Efficiënter netwerkgebruik door gelijk verdelen bandbreedte

Netwerkaanbieders haasten zich om hun netwerkcapaciteit uit te breiden. De groeiende vraag naar geïntegreerde diensten als (mobiele) telefoon met Internet en Internet met videocommunicatie maakt dat netwerkaanbieders meer dan ooit hun capaciteit optimaal moeten benutten. Elk soort netwerkverkeer heeft zijn specifieke eisen. Zo mag spraak niet erg vertraagd worden, omdat het anders onbegrijpelijk wordt. Maar voor e-mail is een beetje vertraging weer niet erg. Hoe combineer je deze verschillende soorten netwerkverkeer?

Publication date: 01-01-2000

Netwerkaanbieders haasten zich om hun netwerkcapaciteit uit te breiden. De groeiende vraag naar geïntegreerde diensten als (mobiele) telefoon met Internet en Internet met videocommunicatie maakt dat netwerkaanbieders meer dan ooit hun capaciteit optimaal moeten benutten. Elk soort netwerkverkeer heeft zijn specifieke eisen. Zo mag spraak niet erg vertraagd worden, omdat het anders onbegrijpelijk wordt. Maar voor e-mail is een beetje vertraging weer niet erg. Hoe combineer je deze verschillende soorten netwerkverkeer? En wie moet voorrang krijgen als het netwerk bijna vol zit: een nieuwe spreker of een groot te versturen bestand? De beste methode blijkt toepassing van `processor sharing models' te zijn. Hierbij krijgen alle gebruikers van dataverkeer meteen een gelijk gedeelte van de bandbreedte toegewezen. Met deze methode kunnen telecommunicatie-netwerken efficiënter gebruikt worden. Dit blijkt uit onderzoek van Sindo Núñez Queija, die op donderdag 20 januari 2000 promoveert op onderzoek naar wachtrijmodellen voor prestatie-analyse van telecommunicatiesystemen met geïntegreerde diensten. Het onderzoek is verricht op het Centrum voor Wiskunde en Informatica (CWI) te Amsterdam.

Stroom en elastisch verkeer

Moderne communicatiesystemen bieden de mogelijkheid om tegelijkertijd zeer verschillende typen verkeer (zoals data, geluid en video) in geïntegreerde vorm over hetzelfde netwerk te versturen. De verschillende soorten verkeer over een netwerk kunnen ruwweg ingedeeld worden in twee klassen: stroomverkeer en elastisch verkeer. Stroomverkeer bestaat voornamelijk uit `real-time' verbindingen (zoals telefonie en video-applicaties) die nauwelijks vertragingen in de transmissie toestaan. Spraak wordt bijvoorbeeld al onbegrijpelijk bij een vertraging van een paar honder milliseconden. Daarom is voor stroomverkeer een zekere capaciteitsgarantie vereist. Elastisch verkeer (data-transmissie, e-mail) daarentegen laat fluctuaties in de transmissiesnelheid toe, zolang de totale transmissieduur maar `acceptabel' is. Het huidige Internet is speciaal afgestemd op het afhandelen van elastisch verkeer: hoe meer gebruikers, hoe langer de transmissietijd. Daardoor is het op dit moment onmogelijk om op Internet `quality-of-service' te leveren voor telefoon- of videocommunicatie. Bij te veel gebruikers op het net worden de beelden houterig en de spraak onverstaanbaar.

Door stroom- en elastisch verkeer samen aan te bieden, kan het netwerk beter gebruikt worden. De stiltes in een telefoongesprek kunnen bijvoorbeeld gebruikt worden voor het oversturen van een e-mailbericht. Doordat het stroomverkeer (bijvoorbeeld het aantal telefoongesprekken) niet constant is, varieert de capaciteit voor het oversturen van elastisch verkeer. Núñez Queija is de eerste die met wachtrijtheorieën berekende hoe elastisch verkeer bij variërende netwerkcapaciteit efficiënt behandeld kan worden.

Wachtrijtheorie voor berekenen netwerkelasticiteit

Een logische methode lijkt First Come First Served: wie het eerste komt, wordt als eerste behandeld. Dit is echter niet de gunstigste manier om elastisch verkeer af te handelen. Dit valt in te zien door je een rij achter een supermarktkassa voor te stellen. Wie het eerst komt, mag het eerst afrekenen - maar je loopt dan wel het risico achter een klant te blijven steken, die veel boodschappen in zijn karretje heeft. De gemiddelde wachttijd blijkt bij deze methode afhankelijk te zijn van de grilligheid in de omvang van de boodschappen van de klanten. Dit blijkt nadelige gevolgen te hebben voor de prestatie van een netwerk.

Een andere methode is toepassing van zogenaamde `processor sharing models'. Hierbij krijgt iedere gebruiker een gelijk gedeelte van de bandbreedte, zonder eerst te hoeven wachten. Kleine gebruikers zitten dan niet lang vast achter de grote gebruikers; een kleine boodschap wordt snel afgehandeld. Dit is niet alleen gunstig voor deze gebruikers, maar ook voor de netwerkproviders: zij hoeven de kleine boodschappen minder lang te monitoren. Bij dit toewijzingsmodel spelen alleen eenvoudige (`eerste orde') factoren mee als de grootte van een databestand. De grilligheid in de omvang van databestanden (variantie) doet er minder toe. Núñez Queija toonde aan dat deze gunstige eigenschap ook behouden blijft bij variërende netwerkcapaciteit.

Verbeterde efficiëntie netwerk

In samenwerking met KPN Research zocht Núñez Queija ook naar de beste integratie-strategie voor stroom- en elastisch verkeer. Eén scenario is dat van `full integration' (law of the jungle): elke gebruiker wordt meteen toegelaten als er capaciteit beschikbaar is. Het tweede scenario biedt een zekere bescherming voor zowel stroom- als elastisch verkeer. De bandbreedte wordt verdeeld in twee stukken: een gedeelte is alleen voor dataverkeer bestemd, in het andere gedeelte krijgt stroomverkeer de voorrang. Als het stroomverkeer minder capaciteit gebruikt, dan wordt de restcapaciteit verdeeld onder het elastisch verkeer. De eerstgenoemde `law of the jungle' blijkt niet de beste methode: lange real-time sessies kunnen de bandbreedte verstoppen, en veel dataverkeer kan de real-time sessies blokkeren. De beste methode blijkt de verdeling van de bandbreedte in twee stukken, waarbij de restcapaciteit wordt gebruikt door elastisch verkeer. Door deze verdeelmethode te implementeren in de switches van een netwerk, is de efficiëntie van een netwerk te verbeteren. Ook wordt quality-of-service gegarandeerd voor de gebruiker.

Mobiele communicatienetwerken

In mobiele communicatie is prestatie-analyse misschien nog wel belangrijker dan in vaste netwerken, omdat de capaciteit veel schaarser is. Ook in mobiele communicatie is een tendens om allerlei diensten in geïntegreerde vorm aan te bieden, wat onder meer blijkt uit de grote aandacht voor WAP (het Wireless Application Protocol) in de media. Verschillende soorten integratie-strategieën kunnen met behulp van de modellen van Núñez Queija worden geanalyseerd. Op dit moment worden er studies gedaan die voortbouwen op de analyse in het proefschrift, waarbij verschillende alternatieven om data en real-time te integreren in een mobiel netwerk worden afgewogen.