B4: Planung

Das Teilprojekt B4 befasst sich mit der Planung von Transitionen zwischen verschiedenen verfügbaren Mechanismen innerhalb eines Kommunikationssystems unter Verwendung probabilistischer Verfahren. Dabei konzentriert sich das Projekt auf das Kernnetz und insbesondere auf programmierbare Kernnetze. In einem Kommunikationssystem, dem eine Multi-Mechanismen-Adaption zugrunde liegt, ist es notwendig, Transitionen zwischen Mechanismen zu optimieren. Diese Optimierung bzw. Planung wird bezüglich quantitativer Leistungsmetriken und bezüglich des Transitionszeitpunktes angestrebt. Beispiele wichtiger Leistungsmetriken sind Datendurchsatz, Paketlatenz und Pufferüberlauf. Für die Auswahl einer spezifischen Transition und des damit zusammenhängenden Transitionszeitpunktes werden sowohl Zustandsinformationen der Netzwerkknoten als auch der benutzten Mechanismen benötigt. Von zentraler Bedeutung für das Vorgehen in B4 sind probabilistische Leistungsbewertungsmodelle und Prädiktionstechniken aus der Statistik, die auf diese Zustandsinformationen aufbauen.

Die Herausforderung bei der Planung von Transitionen liegt darin, die entscheidenden Leistungsmetriken zu bestimmen, die benutzten und zur Verfügung stehenden Mechanismen diesbezüglich auszuwerten und eine möglichst genaue Prädiktion der entsprechenden Leistung für einen begrenzten Zeithorizont herzuleiten. Das Ergebnis der Planung ist eine Empfehlung für zukünftige Transitionen, die aus der Auswirkung möglicher Transitionen auf die Leistungsmetriken und einem entsprechenden Konfidenzniveau besteht. Die Empfehlung kann auch in binärer Form vorliegen, wenn vordefinierte Schwellen für die Auslösung von Transitionen gegeben sind. In Phase II ist das übergeordnete Ziel des Teilprojekts B4 proaktiv für einen gegebenen Zeithorizont die optimale Transition aus der Menge der betrachteten Transitionen zu bestimmen. Damit hängt ein weiteres Ziel zusammen, nämlich die möglichst genaue Schätzung der Leistung geplanter Transitionen. Eine umfassende, mathematische Beschreibung für die Analyse aller zur Verfügung stehenden Mechanismen bzw. Transitionen würde den Rahmen dieses Teilprojekts sprengen.

In B4 werden fundamentale, analytisch nachvollziehbare Modelle von Mechanismen und Transitionen im Hinblick auf Fragestellungen der Leistungsbewertung untersucht. Hierfür werden Methoden der Warteschlangentheorie, des stochastischen Netzwerkkalküls und der Markov- Entscheidungstheorie eingesetzt. Die Multi-Mechanismen-Adaption, die Kernstück von B4 ist, befindet sich auf den Kommunikationsschichten der Medienzugriffs-, Vermittlungs- und Transportschicht. Folglich konzentriert sich das Teilprojekt B4 auf einen Zeithorizont für die Prädiktion, der nicht länger als einige wenige Sekunden ist. Je nach Abhängigkeit der Planung von der Prädiktion verschiedener Mechanismen bzw. der entsprechenden Leistung muss der Zeithorizont der Planung angepasst werden. Um das Ziel des Teilprojekts B4 zu erreichen, werden Verkehrs- und Systemmodelle für fundamentale Mechanismen aufgestellt und bezüglich Leistungsmetriken analysiert. Der Fokus liegt dabei auf Transitionen in einer Software-definierten Umgebung im Kernnetz. Die entsprechenden Zustandsinformationen sind empirisch ermittelte oder angenommene Verteilungen bzw. momenterzeugende Funktionen des Datenverkehrs. Aus der Literatur werden zur Analyse Basismodelle verschiedener Netzwerkelemente wie Puffer, Scheduler und Caches herangezogen. Für die Prädiktion verschiedener Netzwerkmetriken werden über Prädiktoren aus der Zeitreihenanalyse hinaus parametrische Modelle für verschiedene Netzelemente wie z.B. Caches integriert, um die Prädiktionsgüte zu erhöhen. Zur Bestimmung lokaler Zustandsinformationen und deren Integration in Prädiktoren werden dabei auch Methoden der statistischen Inferenz herangezogen.

Beispiele wichtiger Transitionen sind die Wahl virtueller Netzwerk-Slices mit unterschiedlichen Ressourcenausstattungen und -auslastung oder die Änderung von Mehrpfadübertragungs- oder Load-Balancing Algorithmen je nach Ressourcenverfügbarkeit. Bezüglich der Umsetzung der Planungsvorschriften ist vorgesehen, dass aus der theoretischen Betrachtung Planungsregeln extrahiert werden, die als generelle Vorgaben für Transitionen gelten. Zum Beispiel ermöglichen analytische Skalierungsresultate, den Einfluss längerer Netzwerkpfade oder zusätzlicher paralleler Pfade auf die Leistung zu quantifizieren. Solche Regeln können zur Laufzeit benutzt werden, wobei umfassende numerische Leistungsauswertungen mit der gemessenen Parametrisierung offline getätigt werden müssen. Das Erreichen der Ziele des Teilprojekts wird durch vorhandene Expertise aus den Teilbereichen der probabilistischen Modellierung, Inferenz,Warteschlangentheorie und des Netzwerkkalküls ermöglicht. Die Zusammenarbeit mit anderen Teilprojekten des SFBs MAKI ist von elementarer Bedeutung, da gemeinsame Szenarien, Fragestellungen und Methodiken existieren. Zum Beispiel erlauben die Methoden der probabilistischen Modellierung bzw. der statistischen Inferenz den Einsatz von auf die Anwendung zugeschnittenen Monitoring- und Zustandsschätzverfahren. Weiterhin können gefundene leistungsbasierte Adaptionsregeln für Transitionen im bereits entwickelten „Event Condition Action“ (ECA) System aus Phase I formuliert werden.

Das Teilprojekt liefert einen zentralen Beitrag für den SFB, da eine auf Leistungsbewertung basierende Planung die Grundlage für effiziente Transitionen in auf Multi-Mechanismen gestützten Kommunikationssystemen bildet. Teilprojekt B4 ermöglicht somit den effizienten Einsatz von Ressourcen im Zusammenhang mit Multi- Mechanismen-Adaption unter Dienstgütegarantien.