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Efficient admission control and routing for resilient communication networks

Effiziente Zugangskontrolle und Verkehrslenkung für ausfallsichere Kommunikationsnetze

Please always quote using this URN: urn:nbn:de:bvb:20-opus-9949
  • This work is subdivided into two main areas: resilient admission control and resilient routing. The work gives an overview of the state of the art of quality of service mechanisms in communication networks and proposes a categorization of admission control (AC) methods. These approaches are investigated regarding performance, more precisely, regarding the potential resource utilization by dimensioning the capacity for a network with a given topology, traffic matrix, and a required flow blocking probability. In case of a failure, the affectedThis work is subdivided into two main areas: resilient admission control and resilient routing. The work gives an overview of the state of the art of quality of service mechanisms in communication networks and proposes a categorization of admission control (AC) methods. These approaches are investigated regarding performance, more precisely, regarding the potential resource utilization by dimensioning the capacity for a network with a given topology, traffic matrix, and a required flow blocking probability. In case of a failure, the affected traffic is rerouted over backup paths which increases the traffic rate on the respective links. To guarantee the effectiveness of admission control also in failure scenarios, the increased traffic rate must be taken into account for capacity dimensioning and leads to resilient AC. Capacity dimensioning is not feasible for existing networks with already given link capacities. For the application of resilient NAC in this case, the size of distributed AC budgets must be adapted according to the traffic matrix in such a way that the maximum blocking probability for all flows is minimized and that the capacity of all links is not exceeded by the admissible traffic rate in any failure scenario. Several algorithms for the solution of that problem are presented and compared regarding their efficiency and fairness. A prototype for resilient AC was implemented in the laboratories of Siemens AG in Munich within the scope of the project KING. Resilience requires additional capacity on the backup paths for failure scenarios. The amount of this backup capacity depends on the routing and can be minimized by routing optimization. New protection switching mechanisms are presented that deviate the traffic quickly around outage locations. They are simple and can be implemented, e.g, by MPLS technology. The Self-Protecting Multi-Path (SPM) is a multi-path consisting of disjoint partial paths. The traffic is distributed over all faultless partial paths according to an optimized load balancing function both in the working case and in failure scenarios. Performance studies show that the network topology and the traffic matrix also influence the amount of required backup capacity significantly. The example of the COST-239 network illustrates that conventional shortest path routing may need 50% more capacity than the optimized SPM if all single link and node failures are protected.show moreshow less
  • Diese Arbeit gliedert sich in zwei Hauptteile: Ausfallsichere Zugangskontrolle und ausfallsichere Verkehrslenkung. Die Arbeit beschreibt zu Beginn den Stand der Technik für Dienstgütemechanismen in Kommunikationsnetzen und nimmt eine Kategorisierung von Zugangskontrollmethoden vor. Diese Ansätze werden hinsichtlich ihrer potentiellen Auslastung der Leitungskapaztitäten untersucht, indem die Kapazität für ein Netz mit gegebnener Topology, Verkehrsmatrix und geforderten Flussblockierwahrscheinlichkeiten dimensioniert wird. Im Falle eines FehlersDiese Arbeit gliedert sich in zwei Hauptteile: Ausfallsichere Zugangskontrolle und ausfallsichere Verkehrslenkung. Die Arbeit beschreibt zu Beginn den Stand der Technik für Dienstgütemechanismen in Kommunikationsnetzen und nimmt eine Kategorisierung von Zugangskontrollmethoden vor. Diese Ansätze werden hinsichtlich ihrer potentiellen Auslastung der Leitungskapaztitäten untersucht, indem die Kapazität für ein Netz mit gegebnener Topology, Verkehrsmatrix und geforderten Flussblockierwahrscheinlichkeiten dimensioniert wird. Im Falle eines Fehlers werden betroffene Flüsse automatisch über Ersatzpfade umgeleitet, was die Verkehrslast auf deren Übertragungsleitungen erhöht. Um die Wirksamkeit der Zugangskontrolle auch in Fehlerfällen zu gewährleisten, muss diese erhöhte Verkehrslast bei der Dimensionierung berücksichtigt werden, was zu einer ausfallsicheren Zugangskontrolle führt. Kapazitätsdimensionierung ist in bereits existierenden Netzen mit festen Linkbandbreiten nicht mehr möglich. Für die Anwendung von ausfallsicherer Zugangskontrolle in diesem Fall muss die Größe von verteilten Zugangskontrollbudgets gemäß der Verkehrsmatrix so angepasst werden, dass die maximale Blockierwahrscheinlichkeit aller Flüsse minimiert wird und die Kapazität aller Links in keinem Fehlerfall durch die zulässige Verkehrrate überschritten wird. Es werden unterschiedliche Algorithmen für die Lösung dieses Problems vorgeschlagen und hinsichtlich ihrer Effizienz und Fairness verglichen. Ein Prototyp für ausfallsichere Zugangskontrolle wurde im Rahmen des KING-Projektes in den Labors der Siemens AG in München implementiert. Ausfallsicherheit benötigt Zusatzkapazitäten auf den Ersatzpfaden für Fehlerfälle. Die Menge der Zusatzkapazität hängt von der Verkehrslenkung ab und kann durch Optimierung verringert werden. Es werden neue Mechanismen für Ersatzschaltungen vorgestellt, die den Verkehr schnell um Fehlerstellen im Netz herumleiten können. Sie zeichnen sich durch ihre Einfachheit aus und können z.B. in MPLS-Technologie implementiert werden. Der "Self-Protecting Multi-Path" (SPM) ist ein Multipfad, der aus disjunkten Teilpfaden besteht. Der Verkehr wird sowohl im Normalbetrieb als auch in Ausfallszenarien über alle intakten Teilpfade gemäß einer optimierten Lastverteilungsfunktion weitergeleitet. Leistungsuntersuchungen zeigen, dass die Menge an benötigter Zusatzkapazität deutlich von der Netztopologie und der Verkehrsmatrix abhängt. Das Beispiel des COST-239 Netzes veranschaulicht, dass herkömmliche Verkehrslenkung auf den kürzesten Wegen 50% mehr Kapazität benötigen kann als der optimierte SPM, wenn alle einzelnen Übertragungsleitungs- und Vermittlungsknotenausfälle geschützt werden.show moreshow less

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Metadaten
Author: Michael Menth
URN:urn:nbn:de:bvb:20-opus-9949
Document Type:Doctoral Thesis
Granting Institution:Universität Würzburg, Fakultät für Mathematik und Informatik
Faculties:Fakultät für Mathematik und Informatik / Institut für Informatik
Date of final exam:2004/07/08
Language:English
Year of Completion:2004
Series (Serial Number):Würzburger Beiträge zur Leistungsbewertung Verteilter Systeme (03/04)
DOI:https://doi.org/10.25972/OPUS-846
Dewey Decimal Classification:0 Informatik, Informationswissenschaft, allgemeine Werke / 00 Informatik, Wissen, Systeme / 004 Datenverarbeitung; Informatik
GND Keyword:Kommunikation; Netzwerk; Ausfallsicheres System
Tag:Ausfallsicherheit; Kommunikationsnetze; Verkehrslenkung; Zugangskontrolle
Admission Control; Communication Networks; Resilience; Routing
Release Date:2004/08/11
Advisor:Prof. Dr. Ing. Phuoc Tran-Gia