Um Modelo de Encaminhamento Hierárquico Multi-Objectivo em Redes MPLS, com Duas Classes de Serviço

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1 Um Modelo de Encaminhamento Hierárquico Multi-Objectivo em Rede MPLS, com Dua Clae de Serviço Rita Girão Silva a,c (Tee de Doutoramento realizada ob upervião de Profeor Doutor Joé Craveirinha a,c e Profeor Doutor João Clímaco b,c ) a b c DEEC-FCTUC FEUC INESC-Coimbra Jornada do INESC-Coimbra Coimbra, Portugal, 25/Jun/09

2 1. Motivação Reumo 2. Modelo de encaminhamento 3. Generalidade obre a abordagem heurítica de reolução 4. Variante heurítica e meta-heurítica 5. Aplicação do modelo e reultado experimentai 6. Concluõe e trabalho futuro 2

3 1. Motivação Encaminhamento em rede MPLS Na rede multi-erviço actuai, há diferente exigência de Qualidade de Serviço (QoS), com caracterítica muito heterogénea, a coniderar no modelo de encaminhamento. Há vantagen potenciai na formulação do problema de encaminhamento em rede MPLS como problema multiobjectivo. Em [Craveirinha et al,08], dicute-e alguma quetõe de encaminhamento em rede MPLS a um nível conceptual e ao nível de modelo de encaminhamento. Um meta-modelo de encaminhamento multi-objectivo hierárquico formulado ao nível da rede é propoto em [Craveirinha et al,08]. Ete meta-modelo foi aplicado a rede MPLS com dua clae de erviço, QoS (tráfego de mai alta prioridade) e Bet Effort (BE), que contitui o tráfego de mai baixa prioridade. 3

4 2. Modelo de Encaminhamento Conidera-e um modelo de encaminhamento multiobjectivo hierárquico formulado ao nível da rede: Modelo de encaminhamento multi-objectivo hierárquico Primeiro nível: funçõe objectivo aociada ao tráfego QoS, formulada ao nível global da rede Segundo nível: métrica de média de deempenho aociada ao diferente erviço de tráfego QoS e objectivo ao nível global da rede para o tráfego BE (receita eperada) Objectivo de equidade explicitamente coniderado em ambo o nívei de optimização Formulação multi-objectivo: Em cada nível, o objectivo ão potencialmente conflituoo entre i. Formulação hierárquica: Ao avaliar cada um do erviço, tenta-e optimizar a f.o. de 2º nível para ee erviço, etando empre ubjacente a optimização da f.o. de 1º nível, formulada ao nível global da rede para o fluxo de mai alta prioridade. 4

5 Modelo de encaminhamento Conidera-e uma repreentação etocática do fluxo de tráfego aociado a rota explícita, o que permite o cálculo de probabilidade de bloqueio para cada fluxo. A interacçõe entre todo o fluxo de tráfego ão coniderada, apear de e eparar o objectivo QoS do objectivo BE (etão até em nívei diferente). Na rede, conidera-e todo o tráfego exitente, ao invé do que acontece habitualmente, em que e define rede virtuai para o fluxo QoS e para o fluxo BE. Formulação ao nível da rede: a f.o. para um determinado tipo de erviço dependem explicitamente de todo o fluxo na rede. Conidera-e a poibilidade de encaminhamento alternativo, o que tende a er vantajoo para a f.o. de 1º nível. 5

6 Modelo de encaminhamento Problema P-M2-S2 Primeiro nível (QoS Objectivo de rede) max {W Q = receita média total para o tráfego QoS} R min {B Mm Q = máxima probabilidade média de bloqueio para todo R o erviço QoS} objectivo de equidade na rede Segundo nível (QoS Objectivo de erviço) min {B m Q = probabilidade média de bloqueio para o fluxo QoS R de tipo }, S Q min {B M Q = probabilidade máxima de bloqueio para o fluxo QoS R de tipo }, S Q objectivo de equidade para o erviço QoS (BE Objectivo de rede) max {W B = receita média total para o tráfego BE} R 6

7 com W Q = S Q A c w A c : tráfego total tranportado para o erviço w : receita média por cada µ-fluxo ( chamada ) do tipo Toda a f.o. podem er exprea em termo do tráfego oferecido por todo o fluxo f, A(f ) ( S Q U S B ) e a probabilidade de bloqueio ponto-a-ponto correpondente, B(f ). O valore de B(f ) ão calculado com bae num itema multidimenional de Erlang, utilizando o conceito de largura de banda efectiva. B 1 B M Q = max f F {B(f )} B Mm Q = max SQ {B m } W m Q = A(f)B(f) o A f F B = S B A c w 7

8 Modelo de encaminhamento O problema de encaminhamento hierárquico multi-objectivo alternativo aqui coniderado é de difícil tratamento, poi: é batante complexo devido à interdependência entre toda a f.o. (exprea no cálculo de B(f )); é NP-completo. A f.o. em P-M2-S2 ão potencialmente conflituoa. Em particular, no 1º nível, a maximização de W Q pode levar a uma deterioração de B(f ), S Q, para o fluxo de tráfego de pequena intenidade A(f ), o que leva a uma tendência de aumento de B M Q e, conequentemente, B Mm Q. 8

9 3. Generalidade Sobre a Abordagem Heurítica de Reolução A heurítica deenvolvida para o problema P-M2-S2 baeiam-e no cálculo de oluçõe para um problema auxiliar de c.m.c. bi-objectivo. A métrica a minimizar ão o cuto implícito marginai e a probabilidade de bloqueio. Ao minimizar a probabilidade de bloqueio, tende-e a minimizar a probabilidade máxima de bloqueio ponto-aponto B(f ). Ao minimizar o cuto implícito, tende-e a maximizar a receita média total W T. Aim, eta dua métrica ão potencialmente conflituoa. O cuto implícito marginai aociado ao tráfego QoS (BE), c Q(B) ku, reultante da aceitação duma chamada do fluxo f u no arco l k podem er definido como o valor médio de perda de receita em todo o fluxo de tráfego na rede que podem uar o arco l k, devido à diminuição da capacidade diponível nee arco. Aim, eta métrica permite medir o efeito de aceitação duma chamada na rede obre todo o fluxo de tráfego. 9

10 Generalidade obre a abordagem heurítica de reolução O problema auxiliar de c.m.c. bi-objectivo tem dua configuraçõe poívei, conoante e pretende melhorar a receita do tráfego QoS ou do tráfego BE. r( f min ) D ( f ) m Problema P (2) n ( r( f )) = m l r ( f n= 1;2 m k1 =c Q(B) k ; m k2 = -log(1-b k ); D(f ) é o conjunto de caminho admiívei para cada fluxo f, reultante de retriçõe de engenharia de tráfego. O procedimento para pequia e elecção do caminho a er uado pela chamada de cada fluxo de tráfego combina uma oma ponderada da dua f.o. m k1 e m k2 e a definição de regiõe de prioridade obtida a partir de limiare de preferência relacionado com valore aceitávei e requerido para cada f.o. Note-e que a métrica ponderada é uada apena para a geração de oluçõe! A elecção de oluçõe é feita com bae na regiõe de preferência em que a oluçõe e encontram. Define-e um conjunto de procedimento para auxílio à elecção de oluçõe. k ) n k 10

11 Generalidade obre a abordagem heurítica de reolução r(f min ) D (f ) l r(f k Q( B) c k l r( ) k f ( Q(B) Q(B) Q(B) ε ()( log(1 B )) + ε ()c ) ) 1 k 2 k c acc () B 1 C c req () A B 2 c * ( f ) log(1 B * ( f )) log( 1 B req ( )) l r ( k f log(1 ) B k ) log( 1 B acc ( )) 11

12 4. Variante Heurítica e Meta-Heurítica Diferente variante heurítica foram implementada para reolver o problema de encaminhamento hierárquico multiobjectivo: MOR-S2 (Multi-Objective Routing conidering 2 clae of Service), decrita em [Craveirinha et al,07], é uma adaptação dum algoritmo heurítico propoto para reolver um problema mai imple do que P-M2-S2 poi não incluía tráfego de diferente clae de erviço. HMOR-S2 (Hierarchical Multi-Objective Routing conidering 2 clae of Service), decrita em [Girão-Silva et al,09], ua a mema abordagem metodológica de MOR-S2, ma contém alguma adaptaçõe epecífica ao problema em caua, permitindo obter melhore reultado. Em [Girão-Silva et al,08], decreve-e a análie de enibilidade que foi feita à heurítica de bae HMOR-S2. Verificou-e a HMOR-S2 tratava a f.o. de 1º e 2º nível de forma equilibrada. No entanto, verificou-e também que era poível encontrar oluçõe com melhore valore para a f.o. de 1º nível, do que o obtido com a HMOR-S2. 12

13 Variante heurítica e meta-heurítica Diferente técnica foram introduzida na heurítica de bae para tentar encontrar ea oluçõe: HMOR-S2 R (HMOR-S2 with a floating Relaxation) e HMOR-S2 L (HMOR- S2 with a floating barrier or Limit), decrita em [Girão-Silva et al,08], em que e impõe uma relaxação ou uma barreira flutuante ao valor de uma da f.o. de 1º nível. Com a relaxação(barreira), permite-e(exigee) que o valor da f.o. de 1º nível em caua piore(melhore) um certo valor percentual (em função do eu valor corrente). Em [Girão-Silva et al,09a], propõe-e dua variante, HMOR-S2 SA e HMOR-S2 TS, em que e introduziu caracterítica típica da metaheurítica Simulated Annealing e Tabu Search na heurítica de bae. Em [Girão-Silva et al,09b], propõe-e a variante HMOR-S2 PAS (HMOR- S2 with a Pareto Archived Strategy) em que e introduziu um arquivo de oluçõe não-dominada encontrada ao longo da execução da heurítica, ma que devido à extrema exigência da heurítica para a aceitação de nova oluçõe, não foram coniderada como nova oluçõe do problema. Em [Girão-Silva,08], propõe-e a variante HMOR-S2-LS (HMOR-S2 with Load Sharing), que não permitiu obter reultado relevante. 13

14 5. Aplicação do Modelo A heurítica bae e a ua variante foram aplicada a uma rede uada num cao de etudo (ver [Mitra et al,01]), em que e conidera encaminhamento em rede MPLS para dua clae de erviço. Nete cao de etudo, conidera-e um modelo de encaminhamento em rede MPLS, formulado como uma optimização lexicográfica, baeada em MCF (Multicommodity Flow). A repreentação do fluxo de tráfego é determinítica. Faz-e divião de tráfego (traffic plitting) e controlo de aceo para o tráfego BE. A f.o. a optimizar ão a receita W Q e W B. Tenta-e maximizar a receita para o fluxo BE, mantendo o valor óptimo obtido para a receita do fluxo QoS. Inicialmente, numa primeira fae, define-e um modelo determinítico de optimização. Coniderando ó o tráfego QoS na rede, verifica-e qual erá a capacidade reidual da rede. Poteriormente, conidera-e o tráfego BE, que é oferecido a eta rede reidual. Só parte dete tráfego é admitida à rede. Numa egunda fae, adapta-e o modelo determinítico a um ambiente etocático, mantendo invariante a relaçõe de intenidade de tráfego. Eta adaptação é feita para 3 matrize de tráfego ditinta. Com ete modelo de referência, obtém-e valore óptimo para a receita do fluxo QoS, que podem er coniderado limite máximo para o valore de W Q obtido com a heurítica. 14

15 Aplicação do modelo Rede de tete, com informação obre a capacidade do arco [Mbp] Caracterítica do erviço na rede de tete 15

16 Reultado experimentai Etudo analítico: Coniderou-e doi tipo de tete: tete (i), em que a olução inicial é a olução tipicamente utilizada no algoritmo convencionai de Internet: apena caminho de primeira ecolha, c.m.c.; tete (f), em que a olução inicial é a olução obtida apó a execução da heurítica bae. Ete tete ó foram realizado para alguma da variante e têm por objectivo verificar até que ponto ea variante coneguem melhorar a olução final obtida com a HMOR-S2. Etudo imulacional: Coniderou-e uma plataforma de imulação etocática por acontecimento dicreto. É poível avaliar o reultado num ambiente etocático mai próximo da condiçõe reai de funcionamento numa rede. Método de encaminhamento etático: o plano de encaminhamento em cada imulação não muda ao longo da imulação. É o plano de encaminhamento obtido apó o tete (i) ou (f) para cada variante. Método de encaminhamento dinâmico periódico e dependente do etado. A informação recolhida por avaliação periódica do etado da rede é uada para uma ecolha periódica do caminho na rede. Reultado de imulação: valor médio ± emi-intervalo de confiança a 95% 16

17 Algun reultado experimentai Etudo analítico Valore da f.o. de 1º nível para a oluçõe iniciai e finai da heurítica HMOR-S2 e alguma variante A oluçõe finai obtida têm valore de f.o. de 1º nível melhore do que o obtido com o plano de encaminhamento típico da rede Internet (olução inicial), para todo o valore de α. Coniderando a heurítica HMOR-S2 como bae, verifica-e que muita da variante permitem melhorar o valore da f.o. de 1º nível. Comparando o reultado da heurítica bae com o obtido em [Mitra et al,01], verifica-e que a receita W Q repreentam cerca de 99.5% do valore óptimo. A utilização da variante numa egunda fae da execução, ito é, apó a execução da heurítica bae numa primeira fae (verão (f)), permite a melhoria de reultado para a f.o. de 1º nível, para todo o valore de α. Refira-e no entanto que a melhoria é muito ligeira para α=

18 Algun reultado experimentai Etudo imulacional Valore médio e intervalo de confiança a 95% para a f.o. de 1º nível para a HMOR-S2 e alguma variante Na maioria da ituaçõe, o reultado analítico etão fora do intervalo de confiança a 95%, quer para o modelo etático quer para o modelo dinâmico. No entanto, o reultado ão muito próximo. O reultado analítico tendem a er melhore que o reultado imulacionai correpondente. 18

19 Algun reultado experimentai Etudo imulacional Para a heurítica bae, o intervalo de confiança a 95% obtido com o modelo dinâmico incluem ou ão melhore que o valor analítico correpondente para α=0.0; 0.5. Neta ituaçõe de carga mai elevada, o modelo dinâmico é capaz de obter reultado que ultrapaam o reultado antecipado pelo modelo analítico. A diferença entre o reultado analítico e o reultado imulacionai devem-e eencialmente a impreciõe intríneca à reolução analítico-numérica, em particular no que e refere a implificaçõe do modelo de tráfego (que tendem a ub-etimar a probabilidade de bloqueio na rede) e da propagação do erro aociado. O modelo de imulação por acontecimento dicreto confirma a validade do reultado analítico, já que a dicrepância obtida no reultado numérico não afectam o valore relativo da f.o. Refira-e que ao longo do procedimento de optimização do encaminhamento o que é importante é comparar diferente oluçõe de encaminhamento com o memo modelo de tráfego, e não obter valore muito precio para a f.o. O reultado médio obtido com o modelo dinâmico ão melhore ou iguai ao reultado médio obtido com o modelo etático. 19

20 6. Concluõe e Trabalho Futuro Apreentou-e um modelo de encaminhamento hierárquico bi-nível multiobjectivo em rede MPLS, com dua clae de erviço (com diferente prioridade) e diferente tipo de erviço em cada clae. Propô-e diferente heurítica e meta-heurítica para reolução do problema de encaminhamento aociado. Coneguiu obter-e boa oluçõe de compromio para ete problema, quando comparada com a oluçõe do modelo uado como benchmarking. Obteve-e reultado analítico e também reultado imulacionai, coniderando uma plataforma de imulação etocática por acontecimento dicreto, que permite um ambiente etocático mai próximo da condiçõe reai de funcionamento numa rede. O reultado imulacionai foram em linha com o eperado. A principal limitação deta abordagen de reolução é o cuto computacional, que é elevado. Aim, ete método de encaminhamento etá retrito a rede com número limitado de nó do tipo metro-core. Trabalho futuro: Aplicação de divião de tráfego; Exploração doutra técnica meta-heurítica, em particular, algoritmo genético; Aplicação da heurítica e variante a outra rede. 20

21 Referência [Craveirinha et al,07] J. Craveirinha, R. Girão-Silva, J. Clímaco, L. Martin. A hierarchical multiobjective routing model for MPLS network with two ervice clae Analyi and reolution approach. Reearch Report 5/2007, INESC-Coimbra, Oct (A horter verion will be publihed at the Pot-Conference Proceeding of the 23rd IFIP TC7 Conference on Sytem Modelling and Optimization (Cracow, Poland, Jul , 2007), Springer, 2009.) [Craveirinha et al,08] J. Craveirinha, R. Girão-Silva, J. Clímaco. A meta-model for multiobjective routing in MPLS network. Central European Journal of Operation Reearch, 16(1):79-105, Mar [Girão-Silva et al,08] R. Girão-Silva, J. Craveirinha, J. Clímaco. Hierarchical multiobjective routing in MPLS network with two ervice clae Heuritic reolution and enitivity analyi. Reearch Report 8/2008, INESC-Coimbra, Jul [Girão-Silva,08] R. Girão-Silva. Um modelo de encaminhamento hierárquico multi-objectivo em rede MPLS, com dua clae de erviço. Tee PhD, FCTUC, Coimbra, Dec [Girão-Silva et al,09] R. Girão-Silva, J. Craveirinha, J. Clímaco. Hierarchical multiobjective routing in MPLS network with two ervice clae A heuritic olution. International Tranaction in Operational Reearch, 16(3): , May [Girão-Silva et al,09a] R. Girão-Silva, J. Craveirinha, J. Clímaco. Hierarchical multiobjective routing in MPLS network with two ervice clae A meta-heuritic olution. Journal of Telecommunication and Information Technology, 3, [Girão-Silva et al,09b] R. Girão-Silva, J. Craveirinha, J. Clímaco. Hierarchical multiobjective routing in MPLS network with two ervice clae Report on a Pareto Archived Strategy. Reearch Report (Draft verion), INESC-Coimbra, (A horter verion will be preented at the 8th International Conference on Deciion Support for Telecommunication and Information Society (DSTIS 2009), Coimbra, Portugal, Sep. 4-7, 2009.) [Mitra et al,01] D. Mitra, K. G. Ramakrihnan. Technique for traffic engineering of multiervice, multipriority network. Bell Lab Technical Journal, 6(1): , Jan