Gesellschaft für Informatik e.V.

Lecture Notes in Informatics


Ausgezeichnete Informatikdissertationen 2001 D-2, 91-104 (2001).

GI, Gesellschaft für Informatik, Bonn
2001


Editors

Dorothea Wagner (ed.)


Copyright © GI, Gesellschaft für Informatik, Bonn

Contents

Ressourcen Management und Zugangskontrolle eines Vorabreservierungssystems

Sabine Kühn

Abstract


und Ausblick Diese Dissertation befaßte sich mit der Problematik der mittelund langfristigen Reservierung von Netzwerkressourcen und insbesondere mit Algorithmen der Zugangskontrolle zur Verbesserung des Leistungsverhaltens unter Berücksichtigung der neuen Zeitparameter und Charakteristika in einem erweiterten Reservierungssystem. Zunächst wurden in den einführenden Kapiteln aktuelle Entwicklungstendenzen im Inter- net und die damit verbundenen Veränderungen hinsichtlich der Netzinfrastruktur, Dienstbereitstellung und Anforderungen der Anwendungen bzw. Nutzer dargelegt und diskutiert. Dabei wurde deutlich, daß unter bestimmten Bedingungen2 eine Erweiterung von (Sofort- ) Reservierungssystemen notwendig und sinnvoll ist, um auch Anwendungen, für deren Datenübertragung mit Dienstgüteanforderungen bereits langfristig im voraus eine Planung erfolgt, zu unterstützen. Ausgehend von einer kurzen Beschreibung des QoS-Managements in verteilten Systemen und der Darstellung von QoS-Architekturen (ATM, IntServ, DiffServ) wurden diejenigen Komponenten eines Reservierungssystems bestimmt, die hinsichtlich der Erweiterung für die Unterstützung von Vorabreservierungen notwendig sind. Darauf aufbauend wurde das Modell eines erweiterten Reservierungssystems eingeführt, welches die Basis für alle durchgeführten Untersuchungen bildet. Dabei wurde ein Schwerpunkt auf die Beschreibung der Aushandlung und Verwaltung von Vorabreservierungen gelegt. Darüber hinaus wurde ein Modell zur analytischen Beschreibung eines erweiterten kontinuierlichen bzw. diskreten Reservierungssystems entwickelt. Das Ziel bestand darin, durch das vereinfachte analytische Modell exakte Aussagen über das Verhalten der Leistungsgrößen zu gewinnen. Für die sich daran anschließenden Untersuchungen und Erweiterungen der Zugangskontrolle eines erweiterten Reservierungssystems war es jedoch nicht immer möglich, die komplexen Sachverhalte durch analytische Methoden zu beschreiben. Aus diesem Grund wurde ein Simulationsmodell entwickelt, mit dem eine Bewertung der neuen Strategien und Mechanismen auch bezogen auf ein Netzwerk möglich ist. Die durchgeführten Un- tersuchungen und Erweiterungen der Zugangskontrolle betrafen dabei insbesondere die neuen Systembedingungen, die bei der Einführung von Vorabreservierungen auftreten: 1. Untersuchungen von unterschiedlichen Strategien, die die Zuteilung der Ressource bezogen auf die Reservierungsarten ImRe und ReRA regeln, 2. eine Diskussion über die Auswirkungen der Verbindungsdauer auf die Zugangskontrolle unter Berücksichtigung der Zuteilungsstrategien, 3. Algorithmen zur Behandlung der Stornierungen von Vorabreservierungen, 4. Algorithmen zur Suche eines optimalen Reservierungsstartzeitpunktes von Vorabreservierungen innerhalb eines vorgegebenen Gültigkeitsbereiches und 5. ein Ansatz zur optimalen Auswahl von Vorabreservierungen unter Einbeziehung verzögerter Quittierungen. Bei der Untersuchung von Möglichkeiten der Ressourcenzuteilung zu den Reservierungsarten wurden die Strategien Sharing, Partitioning und Trunking gegenübergestellt. Das Ziel bestand darin eine Bewertung der Strategien hinsichtlich ihrer Effizienz und Fairneß auf der Basis einer Kostenfunktion vorzunehmen. Da bei den Strategien der Partitionierung und des Trunkings eine Aufteilung der Ressource auf die Reservierungsarten (ImRe und 2Notwendigkeit der Reservierung von Netzwerkressourcen zur Einhaltung von Dienstgüteanforderungen der Anwendungen und das begrenzte Vorhandensein von Netzwerkressourcen Sabine Kühn ReRA) zugrundeliegt, war es im Hinblick auf die Anforderungen an die Zugangskontrolle notwendig, einen Algorithmus zu entwickeln, der eine optimale Bestimmung der Partitionsgrenze bzw. des Trunk-Parameters erlaubt. Die Berechnung der Blockierungswahrscheinlichkeiten für Sofortund Vorabreservierungen geht dabei als wesentliche Größe ein. In diesem Zusammenhang wurde das mathematischen Grundmodell zur Berechnung der Blockierungswahrscheinlichkeiten für die Strategie Trunking erweitert und detailliert beschrieben. Auf der Basis eines Vergleichs der Gewinnverhältnisse der einzelnen Strategien konnte festgestellt werden, daß Trunking sowohl bei bekannter als auch unbekannter Dauer von Sofortreservierungen das beste Systemverhalten aufweist, wenn der Schwerpunkt auf der Fairneß, d.h. möglichst gleicher Blockierungswahrscheinlichkeiten bezogen auf Sofortund Vorabreservierungen liegt. Im Bezug auf die Auswirkungen einer Verbindungsdauer bei Sofortreservierungen konnte festgestellt werden, daß bei einer unbekannten Dauer der Reservierungsanforderung die Verwendung von Algorithmen, die es ermöglichen die Unterbrechungswahrscheinlichkeit von Sofortreservierungen zu reduzieren, in der Zugangskontrolle zu einem besseren Sy- stemverhalten führen. In diesem Zusammmenhang wurden unterschiedliche Ansätze, die in der Literatur beschrieben sind, vorgestellt und diskutiert. Ein wesentlicher Schwerpunkt dieser Arbeit war, Leistungseinbußen infolge der Einführung von Vorabreservierungen zu reduzieren. Dies betraf Einbußen zum einen hervorgerufen durch Stornierungen und zum anderen infolge der zeitlichen Fragmentierung der Ressourcen. Das Ziel bestand darin, geeignete Algorithmen zu entwerfen und zu untersuchen, wobei die Zeitparameter als variable Größen bzw. die Charakteristiken von Vorabreservierungen bei der Zugangskontrolle berücksichtigt werden. Ausgehend von der Annahme, daß Nutzer bzw. Anwendungen während der Intermediate Phase eine Stornierung von Vorabreservierungen vornehmen (Cancellation) bzw. zum geplanten Startzeitpunkt der Reservierung diese nicht in Anspruch nehmen (No-Show), wurden zunächst Algorithmen entwickelt, die auf der Basis von Schätzmethoden eine kontrollierte überbuchung der Ressourcen durch Sofortreservierungen ermöglichen. Durch die Auswertung von Simulationsergebnissen konnte daraufhin gezeigt werden, daß unter bestimmten Randbedingungen (tatsächliche überbuchungswahrscheinlichkeit, Stornierungswahrscheinlichkeit, und Systemparameter) eine wesentliche Verbesserung des Systemverhaltens (Blockierungswahrscheinlichkeit, Auslastung) erreicht werden kann. Darüber hinaus wurde anhand eines Beispiels ebenfalls eine überbuchung von Vorabreservierungen diskutiert. Mit dem Ziel die zeitliche Fragmentierung der Ressourcen zu reduzieren, wurden Algorithmen vorgestellt, die es ermöglichen unter verschiedenen Gesichtspunkten einen optimalen Reservierungsstartzeitpunkt von Vorabreservierungen innerhalb eines vorgegebenen Gültigkeitsbereiches zu suchen. Auf der Basis eines stochastischen Modell wurde der Algorithmus earliest beschrieben, der frühest mögliche Startzeitpunkt bestimmt, zu dem die Ressourcen verfügbar sind. Der Algorithmus widest hingegen ermittelt denjenigen Startzeitpunkt innerhalb des Gültigkeitsbereiches, der eine effektive Auslastung der verfügbaren Bandbreite ermöglicht. Es konnte am Beispiel eines Single Links unter Verwendung von Simulationsergebnissen gezeigt werden, daß unter Berücksichtigung der Ressourcenauslastung innerhalb des Gültigkeitsbereiches ein günstigeres Systemverhal- ten erzielt werden kann, als mit der Einordnung der Anforderung zum frühestmöglichen Startzeitpunkt. Des weiteren konnte gezeigt werden, daß die Einführung von Gültigkeitsbereichen in einem verteilten System ebenfalls möglich ist, wenn eine entsprechende An- passung der Routing-Algorithmen, d. h. insbesondere der Generic Admission Control eines dienstgütebasierten Routings vorgenommen wird. In diesem Zusammenhang wurden zwei Routing-Algorithmen vorgestellt und diskutiert. Dabei zeigt die Anwendung der Heuristik widest shorstest die deutlichste Reduzierung der Blockierungswahrscheinlichkeit auf, die sich ebenfalls in einer erhöhten Auslastung des Netzes widerspiegelt. Dabei wurde in Zu- sammenhang mit einem dienstgütebasierten Routing davon ausgegangen, daß vollständige Informationen über die Link-Zustände auf jedem Knoten der Routing-Domaine bekannt sind. Dies ist mit einem erheblichen Aufwand an Verwaltung und Aushandlung der ge- änderten Link-Zustände verbunden, wie in der Arbeit von [Bre01] aufgezeigt wurde. In Analogie zu dem in [Bre01] vorgestellten Ansatz wäre eine deutliche Reduzierung dieses Aufwandes denkbar, wenn die Bestimmung der optimalen Startzeiten basierend auf Belegungswahrscheinlichkeiten ermittelt werden würden. In diesem Zusammenhang sind weitere Untersuchungen notwendig, die Aussagen über die Leistungsfähigkeit derart modifizierter Algorithmen erlauben. Die in der Arbeit dargelegten Untersuchungen zur Möglichkeit verzögerter Entscheidungen durch die Zugangskontrolle auf der Basis gesammelter sich zeitlich überlagernder Vorabreservierungen haben einen ersten Einblick in die Problematik gegeben. Es wurde ein Lösungsansatz diskutiert, der jedoch starken Einschränkungen unterworfen ist. Ausgehend von einem einfachen Beispiel wurde jedoch deutlich, daß durch verzögerte Quittierungen die Blockierungswahrscheinlichkeit der Reservierungen reduziert werden kann. Darüber hinaus können bei sehr hoher Belastung deutliche Verbesserungen erzielt werden, da hier die Auswahl der Anforderungen zugunsten einer geringen Blockierung eher gegeben ist. Dabei führt die Anwendung einer solchen Strategie dazu, daß es durch die verzögerte Entscheidung zu einer ungleichen Behandlung von bereits lange im voraus getätigten Re- servierungen und relativ kurzfristigen Reservierungen kommen kann. Das bedeutet, daß die Priorisierung der Reservierungen, die sich bisher aus der zeitlichen Reihenfolge ihres Eintreffens ergab, in diesem Ansatz keine Berücksichtigung findet. Als weiterer Schwerpunkt der Arbeit wurde ausgehend von dem allgemeinen Modell eines erweiterten Reservierungssystems eine praktische Validierung innerhalb von ATM vorgenommen. Als Grundlage diente dafür die frei verfügbare HARP-Implementierung. Die notwendigen Erweiterungen zur Behandlung von Vorabreservierungen bezogen sich auf die Spezifikation eines neuen Informationselementes und einer neuen Reservierungsnachricht zur Übermittlung der Zeitparameter und zur Steuerung spezifischer Aktivitä- ten, die Abbildung der ReRA-Dienstelemente und des Kommunikationsmodells auf ATM- Nachrichten und Nachrichtenbehandlungsregeln (State Machine), die Erweiterung der Verwaltungsstrukturen sowie auf die Anpassung der Schnittstellen für die Integration des neuen Signalisierungsmoduls in das Betriebssystem Digital UNIX. In diesem Zusammenhang wurden Funktionalitätstests (Endsystem zu Endsystem) durchgeführt, die ebenfalls die Funktionalität des ReRA-aging Mechanismus sicherstellten, für den Fall, das reservierte Ressoucen nicht genutzt bzw. aktiviert wurden. Da eine Erweiterung der Switch-Software nicht realisiert werden konnte, sind Aussagen über die Ska- Sabine Kühn lierbarkeit in erweiterten Topologien nicht möglich. Für eine Menge von etwa zehn vorab reservierten Verbindungen konnten keine Unterschiede zum Leistungsverhalten eines her- kömmlichen Systems ausgemacht werden. Im Hinblick auf den praktischen Einsatz einer solchen Signalisierungsoftware beispielsweise zum dynamischen Aufund Abbau vorab reservierter Leased Lines in Form von SVPs sind weiterführende Leistungsmessungen notwendig. Literaturverzeichnis [BBC$\cdot 98$] S. Blake, D. Black, M. Carlson, E. Davies, Z. Wang, and W. Weiss. An Architecture for Differentiated Services. IETF, 1998. RFC2475. [BCS94] R. Braden, D. Clark, and S. Shenker. Integrated Services in the Internet Architecture: an Overview. IETF, 1994. RFC1633. [BGS$\cdot 01$] L. Berger, D. Gan, G. Swallow, P. Pan, F. Tommasi, and S. Molendini. RSVP Refresh Overhead Reduction Extensions. IETF, 2001. RFC2961. [BIFD01] F. Baker, C. Iturralde, F. Le Faucheur, and B. Davie. Aggregation of RSVP for IPv4 and IPv6 Reservations. IETF, 2001. Internet Draft. [BLB98] Steven Berson, Robert Lindell, and Robert Braden. An Architecture for Advance Re- servations in the Internet. Technical report, ISI, 1998. [Bre01] F. Breiter. Dienstgütebasiertes Routing für Vorabreservierungen im Internet. PhD thesis, Computer Science, Dresden University of Technology, 2001. [BZB$\cdot 97$] R. Braden, L. Zhang, S. Berson, S. Herzog, and S. Jamin. Resource ReSerVation Protocol (RSVP) - Version 1 Functional Specification. IETF, 1997. RFC2205. [DV00] Pressemitteilung DFN-Verein. Gigabit-Wissenschaftsnetz: Etappen für den Aufbau des Internet2 in Deutschland. pm00-06-30d.html, Juni 2000. [FGV97] Domenico Ferrari, Amit Gupta, and Giorgio Ventre. Distributed Advance Reservation of Real-Time Connections. Multimedia Systems, $5(3)$:187-198, 1997. [FKL$\cdot 99$] Ian Foster, Carl Kesselmann, Craig Lee, Bob Lindell, Klara Nahrstedt, and Alain Roy. A Distributed Resource Management Architecture that Supports Advance Reservations and Co-Allocation. In IFIP Seventh International Workshop on Quality of Service, IWQoS, pages 27-36, London, 1999. IEEE. [HMB$\cdot 00$] Hans-Christian Hege, André Merzky, Werner Benger, Friedbert Kasper, Thomas Radke, and Edward Seidel. Schwarze Löcher in Sicht. DFN Mitteilungen, 52:4-6, Februar 2000. [Lus77] Hanan Luss. A Model for Advanced Reservations for Intercity Visiual Conferencing Services. Operational Research Quarterly, $28(2)$:275-284, 1977. [Lus80] Hanan Luss. A Model for Advanced Reservations for Large Scale Conferencing Services. Journal of the Operational Research Society, $31(3)$:239-245, 1980. [MBB$\cdot 97$] A. Mankin, F. Baker, B. Braden, S. Bradner, M. O`Dell, A. Romanow, A. Weinrib, and L. Zhang. Resource ReSerVation Protocol (RSVP) Version 1 Applicability Statement, Some Guidelines on Deployment. IETF, 1997. RFC2208. [NBBB98] K. Nichols, S. Blake, F. Baker, and D. Black. Definition of the Differentiated Services Field (DS Field) in the IPv4 and IPv6 Headers. IETF, 1998. RFC2474. [Pat00] Jochem Pattloch. DFNConnect-Flexible Bandbreiten auf den Punkt gebracht. DFN Mitteilungen, 52:16-17, Februar 2000. [Rei95] Wilko Reinhardt. Advance Resource Reservation and its Impact on Reservation Protocols. In Broadband Island, 1995. [RLLS88] J.W. Roberts, Y. Liang, K. Liao, and A. Simonian. Queueing models for reserved set up telecommunications services. 12th International Teletraffic Congress, Torino, june 1988. [RVM96] James W. Roberts, Jorma Virtamo, and Ugo Mocci. Broadband Network Teletraffic, Final Report of Action COST 242. Springer Verlag, 1996. [Sch98] Olov Schelén. Quality of Service Agents in the Internet. PhD thesis, Luleå University of Technology, 1998. [Sie97] G. Siegmund. ATM - Die Technik; Grundlagen, Netze, Schnittstellen, Protokolle. Hüthig Verlag Heidelberg, 1997. [SNNP99] Olov Schelén, Andreas Nilsson, Joakim Norrgård, and Stephen Pink. Performance of QoS Agents for Provisioning Network Resources. In IFIP Seventh International Workshop on Quality of Service, IWQoS, pages 17-26, London, 1999. IEEE. [Ste99] R. Steinmetz. Multimedia-Technologie. Springer-Verlag, 1999. [THD$\cdot 99$] B. Teitelbaum, S. Hares, L. Dunn, R. Neilson, R. Narayan, and F. Reichmeyer. Internet2 qbone: Building a Testbed for Differentiated Services. IEEE Network, $13(5)$:8-16, September /October 1999. [VA91] J. T. Virtamo and S. Aalto. Stochastic optimization of reservation systems. European Journal of Operational Research, 51:327-337, 1991. [Vir92] J. T. Virtamo. A Model of Reservation Systems. IEEE Transactions on Communications, $40(1)$:109-118, Januar 1992. [WDS$\cdot 95$] Lars C. Wolf, Luca Delgrossi, Ralf Steinmetz, Sibylle Schaller, and Hartmut Wittig. Issues of Reserving Resources in Advance. In Fifth International Workshop on Network and Operating System Support for Digital Audio and Video, 1995. [ZS00] Florian Zeilhofer and Robert Sader. Netze im virtuellen OP. DFN Mitteilungen, 52:7-8, Februar 2000. Sabine Kühn studierte Informatik an der Technischen Universität Dresden. Ihre Diplomarbeit zum Thema Ïntegration von IPv6 und ATMërstellte sie 1995 am European Applied Research Center in Karlsruhe (SAP). Im Anschluß daran wurde sie wissenschaftliche Mitarbeiterin am Lehrstuhl Rechnernetze der TU-Dresden. Im Rahmen des DFG-Projektes Änwendungsund Protokollmanagement in Hochleistungsnetzen"war sie maßgeblich an Sabine Kühn der Integration und Implementierung RSVP-fähiger IP/IPv6 Netzwerke und ATM beteiligt. Von 1997 bis 2001 bearbeitete sie das DFG-Projekt Ressourcenreservierung im Voraus". Ihr Dissertation Ressoucenmanagement und Zugangskontrolle eines Vorabreservierungssystemsßchloß sie im Jahr 2001 mit Auszeichung ab. Seit Oktober 2001 arbeitet sie bei DANTE (Delivery of Advanced Network Technology to Europe ltd) in Cambridge (GB) und beschäftigt sich im Rahmen des pan-europäischen Forschungsnetzes GÉANT unter anderem mit den Projekten 6NET und SEQUIN.


Full Text: PDF

GI, Gesellschaft für Informatik, Bonn
ISBN 3-88579-406-3


Last changed 12.06.2012 13:41:03