eines Dienstes - Institut für Kommunikationsnetze und ...
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Automatisierte Ressourcen-<br />
planung in dienstorientierten<br />
Netzinfrastrukturen<br />
In Kooperation mit dem BMBF Projekt MAMS/MAMSplus<br />
ITG FG 5.2.1 – Workshop „Network Resource Management“ 2009<br />
Andreas Reifert<br />
andreas.reifert@ikr.uni-stuttgart.de<br />
19. März 2009<br />
Universität Stuttgart<br />
<strong>Institut</strong> <strong>für</strong> <strong>Kommunikationsnetze</strong><br />
<strong>und</strong> Rechnersysteme (IKR)<br />
Prof. Dr.-Ing. Dr. h.c. mult. P. J. Kühn
Agenda<br />
• Motivation – Bereitstellung von Diensten<br />
– Silo-Ansatz<br />
– Trennung Dienstanbieter (Dienst <strong>und</strong> Dienstkomponenten) <strong>und</strong><br />
Dienstbetreiber (dienstorientierte Netzinfrastruktur)<br />
– Platzierung von Dienstkomponenten auf Ressourcen der Infrastruktur<br />
• Modelle <strong>für</strong> automatisierte Platzierung<br />
– Dienstmodell<br />
– Infrastrukturmodell<br />
• Platzierungsstrategien<br />
– Untersuchungsraum<br />
– Zwei Strategien als Grenzfälle<br />
• Untersuchungen <strong>und</strong> vorläufige Ergebnisse<br />
• Zusammenfassung<br />
© 2009 Universität Stuttgart • IKR ITG FG 5.2.1 – Workshop „Network Resource Management“ 2009<br />
2
Motivation<br />
Bereitstellung von Diensten<br />
IPTV<br />
Dienstanbieter<br />
Rechenressourcen<br />
Netz<br />
Silo Ansatz Vertikale Trennung<br />
IPTV++<br />
Dienstanbieter<br />
Rechenressourcen<br />
Netz<br />
Dienst X<br />
Anbieter<br />
Rechenressourcen<br />
Netz<br />
Bewertung<br />
• Dedizierte Ressourcen <strong>für</strong> Komponenten<br />
<strong>eines</strong> <strong>Dienstes</strong><br />
• Fachwissen <strong>für</strong> Dienstimplementierung<br />
notwendig<br />
• Individuell schnelle Dienstentwicklung<br />
IPTV<br />
Dienstanbieter<br />
Rechenressourcenanbieter<br />
1<br />
IPTV++<br />
Dienstanbieter<br />
• Klare Trennung Dienstanbieter /<br />
Dienstbetreiber („Infrastrukturanbieter“)<br />
• Framework an Schnittstellen notwendig<br />
• In Summe schnelle Dienstentwicklung<br />
• Gute Ressourcenauslastung<br />
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Dienst<br />
X<br />
Anb.<br />
Rechenressourcenanbieter<br />
2<br />
Netzanbieter T Netzanbieter<br />
A<br />
3
Motivation<br />
Beispiel IPTV<br />
Teildienste<br />
• Übermittlung von<br />
Fernsehprogrammen<br />
(Aufzeichnung oder Live)<br />
• Video-on-Demand<br />
• Time-shift Video<br />
Anbindung von<br />
• Inhalteanbieter<br />
• Nutzer<br />
Architektur<br />
• Super Video Head End<br />
• Video Head Office<br />
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4
Motivation<br />
Beispiel IPTV<br />
Funktionen / Dienstkomponenten<br />
• Datenbank <strong>und</strong> lokale<br />
Replikationen <strong>für</strong> Inhalte<br />
• Benutzerdatenbank<br />
• Electronic Programming Guide<br />
(EPG)<br />
• Transcoding<br />
• Kanalwechsel<br />
Realisierung<br />
• Eigene Ressourceninfrastruktur <strong>für</strong><br />
Komponenten<br />
• Feste Zuordnung der<br />
Dienstkomponenten zu<br />
Ressourcen<br />
→ Dimensionierungsfrage<br />
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5
Motivation<br />
Dienstorientierte Netzinfrastruktur<br />
• Trennung der Kopplung zwischen<br />
Komponenten <strong>und</strong> Ressourcen<br />
• Schmale <strong>und</strong> flexible Schnittstelle<br />
durch Virtualisierung der<br />
Infrastruktur<br />
• Entwicklung des <strong>Dienstes</strong> durch<br />
Dienstanbieter<br />
• Bereitstellung der Ressourcen<br />
durch Dienstbetreiber<br />
(= „Infrastrukturanbieter“)<br />
• Automatisierung der Platzierung<br />
der Dienstkomponenten<br />
→ Modell <strong>für</strong> Dienst <strong>und</strong> Infrastruktur<br />
notwendig<br />
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Dienst<br />
Entwicklung<br />
Dienst<br />
Instantiierung<br />
<strong>und</strong><br />
Betrieb<br />
6
Modellierung<br />
… <strong>eines</strong> <strong>Dienstes</strong> (Dienstbeschreibung)<br />
Diensttopologie bestehend aus<br />
• Komponentenbeschreibungen<br />
Ressourcenbedarf der zugehörigen<br />
Komponente<br />
• Platzierungsanforderungen<br />
• Verbindungsbeschreibungen<br />
– Bandbreitenbedarf<br />
Je nach Platzierung der Komponenten<br />
mehrere Angaben möglich<br />
• Verzögerungsanforderungen<br />
– Von Verbindungen<br />
– Auf Verbindungspfaden<br />
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7
Modellierung<br />
… <strong>eines</strong> <strong>Dienstes</strong> (Dienstbeschreibung)<br />
Diensttopologie bestehend aus<br />
• Komponentenbeschreibungen<br />
Ressourcenbedarf der zugehörigen<br />
Komponente<br />
• Platzierungsanforderungen<br />
• Verbindungsbeschreibungen<br />
– Bandbreitenbedarf<br />
Je nach Platzierung der Komponenten<br />
mehrere Angaben möglich<br />
• Verzögerungsanforderungen<br />
– Von Verbindungen<br />
– Auf Verbindungspfaden<br />
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8
Modellierung<br />
… <strong>eines</strong> <strong>Dienstes</strong> (Dienstbeschreibung)<br />
Diensttopologie bestehend aus<br />
• Komponentenbeschreibungen<br />
– Ressourcenbedarf der zugehörigen<br />
Komponente<br />
• Platzierungsanforderungen<br />
• Verbindungsbeschreibungen<br />
– Bandbreitenbedarf<br />
Je nach Platzierung der Komponenten<br />
mehrere Angaben möglich<br />
• Verzögerungsanforderungen<br />
– Von Verbindungen<br />
– Auf Verbindungspfaden<br />
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9
Modellierung<br />
… der Ressourcen (Ressourcenbeschreibung)<br />
Ressourcentopologie bestehend aus<br />
• Knoten<br />
– Ausführungsumgebung <strong>für</strong><br />
Komponenten<br />
– Ressourcenkapazitäten<br />
Zur Instantiierung von Komponenten<br />
• Links<br />
– Installierte Bandbreite<br />
– Verzögerung<br />
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Modellierung<br />
… der Ressourcen (Ressourcenbeschreibung)<br />
Ressourcentopologie bestehend aus<br />
• Knoten<br />
– Ausführungsumgebung <strong>für</strong><br />
Komponenteninstanzen<br />
– Ressourcenkapazitäten<br />
Zur Instantiierung von Komponenten<br />
• Links<br />
– Installierte Bandbreite<br />
– Verzögerung<br />
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11
Rollen<br />
Dienstanbieter<br />
• Bereitstellung der Dienstkomponenten<br />
– Komponentenbeschreibungen<br />
– Implementierungen<br />
• Beschreibung der Diensttopologie<br />
Umsetzung<br />
WS-ähnliches Komponentenmodel<br />
Dienstbetreiber/„Infrastrukturanbieter“<br />
• Auswahl der Komponenten<br />
• Reservierung von Ressourcenkapazitäten<br />
• Platzierung von Komponenten<br />
Auf bereitgestellten Knoten <strong>und</strong> Links<br />
Umsetzung<br />
Virtualisierung (Netz, Rechenressourcen)<br />
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KomponentenEntwicklung<br />
Dienst<br />
Entwicklung<br />
Komponenten<br />
Auswahl<br />
Instantiierung<br />
12
Rollen<br />
Dienstanbieter<br />
• Bereitstellung der Dienstkomponenten<br />
– Komponentenbeschreibungen<br />
– Implementierungen<br />
• Beschreibung der Diensttopologie<br />
Umsetzung<br />
WS-ähnliches Komponentenmodel<br />
Dienstbetreiber/„Infrastrukturanbieter“<br />
• Auswahl der Komponenten<br />
• Reservierung von Ressourcenkapazitäten<br />
• Platzierung von Komponenten<br />
Auf bereitgestellten Knoten <strong>und</strong> Links<br />
Umsetzung<br />
Virtualisierung (Netz, Rechenressourcen)<br />
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KomponentenEntwicklung<br />
Dienst<br />
Entwicklung<br />
Komponenten<br />
Auswahl<br />
Instantiierung<br />
13
Platzierung der Komponenten auf Ressourcen<br />
Überblick<br />
Untersuchungsraum<br />
• Platzierungsstrategie<br />
• Dynamisches Verhalten<br />
• Reorganisation<br />
Optimierungskriterien<br />
• Ressourcenauslastung<br />
• Fairness<br />
• Anzahl aktiver Knoten<br />
• Betriebskosten<br />
Mögliche Ziele<br />
• Minimierung (bzw. Maximierung) der Optimierungskriterien<br />
• Wirtschaftlichkeit (CAPEX <strong>und</strong> OPEX)<br />
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Platzierung der Komponenten auf Ressourcen<br />
Platzierungsstrategie – Algorithmen<br />
Algorithmische „Schranken“<br />
• Zufällige Platzierung als intuitive obere Schranke<br />
(RAND)<br />
→ „Schlecht, aber schnell“<br />
• Optimale Platzierung als untere Schranke (OPT)<br />
– Gemischt-ganzzahliges lineares Programm (Mixed<br />
Interger Linear Program)<br />
→ „Langsam, aber gut“<br />
Metriken<br />
• Wahrscheinlichkeit der Ablehnung<br />
• (Link-) Ressourcenbedarf einer Platzierung<br />
• Algorithmische Komplexität<br />
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Komplexität<br />
RAND<br />
OPT<br />
Optimalität<br />
15
Vergleich der Ablehnewahrscheinlichkeiten<br />
Vorgehen<br />
Methode<br />
Monte-Carlo Simulation<br />
Generierung von Diensttopologie <strong>und</strong> Ressourcentopologie<br />
• Zufällig<br />
• Identische Knotenressourcen <strong>und</strong> installierte Linkbandbreiten<br />
• Klassifiziert nach<br />
– Durchschnittliche Auslastung der Ressourcen<br />
– Anzahl Komponentenbeschreibungen in Diensttopologie<br />
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Vergleich der Ablehnewahrscheinlichkeiten<br />
Vorläufige Ergebnisse<br />
Ablehnewahrscheinlichkeit<br />
1<br />
0.9<br />
0.8<br />
0.7<br />
0.6<br />
0.5<br />
0.4<br />
0.3<br />
0.2<br />
0.1<br />
0<br />
RAND<br />
OPT<br />
Auslastung Dienstgröße<br />
71 79 87 91 95 99<br />
Durchschnittliche Ressourcenauslastung [%]<br />
• RAND selten unter 50%<br />
• Größter Gewinn durch OPT<br />
bei mittlerer Auslastung <strong>und</strong> den größeren Diensttopologien<br />
→ Relevante Szenarien<br />
0<br />
2 4 6 8<br />
Komponentenanzahl<br />
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Ablehnewahrscheinlichkeit<br />
1<br />
0.9<br />
0.8<br />
0.7<br />
0.6<br />
0.5<br />
0.4<br />
0.3<br />
0.2<br />
0.1<br />
RAND<br />
OPT<br />
17
Vergleich des Ressourcenbedarfs OPT : RAND<br />
Vorgehen<br />
Methode<br />
Monte-Carlo Simulation<br />
Generierung von Diensttopologie <strong>und</strong> Ressourcentopologie<br />
• Zufällig<br />
• Identische Knotenressourcen <strong>und</strong> installierte Linkbandbreiten<br />
• Klassifiziert nach<br />
– Durchschnittliche Auslastung der Ressourcen<br />
– Anzahl Komponentenbeschreibungen in Diensttopologie (Scharparameter)<br />
Metrik<br />
• Nur Linkressourcen (Bandbreite BW)<br />
(Keine Verbesserung der Nutzung der Knotenressourcen durch OPT in diesem Modell)<br />
Σ BW(OPT)<br />
• Bandbreitennutzung =<br />
Σ BW(RAND)<br />
• Bandbreiteneinsparung = 1 – Bandbreitennutzung<br />
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Vergleich des Bandbreitenbedarfs OPT : RAND<br />
Vorläufige Ergebnisse<br />
Bandbreitennutzung OPT : RAND<br />
10 0<br />
10 −1<br />
10 −2<br />
10 −3<br />
Bandbreitennutzung<br />
Einzelne Platzierung<br />
71 79 87 91 95 99<br />
Durchschnittliche Ressourcenauslastung [%]<br />
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Vergleich des Bandbreitenbedarfs OPT : RAND<br />
Vorläufige Ergebnisse<br />
Bandbreitennutzung OPT : RAND<br />
10 0<br />
10 −1<br />
10 −2<br />
10 −3<br />
#Komponenten < 5<br />
#Komponenten > 5<br />
Bandbreitennutzung<br />
Einzelne Platzierung<br />
95% Quantile<br />
Mean<br />
71 79 87 91 95 99<br />
Durchschnittliche Ressourcenauslastung [%]<br />
• Über 80% Bandbreiteneinsparung<br />
• Größte Einsparung bei mittlerer Auslastung <strong>und</strong> den größeren Diensttopologien<br />
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Vergleich des Bandbreitenbedarfs OPT : RAND<br />
Vorläufige Ergebnisse<br />
Bandbreitennutzung OPT : RAND<br />
10 0<br />
10 −1<br />
10 −2<br />
10 −3<br />
#Komponenten < 5<br />
#Komponenten > 5<br />
Bandbreitennutzung Laufzeit<br />
Einzelne Platzierung<br />
95% Quantile<br />
Mean<br />
71 79 87 91 95 99<br />
Durchschnittliche Ressourcenauslastung [%]<br />
0<br />
71 79 87 91 95 99<br />
Durchschnittliche Ressourcenauslastung [%]<br />
• Über 80% Bandbreiteneinsparung<br />
• Größte Einsparung bei mittlerer Auslastung <strong>und</strong> den größeren Diensttopologien<br />
– Aber: Höhere Rechenzeiten<br />
→ Heuristiken notwendig<br />
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Laufzeit [s]<br />
100<br />
90<br />
80<br />
70<br />
60<br />
50<br />
40<br />
30<br />
20<br />
10<br />
95% Quantile<br />
Mean<br />
#Komponenten < 5<br />
#Komponenten > 5<br />
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Zusammenfassung<br />
• Dienstorientierte Netzinfrastruktur besteht aus Netz <strong>und</strong> Rechenressourcen<br />
– Trennung von Dienstanbieter <strong>und</strong> Dienstbetreiber<br />
– Schlanke aber flexible Schnittstelle durch<br />
• Virtualisierung<br />
• WS-Komponentenmodell<br />
• Methode zur wissenschaftlichen Untersuchung des Platzierungsproblems<br />
– Modellierung durch Dienst- <strong>und</strong> Ressourcenbeschreibungen<br />
– Monte-Carlo Simulation zur Bewertung neuer Platzierungsstrategien<br />
– Vergleich mit „unteren“ <strong>und</strong> „oberen“ algorithmischen Schranken<br />
• Vorläufige Ergebnisse zeigen folgende Tendenzen auf<br />
– Optimierungspotenzial zwischen den beiden Schranken vorhanden<br />
– Hohe Einsparung von Linkressourcen von OPT bzgl. RAND (mehr als 80%)<br />
– Hohe Laufzeiten von OPT in relevanten Szenarien erwartet<br />
Fazit<br />
• Zunehmende Bedeutung der Fragestellung (vgl. Cloud Computing)<br />
• Unzureichend erforscht<br />
• Weitere Entwicklung der Untersuchungsmethodik<br />
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