise, dass ein erster Link, der im Vergleich zu einem zweiten Link einen höheren Parameter aufweist, relativ zu diesem zweiten Link eine Erhöhung der Linkkosten erfährt. Diese Änderung läuft also darauf hinaus, dass höher belastete Links „teuerer" werden, also höhere Linkkosten haben und folglich im Sinne eines Shortest Path Routings weniger stark bevorzugt werden. Die Erhöhung der Linkkosten kann zum Beispiel dadurch vorgenommen werden, in dem man die Linkkosten mit einem Faktor multipliziert, welcher ein Maß für die relative Größe des Parameters für diesen speziellen Link im Vergleich zu dem Durchschnittswert des Parameters darstellt.
e) Anhand dieser neuen, nach Maßgabe des Parameters geänderten Linkkosten werden die der ursprünglich berechneten Wege bestimmt, die nach Maßgabe der geänderten Linkkosten noch optimal sind. Ausgehend von dem erwarteten Verkehrsaufkommen wird dann für ein Routing über diese optimale Untermenge an Wegen der die Linknutzung betreffende Parameter für die Links des Kommunikationsnetzes bestimmt.
f) Die Änderung der Linkkosten und die Bestimmung des die Linknutzung betreffenden Parameters auf Grundlage der Untermenge an optimalen Wegen wird durchlaufen bzw. wiederholt, bis ein Abbruchkriterium erfüllt ist. Dieses Abbruchkriterium besteht beispielsweise darin, dass der maximale linkbezogene Wert dieses Parameters höher ist, als beim vorangegangenen Durchlauf. Die Pfade, welche beim vorangegangenen Durchlauf zu der Untermenge an optimalen Pfaden gehörten, können dann für das Routing innerhalb des Netzes verwendet werden. Für ein Single Shortest Path Routing ist es sinnvoll, zusätzlich als Abbruchkriterium noch zu fordern, dass die Untermenge an optimalen Wegen keine Wegealternativen enthält. Man kann diese Eigenschaft der Untermenge an Wegen forcieren, indem man eine eventuelle Verkehrsmatrix, welche das erwartete Verkehrsaufkommen beschreibt, durch kleine Zufallszahlen ändert, um mögliche Symmetrien bei den Pfaden zu brechen.
g) Eine Untermenge an optimalen Wegen, welche in Schritt e) identifiziert wurde, wird dann für das Routing in dem Kommunikationsnetz verwendet. Je nach Abbruchkriterium ist es sinnvoll, z.B. die jeweils im letzten oder vorletzten Schritt bestimmte Untermenge zu verwenden.

Das erfindungsgemäße Verfahren ist aufwandsarm. Eine Berechnung von Wegen findet lediglich in Schritt b) statt. Aus die sen Wegen werden die für eine ausgeglichene Verkehrsverteilung optimalen Wege im Rahmen des Verfahrens ermittelt. Für ein Single Shortest Path Routing kann das Verfahren so gesehen werden, dass aus einer Menge optimaler Pfade, welche möglichst alle Alternativpfade umfassen, die Wege herausgesucht werden, welche zu einer optimierten Verkehrsverteilung führen, wobei Wegealternativen nicht mehr zugelassen werden. Das Verfahren führt dann gewissermaßen von einem z.B. mittels ECMP bestimmten Mehrwegerouting zu einem in Hinblick auf die Verkehrsverteilung optimierten Einwegerouting.

Das erfindungsgemäße Verfahren wird im Folgenden im Rahmen eines Ausführungsbeispiels anhand einer Figur näher erläutert.
Die Figur zeigt ein Ablaufdiagramm der bei dem Verfahren durchlaufenen Schritte. Die Linkkosten LK(L) der Links L eines Netzes werden mit dem Wert 1 initialisiert. Im nächsten Schritt wird mit Hilfe des ECMP-Verfahrens, welches im Rahmen des OSPF-Protokolls definiert ist, die Menge aller im Sinne der durch Linkkosten LK = 1 gegebenen Metrik optimalen Pfade Pi(Z) berechnet. Diese Berechnung erfolgt beim OSPF-Protokoll üblicherweise in jedem Knoten. Es werden dabei für jeden Knoten die zu einem Ziel Z optimalen Pfade Pi(Z) ermittelt und dementsprechend die Links für das Weiterleiten von Datenpaketen zu diesem Ziel Z festgelegt. Mittels der Verkehrsmatrix VM wird der auf diesen Pfaden Pi(Z) transportierte Verkehr V(L) für jeden Links ermittelt. (Im Rahmen des Ausführungsbeispiels ist der die Linknutzung betreffende Parameter durch den Verkehr auf den jeweiligen Link gegeben). Die Linkkosten LK(L) werden dann nach Maßgabe der folgenden Formel geändert:
Dabei ist Vav die durchschnittliche Verkehrsbelastung auf den Links. Im nächsten Schritt wird die Untermenge der Pfade bzw.
Wege Pj(Z) betrachtet, welche nach Maßgabe der geänderten Linkkosten noch minimal sind. Dass heißt, die Linkkosten LK(Pj(Z)) dieser Wege Pj(Z) sind minimal hinsichtlich der Wege von einem Knoten zu demselben Ziel Z. Die Verkehrslast V(L) der einzelnen Links wird für das Routing über diese Untermenge an Wegen Pj(Z)) anhand der Verkehrsmatrix VM berechnet. Die Änderung der Linkkosten, die Bestimmung der Untermenge an minimalen Wegen Pj(Z) und die Berechnung der Verkehrslast der einzelnen Links V(L) wird so lange wiederholt, bis das folgende Abbruchkriterium erfüllt ist: Es gibt keine Wegealternativen mehr, d.h. von jedem Knoten gibt es zu jedem Ziel Z nur noch einen im Sinne der Metrik optimalen Pfad Pj(Z) im vorletzten Schritt und das Maximum der Verkehrslast V(L) über alle Links ist im gegenwärtigen Schritt größer als das Maximum beim vorangegangenen Schritt. Die Wege Pj(Z) vom vorletzten Schritt und die Linkkosten LK(L)n-1 im vorletzten Schritt werden nun für ein bezüglich der Verkehrsverteilung optimiertes Single Shortest Path Routing verwendet.

Claims

Verfahren zur Bestimmung von Wegen (Pj(Z)) in einem mit Links (L) gebildeten Kommunikationsnetz für ein in Bezug auf die Netzauslastung und ein für das Kommunikationsnetz erwartetes Verkehrsaufkommen (VM) optimiertes shortest-path Routing, bei dem a) den Links (L) Startwerte für Linkkosten (LK(L)) zugewiesen werden, b) bezüglich der Linkkosten (LK(L)) optimale Wege (Pi(Z)) für das Routing in dem Kommunikationsnetz berechnet werden, c) für das Routing des erwarteten Verkehrsaufkommens (VM) über die berechneten optimalen Wege (Pi(Z)) ein die Link-Verkehrslast betreffender Parameter (V(L)) für die Links (L) des Kommunikationsnetzes ermittelt wird, d) die Linkkosten (LK(L)) der einzelnen Links (L) nach Maßgabe des für den jeweiligen Link ermittelten Parameters (V(L)) in der Weise geändert werden, dass die Linkkosten (LK(L)) eines ersten Links (L) mit einem im Vergleich zu einem zweiten Link (L) höheren Parameterwert relativ zu den Linkkosten (LK(L)) des zweiten Links erhöht werden, e) für das Routing des erwarteten Verkehrsaufkommens (VM) über die Untermenge an Wegen (Pj(Z)) der berechneten Wege (Pi(Z)), die bezüglich der geänderten Linkkosten (LK(L)) optimiert sind, der die Link-Verkehrslast betreffende Parameter (V(L)) für die Links (L) des Kommunikationsnetzes ermittelt wird, f) die Schritte d) und e) durchlaufen werden, bis ein Abbruchkriterium erfüllt ist und g) die Untermenge an Wegen (Pj(Z)), welche bei einem der letzten Durchläufe des Schrittes e) für die Ermittlung des die Link-Verkehrslast betreffenden Parameters (V(L)) verwendet wurde, für das Routing in dem Kommunikationsnetz verwendet wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in Schritt b) alle Wege (Pi(Z)) für das Routing in dem Kommunikationsnetz berechnet werden, die bezüglich der Startwerte für die Linkkosten (LK(L)) optimal sind.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Parameter (V(L)) durch die absolute Verkehrslast, die auf die Linkbandbreite bezogene relative Verkehrslast, bei der Linkbenutzung anfallende verkehrsabhängige Kosten, die Link-Verfügbarkeit, die Laufzeit des jeweiligen Links oder die Belastbarkeit von Endknoten des jeweiligen Links gegeben ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Startwerte für die Linkkosten (LK(L)) für alle Links (L) gleich gewählt werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Wege (Pi(Z)) mittels des ECMP (Equal Cost Multipath) Verfahrens berechnet werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Änderung der Linkkosten (LK(L)) darin besteht, dass die Linkkosten (LK(L)) eines Links (L) mit einem Faktor multipliziert werden, wobei der Faktor ein Maß für die Belastung des Links (L) relativ zur Durchschnittsbelastung der Links darstellt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bei jeder Ermittlung des die Link-Verkehrslast betreffenden Parameters (V(L)) in Schritt e) das Maximum des Parameters (V(L)) ermittelt wird und das Verfahren abgebrochen wird, falls das Maximum des die Link-Verkehrslast betreffende Parameters (V(L)) höher liegt als beim vorangegangenen Durchlauf der Schritte d) und e).
Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren erst dann angehalten wird, wenn zusätzlich erfüllt ist, dass beim vorangegangenen Durchlauf die Untermenge an Wegen (Pj(Z)) keine Alternativwege enthält.
Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass – das erwartete Verkehrsaufkommen (VM) mittels einer Verkehrsmatrix beschrieben wird und – bei einem Durchlauf die Verkehrsmatrix mittels in Relation zu den Einträgen in der Zufallsmatrix kleinen Zufallswerten so geändert wird, dass die Untermenge an Wegen (Pj(Z)) keine Alternativwege enthält.
Verfahren nach Anspruch 7, 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Untermenge an Wegen (Pj(Z)) des vorangegangenen Durchlaufs für das Routing in dem Kommunikationsnetz verwendet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das erwartete Verkehrsaufkommen (VM) mittels einer Verkehrsmatrix beschrieben wird.