DE10204088A1

DE10204088A1 - Verfahren zur Bestimmung der Last in einem Kommunikationsnetz

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Publication number: DE10204088A1
Application number: DE10204088A
Authority: DE
Inventors: Martin Karsten
Original assignee: Technische Universitaet Darmstadt
Current assignee: Technische Universitaet Darmstadt
Priority date: 2002-08-07
Filing date: 2002-02-01
Publication date: 2003-08-14
Anticipated expiration: 2022-02-02
Also published as: DE10204088C2

Abstract

Bei einem Verfahren zur Bestimmung der Last in einem Kommunikationsnetz mit Netzelementen, wie internen Knoten und Links, und mit Zugangsknoten, wobei die Zugangsknoten aus jeweils einem Eingangsknoten und einem Ausgangsknoten bestehen und von angeschlossenen Endgeräten und/oder anderen Netzen Datenpakete zu- und ableiten, wobei die internen Knoten und Links nach Routing-Algorithmen Pfade bilden, über welche die Datenpakete von einem Eingangsknoten zu einem Ausgangsknoten geleitet werden, und wobei die internen Knoten Datenpakete mit einer lastabhängigen Markierung versehen, ist vorgesehen, dass die Ausgangsknoten die aus dem Kommunikationsnetz eintreffenden Datenpakete und die darin enthaltenen Markierungen nach Pfaden getrennt zählen und daraus jeweils einen Wert für die relative Last entlang des jeweiligen Pfades ableiten und dass die von allen Ausgangsknoten abgeleiteten Werte als Parameter in ein Gleichungssystem eingebracht werden, welches das Kommunikationsnetz mit den internen Knoten und Zugangsknoten beschreibt und dessen Lösung die ermittelte relative Last der Netzelemente ergibt.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung der Last in einem Kommunikationsnetz mit Netzelementen, wie internen Knoten und Links, und mit Zugangsknoten, wobei die Zugangsknoten aus jeweils einem Eingangsknoten und einem Ausgangsknoten bestehen und von angeschlossenen Endgeräten und/oder anderen Netzen Datenpakete zu- und ableiten, wobei die internen Knoten und Links nach Routing-Algorithmen Pfade bilden, über welche die Datenpakete von einem Eingangsknoten zu einem Ausgangsknoten geleitet werden, und wobei die internen Knoten Datenpakete mit einer lastabhängigen Markierung versehen.

Zur Erfassung von Überlastungen bzw. Blockierungen im Internet ist es durch Kadangode K. Ramakrishnan, Sally Floyd and David Black, IETF RFC 3168: The Addition of Explicit Congestion Notification (ECN) to IP, September 2001 bekanntgeworden, denjenigen Datenpakete, welche mindestens einen internen Knoten durchlaufen haben, bei dem eine Überlastung festgestellt wurde, eine Markierung, bestehend aus einem entsprechend gesetzten Bit, hinzuzufügen. Beim Empfang des Datenpaketes im Ausgangsknoten kann somit festgestellt werden, ob mindestens einer der zur Übertragung dieses Datenpaketes benutzten Knoten und Links hoch belastet oder überlastet ist. Das obengenannte Dokument ist ebenso wie die weiter unten genannten Dokumente der IETF (Internet Engineering Task Force) unter der Adresse http:/ / www.ietf.org/rfc.html verfügbar.

Bei den bekannten Verfahren zur lastabhängigen Markierung wird unter Last nicht die Rechenlast am Vermittlungsknoten verstanden, sondern die Übertragungslast am ausgehenden Link. Dies beinhaltet die implizite Annahme, dass die Vermittlungskapazität des Vermittlungsknotens immer ausreichend ist und hohe Last oder Überlast nur entsteht, wenn die Summe des Verkehrs für einen bestimmten Ausgangslink dessen Kapazität überschreitet.

Die bekannten Verfahren zur lastabhängigen Markierung können unterschieden werden in

- Warteschlangen-orientiert (hier wird markiert, wenn die Warteschlange bestimmte Füllhöhen überschreitet),
- Raten-orientiert (hier wird in Abhängigkeit von der Verkehrsrate markiert),
- virtuelle Warteschlangen (hier wird ein virtuelles System mitgeführt, bei dem die Übertragungskapazität kleiner ist als beim realen System; wenn die Warteschlange im virtuellen System bestimmte Füllhöhen überschreitet, wird im realen System markiert).

Mit diesen bekannten Verfahren ist eine näherungsweise Bestimmung der Last jeweils eines Pfades möglich, eine Bestimmung der Last innerhalb des Kommunikationsnetzes, insbesondere in den einzelnen Netzelementen, kann damit jedoch nicht erfolgen.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein Verfahren zur Bestimmung der Last in einem Kommunikationsnetz anzugeben, bei dem die Last der einzelnen Netzelemente ermittelt wird.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass die Ausgangsknoten die aus dem Kommunikationsnetz eintreffenden Datenpakete und die darin enthaltenen Markierungen nach Pfaden getrennt zählen und daraus jeweils einen Wert für die relative Last entlang des jeweiligen Pfades ableiten und dass die von allen Ausgangsknoten abgeleiteten Werte als Parameter in ein Gleichungssystem eingebracht werden, welches das Kommunikationsnetz mit den internen Knoten und Zugangsknoten beschreibt und dessen Lösung die ermittelte relative Last der Netzelemente ergibt.

Das erfindungsgemäße Verfahren hat den Vorteil, dass für Netzelemente, die bei dem Setzen der Markierungen berücksichtigt werden, die Last bestimmt werden kann. Solche Netzelemente sind in erster Linie Knoten und Links, wobei das Verfahren nicht auf diese Netzelemente beschränkt ist, sondern andere Netzelemente, wie beispielsweise Speicher, in das Verfahren einbezogen werden können. Dazu sind keine zusätzlichen Maßnahmen in den Knoten erforderlich, um Lastmeldungen an eine oder mehrere zentrale oder dezentrale Stellen zu senden. Die internen Knoten können also die beispielsweise im Internet vorhandene Struktur im wesentlichen behalten.

Eine Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht darin, dass das Gleichungssystem linear ist. Diese Weiterbildung kann in vorteilhafter Weise derart ausgestaltet sein, dass das Gleichungssystem wie folgt lautet:
Σ ln (1 - m(x_n)) = ln(1 - M(p_i,j)) für alle i und j, wobei x_n die relevante Last eines Netzelementes, m(x) eine Funktion zur Berechnung einer Markierungswahrscheinlichkeit zwischen 0 und 1 für eine relative Last x und M(p_i,j) die abgeleitete relative Last eines Pfades p zwischen einem Eingangsknoten i und einem Ausgangsknoten j ist und wobei die Summe über alle Netzelemente des jeweiligen Pfades p_i,j gebildet wird.

Diese Weiterbildung ermöglicht die Lösung der Gleichungen mit einem möglichst geringen Rechenaufwand, so dass die Bestimmung der Last in weitgehend kurzzeitigen Intervallen ohne übermäßigen Rechneraufwand erfolgen kann. Diese Berechnungen können in einer zentralen Stelle erfolgen. Die Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist jedoch auch an entsprechend vielen dezentralen Stellen, beispielsweise in den Zugangsknoten, möglich.

Eine Voraussetzung für eine zuverlässige Bestimmung der Last ist gemäß einer anderen Weiterbildung dadurch gegeben, dass die Knoten die Häufigkeit der Markierungen nach einer stetig und strengen monoton steigenden Funktion der Last ausführen.

Zur Bestimmung der Last in den jeweiligen Netzelementen, nämlich internen Knoten und Links, kann bei dem erfindungsgemäßen Verfahren vorgesehen sein, dass bei der Ausführung der Markierungen in den Knoten die Last im Knoten zugrundegelegt wird und/oder dass bei der Ausführung der Markierungen die Lasten in den vom Knoten ausgehenden Links berücksichtigt werden.

Eine andere Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht darin, dass die ermittelte relative Last zur Steuerung von Routing-Algorithmen verwendet wird und dass die ermittelten relativen Lasten in Pfadvorgaben für die von den Eingangsknoten zu sendenden Datenpakete berücksichtigt werden.

Es kann jedoch auch vorgesehen sein, dass die ermittelten relativen Lasten für spätere Auswertungen gespeichert werden.

Üblicherweise übersteigt die Zahl der Pfade die Zahl der Links bzw. Knoten. Da die einzelnen Parameter der Berechnung außerdem mit einem gewissen Fehler behaftet sind (durch die Verzögerung bei der Informationsgewinnung), kann es vorkommen, dass das Gleichungssystem überspezifiziert und nicht direkt lösbar ist. Dieses wird mit einer anderen Weiterbildung dadurch verhindert, dass die Berechnungen zur Lösung des Gleichungssystems erfolgen, wenn die Zahl der Werte für die relative Last, die von den Ausgangsknoten gemeldet werden, zur eindeutigen Lösung des Gleichungssystems ausreicht.

Damit wird bewirkt, dass jeweils nur die neuesten für die Anzahl der Netzelemente erhaltenen Pfad-Last-Werte zur Berechnung verwendet werden, die linear unabhängig sind und somit alle Netzelemente abdecken.

Außer der Bestimmung der relativen Last im Kommunikationsnetz, insbesondere der relativen Last aller Netzelemente, kann das erfindungsgemäße Verfahren auch zur Bestimmung der Kapazitäten aller Netzelemente angewendet werden. Dazu ist gemäß einer Weiterbildung der Erfindung vorgesehen, dass in den Ausgangsknoten ferner die eingehende Datenrate nach Pfaden getrennt ermittelt wird und dass zur Bestimmung der Kapazität der Netzelemente folgende Gleichung angewendet wird,
c_n = (Σt_i,j)/x_n,
wobei c_n die Kapazität des Netzelementes, x_n die ermittelte relative Last, t_i,j die übertragene Datenrate entlang eines Pfades p_i,j ist und die Summe über alle Pfade p_i,j gebildet wird.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird unter Bezugnahme auf die Zeichnung in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.

Die Zeichnung stellt schematisch das Kommunikationsnetz 1 mit Zugangsknoten 2, 3, 4 (Gateways) und internen Knoten 5, 6, 7, 8, 9 dar. Die Zugangsknoten 2, 3, 4 verbinden das Kommunikationsnetz 1 mit anderen Netzen und Endgeräten und bestehen jeweils aus einem Eingangsknoten 21, 31, 41 (ingress node) und einen Ausgangsknoten 22, 32, 42 (egress node). Die internen Knoten 5 bis 9 dienen zum Weiterleiten der jeweiligen Datenpakete von einem Eingangsknoten 21, 31, 41 zu einem Ausgangsknoten 22, 32, 42. Welchen Weg dabei jeweils ein Datenpaket nimmt, wird von Routing-Algorithmen bestimmt, die je nach Belastung der einzelnen Knoten veränderbar sind. Die Routing-Algorithmen im einzelnen sind an sich bekannt, und brauchen im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung nicht näher erläutert zu werden.

Ergibt sich beispielsweise für die internen Knoten 5, 6 ein erhöhtes Verkehrsaufkommen, so werden die von ihnen weitergeleiteten Datenpakete mit einer Markierung M versehen. Solche Markierungen enthalten beispielsweise die Datenpakete, die vom Eingangsknoten 21 über die internen Knoten 5, 6 zum Ausgangsknoten 32 geleitet werden. Sind die internen Knoten 8, 9 sowie deren Verbindungen untereinander und zu den Knoten 21 und 32 überlastet, werden von den vom Eingangsknoten 21 zum Ausgangsknoten 32 zu sendenden Datenpaketen mehr über die internen Knoten 8, 9 geleitet.

Im Eingangsknoten 32 werden in einem vorgegebenen Zeitabschnitt die in den vom Eingangsknoten 21 erhaltenen Datenpaketen enthaltenen Markierungen M gezählt. Zusätzlich werden die Bytes und die Datenpakete gezählt, die in der vorgegebenen Zeit vom Eingangsknoten 21 zum Ausgangsknoten 32 übertragen werden. Die Anzahl der Markierungen geteilt durch die Anzahl der Datenpakete ergibt ein gutes Maß für die Belastung des Kommunikationsnetzes hinsichtlich der Übertragung zwischen dem Eingangsknoten 21 und dem Ausgangsknoten 32.

In den einzelnen internen Knoten erfolgt die Markierung mit einer Wahrscheinlichkeit m(x), wobei x eine relative Last ist. Für jedes durch einen Pfad verbundene Paar Zugangsknoten (i, j) ist p_i,j der verbindende Pfad. Dann berechnet sich die gemessene Last M(p_i,j) entlang des Pfades p_i,j zu
M(p_i,j) = 1 - (1 - m(x₁)).(1 - m(x₂)).. . ..(1 - m(x_n)), wobei n die Anzahl der Knoten jeweils eines Pfades ist und für jeden Pfad p_i,j eine Gleichung aufgestellt wird. Dieses Gleichungssystem kann wie folgt umgeformt werden:
1 - M(p_i,j) = (1 - m(x₁)).(1 - m(x₂)).. . ..(1 - m(x_n)).

Durch Logarithmierung erhält man das lineare Gleichungssystem
Σ ln(1 - m(x_n)) = ln(1 - M(p_i,j)) für alle i und j, bei dem die Funktion ln(1 - m(x_i)) durch y_i substituiert werden kann. Falls m(x_i) im Wertebereich zwischen 0 und 1 eine Umkehrfunktion besitzt, kann ln(1 - m(x_i)) = y_i für alle Knoten gelöst werden. Dann kann mit der Lösung des linearen Gleichungssystems die Lösung des Ausgangsgleichungssystems bestimmt werden.

Falls die Berechnung von m(x) auf Link-Last basiert, so sind die Pfade als gerichtet zu betrachten, das heißt beide Richtungen eines Pfades werden separat berücksichtigt. Entsprechend werden beide Richtungen eines Links durch separate Lastzustände x_n abgebildet.

Aus den ermittelten Werten für die relative Last x_n der internen Knoten bzw. Links und der von den Ausgangsknoten ermittelten über die einzelnen Datenpfade p_i,j übertragenen Datenraten kann die Kapazität c_n der Knoten bzw. Links wie folgt berechnet werden:
c_n = (Σt_i,j)/x_n,
wobei c_n die Kapazität des Netzelementes, x_n die ermittelte relative Last, t_i,j die übertragene Datenrate entlang eines Pfades p_i,j ist und die Summe über alle Pfade p_i,j gebildet wird.

Claims

1. Verfahren zur Bestimmung der Last in einem Kommunikationsnetz mit Netzelementen, wie internen Knoten und Links, und mit Zugangsknoten, wobei die Zugangsknoten aus jeweils einem Eingangsknoten und einem Ausgangsknoten bestehen und von angeschlossenen Endgeräten und/oder anderen Netzen Datenpakete zu- und ableiten, wobei die internen Knoten und Links nach Routing-Algorithmen Pfade bilden, über welche die Datenpakete von einem Eingangsknoten zu einem Ausgangsknoten geleitet werden, und wobei die internen Knoten Datenpakete mit einer lastabhängigen Markierung versehen, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausgangsknoten die aus dem Kommunikationsnetz eintreffenden Datenpakete und die darin enthaltenen Markierungen nach Pfaden getrennt zählen und daraus jeweils einen Wert für die relative Last entlang des jeweiligen Pfades ableiten und dass die von allen Ausgangsknoten abgeleiteten Werte als Parameter in ein Gleichungssystem eingebracht werden, welches das Kommunikationsnetz mit den internen Knoten und Zugangsknoten beschreibt und dessen Lösung die ermittelte relative Last der Netzelemente ergibt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Gleichungssystem linear ist.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Gleichungssystem wie folgt lautet:
Σln(1 - m(x_n)) = ln(1 - M(p_i,j)) für alle i und j,
wobei x_n die relevante Last eines Netzelementes, m(x) eine Funktion zur Berechnung einer Markierungswahrscheinlichkeit zwischen 0 und 1 für eine relative Last x und M(p_i,j) die abgeleitete relative Last eines Pfades p zwischen einem Eingangsknoten i und einem Ausgangsknoten j ist und wobei die Summe über alle Netzelemente des jeweiligen Pfades p_i,j gebildet wird.

4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Knoten die Häufigkeit der Markierungen nach einer stetig und strengen monoton steigenden Funktion der Last ausführen.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Ausführung der Markierungen in den Knoten die Last im Knoten zugrundegelegt wird.

6. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Ausführung der Markierungen die Lasten in den vom Knoten ausgehenden Links berücksichtigt werden.

7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die ermittelte relative Last zur Steuerung von Routing-Algorithmen verwendet wird.

8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die ermittelten relativen Lasten in Pfadvorgaben für die von den Eingangsknoten zu sendenden Datenpakete berücksichtigt werden.

9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die ermittelten relativen Lasten für spätere Auswertungen gespeichert werden.

10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Berechnungen zur Lösung des Gleichungssystems erfolgen, wenn die Zahl der Werte für die relative Last, die von den Ausgangsknoten gemeldet werden, zur eindeutigen Lösung des Gleichungssystems ausreicht.

11. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in den Ausgangsknoten ferner die eingehende Datenrate nach Pfaden getrennt ermittelt wird und dass zur Bestimmung der Kapazität der Netzelemente folgende Gleichung angewendet wird,
c_n = (Σt_i,j)/x_n,
wobei c_n die Kapazität des Netzelementes, x_n die ermittelte relative Last, t_i,j die übertragene Datenrate entlang eines Pfades p_i,j ist und die Summe über alle Pfade p_i,j gebildet wird.