Investigação Operacional em Problemas de Telecomunicações Amaro Fernandes de Sousa
Universidade de Aveiro ([email protected])
Instituto de Telecomunicações ([email protected])
Semana da Investigação Operacional Universidade do Minho, 17 de março de 2016
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Factos
• Liberalização do mercado das telecomunicações • Os operadores de telecomunicações estão sujeitos a concorrência
• Constante aumento, diversificação e agregação dos serviços oferecidos • O tráfego a suportar pelas redes dos operadores é cada vez mais
imprevisível
• Importância dos serviços de telecomunicações no dia a dia das pessoas e das empresas • As redes de telecomunicações têm de ser robustas a falhas
• As questões ambientais e de consumo energético • As redes de telecomunicações deverão ser energeticamente
eficientes 2
Desafios para os operadores
• Minimizar os custos de aquisição (CAPEX) e de operação e manutenção (OPEX) de infraestruturas e equipamentos de rede
• Maximizar a utilização da rede
• Maximizar a capacidade da rede em suportar aumentos imprevistos de tráfego
• Maximizar a sobrevivência da rede a falhas por forma a garantir serviços mínimos em contínuo
• Minimizar os custos associados ao consumo energético dos equipamentos
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Tipos de problemas
• Desenho/dimensionamento da rede
• O operador precisa de decidir que recursos instalar na rede (tanto nos nós como nas ligações): • para suportar uma determinada matriz de tráfego estimada
• com determinados requisitos (de qualidade de serviço, de sobrevivência, tecnológicos, etc…)
• Objetivo principal: minimizar os custos (CAPEX e/ou OPEX) da rede
• O desenho/dimensionamento é feito quando o operador considera que os recursos instalados na sua rede atual não serão suficientes num futuro próximo
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Tipos de problemas
• Engenharia de tráfego
• Os recursos da rede estão instalados
• O operador precisa de decidir como atribuir os recursos a cada fluxo de tráfego
• Objetivos possíveis: • maximizar a utilização da rede
• maximizar a robustez da rede a variações imprevistas de tráfego
• otimizar a qualidade de serviço proporcionada
• minimizar o consumo de energia
• uma combinação das anteriores
• A engenharia de tráfego pode ser online, periódica ou planeada
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Exemplos descritos de seguida
• Desenho/dimensionamento de Redes
• Desenho de Redes MPLS/WDM com Sobrevivência e Restrições de Salto
• Desenho de Redes MPLS com Encaminhamento OSPF
• Engenharia de Tráfego
• Balanceamento de Tráfego para 2 Serviços Diferenciados
• Encaminhamento Energeticamente Eficiente
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Desenho de Redes MPLS/WDM com Sobrevivência e Restrições de Salto • Considere-se uma rede MPLS sobre uma rede ótica WDM
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E
C
WDM OXC
E MPLS Edge LSR
C MPLS Core LSR
WDM Lightpath
E
E
Fiber
L. Gouveia, et al., “MPLS over WDM Network Design with Packet Level QoS Constraints based on ILP Models”, IEEE INFOCOM , 2003
Desenho de Redes MPLS/WDM com Sobrevivência e Restrições de Salto • Para a rede MPLS, os Lightpaths da rede ótica funcionam
como ligações ponto-a-ponto
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E
C
E MPLS Edge LSR
C MPLS Core LSR
MPLS LSP
E
E
Lightpath Connection
L. Gouveia, et al., “MPLS over WDM Network Design with Packet Level QoS Constraints based on ILP Models”, IEEE INFOCOM , 2003
Desenho de Redes MPLS/WDM com Sobrevivência e Restrições de Salto
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• Parâmetros de entrada: • Dada a rede ótica WDM e a localização dos Edge LSRs
• Dada uma matriz de tráfego entre os Edge LSRs
• A solução inclui D percursos de encaminhamento, disjuntos nos nós, entre cada par de Edge LSRs
• Cada percurso de encaminhamento é limitado a H saltos
• O comprimento de cada Lightpath é limitado a L
• Determinar: • Os Core LSRs e sua localização
• Os Lightpaths necessários e sua capacidade
• Objetivo: • minimizar o custo total da configuração da rede (Core LSRs +
Lightpaths)
Desenho de Redes MPLS/WDM com Sobrevivência e Restrições de Salto
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• Mecanismos de Sobrevivência
• Path diversity: • Cada fluxo de tráfego é dividido igualmente por D percursos
disjuntos nos nós
• Se um Lightpath ou um LSR falhar, [ (D – 1) / D ] 100% do fluxo está protegido
• Path protection: • Para cada fluxo de tráfego, estabelecem-se D percursos de
encaminhamento disjuntos nos nós
• O fluxo é dividido igualmente por D – 1 percursos
• O último percurso é usado quando um dos outros falha
• Existe 100% de proteção para falhas individuais
• Quanto maior o D, menores os recursos adicionais necessários
Desenho de Redes MPLS/WDM com Sobrevivência e Restrições de Salto
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• Grafo expandido: as arestas representam percursos de comprimento mínimo na rede WDM menor que L
• Redes de Teste (L = 2000 km):
L. Gouveia, et al., "Hop-Constrained Node Survivable Network Design: An Application to MPLS over WDM", Networks and Spatial Economics, March 2008
Desenho de Redes MPLS/WDM com Sobrevivência e Restrições de Salto
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• O custo adicional é menor com Path Diversity (mas a proteção é também menor)
• Com Path Protection, o custo adicional é menor com D = 3
L. Gouveia, et al., "Hop-Constrained Node Survivable Network Design: An Application to MPLS over WDM", Networks and Spatial Economics, March 2008
Desenho de Redes MPLS com Encaminhamento OSPF • Considere-se uma rede MPLS
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1
2
5
4
6
Edge LSRs
Core LSR
3
Fluxo de tráfego
Par de nós em que é possível estabelecer uma ligação
Desenho de Redes MPLS com Encaminhamento OSPF • Considere-se uma rede MPLS com encaminhamento OSPF:
• São atribuídos pesos às ligações
• Os percursos de encaminhamento são determinados pelos percursos de peso mínimo
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1
2
2 1
1 1
1
2
Desenho de Redes MPLS com Encaminhamento OSPF
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• Parâmetros de entrada: • Dada a localização dos Edge LSRs e dos Core LSRs
• Dada uma matriz de tráfego entre os Edge LSRs
• Dados os custos e capacidades de todas as possíveis ligações
• Determinar: • As ligações a estabelecer na rede
• Os pesos OSPF a adotar em cada ligação
• Objetivo: • minimizar o custo total da configuração da rede
Desenho de Redes MPLS com Encaminhamento OSPF
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• Redes de Teste:
C. Lopes, et al., “Combined Link Dimensioning and Weight Assignment of Minimum Weight Routing Networks”, NGI 2005
Rede A Rede B
Desenho de Redes MPLS com Encaminhamento OSPF
17 • O encaminhamento OSPF impõe uma penalização média
de apenas 1.78% no custo da rede quando comparado com o encaminhamento estabelecido por gestão
Balanceamento de Tráfego para 2 Serviços Diferenciados
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1
2
4 5
3
Serviço Gold (par de nós: fluxo): 1 – 2 : 2 2 – 5 : 1 3 – 4 : 1 Serviço Standard (par de nós: fluxo): 2 – 3 : 4 2 – 4 : 3 3 – 5 : 4
O objetivo é: • escolher um percurso de encaminhamento para cada
fluxo • minimizar a ligação com mais carga
Capacidade das ligações: 10
Balanceamento de Tráfego para 2 Serviços Diferenciados
19
1
4 5
3
Serviço Gold 1 – 2 : 2 2 – 5 : 1 3 – 4 : 1 Serviço Standard 2 – 3 : 4 2 – 4 : 3 3 – 5 : 4
2 2
1
1
1 3
3
4
4
• Em ambos os serviços a pior carga é de 50% • A rede fica congestionada para ambos os serviços se
todos os fluxos crescerem (1 – 0.5)/0.5 = 100%
• Sem diferenciação de serviço
Capacidade das ligações: 10
Pior carga 50% 10% 50%
Pior carga 40% 50% 50%
Balanceamento de Tráfego para 2 Serviços Diferenciados
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Serviço Gold 1 – 2 : 2 2 – 5 : 1 3 – 4 : 1 Serviço Standard 2 – 3 : 4 2 – 4 : 3 3 – 5 : 4
• A rede fica congestionada para o serviço Standard se todos os fluxos crescerem (1 – 0.8)/0.8 = 25%
• A rede fica congestionada para o serviço Gold se todos os fluxos crescerem (1 – 0.4)/0.4 = 150%
• Com diferenciação de serviço
Capacidade das ligações: 10
Pior carga 40% 40% 40%
Pior carga 80% 70% 80%
1
4 5
3 2 4
7
1
2
1
8
3
Balanceamento de Tráfego para 2 Serviços Diferenciados
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• Parâmetros de entrada: • Dados os nós da rede e as capacidades das ligações entre nós da
rede
• Dada uma matriz de tráfego para cada um dos 2 serviços
• Dado uma diferença máxima de entre a pior carga de cada serviço
• Determinar: • O percurso de encaminhamento de cada fluxo de tráfego
• Objetivo: • minimizar a carga máxima de cada serviço
Balanceamento de Tráfego para 2 Serviços Diferenciados
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• Rede de Teste:
A. de Sousa, et al., “Load balancing optimization of telecommunication networks with two differentiated services”, Electronic Notes in Discrete Mathematics, June 2013
14
1
2
3
4
5
7
6
12
9
8
10
11
13
16
20
1918
15
22
21
23
26
25
24
17
Balanceamento de Tráfego para 2 Serviços Diferenciados
23 • Percentagem de tráfego Gold cresce de 100 para 101 para 102
• Redes NSF’ com ligações de capacidade diferente
A. de Sousa, et al., “Load balancing optimization of telecommunication networks with two differentiated services”, Electronic Notes in Discrete Mathematics, June 2013
= 1 = 0.3
Balanceamento de Tráfego para 2 Serviços Diferenciados
24
• Instância NSF100 ( = 0.0)
Balanceamento de Tráfego para 2 Serviços Diferenciados
25
• Instância NSF100 ( = 0.3)
Balanceamento de Tráfego para 2 Serviços Diferenciados
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• Instância NSF100 ( = 1.0)
Encaminhamento Energeticamente Eficiente
27 R. Bolla, et al., “Enabling Backbone Networks to Sleep”, IEEE Network, March/April 2011
• O tráfego suportado não é constante
• Por exemplo, o tráfego apresenta padrões de variação periódicos ao longo do dia.
Encaminhamento Energeticamente Eficiente
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• Assumindo que os equipamentos podem ser configurados em modo adormecido
• Parâmetros de entrada: • Dada uma rede de telecomunicações e os consumos energéticos
(em modo operacional e em modo adormecido) de cada elemento
• Dado um conjunto de períodos horários
• Dada uma matriz de tráfego por período horário
• Determinar: • O percurso de encaminhamento de cada fluxo de tráfego
• Objetivo: • minimizar a energia total consumida pela rede
Encaminhamento Energeticamente Eficiente
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R. Bolla, et al., “Enabling Backbone Networks to Sleep”, IEEE Network, March/April 2011
• Mesmo para volumes de tráfego altos (de 75%), o número de ligações adormecidas é significativo obtendo-se ganhos superiores a 40%
Em conclusão • A Investigação Operacional é fundamental para os
operadores de telecomunicações
• A minimização dos custos permite tarifas mais apelativas • Aumento do número de clientes
• A gestão ótima dos recursos permite o aumento do tráfego suportado e/ou robustez a variações de tráfego • Maior receita
• Maior satisfação dos clientes
• A robustez da rede permite assegurar níveis de serviço quando há falhas • Requisito de clientes empresariais
• Maior satisfação dos clientes
• A gestão energeticamente eficiente permite minimizar os custos e uma maior responsabilidade ambiental
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Parabéns pelos 40 anos do
Departamento de Produção e Sistemas Universidade do Minho
Obrigado!
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