TU Darmstadt / ULB / tuprints

Quality of Service Performance Analysis based on Network Calculus

Pandit, Krishna :
Quality of Service Performance Analysis based on Network Calculus.
[Online-Edition]
TU Darmstadt
[Ph.D. Thesis], (2006)

[img]
Preview
PDF
Pandit-Druck13.pdf
Available under Simple publication rights for ULB.

Download (636Kb) | Preview
Item Type: Ph.D. Thesis
Title: Quality of Service Performance Analysis based on Network Calculus
Language: English
Abstract:

Data flows belonging to multimedia applications are gaining importance in the Internet. A key characteristic of such data flows is that they require Quality of Service (QoS). An Internet populated with data flows requiring QoS constitutes a paradigm change from the Internet in its early days. This has been accounted for in many research endeavors proposing new architectures, algorithms and protocols. However, one area that has been relatively underexposed is the development of new models for QoS. Hence, the vision that has inspired this dissertation is the development of a unified model for the performance analysis of QoS in the Internet. The potential benefits of such a model can be observed in other fields: Linear system theory is widely used in the analysis of communication and control systems. In this dissertation, contributions are made towards developing a unified model for the performance analysis of QoS in the Internet. The basis of the work is network calculus. Network calculus is a system theory for deterministic queuing systems, which was developed in the 1990s. The underlying rationale is that deterministic QoS guarantees can be obtained by traffic regulation, deterministic scheduling and admission control. Beyond that, this work integrates elements of system theory and queuing theory. The latter has been the method of choice for modeling data flows in the Internet since its infancy. The main requirements of the envisioned model are that it should give insight on relevant characteristics, should have a wide range of applicability and should be transparent and easy to use. Recent research results in network calculus which address these requirements are presented. These include statistical network calculus and transforms. Further, some open issues are identified, which are then dealt with in this dissertation. A network calculus analysis is conducted for dynamically reconfigurable networks. First, the network architecture which can be found in optical networking is presented. The key feature here is that packet forwarding is not only influenced by the routing, but also by the reconfiguration. It is shown how service curves can be determined for different reconfiguration schemes, thus enabling a QoS analysis. On a more general footing, in this chapter it is illustrated how current networking research issues can be translated into network calculus models. The next contribution is the development of a new transform for network calculus and its application. With the new transform the min-plus convolution, which is an important operation in network calculus, obtains a graphical interpretation and thus becomes easier to use. Based on the transform, theorems on the computation of the min-plus convolution are set up. These theorems are then applied to network design using service curves, with an emphasis on bandwidth/delay decoupled scheduling. Furthermore, network calculus and queuing theory are brought together. While network calculus focuses on the worst case analysis, queuing theory deals mainly with average behavior. It is examined whether the best of both worlds can be combined to achieve better models. First, analytical approaches are presented, which are then followed by a simulation. Finally, the achieved progress is summarized and some conclusions drawn.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage
Datenströme, welche auf Multimediaanwendungen zurückzuführen sind, gewinnen im Internet zunehmend an Bedeutung. Eine wichtige Eigenschaft solcher Datenströme ist, dass sie eine gewisse Dienstgüte erfordern. Dem wurde in der Forschung bereits Rechnung getragen. Ein Aspekt der hierbei jedoch vernachlässigt wurde, ist die Entwicklung geeigneter Methoden zur Modellierung, die Analyse und Entwurf von Kommunikationsnetzen mit Dienstgüte erfordernden Datenströmen erleichtern. Daher ist die Vision hinter dieser Dissertation die Entwicklung eines universellen Modells für Dienstgüte im Internet. Der Nutzen eines solchen Modells wird bei der Betrachtung anderer Gebiete ersichtlich: das lineare, zeitinvariante Modell im Rahmen der klassischen Systemtheorie ist weit verbreitet bei der Analyse von Fragestellungen der Nachrichten- und Regelungstechnik. In dieser Dissertation werden einige Beiträge zur Entwicklung eines solchen universellen Modells gegeben. Grundstein ist hierbei der Netzwerkkalkül (engl. Network Calculus). Der Netzwerkkalkül ist eine Systemtheorie für deterministische Warteschlangen und wurde in den 1990er Jahren entwickelt. Die zu Grunde liegende Idee ist, dass deterministische Dienstgütegarantien durch Verkehrsregulierung, Scheduling und Zugangskontrolle gegeben werden können. Des Weiteren baut diese Arbeit auf Elemente der System- und Warteschlangentheorie, welche seit jeher bei der Modellierung von Datenströmen im Internet eingesetzt wird. Die Hauptmerkmale des angestrebten Modells sind, dass sie Einblick in die relevanten Charakteristiken bieten, möglichst vielfältig anwendbar sind und einfach zu verwenden sind. Die neueren Entwicklungen des Netzwerkkalküls, welche diese Punkte adressieren, sind erläutert. Hierzu zählen unter anderem der stochastische Netzwerkkalkül und Transformationen. Eine Analyse im Rahmen des Netzwerkkalküls ist für dynamisch rekonfigurierbare Netze durchgeführt. Zunächst wird die Netzwerkarchitektur, welche bei optischen Netzen vorzufinden ist, erläutert. Die entscheidende Eigenschaft solcher Netze ist, dass die Paketweiterleitung nicht nur durch die Wegefindung, sondern auch durch die Rekonfigurationen beeinflusst wird. Es wird gezeigt, wie verschiedene Rekonfigurationsverfahren als Funktionen des Netzwerkkalküls beschrieben werden können, welche eine Dienstgüteanalyse ermöglichen. Der nächste Beitrag ist die Entwicklung und Bereitstellung einer Transformation für den Netzwerkkalkül. Mit Hilfe der Transformation kann die Mini-Plus Faltung, welche eine wichtige Operation des Netzwerkkalküls ist, graphisch dargestellt und intuitiv veranschaulicht werden. Basierend auf dieser Transformation werden Sätze hergeleitet, welche die Berechnung der Mini-Plus Faltung erleichtern. Diese Sätze werden auf den Netzwerkentwurf durch Dienstkurven angewendet, wobei das Hauptaugenmerk auf Schedulern liegt, bei denen die Bandbreite und Verzögerung entkoppelt sind. Des Weiteren werden Netzwerkkalkül und Wartenschlangentheorie zusammengebracht. Während der Netzwerkkalkül die Berechnung des ungünstigsten Falles ermöglicht, behandelt die Warteschlangentheorie meist Durchschnittsverhalten. Es wird untersucht, ob durch eine Kombination die Vorteile beider Modelle ausgeschöpft werden können. Abschliessend werden die erzielten Ergebnisse und einige Konklusionen dargestellt.German
Uncontrolled Keywords: Netzwerkkalkül, Min-plus Algebra
Alternative keywords:
Alternative keywordsLanguage
Netzwerkkalkül, Min-plus AlgebraGerman
Network Calculus, Min-plus AlgebraEnglish
Classification DDC: 600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften > 620 Ingenieurwissenschaften
Divisions: Fachbereich Elektrotechnik und Informationstechnik
Date Deposited: 17 Oct 2008 09:22
Last Modified: 07 Dec 2012 11:52
Official URL: http://elib.tu-darmstadt.de/diss/000718
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-7180
License: Simple publication rights for ULB
Referees: Steinmetz, Prof. Dr.- Ralf and Kühn, Prof. Dr.- Paul
Advisors: Steinmetz, Prof. Dr.- Ralf
Refereed: 14 July 2006
URI: http://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/718
Export:

Actions (login required)

View Item View Item