Performance evaluation of efficient resource management concepts for next generation IP networks [Elektronische Ressource] / vorgelegt von Jens Milbrandt

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• Publié par: julius-maximilians-universitat_wurzburg
• Publié le: 01 janvier 2007
• Nombre de lectures: 28
• Langue: Deutsch
• Poids de l'ouvrage: 1 Mo

Extrait

Bayerische Julius-Maximilians-Universität Würzburg
Institut für Informatik
Lehrstuhl für Verteilte Systeme
Prof. Dr. P. Tran-Gia
Performance Evaluation of Efficient
Resource Management Concepts for
Next Generation IP Networks
Jens Milbrandt
Würzburger Beiträge zur
Leistungsbewertung Verteilter Systeme
Bericht 01/07Würzburger Beiträge zur
Leistungsbewertung Verteilter Systeme
Herausgeber
Prof. Dr. P. Tran-Gia
Universität Würzburg
Institut für Informatik
Lehrstuhl für Verteilte Systeme
Am Hubland
D-97074 Würzburg
Tel.: [phone]
Fax.: [phone]
email: [e-mail]
Satz
Reproduktionsfähige Vorlage vom Autor.
AGesetzt in LT X Computer Modern 9pt.E
ISSN 1432-8801Performance Evaluation of Efficient
Resource Management Concepts for
Next Generation IP Networks
Dissertation zur Erlangung des
naturwissenschaftlichen Doktorgrades
der Bayerischen Julius–Maximilians–Universität Würzburg
vorgelegt von
Jens Milbrandt
aus
Würzburg
Würzburg 2007Eingereicht am: 27.11.2006
bei der Fakultät für Mathematik und Informatik
1. Gutachter: Prof. Dr.-Ing. P. Tran-Gia
2. Gutachter: Prof. Dr. U. R. Krieger
Tag der mündlichen Prüfung: 04.05.2007Danksagung
An dieser Stelle möchte ich allen danken, die mich während meiner Zeit als Dok-
torand begleitet und unterstützt haben.
Mein besonderer Dank gilt meinem Doktorvater Prof. Dr.-Ing. Phuoc Tran-
Gia, der an seinem Lehrstuhl ein kreatives und produktives Arbeitsumfeld im
Bereich der Kommunikationstechnologien geschaffen hat. Diese stimulierende
Umgebung ermöglichte mir die Teilnahme an wissenschaftlich höchst interessan-
ten Industrieprojekten und den direkten Zugang zur internationalen Forscherge-
meinschaft.
Auch Herrn Prof. Dr. Udo Krieger bin ich zu großem Dank verpflichtet, da
er trotz zeitlicher Engpässe innerhalb kurzer Zeit das Zweitgutachten für meine
Doktorarbeit fertiggestellt hat.
Meinen Dank möchte ich auch Prof. Dr. Klaus Schilling und Prof. Dr. Dietmar
Seipel aussprechen, die neben meinem Doktorvater als Prüfer für meine Dispu-
tation fungierten.
Für die ausnehmend gute Atmosphäre am Lehrstuhl für Verteilte Systeme be-
danke ich mich bei meinen Kollegen Andreas Binzenhöfer, Dr. Mathias Dümm-
ler, Barbara Emmert, Dr. Klaus Heck, Robert Henjes, Tobias Hoßfeld, Dr. Stefan
Köhler, Dr. Kenji Leibnitz, Andreas Mäder, Rüdiger Martin, Dr. Michael Menth,
Simon Oechsner, Dr. Vu Phan-Gia, Rastin Pries, Prof. Dr. Oliver Rose, Daniel
Schlosser, Dr. Dirk Staehle, Dr. Kurt Tutschku und Dr. Norbert Vicari, deren
Präsenz meinen Arbeitsplatz zu mehr als einen Ort der Arbeit machte.
Als wissenschaftlicher Mitarbeiter arbeitete ich viel mit studentischen Hilfs-
kräften, Praktikanten, Studienarbeitern und Diplomanden (Sebastian Gehrsitz,
Matthias Hartmann, Korbinian Humm, Jan Junker, Stefan Kopf, Andreas Reifert,
iDanksagung
Christian Schneiker, Stephan Seufert, Florian Zeiger und Tobias Ziermann)
zusammen und möchte mich bei dieser Gelegenheit für ihren Einsatz und ihre
Beiträge, welche mir die Arbeit oftmals sehr erleichterten, recht herzlich be-
danken.
Nicht zuletzt gebührt mein Dank unserer Sekretärin Frau Gisela Alt. Ihr
Wirken am Lehrstuhl erleichterte nicht nur den Umgang mit den Formalien der
täglichen Arbeit sondern bescherte auch viele schöne Stunden bei den von Ihr
organisierten Festlichkeiten.
Mein abschließender Dank gilt meiner Familie, denn Sie hat mir nicht nur die
Möglichkeit gegeben, mich entsprechend meiner Neigungen zu entwickeln. Auch
den notwendigen Rückhalt und Zuspruch bei der Erreichung meiner beruflichen
Ziele habe ich vor allem in meinem Familienkreis gefunden.
iiAcknowledgements
At this occasion I would like to express my gratitude to all who accompanied and
supported me during my time as a PhD student.
Special thanks belong to my PhD advisor Prof. Dr.-Ing. Phuoc Tran-Gia who
created at his department a creative and productive environment for working in
the field of communication technologies. This stimulating environment made it
possible for me to participate in scientifically most interesting industry projects
and to access directly to the international research community.
I also owe many thanks to Prof. Dr. Udo Krieger who, despite a lack of time,
provided the second assessment for my PhD thesis in a short period of time.
More thanks belong to Prof. Dr. Klaus Schilling and Prof. Dr. Dietmar Seipel
who acted as examiners in my disputation beside my supervisor.
For the excellent atmosphere at the Department of Distributed Systems, I
would like to say thank you to my colleagues Andreas Binzenhöfer, Dr. Mathias
Dümmler, Barbara Emmert, Dr. Klaus Heck, Robert Henjes, Tobias Hoßfeld, Dr.
Stefan Köhler, Dr. Kenji Leibnitz, Andreas Mäder, Rüdiger Martin, Dr. Michael
Menth, Simon Oechsner, Dr. Vu Phan-Gia, Rastin Pries, Prof. Dr. Oliver Rose,
Daniel Schlosser, Dr. Dirk Staehle, Dr. Kurt Tutschku und Dr. Norbert Vicari,
whose presence at the department turned this place into more than just a simple
place of work.
As a staff member of the department, I had frequent cooperations with student
assistants, laboratory students, and master students (Sebastian Gehrsitz, Matthias
Hartmann, Korbinian Humm, Jan Junker, Stefan Kopf, Andreas Reifert, Christian
Schneiker, Stephan Seufert, Florian Zeiger und Tobias Ziermann). Thank you to
all these people, as well. Their efforts and contributions often relieved me in busy
iiiDanksagung
times.
Last but not least, my thanks go to our secretary, Mrs. Gisela Alt. Her appear-
ance at the department not only relaxed the dealing with the formalities of the
daily bussiness but also brought many lovely hours at the festivities which she
organized.
Finally, I would like to thank my family who gave me not only the possibility
to grow according to my talents and preferences but also the necessary support
and encouragement to reach my professional goals.
ivContents
1 Introduction 1
1.1 Contribution . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2
1.2 Outline . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4
2 Next Generation Network (NGN) Key Technologies 7
2.1 Internet Protocol (IP) Technology . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
2.1.1 Communication Protocols . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
2.1.2 The IP Protocol . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
2.1.3 Higher Layer Protocols . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
2.1.4 The Structure of the Internet . . . . . . . . . . . . . . . 17
2.1.5 IP Addressing and Packet Forwarding . . . . . . . . . . 19
2.1.6 Routing Protocols . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
2.2 Multi-Protocol Label Switching (MPLS) . . . . . . . . . . . . . 26
2.2.1 Conventional MPLS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
2.2.2 Generalized MPLS (GMPLS) . . . . . . . . . . . . . . . 28
2.3 Issues on Quality of Service and Resource Management . . . . . 29
2.3.1 Service Differentiation . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
2.3.2 Overprovisioning . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
2.3.3 Admission Control . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34
2.3.4 Network Resource Management . . . . . . . . . . . . . 36
2.3.5 Prototype Implementations of NGN Architectures . . . . 37
vContents
3 Experience-Based Admission Control (EBAC) 39
3.1 Overview of Admission Control (AC) . . . . . . . . . . . . . . . 40
3.1.1 General Issues on AC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40
3.1.2 Link Admission Control (LAC) . . . . . . . . . . . . . . 44
3.1.3 Network Admission Control (NAC) . . . . . . . . . . . . 47
3.1.4 Overview of General AC Methods . . . . . . . . . . . . 51
3.1.5 Comparison of AC and Capacity Overprovisioning (CO) . 51
3.2 Conceptual Design of EBAC and Its Performance Evaluation . . . 53
3.2.1 Admission Decision on a Single Link . . . . . . . . . . . 53
3.2.2 Calculation of the Maximum Link Utilization Threshold . 54
3.2.3 Calculation of the Overbooking Factor . . . . . . . . . . 55
3.2.4 Memory of EBAC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58
3.2.5 EBAC Simulation Design . . . . . . . . . . . . . . . . . 59
3.2.6 Traffic Models . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61
3.3 Performance of EBAC in Steady State . . . . . . . . . . . . . . . 63
3.3.1 Evaluation Issues of EBAC in Steady-State . . . . . . . . 63
3.3.2 Proof of Concept for EBAC . . . . . . . . . . . . . . . . 65
3.3.3 Recommendations for EBAC Parameters . . . . . . . . . 70
3.3.4 Robustness Against Traffic Variability . . . . . . . . . . 72
3.4 Performance of EBAC in the Presence of Traffic Changes . . . . 78
3.4.1 Evaluation Issues of EBAC in Transient State . . . . . . . 78
3.4.2 Decrease of the Traffic Intensity . . . . . . . . . . . . . 79
3.4.3 Increase of the Traffic Intensity . . . . . . . . . . . . . . 86
3.5 EBAC with Type-Specific Overbooking (TSOB) . . . . . . . . . 94
3.5.1 Evaluation Issues of EBAC with TSOB . . . . . . . . . . 94
3.5.2 EBAC System Extension for TSOB . . . . . . . . . . . . 95
3.5.3