11. Verkonsuunnittelu ja -mitoitus

Transkriptio

1 S Liikenneteorian perusteet K-99 lect11.ppt 1 Sisältö Johdanto Suunnitteluprosessi Mitoitus Verkon optimointi 2 1

2 Verkkomalli Tietoliikenneverkko voidaan yleensä mallintaa joukkona päätelaitteita (terminal) linkkejä (link) solmuja (node) liityntäverkko (access network) päätelaitteita verkon (reunalla oleviin) solmuihin yhdistävä osa tietoliikenneverkosta runkoverkko (trunk network) verkon solmuja toisiinsa yhdistävä osa tietoliikenneverkosta 3 Tavoitteet Verkonsuunnittelun ja -dimensioinnin tavoitteena on määrittää verkko, joka täyttää annetut suorituskykyvaatimukset (GoS, teknologia,...) on taloudellisesti edullinen on skaalautuva (laajentaminen mahdollista ja kohtuullisen ongelmatonta) Liikennedimensioinnin (traffic dimensioning) perustavoitteena on määritttää kullekin systeemin osalle minimikapasiteetti siten, että saapuvaa liikennettä palvellaan annetun laatuvaatimuksen mukaisesti Puhelinverkko: GoS (kutsun hylkäystodennäköisyys, yhdeyden muodostamisaika) 4 2

3 Verkkohierarkiat (1) Verkkoa tarkastellaan yleensä eri abstraktiotasoilla ja verkonsuunnittelu ja mitoitus yksinkertaisimmillaan suoritetaan taso kerrallaan. Taso: alhainen korkea Verkko: liityntäverkko paikallinen maanlaajuinen Solmu: rakennus puhelinkeskus yhdyskeskus 5 Verkkohierarkiat (2) Luonnollinen hierarkiajako liityntäverkko yhdysverkko Puhelinverkoissa perinteisesti useita hierarkiatasoja esim. 5 tasoa AT&T:n puhelinverkossa nykyinen suunta on tasojen vähentämistä kohden optimi lienee jossakin kolmen hierarkiatason paikkeilla Dataverkoissa on yleensä selvitty muutamalla hierarkiatasoilla 6 3

4 Verkkotopologiat(1) Erilaisia verkkotopologioita (a) tähtimäinen (star) (b) puumainen (tree) (c) silmikoitu (meshed) (d) täydellisesti kytketty (fully meshed) (e) rengas (ring) (f) väylä (bus) (a) (b) (c) (d) (e) (f) 7 Verkkotopologiat(2) Kullekin hierarkiatasolle tulee määrittää sopiva topologia. Optimaalinen topologia voi hyvinkin olla jonkinlainen sekamuoto perustopologioista. Perinteisesti liityntäverkot ovat usein tähtimäisiä paikallisverkot ovat usein rengasverkkoja maanlaajuiset verkot ovat usein silmikoituja Tulevaisuudessa esimerkiksi rengasmaiset liityntäverkot yleistyvät Kaapeliverkkojen dataliitynnät (ADSL) Optinen liityntärengas 8 4

5 Sisältö Johdanto Suunnitteluprosessi Mitoitus Verkon optimointi 9 Verkonsuunnittelun vaiheet Tiedonkeräys (nykyinen tilanne) liikennemittaukset tilaajamäärät eri alueilla Ennustaminen palveluskenaariot tekniset vaatimukset liikennemäärät ja -profiilit vaikeaa!!! Verkon optimointi ja dimensiointi rakenne reititys kokoonpano elementtien sijoittaminen 10 5

6 Perinteinen suunnitteluprosessi (puhelinverkko) Tiedonkeräys Nykyinen liikenne GoS Tillaajien lkm kussakin puh.keskuksessa Ennustaminen Liikenne/tilaaja Liikenne eri alueiden välillä Tilaajamäärien kehitys Liikennematriisi Liikennematriisi maanlaajuiseen verkoon Optimointi dimensiointi Puhelinkeskukset maaseutuverkko Maanlaajuinen verkko Paikallisverkot Uudelleensijoittelu, rakentaminen, poistaminen Siirtolaitteiston ja puhelinkeskusten uusiminen, käytössäolevan laitteiston uudelleensijoittelu tai käytöstäpoistaminen 11 Verkon suunnittelu turbulentissa ympäristössä (1) Teknologia: ATM Kuparikaapeli Optinen kaapeli Radioverkko Sateliitti Palvelut: Puhelu Internet Videopuhelu Matkapuhelu TV Tilausvideo Multimedia Operaattori: Perinteinen Kaapelitv Langaton City-operaattori Asiakkaat: Konsernit Isot yritykset Pienet yritykset Asuntoyhtiöt Yksityisasiakkaat Liikenteen, asiakkaiden, verkkolaitteiston, hinnoittelun, jne. ennustaminen vaikeata (ellei jopa mahdotonta) Laitteiston suorituskyvyssä ja hinnassa rajuja muutoksia Siirtokapasiteetti yhä vain halvempaa Solmujen prosessointinopeudet kasvavat Ei enää monopoliasemaa; asiakkaat äänestävät jaloillaan Verkon mukautuvaisuus tulee yhä tärkeämmäksi ominaisuudeksi Vaaditaan suuremmat varmuuskertoimet dimensiointiin 12 6

7 Verkon suunnittelu turbulentissa ympäristössä (2) Strateginen suunnittelu pitkän aikavälin suunnittelu isot linjat: topologia, hierarkiatasot Taktinen suunnittelu lyhyemmän aikavälin suunnittelu käytössä tarkempaa informaatiota verkon (uudelleen)dimensiointi suoritetaan muutaman vuoden välein verkon olemassaolon ajan Operatiivinen suunnittelu päivittäinen/kuukausittainen suunnittelu ja operointi CAC, resurssien hallinta, Sisältö Johdanto Suunnitteluprosessi Mitoitus Verkon optimointi 14 7

8 Dimensiointi piirikytkentäisessä verkossa Annettuna verkkotopologia, reititys ja liikennematriisi liikennematriisi=liikenneintensiteetit ruuhkatunnin aikana eri solmujen välillä Tehtävänä on määrittää tarvittava kanavien määrä kussakin linkissä ja prosessointinopeus kussakin solmussa siten, että annettu GoS toteutuu. 15 Puhelinverkon dimensiointi (1) Yksinkertainen puhelinverkkomalli (runkoverkko) solmut (puhelinkeskukset) linkit B Kullekin solmulle määritellään kutsujenkäsittelykapasiteetti (kuinka monta yhteyspyyntöjä aikayksikössä keskus pystyy enimmillään käsittelemään) linkille määritellään kanavien lkm (maksimimäärä samanaikaisia puheluita) A 16 8

9 Puhelinverkon dimensiointi (2) Kutsulla on kaksi vaihetta yhteydenmuodostamisvaihe ( sekunteja, itse prosessointi millisekunteja) informaationsiirtovaihe (itse puhelu, muutamia minuutteja) Liikenne solmuissa aiheutuu yhteyspyynnöistä Yhteydenmuodostamisvaiheessa kutsu tarvitsee prosessointikapasiteettia kaikissa reitin varrella olevissa solmuissa Liikenne linkeissä aiheutuu informaationsiirrosta Informaationsiirtovaiheessa kutsu varaa yhden kanavan kaikissa reitillä olevissa linkeissä 17 Solmujen mitoitus Olettamalla, että yhteyspyyntöjä syntyy Poisson-prosessin mukaisesti ja prosessointiaika kussakin solmussa on riippumattomasti exp-jakautunut, systeemiä voidaan mallittaa jonoverkolla (kts. luento 2, s ) Keskimääräinen yhteyspyyntövaiheen kesto saadaan suoraan summaamalla solmukohtaiset keskiarvot. r=reitti, J(r)=solmut reitillä r, λ i =saapumisintensiteetti solmuun i, µ i =palvelunopeus solmussa i 1 T ( r) = T j = µ j λj j J ( r) j J ( r) Solmukohtaisia nyrkkisääntöjä keskimääräinen odotusaika < keskimääräinen prosessointiaika => kuorma < 0.5 mikäli kuorma -> 1, niin sitten ollaan pulassa! 18 9

10 Linkkien mitoitus (1) Olettamalla, että kutsuja syntyy Poisson-prosessin mukaisesti kullekin reitille ja että puhelun kesto on exp-jakautunut, niin systeemiä voidaan mallintaa estoverkkonan (kts. luento 2, s ) Arvio tarvittavalle kapasiteetille saadaan tuloraja- (kts. luento 2, s 48-49) tai vähennetyn kuorman -approksimaatiolla (kts. Luento 2, s 50-51) 19 Mitoitusesimerkki (1) a d neljä puhelinkeskusta Liikennematriisi = kiiretunti-intensiteetit Erlangeissa Keskimääräinen puhelun pituus h=3 min Kiinnitetty reititys: lyhin reitti Tehtävä: mitoita linkit siten, että B<2% mitoita solmut siten, että ρ<50% c b a b c d sum a b c d sum

11 Mitoitusesimerkki (2) Tarkastellaan reittejä c->d ja d->c. Vaaditaan, että estotn kummassakin linkissä <1%, jolloin koko reitin estotn <2 % Tuloraja-arvio linkille a-c suunta a ->c ρ(a,c)=15+15=30 Erl (=intensiteetti jos estymisiä ei tapahtuisi) n=min(n Erl(N,30)<1%) =42 kanavaa suunta c->a ρ(c,a)=10+15=25 Erl n=min(n Erl(N,25)<1)=36 kanavaa Linkki a-d suunta a->d ρ(a,d)=20 Erl n=30 kanavaa suunta d->a ρ(d,a)=30 Erl n=42 kanavaa 21 Mitoitusesimerkki (3) Tarkastellaan solmua a: kutsut omalta alueelta λ*(a)= (T(a,a)+T(a,b)+T(a,c)+T(a,b))/h=90/3=30 kutsua/min kutsut b:lta λ(b,a)= 30/3=10 kutsua / min kutsut c:lta λ(c,a)= 10/3 kutsua/min kutsut d:lta λ(d,a)=30/3=10 kutsua/min Yhteensä siis λ(a)=160/3=53.33 kutsua/min GoS: ρ(a)= λ(a)/µ(a)=0.5 => µ(a)=2* λ(a)=320/3= kutsua/min Muut solmut vastaavasti 22 11

12 Sisältö Johdanto Suunnitteluprosessi Mitoitus Verkon optimointi 23 Verkon optimointi (1) Tavoitteena suunnitella mahdollisimman edullinen verkko, joka täyttää annetut vaatimukset (GoS, teknologia, lainsäädäntö) kyseessä on erittäin monimutkainen optimointiongelma, sillä kaikkia vaikuttavia tekijöitä ei osata arvioida etukäteen Verkon hintaan vaikuttavat eri aikaskaalan investoinnit Valvonta ja kontrolli Verkon älykkyys Kytkennät Siirto Kytkimet, reitittimet, keskukset Kaapelit Kaapeliputket, kytkinkaapit, rakennukset 24 12

13 Verkon optimointi (2) Suunniteltu käyttöikä vaikuttaa verkon edullisuuteen hinta Käyttöikäkustannukset Verkko A alkuinvestointi Verkko B aika 25 Verkon optimointi (3) Kokonaiskustannus koostuu verkon fyysisestä toteutuksesta ja verkon ylläpidosta ja operoinnista 26 13

14 Verkon optimointi (4) Verkkoelementtien hintojen suurusluokkia: optisen kuitukaapelin vetäminen insinöörityö (kaapeliura, kaapelikourut, jakokaapit) mk/km kaapelin kapasiteetti (155 Mbps) mk /km solmu puhelinkeskus mk + rakennuskustannukset mk reititin mk ATM-kytkin mk 27 Fyysisen verkon optimointi Fyysisen verkon optimointi sillä ehdolla, että rajoitukset ja vaatimukset on kiinnitetyt, on matemaattisesti tarkasteltavissa oleva ongelma. Tämänkään ongelman ratkaisu sinällään ei ole helppoa ja yleensä joudutaan turvaudutaan iteratiivisiin menetelmiin. Huom: Myös topologialle voidaan asettaa omia vaatimuksia, esim. Kukin solmu tulee olla varmistettu vähintään kahdella linkillä Maantieteelliset esteet 28 14

15 Start Connection Costs Topological Design Switch-Location Connectivity Unit Cost Dimensioning Traffic Routing Logical Circuit Demand Traffic Matrices GoS Constraints Unit-Cost Evaluation Connection-Cost Evaluation No No Circuit Routing Physical Circuits Converged? Yes Converged? Yes Stop A planning process for dimensioning circuit switched networks by Andre Girald 29 Yksinkertainen kustannusmalli piirikytkentäiselle verkolle (1) Linkin hinta: C L = (A+By)x, A=insinöörityö/km B=kanavan hinta/km y=siirtokapasiteetti x=linkin pituus Solmun hinta: C S = C+D (z +w), C= kiinteä kulu D=kanavan hinta z= sisääntulevien kanavien lkm w=uloslähtevien kanavien lkm Mikäli solmulla tarkoitetaan puhelinkeskusta, niin kustannukseen tulee lisätä tilaajajohtojen lukumäärästä riippuva termi Kokonaiskustannus on luonnollisesti kaikkien linkkien ja solmujen kulujen summa: C=6C L(i) + 6C s(j) 30 15

16 Yksinkertainen kustannusmalli piirikytkentäiselle verkolle (2) Edellinen malli soveltuu strategiseen suunnitteluun, mutta kun ryhdytään yksityiskohtaisempaan suunnitteluun on syytä huomata mm., että kulut eivät oikeasti kasva lineaarisesti Esimerkiksi jos puhelinkeskusten yhdysverkko halutaan toteuttaa kolmella eri kaapelinopeudella (2 Mbps, 34 Mbps ja 140 Mbs). Tällöin kapasiteetin hinta on paloittain jatkuva funktio Mitä enemmän liikennetty laitetaan yhteen linkkiin sen halvemmaksi siirtokapasiteetti yleensä muodostuu. Insinöörityön hinta ei myöskään ole vakio, hintaan vaikuttavat maasto mahdolliset kaapelin suojaukset Solmut eivät välttämättä ole kaikki samaa tyyppiä 31 16