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© 2007 Institut für Breitbandkommunikation Technische Universität Wien1
Qualität und Verfügbarkeit von Kommunikationsnetzen
o.Univ. Prof. Dr.-Ing. Harmen R. van As
© 2007 Institut für Breitbandkommunikation Technische Universität Wien2
Übersicht des Vortrags
Einleitung
• Vorstellung des Institutes: Lehre und Forschungsgebiete• Netztechnologien: Allgemeiner Überblick• Vernetzungsbeispiel
Modellierung von Netzen
• Modellierungsmethoden und -schritte• Mathematische Planung und Optimierung• Analytische Modelle• Simulationen
Kooperationsgebiete im Bereich Netze und Netzsysteme
• Unterstützung beim technischen Wissen• Planung, Betrieb und Optimierung• Modellierung und Evaluierung• Simulationen und Visualisierung
© 2007 Institut für Breitbandkommunikation Technische Universität Wien3
Vorstellung des Instituts
- Studium: Elektrotechnik, Operations Research - Delft, ETH Zürich, Siegen (Dr.-Ing) - 21-jährige Erfahrung in industrieller Entwicklung, Standardisierung und Forschung:
ITT, jetzt Alcatel-Lucent in Zürich (9 Jahre), IBM Zurich Research Laboratory (12 Jahre)
1996 Gründung des Instituts für Kommunikationsnetze jetzt: Breitbandkommunikation
1997 Gründung der jährlichen intern. Konferenz ONDM (Optical NetworkDesign and Modeling), Wien, Rome, Paris, Athen, Wien, Turin, Budapest, Gent, Mailand, Kopenhagen, Athen
1999 Gründung der internationalen wissenschaftlichen Zeitschrift PNET (Photonic Network Communications), Springer Verlag.
o. Univ.-Prof. Dr.-Ing. Harmen R. van As
Institutseingang:Favoritenstraße 9Stiege 31.Stock, roter Bereich
1 Professor18 wiss. Mitarbeiter440 m2 Laborfläche
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Lehre des Instituts
• Basis Kenntnisse (Netze, Codierung, Übertragung, Vermittlung, Software, Systeme)• Technik der Netze (Netztechnologien, Module, Komponenten)• Software und Protokolle (Netz-Software, Protokolle, Service-Plattformen, Dienste)
Weitverkehrsnetze
Zugangsnetze(Funk, Festnetz)
Metro-Netze(Regionalnetze)
• Vermittlungsprinzipen (Theoretische und realisierte Prinzipien in der Kommunikation)• Netzdimensionierung und -Optimierung (Mathematische Beschreibung von Netzen)• Performance Modellierung und Evaluierung (Stochastische Analyse, Simulation)
Vorlesungen: Basis (1), Netze (4), Protokolle (5), mathematisch (7)
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Forschungsgebiete des Instituts
Photonische NetzeWDM – MetrosystemeOptische Lokale NetzeOptische Paketvermittlung
Ethernet, Carrier EthernetIP-NetzeMobile Netze Signalisierungsnetze SatellitennetzeDrahtlosnetze, Home-NetzeZugangsnetzeInterworking
MM-MulticastMM-Server and SystemeIP-Telefonie, IP- Multimedia
HochleistungsprotokolleNetzmanagementMobile Software-AgentenMobilitätNetzintelligenzAktive Netze
SicherheitsprotokolleNetz- und Systemsicherheit
Netz- und SystemmodellierungNetzoptimierungSimulation und AnalyseNetz- und SystemsimulationVerkehrstheorie, QueueingTraffic Engineering
Netzsicherheit
Optimierung und Leistungsbewertung
Multimedia-Kommunikation
Breitbandnetze
Photonische Infrastruktur Kommunikationssoftware
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Ebenen-Architektur von Kommunikationsnetzen
Ebene der Netzintelligenz
Ebene des Netzmanagements
Optische Übertragungs-ebene
ElektronischeÜbertragungs-ebene
Vermittlungs-ebene
Anschlussnetze Regionalnetze Weitverkehrsnetze
SDH-ÜbertragungsnetzeRichtfunk, Satellitenverbindung
Photonische Netze
Transport
Netzintelligenz
Signalisierungsnetze
Signalisierungs-ebene
Elektrischer AnschlussFunkanschluss
Optischer Anschluss
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Festnetz- und Funkanschluss
Satellitenanschluss Funk-LAN-Anschluss
Festnetzanschluss- xDSL, digital, analog- LAN, Glasfaser
Fester Funkanschluss
Kommunikationsinfrastruktur
Vermittlung
Elektronische Übertragungsnetze
Photonische Übertragungsnetze
Signalisierung
Netzintelligenz
Netzmanagement
Schnurlos-anschluss
Mobil-anschluss
Breitband-Funkanschluss
xDSL Digital Subscriber LineLAN: Local Area Network
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Benutzeranwendungen und Netzdienste
Kommunikationsinfrastruktur
Vermittlung
Elektronische Übertragungsnetze
Photonische Übertragungsnetze
Signalisierung
Netzintelligenz
Netzmanagement
Middleware, Service-Plattformen
DienstanbieterInformationsanbieter
Mobilität
InformationUnterhaltung
Gaming
Visuelle Kommunikation
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Schichtung der Vermittlung und Übertragung
ATM: Asynchronous Transfer ModeIP: Internet ProtocolMPLS: Multi-Protocol Label SwitchingETH EthernetFR Frame RelayX.25 X.25-Packet switchingGPRS: General Packet Radio ServiceUMTS: Universal Mobile Telecommunications Syst.OBS: Optical Burst SwitchingOPS: Optical Packet Switching
ISDN: Integrated Services Digital NetworkPSTN: Public Switched Telephone NetworkTDM: Time Division Multiplexing GSM: Global System for Mobile Comm.OTN: Optical Transport Network SDH: Synchronous Digital HierarchyOTDM: Optical Time Division MultiplexingWDM: Wavelength Division Multiplexing
OBS, OPSLogischer KanalOptische PaketvermittlungWDM, OTDMPhysikalischer KanalPhotonische ÜbertragungsnetzeSDH, OTNPhysikalischer KanalElektrische ÜbertragungsnetzePSTN, ISDN, GSM, TDMPhysikalischer KanalDurchschaltevermittlungATMLogischer KanalPaketvermittlung (Schicht 1)Ethernet, Frame RelayLogischer KanalPaketvermittlung (Schicht 2)MPLSLogischer KanalPaketvermittlung (Schicht 2,5)IP, X.25, GPRS, UMTSLogischer KanalPaketvermittlung (Schicht 3)
PaketvermittlungDurchschaltevermittlung
Vermittlungsnetze Elektronische ÜbertragungsnetzePhotonische Übertragungsnetze
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Weltweite Standardisierung und Koordination
UMTS Forum
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Modellierung von Netzen
Einleitung
• Vorstellung des Institutes: Lehre und Forschungsgebiete• Netztechnologien: Allgemeiner Überblick• Vernetzungsbeispiel
Modellierung von Netzen
• Modellierungsmethoden und -schritte• Mathematische Planung und Optimierung• Analytische Modelle• Simulationen
Kooperationsgebiete im Bereich Netze und Netzsysteme
• Unterstützung beim technischen Wissen• Planung, Betrieb und Optimierung• Modellierung und Evaluierung• Simulationen und Visualisierung
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Heterogenes Experimentiernetz
- Wissenschaftliche Studien und Publikationen- Realisierung von Ideen in Form von Prototypen oder Prototypspezifikationen - Installation von heterogenen Testumgebungen (Zugang, Metro, Kernnetz)- Entwicklung von eigenen Netzelementen (Hardware, Software) - Erfahrungsverbesserung in Netzkontrolle, Netzintelligenz und Netzmanagement
Ziele
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Performance Untersuchungen von Netzen
Nachteile von Live-Tests: • Netz muss vorhanden sein• Sehr viele Parameter• Nur Algorithmen und Parametereinstellungen der Hersteller• Einzeleffekte teilweise sehr schwierig erkennbar• Keine Skalierung bezüglich Netzgröße und Verkehrsvolumen• Erweiterung schwierig• Sehr aufwendig und äußerst kostspielig in der Anschaffung
Vorteile der Modellierung: • Beseitigt alle Nachteile von Live-Tests• Ermöglicht die gezielte Untersuchung von Effekten• Produziert reproduzierbare Resultate• Trägt zum Verständnis des Netzgeschehens bei • Erlaubt die Untersuchung von stationären und transienten
Verkehrflüssen in Netzen von fast-beliebiger Größe
• Live Tests: Funktionstests, Gerätetests, Performance Tests• Modellierung: Verkehrsuntersuchungen, skalierbar, funktionelle Freiheit, vielfältig
Modellierung und Live-Tests sind komplementär
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Modellierung von Netzen
Modellierung von Netzen
Operations Research Modelle Analytische Modelle Simulationsmodelle
Optimierungsmethoden für• Routing• Verkehrspfade bestimmen• Platzierungen• Kontrollfunktionen• Kosten
Performance Berechnungen• Durchsatz, Verzögerung• Puffergröße, Verluste• Verteilungen
Tausende Modelle(Theorien seit 1915)
Performance Simulationen• Ereignis-basiert• Statistische Messungen• Hybride Kombinationen
mit analytischen Modellen und Live-Systemen
µµ µ µ
λ λ λ λ
t
Durchführung von Aktionenin einem Netzmodell
Ereignisse
Ereignisse: Ankunft, Bedienende,Time-out, Periodische Zeitmarke …
Netzgraphen, VerkehrsmatrixZielfunktion, Bedingungen
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Modellbildung und Simulation von Netzen
1
2
3
4
Reale Welt ModellAbstrahierung • Nur wesentliche Funktionen
• Abstrahierungsgrad je nach Ziel• Graduelle Verfeinerung
• Verringerung der Komplexität: Einbindung von analytischen oder simulativenResultaten
• Verkürzung der Simulationszeiten: Parallelisierung auf mehreren Rechnern
• Statische Messungen und on-line Visualisierung• Auswertung der Resultate
• Topologie, Verkehrsmatrix• Verkehrsflüsse = Fluss-Verknüpfungen der Simulationsobjekte (Netzelemente)
Netzmodell
Pro Netzebene:Routing, Aufbau der Pfade, Flusskontrolle, Staukontrolle, …
Warteschlangen-netz
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Ereignis-basierte Simulation
tt0 t1 t2 t3 t4 t5
Zeitlich sortierte Ereignisliste
Play-outPuffer
Quelle
t6 t7
Netzsimulation: Viele zeitverschachtelte Ereignisse
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Simulationsumgebungen am Institut
• Simulationen auf einem einzigen Server oder Arbeitsrechner
• Parallele Simulationen von unabhängigen Lastszenarien auf dem Simulations-Cluster
• Parallele Simulationen von unabhängigen Teilen eines einzigen Lastszenarios auf dem Simulations-Cluster
• Simulationsaufteilung eines Netzes auf dem Mehrrechner-Simulator
• Hybride Simulation mit analytischen Teilmodellen auf dem Simulations-Cluster oder dem Mehrrechner-Simulator
• Echtzeitsimulation auf dem hybriden Mehrrechner-Simulator
• Visualisierung von Simulationsläufen auf mehreren Bildschirmen
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Parallelisierung auf mehreren Rechnern
…
TransientePhase
ParalleleTeiltests aufmehrerenRechnern
Statistische Auswertung mittels Teiltests
X
Last
Jeder Lastpunktgleichzeitigauf einem Rechner
Aufteilung eines Netzesauf gekoppelte Rechner
Gesamtnetz
t
XX (1) X (2) X (3) X (n)
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Kooperationsgebiete
Einleitung
• Vorstellung des Institutes: Lehre und Forschungsgebiete• Netztechnologien: Allgemeiner Überblick• Vernetzungsbeispiel
Modellierung von Netzen
• Modellierungsmethoden und -schritte• Mathematische Planung und Optimierung• Analytische Modelle• Simulationen
Kooperationsgebiete im Bereich Netze und Netzsysteme
• Unterstützung beim technischen Wissen• Planung, Betrieb und Optimierung• Modellierung und Evaluierung• Simulationen und Visualisierung
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Weshalb Kooperationen interessant?
• Aktuellstes Wissen über Standards und Netztechnologien• Optimierung, Modellierung, Simulation und Visualisierung von Netzen• Prototypen von Netzsystemen• Unterstützung bei Netzaufbau, Netztests und Spezialsituationen
• Netzbetreiber, Herstellerfirmen in der Telekommunikationsbranche• Netz- und Systemintegratoren• Diensteanbieter• Fremdbranchen mit Vernetzungsbedarf• Beratungsfirmen sowie Ausbildungsinstitute
Was:
Wer:
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Partner in zahlreichen Kooperationen
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Frühere und bestehende Kooperationen• Alcatel: IPv6, IP-TV Live-Netz, WLAN, Hotspots, Mobile Agenten, …• Acterna: Einsatz von Messgeräten • Datentechnik: Entwurf eines lokalen Paketvermittlungsnetzes• Frequentis: Flugsicherungsnetz-Simulationen (ATM)• Mobilkom: Netzqualitätsbewertung seit (1999), IMS• Ericsson: Systemstudien, analytische Modellierung• E-Photon-One: EU-Projekt Photonische Infrastruktur• ftw: MPLS-Testnetz, IMS-Testnetz, Netzmanagement, IPv6, …• FWF (Wissenschaftsfonds): Photonisches LAN für 100 Gbit/s• IEEE 802.17: Standardisierung von RPR (Resilient Packet Ring)• Kapsch: Systemstudien, analytische Modellierung• KSI: Netzkomponenten-Tests• Lucent Technologies: Testbed-Aufbau, Geräte-Tests • ORF: Multimedia• PMC-Sierra: Systementwurf mit Kommunikations-Chips• Siemens: WLAN, Mobile IP, IPv6, Netzsicherheit, …• Stadt Wien: Studie FTTH, Zugangstechnologien• Telekom Austria: MPLS-Simulationen, SANs, Übertragungssysteme SDH, OTN, ..• T-Systems: Netzplanung• Wienstrom: Übertragungsnetzmessungen, 10GbE
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