Darmstadt, Techn. Univ., Diss., 2003. / Computerdatei im Fernzugriff.

Darmstadt, Techn. University, Diss., 2003.

This work is subdivided into two main areas: resilient admission control and resilient routing. The work gives an overview of the state of the art of quality of service mechanisms in communication networks and proposes a categorization of admission control (AC) methods. These approaches are investigated regarding performance, more precisely, regarding the potential resource utilization by dimensioning the capacity for a network with a given topology, traffic matrix, and a required flow blocking probability. In case of a failure, the affected traffic is rerouted over backup paths which increases the traffic rate on the respective links. To guarantee the effectiveness of admission control also in failure scenarios, the increased traffic rate must be taken into account for capacity dimensioning and leads to resilient AC. Capacity dimensioning is not feasible for existing networks with already given link capacities. For the application of resilient NAC in this case, the size of distributed AC budgets must be adapted according to the traffic matrix in such a way that the maximum blocking probability for all flows is minimized and that the capacity of all links is not exceeded by the admissible traffic rate in any failure scenario. Several algorithms for the solution of that problem are presented and compared regarding their efficiency and fairness. A prototype for resilient AC was implemented in the laboratories of Siemens AG in Munich within the scope of the project KING. Resilience requires additional capacity on the backup paths for failure scenarios. The amount of this backup capacity depends on the routing and can be minimized by routing optimization. New protection switching mechanisms are presented that deviate the traffic quickly around outage locations. They are simple and can be implemented, e.g, by MPLS technology. The Self-Protecting Multi-Path (SPM) is a multi-path consisting of disjoint partial paths. The traffic is distributed over all faultless partial paths according to an optimized load balancing function both in the working case and in failure scenarios. Performance studies show that the network topology and the traffic matrix also influence the amount of required backup capacity significantly. The example of the COST-239 network illustrates that conventional shortest path routing may need 50% more capacity than the optimized SPM if all single link and node failures are protected. / Diese Arbeit gliedert sich in zwei Hauptteile: Ausfallsichere Zugangskontrolle und ausfallsichere Verkehrslenkung. Die Arbeit beschreibt zu Beginn den Stand der Technik für Dienstgütemechanismen in Kommunikationsnetzen und nimmt eine Kategorisierung von Zugangskontrollmethoden vor. Diese Ansätze werden hinsichtlich ihrer potentiellen Auslastung der Leitungskapaztitäten untersucht, indem die Kapazität für ein Netz mit gegebnener Topology, Verkehrsmatrix und geforderten Flussblockierwahrscheinlichkeiten dimensioniert wird. Im Falle eines Fehlers werden betroffene Flüsse automatisch über Ersatzpfade umgeleitet, was die Verkehrslast auf deren Übertragungsleitungen erhöht. Um die Wirksamkeit der Zugangskontrolle auch in Fehlerfällen zu gewährleisten, muss diese erhöhte Verkehrslast bei der Dimensionierung berücksichtigt werden, was zu einer ausfallsicheren Zugangskontrolle führt. Kapazitätsdimensionierung ist in bereits existierenden Netzen mit festen Linkbandbreiten nicht mehr möglich. Für die Anwendung von ausfallsicherer Zugangskontrolle in diesem Fall muss die Größe von verteilten Zugangskontrollbudgets gemäß der Verkehrsmatrix so angepasst werden, dass die maximale Blockierwahrscheinlichkeit aller Flüsse minimiert wird und die Kapazität aller Links in keinem Fehlerfall durch die zulässige Verkehrrate überschritten wird. Es werden unterschiedliche Algorithmen für die Lösung dieses Problems vorgeschlagen und hinsichtlich ihrer Effizienz und Fairness verglichen. Ein Prototyp für ausfallsichere Zugangskontrolle wurde im Rahmen des KING-Projektes in den Labors der Siemens AG in München implementiert. Ausfallsicherheit benötigt Zusatzkapazitäten auf den Ersatzpfaden für Fehlerfälle. Die Menge der Zusatzkapazität hängt von der Verkehrslenkung ab und kann durch Optimierung verringert werden. Es werden neue Mechanismen für Ersatzschaltungen vorgestellt, die den Verkehr schnell um Fehlerstellen im Netz herumleiten können. Sie zeichnen sich durch ihre Einfachheit aus und können z.B. in MPLS-Technologie implementiert werden. Der "Self-Protecting Multi-Path" (SPM) ist ein Multipfad, der aus disjunkten Teilpfaden besteht. Der Verkehr wird sowohl im Normalbetrieb als auch in Ausfallszenarien über alle intakten Teilpfade gemäß einer optimierten Lastverteilungsfunktion weitergeleitet. Leistungsuntersuchungen zeigen, dass die Menge an benötigter Zusatzkapazität deutlich von der Netztopologie und der Verkehrsmatrix abhängt. Das Beispiel des COST-239 Netzes veranschaulicht, dass herkömmliche Verkehrslenkung auf den kürzesten Wegen 50% mehr Kapazität benötigen kann als der optimierte SPM, wenn alle einzelnen Übertragungsleitungs- und Vermittlungsknotenausfälle geschützt werden.

To jointly provide different services/technologies, like IP and Ethernet or IP and SDH/SONET, in a single network, equipment of multiple technologies needs to be deployed to the sites/Points of Presence (PoP) and interconnected with each other. Therein, a technology may provide transport functionality to other technologies and increase the number of available resources by using multiplexing techniques. By providing its own switching functionality, each technology creates connections in a logical layer which leads to the notion of multi-layer networks. The design of such networks comprises the deployment and interconnection of components to suit to given traffic demands. To prevent traffic loss due to failures of networking equipment, protection mechanisms need to be established. In multi-layer networks, protection usually can be applied in any of the considered layers. In turn, the hierarchical structure of multi-layer networks also bears shared risk groups (SRG). To achieve a cost-optimal resilient network, an appropriate combination of multiplexing techniques, technologies, and their interconnections needs to be found. Thus, network design is a combinatorial problem with a large parameter and solution space. After the design stage, the resources of a multi-layer network can be provided to traffic demands. Especially, dynamic capacity provisioning requires interaction of sites and layers, as well as accurate retrieval of constraint information. In recent years, generalized multiprotocol label switching (GMPLS) and path computation elements (PCE) have emerged as possible approaches for these challenges. Like the design, the provisioning of multi-layer networks comprises a variety of optimization parameters, like blocking probability, resilience, and energy efficiency. In this work, we introduce several efficient heuristics to approach the considered optimization problems. We perform capital expenditure (CAPEX)-aware design of multi-layer networks from scratch, based on IST NOBEL phase 2 project's cost and equipment data. We comprise traffic and resilience requirements in different and multiple layers as well as different network architectures. On top of the designed networks, we consider the dynamic provisioning of multi-layer traffic based on the GMPLS and PCE architecture. We evaluate different PCE deployments, information retrieval strategies, and re-optimization. Finally, we show how information about provisioning utilization can be used to provide a feedback for network design. / Um in einem Netz verschiedene Dienste/Schichten, z.B. IP und Ethernet oder IP und SDH/SONET, parallel anbieten zu können, müssen Komponenten mehrerer Technologien an den Standorten verbaut und miteinander verbunden werden. Hierbei kann eine Technologie eine Transportschicht für andere Technologien fungieren und die Zahl der verfügbaren Ressourcen durch Multiplex Techniken erhöhen. Durch die Bereitstellung eigener Switching Funktionalität erzeugt jede Technologie Verbindungen in einer logischen Schicht. Dies führt zu der Bezeichnung Mehrschichtnetz (engl. multi-layer network). Die Planung solcher Netze hat das Verbauen und Verbinden von Komponenten zum Ziel, so dass gegebene Verkehrsströme realisiert werden können. Um Unterbrechungen der Verkehrsströme aufgrund von Fehlern in den Netzkomponenten zu verhinden, müssen Schutzmechanismen eingebaut werden. In Mehrschichtnetzen können solche Schutzmechanismen in jeder beliebigen Schicht betrachtet werden. Allerdings birgt die hierarchische Struktur von Mehrschichtnetzen das Risiko von shared risk groups (SRG). Um ein Kosten-optimales ausfallsicheres Netz zu erhalten, muss eine passende Kombination aus Multiplex Techniken, Technologien und deren Verbindungen gefunden werden. Die Netzplanung ist daher ein kombinatorisches Problem mit einem großen Parameter- und Lösungsraum. Nach der Planungsphase können die Ressourcen eines Mehrschichtnetzes für Verkehrsströme vorgehalten werden. Die Betrachtung von dynamischer Kapazitätsanforderungen erfordert die Interaktion von Knoten und Schichten sowie akkurate Gewinnung von Informationen zur Auslastung. In jüngster Zeit sind das Generalized Multiprotocol Label Switching (GMPLS) und das Path Computation Element (PCE) als mögliche Lösungsansätze für diese Herausforderungen entstanden. Wie in der Planung beinhaltet auch der Betrieb von Mehrschichtnetzen eine Vielzahl von Optimierungsparametern, wie die Blockierungswahrscheinlichkeit, Ausfallsicherheit und Energie-Effizienz. In dieser Arbeit, führen wir verschiedene effiziente Heuristiken ein, um die betrachteten Optimierungsprobleme anzugehen. Wir planen Mehrschichtnetze von Grund auf und minimieren hinsichtlich der Anschaffungskosten basierend auf den Kosten- und Komponenten-Daten des IST NOBEL Phase 2 Projekts. Wir berücksichtigen Anforderungen der Verkehrsströme und Ausfallsicherheit in verschiedenen Schichten und in mehreren Schichten gleichzeitig sowie verschiedene Netzarchitekturen. Aufsetzend auf dem geplanten Netz betrachten wir den Betrieb von Mehrschichtnetzen mit dynamischen Verkehr basiert auf der GMPLS und PCE Architektur. Wir bewerten verschiedene PCE Installationen, Strategien zur Informationsgewinnung und Re-Optimierung. Abschließend, zeigen wir wie Information über die Auslastung im Betrieb genutzt werden kann um Rückmeldung an die Netzplanung zu geben.

Zugl.: Darmstadt, Techn. Universiẗat, Diss.

Techn. Universiẗat, Diss., 2002--Darmstadt.

Techn. University, Diss., 2003--Darmstadt.

Zugl.: Berlin, Humboldt-Univ., Diss., 2008

In der vorliegenden Arbeit werden eine sichere FPGA-Stellwerksplattform und ein Transformationsverfahren entwickelt, mit dem die Schaltungen bestehender Relaisstellwerke in eine FPGA-Logik überführt werden können. Die FPGA-Stellwerksplattform ersetzt die Innenanlage eines Relaisstellwerks. Ihre Schnittstellen entsprechen den bisherigen Schnittstellen am Kabelabschlussgestell und zur Bedien- und Meldeeinrichtung. Damit ist eine einfache Migration bestehender Stellwerke möglich. Das Sicherheitskonzept basiert auf einer zweikanaligen Struktur mit sicherem Vergleicher und zusätzlichen Selbsttests zur schnellen, datenflussunabhängigen Ausfalloffenbarung. Die erreichbare Gefährdungsrate liegt im Bereich von SIL 4 und entspricht damit dem Sicherheitsziel für Stellwerke der Deutschen Bahn. Die Transformation sieht eine Trennung der Stellwerkslogik in Logik- und Leistungsteil vor. Der Logikteil wird auf dem FPGA realisiert. Die im Leistungsteil verbliebenen Kontakte und Überwacherrelais werden durch sichere Stellteile ersetzt. Die logischen Ansteuerbedingungen der Relais werden in Schaltnetze überführt. Die gesteuerten Relais werden durch Instanzen generischer Zustandsmodelle ersetzt. Für jeden verwendeten Relaistyp wurde ein entsprechendes Modell entwickelt, das bei der Transformation als Baustein eingesetzt werden kann. Die generischen Zustandsmodelle berücksichtigen auch die sicherheitsrelevanten konstruktiven Eigenschaften der Relais. So wird bei der Auftrennung einer Schaltung in Logik- und Leistungsteil sichergestellt, dass die in getrennte Schaltungsteile überführten Öffner und Schließer eines Relais nie gleichzeitig geschlossen sein können (Zwangsführung der Kontakte). Dies ist eine Voraussetzung für die Beibehaltung der sicherheitsrelevanten Funktionsbedingungen der Originalschaltung. Das Transformationsverfahren und die implementierten Mechanismen zur Ausfalloffenbarung sind unabhängig von der Anwenderlogik und vom gewählten Schaltkreistyp. Damit kann der generierte VHDL-Code bei Obsoleszenz eines Schaltkreises auch auf andere FPGA-Typen portiert werden. In einer Ressourcenabschätzung wird gezeigt, dass der gewählte Lösungsansatz geeignet ist, die Schaltungen kleinerer Relaisstellwerke vollständig auf einem FPGA zu realisieren. Die Anwendung des vorgestellten Verfahrens wird am Beispiel der Weichengruppe des Stellwerkstyps GS II DR demonstriert. Das Transformationsverfahren ist aber auch für andere Stellwerksbauformen geeignet. Dabei ist es unerheblich, ob diese nach dem tabellarischen Verschlussplanprinzip oder dem Spurplanprinzip arbeiten.

In der vorliegenden Arbeit werden eine sichere FPGA-Stellwerksplattform und ein Transformationsverfahren entwickelt, mit dem die Schaltungen bestehender Relaisstellwerke in eine FPGA-Logik überführt werden können. Die FPGA-Stellwerksplattform ersetzt die Innenanlage eines Relaisstellwerks. Ihre Schnittstellen entsprechen den bisherigen Schnittstellen am Kabelabschlussgestell und zur Bedien- und Meldeeinrichtung. Damit ist eine einfache Migration bestehender Stellwerke möglich. Das Sicherheitskonzept basiert auf einer zweikanaligen Struktur mit sicherem Vergleicher und zusätzlichen Selbsttests zur schnellen, datenflussunabhängigen Ausfalloffenbarung. Die erreichbare Gefährdungsrate liegt im Bereich von SIL 4 und entspricht damit dem Sicherheitsziel für Stellwerke der Deutschen Bahn. Die Transformation sieht eine Trennung der Stellwerkslogik in Logik- und Leistungsteil vor. Der Logikteil wird auf dem FPGA realisiert. Die im Leistungsteil verbliebenen Kontakte und Überwacherrelais werden durch sichere Stellteile ersetzt. Die logischen Ansteuerbedingungen der Relais werden in Schaltnetze überführt. Die gesteuerten Relais werden durch Instanzen generischer Zustandsmodelle ersetzt. Für jeden verwendeten Relaistyp wurde ein entsprechendes Modell entwickelt, das bei der Transformation als Baustein eingesetzt werden kann. Die generischen Zustandsmodelle berücksichtigen auch die sicherheitsrelevanten konstruktiven Eigenschaften der Relais. So wird bei der Auftrennung einer Schaltung in Logik- und Leistungsteil sichergestellt, dass die in getrennte Schaltungsteile überführten Öffner und Schließer eines Relais nie gleichzeitig geschlossen sein können (Zwangsführung der Kontakte). Dies ist eine Voraussetzung für die Beibehaltung der sicherheitsrelevanten Funktionsbedingungen der Originalschaltung. Das Transformationsverfahren und die implementierten Mechanismen zur Ausfalloffenbarung sind unabhängig von der Anwenderlogik und vom gewählten Schaltkreistyp. Damit kann der generierte VHDL-Code bei Obsoleszenz eines Schaltkreises auch auf andere FPGA-Typen portiert werden. In einer Ressourcenabschätzung wird gezeigt, dass der gewählte Lösungsansatz geeignet ist, die Schaltungen kleinerer Relaisstellwerke vollständig auf einem FPGA zu realisieren. Die Anwendung des vorgestellten Verfahrens wird am Beispiel der Weichengruppe des Stellwerkstyps GS II DR demonstriert. Das Transformationsverfahren ist aber auch für andere Stellwerksbauformen geeignet. Dabei ist es unerheblich, ob diese nach dem tabellarischen Verschlussplanprinzip oder dem Spurplanprinzip arbeiten.