12. Liikenteenhallinta verkkotasolla

Transkriptio

1 12. Liikenteenhllint verkkotsoll luento12.ppt S Liikenneteorin perusteet Kevät

2 12. Liikenteenhllint verkkotsoll Sisältö Verkon topologi Liikennemtriisi Liikenteenhllint verkkotsoll Kuormntsus 2

3 12. Liikenteenhllint verkkotsoll Topologi Verkko muoostuu joukost solmuj j linkkejä Merk. solmujen joukko N:llä j ineksoin niitä n:llä Merk. linkkien joukko J:llä j ineksoin niitä j:llä Esimerkki: N = {,,,,e} J = {1,2,3,,12} e 5 7 linkki 1 solmust solmuun linkki 2 solmust solmuun Merk. j :llä linkin j kpsiteetti (ps) 3

4 12. Liikenteenhllint verkkotsoll Polut Määritellään polku (= reitti) joukoksi peräkkäisiä linkkejä, jotk yhistävät kksi verkon solmu toisiins. Merk. polkujen joukko P:llä j ineksoin niitä p:llä Esimerkki: solmust solmuun kolme polku puninen polku käyttää linkkejä 1 j e 5 7 vihreä polku käyttää linkkejä 11 j 6 sininen polku käyttää linkkejä 10, 8 j 6 4

5 12. Liikenteenhllint verkkotsoll Polkumtriisi Jokinen polku siis muoostuu joukost linkkejä Tätä yhteyttä kuv polkumtriisi A, joss komponentti jp = 1, jos j p eli linkki j kuuluu polulle p muuten jp = 0 Esimerkki: polkumtriisin kolme srkett

6 12. Liikenteenhllint verkkotsoll Lyhimmät polut Jos kullekin linkille j määritellään linkkipino w j, niin polun p pituus l p sn summn l p = w j j p Jos vkiopinot w j = 1, niin polun pituus = hyppyjen lkm Esimerkki: linkkipinot 1, lsketn siis hyppyjen lukumäärää solmust solmuun kksi lyhintä polku (pituus 2 hyppyä) w = 1 w = 1 w = 1 w = 1 w = 1 w = 1 w = 1 w = 1 w = 1 w = 1 w = 1 w = 1 e 6

7 12. Liikenteenhllint verkkotsoll Sisältö Verkon topologi Liikennemtriisi Liikenteenhllint verkkotsoll Kuormntsus 7

8 12. Liikenteenhllint verkkotsoll Liikenteen luonnehint Liikenne Piirikytkentäinen esim. puhelinliikenne Pkettikytkentäinen esim. tliikenne Linkki Verkko Linkki Verkko 8

9 12. Liikenteenhllint verkkotsoll Liikennemtriisi (1) Liikennettä verkkotsoll kuvtn liikennemtriisill T, joss komponentti t nm kertoo liikennetrpeen (ps) lähesolmust n määränpääsolmuun m Aggregtti kikist voist joill sm lähe j määränpää t Aggregtti myös ik-kselill: liikenteen keskirvo määrätyllä ikjksoll, esim. kiiretunnin ikn ti tyypillisen 5 minuutin jksoss e Esimerkki: Liikennetrve lähteestä määränpäähän on t (ps) 9

10 12. Liikenteenhllint verkkotsoll Liikennemtriisi (2) Jtkoss esitämme liikennetrpeet myös vektorimuooss Sitä vrten ineksoimme lähemääränpää-prit eli OD-prit. Merk. OD-prien joukko K:llä j ineksoin niitä k:ll Liikennetrpeet voin tällöin esittää vektorin x, missä x k komponentti x k kertoo OD-prin k liikennetrpeen e Esimerkki: jos OD-prin (,) ineksi on k, niin x k = t 10

11 12. Liikenteenhllint verkkotsoll Sisältö Verkon topologi Liikennemtriisi Liikenteenhllint verkkotsoll Kuormntsus 11

12 12. Liikenteenhllint verkkotsoll Liikennekuormn hllint j verkon suunnittelu Liikennekuormn hllint (trffi engineering) = Engineer the trffi to fit the topology Jos topologi j linkkien kpsiteetit on kiinnitetty j liikennemtriisi tunnetn, miten nämä liikennetrpeet pitäisi reitittää läpi verkon? Verkon suunnittelu (network esign) = Engineer the topology to fit the trffi 12

13 12. Liikenteenhllint verkkotsoll Reitityksen vikutus kuormn jkntumiseen Reitityslgoritmi määrää, miten eri liikennetrpeet kuormittvt verkon linkkejä IP-verkkojen reititysprotokollt (RIP, OSPF, BGP) käyttävät lyhimmän polun lgoritmej (Bellmn-For, Dijkstr) MPLS-verkoiss myös muut lgoritmit mhollisi Trkemmin snottun: reitityslgoritmi määrää liikennetrpeien x k jkosuhteet φ pk eri poluille p, φ=1/2 x φ=1/2 φ=0 e p P φ pk =1 kikille k 13

14 12. Liikenteenhllint verkkotsoll Linkkikuormt OD-pri k yhistävälle polulle p tulev liikenne on siis φ pk x k Liikennetrpeet x k j jkosuhteet φ pk yhessä määräävät eri linkeille j tulevt linkkikuormt y j : y j = p P k K jp φ pk Sm mtriisimuooss: x k x y = 0 e y = 0 y = Aφx 14

15 12. Liikenteenhllint verkkotsoll MPLS MPLS (Multiprotool Lel Swithing) tukee liikenteen jkmist rinnkkisille poluille MPLS-verkoiss kunkin OD-prin välille voin vpsti luo rinnkkisi polkuj eli LSP:itä (Lel Swithe Pth) Näien polkujen ei trvitse oll lyhimpiä polkuj Kutkin LSP:tä vst tunnus (lel) j kusskin MPLS-pketiss on tällinen polun ilmisev tunnus MPLS-pketit reititetään näitä tunnuksi käyttäen läpi verkon Kuormn jkutumiseen voin vikutt muuttmll suorn jkosuhteit φ pk lähesolmuiss 15

16 12. Liikenteenhllint verkkotsoll OSPF (1) OSPF (Open Shortest Pth First) on lueen sisäinen (intromin) reititysprotokoll IP-verkoiss Linkkitilprotokoll (Link Stte Protool) Jokinen lueen solmu kertoo etäisyytensä npurisolmuihins Nämä etäisyyet toimivt linkkipinoin lyhimmän polun lgoritmiss Näistä tieoist jokinen solmu rkent itselleen koko lueen topologin Ko. topologi määrää lyhimmät polut kyseisestä solmust kuhunkin kohesolmuun Lyhimmän polun lgoritmin Dijkstr IP-pketit reititetään näitä lyhyimpiä polkuj pitkin 16

17 12. Liikenteenhllint verkkotsoll OSPF (2) OSPF:ssä yleensä käytössä ECMP (Equl Cost Multipth) Jos solmust n useit lyhimpiä polkuj solmuun m, niin liikenne pyritään jkmn tsn niien solmust n lähtevien linkkien välillä, jotk kuuluvt johonkin näistä lyhimmistä poluist Tästä ei kuitenkn seur, että liikenne jkutuisi tsn rinnkkisten lyhimpien polkujen välille! Kts. seurvn klvon esimerkkiä. Kuormn jkutumiseen voin vikutt vin epäsuorsti muuttmll linkkipinoj jkosuhteit φ pk ei voi suorn muutt ECMP:n vuoksi hluttuj jkosuhteit φ pk ei välttämättä svutet 17

18 12. Liikenteenhllint verkkotsoll ECMP y = x/4 y = x/4 x y = x/4 e y = x/4 g f φ = 1/4 φ = 1/4 φ = 1/2 e f g 18

19 12. Liikenteenhllint verkkotsoll Linkkipinojen vikutus kuormn jkntumiseen (1) mksimlinen linkkikuorm w = 1 w = 1 w = 1 w = 1 w = 1 x w = 1 w = 1 x w = 1 w = 1 w = 1 w = 1 w = 1 e φ = 1/2 φ = 1/2 φ = 1 e y = 3x/2 y = x e 19

20 12. Liikenteenhllint verkkotsoll Linkkipinojen vikutus kuormn jkntumiseen (2) mksimlinen linkkikuorm w = 1 w = 1 w = 1 w = 1 w = 1 x w = 1 w = 1 x w = 2 w = 1 w = 1 w = 1 w = 2 e φ = 1/2 φ = 1/2 φ = 1/2 e φ = 1/2 y = x y = x e linkkipino ksvtettu 20

21 12. Liikenteenhllint verkkotsoll Sisältö Verkon topologi Liikennemtriisi Liikenteenhllint verkkotsoll Kuormntsus 21

22 12. Liikenteenhllint verkkotsoll Kuormntsusongelm (1) Jos verkon topologi j liikennemtriisi ovt tieoss, niin miten liikenne knnttisi reitittää verkkoon? Eräs järkevä tp on pyrkiä tsmn eri linkkien suhteellinen kuorm ρ j = y j / j Joskus se onnistuu usellkin eri tvll (kuten yläkuvss) Joskus ts se ei ole ollenkn mhollist (kuten lkuvss) Tällöin voimme kuitenkin pyrkiä niin lähelle tsjko kuin mhollist, esim. minimoimll suhteellisten kuormien mksimi (ns. kuormntsusongelm) x = 1 = 1 = 1 = 1 e = 1 g = 1 = 1 = 1 f = 1 x = 1 = 1 = 1 = 1 = 2 22

23 12. Liikenteenhllint verkkotsoll Kuormntsusongelm (2) Kuormntsusongelm: Olkoon (N,J) verkon topologi, j linkkikpsiteetit sekä x k liikennetrpeet. Tvoitteen on määrätä jkosuhteet φ pk siten, että suhteellisten linkkikuormien mksimi minimoituu Minimize sujet to y φ mx j J j p P pk = φ y j j 0 = 1 p P k K pk A jp φ pk x k j J k K p P, k K 23

24 12. Liikenteenhllint verkkotsoll Kuormntsusongelm (3) Kuormntsusongelmll on in rtkisu, mutt rtkisu ei välttämättä ole yksikäsitteinen Esimerkki: sm mksimikuormn minimi svutetn eripituisill reiteillä näistä ylempi rtkisu on tietysti resurssien kokoniskäytön knnlt järkevämpi Järkevään yksikäsitteiseen rtkisuun päästään lisäämällä (häviävän) pieni kustnnus polun jokisest käytetystä hypystä x y = 0 e x y = 0 e y = 0 24

25 Liikenteenhllint verkkotsoll Kuormntsusongelm (4) Järkevä yksikäsitteinen kuormntsusongelm: Olkoon (N,J) verkon topologi, j linkkikpsiteetit sekä x k liikennetrpeet. Tvoitteen on määrätä jkosuhteet φ pk siten, että suhteellisten linkkikuormien mksimi minimoituu pienimmällä mhollisell kokonisliikenteellä = = + K k P p K k J j x A y y pk P p pk P p K k k pk jp j J j j y J j j j, 0 1 sujet to mx Minimize ' ' φ φ φ ε

26 12. Liikenteenhllint verkkotsoll Esimerkki (1): optimlinen rtkisu = 2 = 2 = 2 = 2 = 2 x = 2 = 1 = 1 = 2 = 2 = 2 = 2 e φ = 1/2 φ = 1/4 φ = 1/4 e ρ = x/4 ρ = x/4 ρ = x/4 ρ = x/8 e ρ = x/4 ρ = x/8 26

27 12. Liikenteenhllint verkkotsoll Esimerkki (2): linkkipinot w = 1 w = 1 w = 1 w = 1 w = 1 w = 1 x w = 1 w = 1 w = 1 w = 1 w = 1 w = 1 w = 1 e φ = 1/2 φ = 1/2 e ρ = x/4 ρ = x/4 ρ = x/2 e ρ = x/4 27

28 12. Liikenteenhllint verkkotsoll Esimerkki (3): optimliset linkkipinot w = 1 w = 2 w = 2 w = 1 w = 1 x w = 1 w = 3 w = 3 w = 1 w = 1 w = 1 w = 1 e φ = 1/2 φ = 1/2 e ρ = x/4 ρ = x/4 ρ = x/4 e ρ = x/4 ρ = x/4 28

29 12. Liikenteenhllint verkkotsoll THE END 29