DE102005059269A1

DE102005059269A1 - Verbesserung der Auslastung von Links und Kommunikationsnetzen mit Zugangskontrolle durch kontrollierte Überbuchung

Info

Publication number: DE102005059269A1
Application number: DE102005059269A
Authority: DE
Inventors: Jan Junker; Michael Menth; Jens Milbrandt
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2005-12-12
Filing date: 2005-12-12
Publication date: 2007-06-14

Abstract

Es wird ein Verfahren zur Verbesserung der Auslastung zumindest eines Links in einem Kommunikationsnetz vorgestellt, wobei für zu übertragenden Datenverkehr eine Zugangskontrolle mittels einer Grenze für den gesamten zu übertragenden Datenverkehr durchgeführt wird. Bei dem Verfahren wird wenigstens eine verkehrstypenspezifische Reservierungsauslastung mittels Messwerten für den gesamten Verkehr und Nennwerten für den gesamten Verkehr und einzelnen Verkehrstypen näherungsweise ermittelt. Diese verkehrstypspezifische Reservierungsauslastung wird zur Festlegung einer Überbuchung verwendet. Die Erfindung erlaubt eine genauere Festsetzung eines geeigneten Überbuchungsfaktors und eine schnellere Anpassung der Überbuchung an neue Verkehrssituationen.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Verbesserung der Auslastung zumindest eines Links in einem Kommunikationsnetz.
Die Erfindung liegt auf dem Gebiet der Netzwerktechnik und zielt vornehmlich auf eine bessere Auslastung von paketorientierten Netzen mit Echtzeitverkehr.
In vielen derzeitigen Netzen gibt es Verfahren zur Überlastkontrolle, um die Übertragungsqualität in diesen Netzen zu sichern. Eine Möglichkeit der Überlastkontrolle besteht darin, zu übertragenden Datenverkehr Zulassungskontrollen zu unterwerfen. Dabei wird pro Link oder für das ganze Netz eine Bandbreitenreservierung für angemeldeten Verkehr durchgeführt. Neu angemeldete Verbindungen werden abgewiesen, wenn nicht mehr hinreichend Bandbreite für den angeforderten Übertragungsdienst bereitsteht. Reservierungen orientieren sich dabei an der Spitzenrate der jeweiligen Verbindungen.

In der Regel ist die gesamte gemäß Zulassungskontrollen reservierte Bandbreite höher als die tatsächlich in Anspruch genommene. Netze mit Zugangskontrollen verwenden häufig auch so genannte Policer bzw. Kontrollinstanzen, die die real benützte Bandbreite messen und bei Überschreiten der reservierten Bandbreite Pakete verwerfen. Die Bandbreitenreservierung wird daher meist konservativ vorgenommen, so dass Verkehrsspitzen nicht zu einem Überschreiten der angeforderten Bandbreite führen. Zudem haben Verbindungen vielfach einen On/Off Charakter, d.h. es gibt Pausen, während derer keine Daten gesendet werden. Schließlich beginnen Datenströme mit einer zeitlichen Verzögerung nach Einrichten der Reservierung zu senden.

Wegen der Diskrepanz zwischen der reservierten und der real verwendeten Bandbreite wird mitunter von Netzbetreibern aufgrund von gemessenen Werten mehr Verkehr zugelassen, als die Bandbreitenreservierung verbürgen würde.

Aus der DE 10319310 ist ein Verfahren zur Verbesserung der Auslastung eines Links mittels Überbuchung bekannt. Dieses Verfahren orientiert sich an dem Verhältnis des Messwertes des gesamten über den Link übertragenen Verkehrs zu dem Nennwert (d.h. der reservierten Bandbreite) des gesamten bei der Zugangskontrolle für die Übertragung über den Link zugelassenen Verkehrs. Dieses Verfahren wurde auch unter der Bezeichnung Experience Based Admission Control (EBAC) von M. Menth, J. Milbrandt und S. Oechsner in den Proceedings der 9ten ISCC (IEEE Symposium on Computers and Communications) 2004 in Alexandria publiziert.

Die Erfindung hat die Aufgabe, eine bessere Auslastung von Netzressourcen durch ein verbessertes Verfahren zur Überbuchung der Netzressourcen zu erzielen.

Die Aufgabe wird durch den Gegenstand der unabhängigen Ansprüche gelöst.

Es wird von einem Netz (z.B. IP Netz) oder einem einzelnen Link mit Zugangskontrollen ausgegangen. Im Falle eines Kommunikationsnetzes findet eine Zugangskontrolle entweder für mindestens einen Link im Netz oder für aggregierten, über das Kommunikationsnetz übertragenen Verkehr statt. Die Zugangskontrolle erlaubt es nur einer begrenzten Datenmenge, das Netz bzw. den Link als Kommunikationsmedium zu benutzen, um dieses vor Überlastung zu schützen. Verschiedene, evtl. auf die Übertragungsart oder den Übertragungspfad-relevante Informationen (z.B. Anfangs- und Endpunkte des Übertragungspfads) bezogene Zugangskontrollen sind möglich. Eine Möglichkeit ist auch, nur Verkehr einer (oder mehrerer) Verkehrsklassen einer Zugangskontrolle zu unterwerfen (beispielsweise kann es sich um Verkehrsklassen für Echtzeitverkehr handeln). Nicht einer Zugangskontrolle unterworfener Verkehr wird dann z.B. entsprechend einem „best effort" Ansatz übertragen, d.h. Übertragung ohne Qualitätsgütemerkmale.

Die Grundidee von Überbuchung besteht darin, einen Erfahrungswert bzw. Messwert für die von Reservierungen tatsächlich ausgenutzte Datenrate im Verhältnis zur erklärten Rate (Nennwert) zu ermitteln. Dieses Verhältnis (Quotient) von tatsächlichem Wert (Messwert) zu Nennwert (Reservierungsauslastung) ist ein Maß dafür, wie viel Bandbreite für zusätzlichen Verkehr zur Verfügung steht, d.h. wie viel Verkehr über den Nennwert hinaus noch zugelassen werden kann (Überbuchung). Eine einfache Vorgehensweise besteht darin, sich bei der Überbuchung an dem Mittelwert der Reservierungsauslastung des der Zugangskontrolle unterzogenen Verkehrs zu orientieren. Da dieser Mittelwert zeitliche Schwankungen der Reservierungsauslastung nicht berücksichtigt, führt dies zu einer vergleichsweise progressiven Festsetzung der Überbuchung, um schwankungsbedingte Überlast zu vermeiden. Eine bessere Festsetzung der Überbuchung ist bei Berücksichtigung von Schwankungen möglich. Beispielsweise kann eine Quantilbetrachtung benutzt werden, um die Überbuchung derart festzusetzen, dass eine verkehrsschwankungsbedingte Überlastsituation nur mit einer kleinen, vorgebbaren Wahrscheinlichkeit auftritt.

Die Erfindung basiert auf der Beobachtung, dass die Schwankung von Verkehrsströmen um ihren Mittelwert sehr stark von dem Typ des Verkehrs abhängt. So sind z.B. bei der Versendung eines umfangreichen Datenfiles die Schwankungen der Datenrate erheblich geringer als bei der Übertragung von Sprachinformationen im Zuge eines Telefongesprächs. Es ist daher von Interesse, zu ermitteln, welche Verkehrstypen in welchem Umfang zu der Reservierungsauslastung beitragen, um die Überbuchung mit Rücksicht auf die entsprechenden Schwankungen festzusetzen. Eine direkte Ermittelung von verkehrstypenspezifischen Reservierungsauslastungen (Quotient aus tatsächlich übertragenen Verkehr des Typs und entsprechende Reservierung) ist jedoch in der Regel nicht möglich, da eine Messung des typenspezifischen Anteils an dem übertragenen Verkehr mit unverhältnismäßigem Aufwand verbunden wäre.

Erfindungsgemäß wird wenigstens eine verkehrstypenspezifische Reservierungsauslastung mittels Messwerten für den gesamten Verkehr und den Nennwerten (reservierte Kapazität) für den gesamten Verkehr und die einzelnen Verkehrstypen ermittelt.

Dabei kann wie folgt vorgegangen werden. Der Quotient aus Messwert und Nennwert für den gesamten Verkehr liefert die aggregierte Reservierungsauslastung. Diese wird ausgedrückt als Summe über die verkehrstypspezifischen Reservierungsauslastungen jeweils multipliziert mit dem Verhältnis der für den jeweiligen Verkehrstyp reservierten Kapazität zur gesamten reservierten Kapazität. Mittels dieser Gleichung kann die typspezifischen Reservierungsauslastungen ermittelt werden.

Dazu wird die aggregierte Reservierungsauslastung zu verschiedenen Zeitpunkten mit Hilfe von Messwerten für den Gesamtverkehr ermittelt. Die Gleichung wird für die verschiedenen Zeitpunkte aufgestellt. Dadurch erhält man ein Gleichungssystem. Zur Lösung des Gleichungssystems behandelt man die typspezifischen Reservierungsauslastungen als wären sie konstant. Das Gleichungssystem wird dann vorzugsweise durch Methoden der Ausgleichsrechnung (z.B. Methode der kleinsten Quadrate) bestimmt. Eine exakte Lösung wäre auch möglich.

Zeitreihen für die typspezifischen Reservierungsauslastungen können erhalten werden, indem das Gleichungssystem bei Aufnahmen eines neuen Messwertes für den Gesamtverkehr um eine Gleichung erweitert (oder eine Gleichung ersetzt), das so entstehende Gleichungssystem gelöst und die resultierenden Werte für die typspezifischen Reservierungsauslastungen als neue Werte der entsprechenden Zeitreihen verwendet werden.

Mit den Zeitreihen der typspezifischen Reservierungsauslastungen können nun statistische Verfahren wie z.B. eine Quantilbetrachtung verwendet werden, die für die Festlegung der Überbuchung eingesetzt werden.

Im Folgenden wird der Erfindungsgegenstand im Rahmen eines Ausführungsbeispiels näher ausgeführt.
Aus den in der Beschreibungseinleitung angegebenen Quellen ist das Konzept der Experience-Based Admission Control (EBAC) bekannt, mit deren Hilfe eine mess-basierte Zugangskontrolle durchgeführt werden kann ohne zu jedem Zeitpunkt die Last im Netz kennen zu müssen. Die EBAC ist ein echter Hybrid zwischen Parameter-basierten und traditionellen Messungs- basierten AC-Methoden (AC: Admission Control). Sie funktioniert wie folgt. Aus der Zeitreihe der Reservierungen R(t) und zeitabhängigen Messungen M(t) wird eine zeitabhängige Reservierungsauslastung U(t) = M(t)/R(t) berechnet. Mit Hilfe des p-Quantils U^p(t)dieser Reservierungsauslastung wird die Belastung der Ressource abgeschätzt und das bei der Zugangskontrollentscheidung mitberücksichtigt. Die Zugangskontrolle basiert z.B. auf den Spitzenraten r(f) der Flüsse und lautet:
ρ_max ist dabei ein Korrekturfaktor, der auch als Funktion gestaltet sein kann. Somit kann das φ(t) = 1/U^p(t)-fache der vorhandenen Bandbreite vergeben werden. Die EBAC ist also ein Automatismus zur Bandbreitenüberbuchung.
Hier wird das Konzept auf typspezifische EBAC ausgedehnt (Erweiterung der Experience-Based Admission Control (EBAC) auf Verkehrstypen für eine schnelle Anpassung des Überbuchungsparameters bei Änderung des Verkehrsmixes). Die Idee ist für Flüsse mit ähnlichen Reservierungsauslastungen separate Überbuchungsparameter zu berechnen, so dass die benutzte Zulassungsentscheidung wie folgt berechnet werden kann:
Die Funktion t(f) zeigt dabei den Typ eines Flusses f an. Es müssen also die typspezifischen Reservierungsauslastungen und die daraus resultierenden Quantile berechnet werden. Das ist eine Herausforderung, wenn man nur die typspezifischen Reservierungen R_i(t) aus der Zugangskontrolleinheit hat, nicht aber die typspezifischen Messungen M_i(t) sondern nur das gesamte M(t).
Bei der Erweiterung der EBAC (Experience Based Admission Control) auf Verkehrstypen (PMRR-Typen) charakterisieren die Verkehrstypen Flüsse mit einem ähnlichen PMRR (Peak-to-Mean Rate Ratio), die aber zu völlig unterschiedlichen Anwendungen und auch zu völlig unterschiedlichen Anfragegrößen gehören können. Ändert sich nun die Zusammensetzung des Verkehrs bezüglich der PMRR-Typen bzw. der Verkehrstypen, so kann das sofort in die aktuelle Schätzung der Reservierungsauslastung einbezogen werden und muss nicht erst durch Messungen mit Verspätung gelernt werden. Durch diese schnellere Reaktions- möglichkeit reduziert die typenspezifische EBAC die ungewünschte Über- bzw. Unterbuchung bei der Änderung des Verkehrsmixes.
Die PMRR-Typen werden heuristisch durch die hier vorliegende Erweiterung der EBAC herausgefunden.
Bei der normalen EBAC ist – wie oben angesprochen – zu einem gewissen Zeitpunkt eine Rate R(t) reserviert und eine entsprechende Rate M(t) wird gemessen. Der Quotient U(t) = M(t)/R(t) liefert einen Quotienten, auf Grund dessen zeitlicher Statistik ein Überbuchungsparameter mittels einer Quantilbetrachtung ermittelt wird.
Das p = 1 – α Quantil für U ist bei der Quantilbetrachtung definiert als: U_p = min{u|P(Q ≤ u) ≥ 1 – a}. Für U wird somit der kleinste Wert gewählt, der von Q nur mit Wahrscheinlichkeit α überschritten wird.
Erfindungsgemäß wird die Genauigkeit der Auswertungen erweitert, indem die reservierte Rate R(t) auf unterschiedliche Verkehrstypen aufgeteilt wird, z.B. Voice, Video, Spiele, Telematik, Gaming. Diese Informationen können bei der Zugangskontrolle mitgeliefert und ausgenutzt werden. Für Verkehrstypen 0 ≤ i < n bekommen man Raten R_i(t), die sich zu einer aggregierten Rate bzw. einer Gesamtrate zusammensetzen
Der Anteil des Verkehrstyps i wird bezeichnet als
(Gl.4).
Es wird im Weiteren davon ausgegangen, dass jeder Verkehrstyp einen für sich charakteristischen PMRR-Wert hat und somit in seiner für ihn typischen Weise U_i zur Gesamtauslastung U(t) beiträgt.
Die α_i(t) sind zu jedem Zeitpunkt durch die Reservierungsdaten gegeben. Es wird zunächst für das weitere mathematische Vorgehen angenommen, dass K_i(t) für die Flüsse eines Verkehrstyps konstant bleibt. D.h. auch die typspezifischen Reservierungsauslastungen U_i werden vorläufig als konstant betrachtet. Dieses Vorgehen ist gleichbedeutend mit der Annahme, dass die Zeitabhängigkeit von U(t) durch die Änderung seiner Zusammensetzung aus den U_i resultiert. Dann wird die obige Gleichung Gl. 5 zun unterschiedlichen Zeitpunkten t_j mit einem unterschiedlichen Verkehrsgemisch
(Gl. 6) aufgestellt. Die Messungen zu diesen Zeitpunkten ergeben ein Gleichungssystem, durch welches die typspezifischen Reservierungsauslastungen U_i bestimmt werden können. Für die Lösung des Gleichungssystems werden im Folgenden zwei Möglichkeiten angegeben:
A. Berechnung der typspezifischen Reservierungsauslastungen auf Basis eines nicht überbestimmten linearen Gleichungssystems (LES)
Es werden nur die letzten Messwerte so gewählt, dass die α_i(t) linear unabhängig sind und dass sie sich signifikant unterscheiden. Mit diesen Messwerten können die U_i dann exakt berechnet werden. Dieser LES-Ansatz ist zwar intuitiv und einfach, allerdings funktioniert diese Methode nicht gut wie die folgende, selbst wenn man Glättungsverfahren auf die Eingangswerte ansetzt.
B. Approximation der typspezifischen Reservierungsauslastungen auf Basis eines überbestimmten linearen Gleichungssystems durch Least Square Approximation (LSA)
Es wird mit Hilfe der Least Squares Approximation (Methode der kleinsten Quadrate) die typspezifischen Reservierungsauslastungen U_i so bestimmt, dass die quadratischen Abweichungen sehr gering sind. Um bessere Ergebnisse zu bekommen, hilft es einen gleitenden Durchschnitt über die U(t) und evtl. auch über die α_i(t) zu legen, z.B. mit Hilfe einer Time-Exponentially Weighted Moving Average Methode oder anderer Methoden. Somit erhält man also statische typspezifische Reservierungsauslastungen U_i. Um nun aber für typspezifische Verteilungen zu bekommen, wird die dynamische typspezifische Reservierungsauslastungen U_i mit
berechnet. Es wird also eine Zeitabhängigkeit für die typspezifische Reservierungsauslastung wieder eingeführt. Angesichts der vorherigen Behandlung der typspezifische Reservierungsauslastung als konstant erhält man dann wohl eine gute Approximation, wenn sich die typspezifische Reservierungsauslastungen langsam in Vergleich zur aggregierten Reservierungsauslastung verändern. D.h. die Änderung der aggregierten Reservierungsauslastung ist vornehmlich auf die Änderung der Zusammensetzung zurückzuführen. Auf Grund dieser Zufallsvariablen U_i(t) kann eine Histogramm-Statistik erstellt werden, die zur Berechnung der U_i ^p(t), d.h. des p-Quantils dient.
Das System kann adaptiv gemacht werden. Dazu ist es wichtig, dass die EBAC ihre Erfahrung, die sie vor langer Zeit gemacht hat auch wieder vergisst. Das bedeutet, im Histogramm zur Ermittlung des Quantils müssen die alten Werte abgeschwächt werden. Dies wird durch einen Time-Exponentially Weighted Moving Average gemacht.
Basierend auf dem aktuellen Verkehrsgemisch kann man nun also schnell den Überbuchungsfaktor durch θ = 1/U_P ^*(t), wobei sich letzteres berechnet als
Die EBAC kann durch diese Erweiterung auf sich ändernde Verkehrsmixe schneller reagieren (schnellere Anpassung an neue Verkehrssituation). Den Vorteil kann man auf zwei Weisen ausdrücken:

• Die typspezifische EBAC führt zu besseren Ressourcenauslastungen.
• Die Änderung geschieht schneller und die Über- bzw. Unterbuchung wird zeitlich und auch in ihrem Ausmaß verringert.

Überbuchung darf es nicht geben. Darum darf die EBAC ohne diese Erweiterung nur moderat überbuchen um nicht bei Änderungen des Verkehrsmixes unbeabsichtigt zu überbuchen. Die Erweiterung schafft dieses Problem ab und erlaubt deshalb eine höher Ausnutzung der Bandbreite.

Claims

Verfahren zur Verbesserung der Auslastung zumindest eines Links in einem Kommunikationsnetz, wobei für über den Link zu übertragenden Datenverkehr eine Zugangskontrolle mittels einer Grenze für den gesamten über den Link zu übertragenden Datenverkehr durchgeführt wird oder für über das Netz zu übertragenden Datenverkehr eine Zugangskontrolle mittels einer Grenze für den gesamten auf gleiche Weise in bzw. über das Netz zu übertragenden Datenverkehr durchgeführt wird, bei dem – wenigstens eine verkehrstypenspezifische Reservierungsauslastung mittels Messwerten für den gesamten Verkehr und Nennwerten für den gesamten Verkehr und einzelnen Verkehrstypen näherungsweise ermittelt wird, und – eine Überbuchung zumindest eines Links nach Maßgabe des ermittelten Werts für die verkehrstypspezifische Reservierungsauslastung erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass – ein Gleichungssystem aufgestellt wird, indem für eine Mehrzahl von Zeitpunkten – eine aggregierte Reservierungsauslastung als Quotient von Nennwert und Messwert für den aggregierten Verkehr ermittelt wird, und – die aggregierte Reservierungsauslastung als Summe über die verkehrstypspezifischen Reservierungsauslastungen jeweils multipliziert mit dem Verhältnis der für den jeweiligen Verkehrstyp reservierten Kapazität zur gesamten reservierten Kapazität ausgedrückt wird, und – verkehrstypspezifischen Reservierungsauslastungen mittels des Gleichungssystems ermittelt werden.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die verkehrstypspezifischen Reservierungsauslastungen durch Lösung des Gleichungssystem mit einer Methode der Ausgleichsrechnung ermittelt werden.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass als Methode der Ausgleichsrechnung die Methode der kleinsten Quadrate verwendet wird.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Gleichungssystem exakt gelöst wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die verkehrstypspezifischen Reservierungsauslastung zu mehreren Zeitpunkten berechnet wird.
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass mittels einer Quantilbetrachtungsweise nach Maßgabe der Wahrscheinlichkeit eines Übersteigens einer Schwelle ein charakteristischer Wert für die verkehrstypspezifischen Reservierungsauslastung zur Verwendung für die Festsetzung eines Überbuchungsfaktors ermittelt wird.
Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Ermittlung des charakteristischen Wertes mittels einer Histogramm-Methode erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass eine Gewichtung von Histogrammen nach Maßgabe des Alters von dort verwendeten Werten vorgenommen wird.
Vorrichtung mit Mitteln zur Durchführung eines der vorhergehenden Verfahren.