80% 20% Backbone 80% 20% Workgroup. Gbps/MHz. time. Internet Bandwidth. Router CPU Speed

Átírás

1 lab IP minőségbiztosítás Alapok Távközlési és Médiainformatikai Tanszék Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem lab IP Trendek Távközlési és Médiainformatikai Tanszék Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem 1

2 Hol vagyunk most? Az Internet exponenciálisan növekszik TCP/IP magába ágyaz vagy marginalizál minden más nagy kiterjedésű hálózati (WAN) protokollt IP az egyedüli hordozója a globális információs infrastruktúrának 3 Helyi hozzáférési hálózatok 2 nagyságrendű sebességnövekedés Felhasználói hozzáférésű hálózatok 28.8K => 2Mbps xdsl, Cable Modem, Fixed Wireless Üzleti hozzáférő hálózatok 1.5Mbps => 155 Mbps Metropolitán optikai infrastruktúra Fiber-to-business 4 2

3 Változó forgalmi jelleg Régen: a forgalom 80% helyi hálózaton Trend: 80% más hálózatokba 20% 80% Backbone 80% Workgroup 20% 5 Forgalom növekedése Internet szolgáltatásai egyre bővülnek Internet exponenciális növekedés Forgalom 6-7 havonta duplázódik Útválasztás: mikroprocesszor sebessége 2 évenként duplázódás Gbps/MHz Internet Bandwidth Router CPU Speed time 6 3

4 Új típusú forgalmak A hagyományos Best-effort forgalom mellett ftp, web, ,... Megjelennek új típusú forgalmak is: Beszéd (pl. Voice over IP) Videó Új és más követelményeket támasztanak a hálózattal szemben: Pl. késleltetés 7 Adatkommunikáció és hagyományos távközlés egybeolvadása Az hagyományos távközlési funkciókat az IP egyre inkább képes átvenni De változtatások szükségesek, hogy teljesen alkalmas legyen: Valós idejű forgalmak, pl. hang Mobil elvárások Nagyobb sebességigény 8 4

5 Internet Jövő Összeköttetés Mobilitás felhasználói szabadság Tartalom Flexibilitás erőforrások terén Batch Egyfelhasználós OS Időosztásos rendszerek LAN és munkaállomások Hálózati együttműködés Együttműködés szabadsága Mobil kommunikáció 9 Next Generation Network Architektúra M e n e d z s m e n t Alkalmazások és tartalom Kommunikációs alkalmazások és kontroll Mobile data funkciók Összeköttetés Mobile Mobility Hozzáférési hál. Mobile telephony Kiszolgálók Telephony services Gerinchálózat Hozzáférési hál. Fixed Clients Telephony Messaging Positioning VoIP Hozzáférési hál. CATV Egyéb IP/hálózat Egyéb telefon hálózat Forrás: The Internet NG Project 10 5

6 lab QoS IP Quality of Service IP hálózatokban Távközlési és Médiainformatikai Tanszék Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem Mi a QoS? QoS egyféle mód a rendelkezésre álló hálózati erőforrások hatékony kihasználására: felhasználók igényei teljesülnek maximális teljesítményű forgalomátvitel A QoS 3 ágú kapcsolaton alapszik: Performance teljesítmény Traffic - forgalom Capacity - kapacitás 12 6

7 QoS Paraméterek Statisztikus szemlélet Késleltetés - Delay / Delay Variation: E[delay], Var[delay], Pr[delay >x] Csomagvesztés - Packet Loss: Pr [drop] Hozzáférés - Accessibility: Pr[blocking] Szolgáltatatási szemlélet Valós idejű (real-time) szolgáltatás garantált késleltetés/ késleltetés ingadozás Emelt szintű (premium) szolgáltatások garantált sávszélesség Best effort szolgáltatás 13 Átvitt forgalom Torlódás a forgalom szabályozás szükségessége A hálózat áteresztő képessége a maximum elérésekor vissza is eshet! felajánlott forgalom 14 7

8 Példa: Hangátvitel QoS követelményei Attribute Toll Grade Acceptable Quality Best Effort Availability % 99.9% 99% Restoration Time 2 seconds seconds minutes One-way Network Delay 50 ms 150 ms 250 ms Packet Loss Rate 10 E E E -2 Jitter 5 ms 20 ms May vary widely 15 QoS paraméter - Késleltetés Propagation delay (terjedési) Kommunikációs link késleltetése Processing delay (feldolgozási) Egy csomópontban egy keret feldolgozási és továbbküldésre felkészítési ideje Transmission delay (átviteli) Teljes keret linkre tételének ideje Queuing delay (sorbanállási) A keret sorbanállásának ideje a szolgáltatás igénybevétele előtt 16 8

9 QoS paraméter Késleltetés 2 A feldolgozási és a terjedési késleltetés független a forgalomtól nem befolyásolja a késleltetés ingadozást A QoS az átviteli és a sorbanállási késleltetés optimalizálásával foglalkozik A sorbanállási késleltetés a felső határa a késleltetés ingadozásnak 17 IP QoS technológiák Traffic Engineering Optimized path selection Equal Cost Multi Path (ECMP), Optimized Multi Path (OMP) QoS based Packet forwarding Multi-Protocol Label Switching (MPLS) QoS + constraint based Edge node Core node (Signaling) Policy Classification Shaping Behavior aggregate Scheduling (RED) + MPLS header DS -> CoS (class of service) + operation based on CoS 18 9

10 IP QoS technológiák 2 Application layer Transport layer Network layer Data link layer Integrated Services/RSVP Differentiated Services QoS-based routing Multi Protocol Label Switching MPLS 19 IP Hálózatok Traditional IP DiffServ MPLS IntServ Connectionless Connection oriented Per class QoS Per flow QoS Transit Access Leaky/token bucket 20 10

11 Az IP QoS architektúrális elemei Mechanisms classification policing / marking shaping buffer management RED Feasible Technology Quality of Service delay/delay variation packet loss accessibility Traffic & Network Management performance measurement traffic monitoring traffic engineering Viable Business Model 21 IP QoS architektúra Management plane Admission control QoS Routing Resource Reservation Metering Policy Control plane Service restoration Data plane Buffer mangerment Traffic shaping Congestion avoidance Traffic policing Packet Marking Traffic classification Queuing and scheduling Service level agreement 22 11

12 Általános követelmények Létezzen megvalósítás, amely egyszerű, skálázható, nagy sebességgel működőképes DiffServ követelmény: csak aggregált állapotváltozók a hálózat belsejében Gerinchálózati követelmény: lehetőleg még aggregált állapotváltozók sem IP hálózat alapvetően kapcsolat- és állapotmentes, ellentétben az áramkörkapcsolt PSTN-nel. 23 Reaktív és Proaktív forgalommenedzsment Reaktív: visszacsatolás-vezérelt sémák Dinamikusan derítik fel a torlódási helyzetet Visszaszabályozzák a kibocsátott forgalmukat Proaktív: erőforrás-foglalás alapú megoldások Előre elkerülik a torlódáshoz vezető helyzeteket 24 12

13 Időskálák szerinti csoportosítás Kapcsolat élettartam Hívásengedélyezés QoS-útvonalválasztás Erőforrás-foglalás Körülfordulási idő reaktív torlódáskezelés Várakozásisor-menedzsment Csomagkiszolgálási idő Várakozásisor-menedzsment csomagkiszolgálók forgalom-formázás 25 lab Forgalomleíró technikák Sztochasztikus modellek Markovi On/off Determinisztikus korlátok Forgalom formázó módszerek lyukas vödör formázó Távközlési és Médiainformatikai Tanszék Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem 13

14 Forgalmi típusok Valós idejű toleráns intoleráns Elasztikus Forgalomleírás alkalmazásai Felhasználási terület SLA (service level agreement) ellenőrzés, betartatás analitikus teljesítmény-vizsgálat 27 IP QoS architektúra Management plane Admission control QoS Routing Resource Reservation Metering Policy Control plane Service restoration Data plane Buffer mangerment Traffic shaping Congestion avoidance Traffic policing Packet Marking Traffic classification Queuing and scheduling Service level agreement 28 14

15 Tradícionális sorbanállási modellek Sztochasztikus modellek, Poisson érkezési folyamatok On-off beszédmodellek ON 353ms OFF 650ms Általános Markov lánccal, beágyazott Markov lánccal megadott folyamatok 29 Forgalom formázó módszerek: Leaky/token bucket Lyukas vödör - leaky bucket Víz beömlése token bucket (lyukas vödör analógia) p r A lyukon a víz konstans sebességgel folyik ki Vödör mélysége tokens r = token rate p = peak rate >= r b = token bucket length (max. nr of tokens) b 30 15

16 lab Sorok kezelése Mikor és melyik csomagot dobjuk el a telítetté váló várakozási sorból? DFF, RED, ECN Távközlési és Médiainformatikai Tanszék Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem IP QoS architektúra Management plane Admission control QoS Routing Resource Reservation Metering Policy Control plane Service restoration Data plane Buffer mangerment Traffic shaping Congestion avoidance Traffic policing Packet Marking Traffic classification Queuing and scheduling Service level agreement 32 16

17 Várakozásisor-menedzsment funkciók Feladat: csomagok tárolása, továbbítása, eldobása Cél: állandósult sorhossz minimalizálása a link maximális kihasználása mellett adatfolyamok kiéheztetése nélkül Megoldások csoportosítása mikor és melyik csomagok dobják el? (melyik sorból) Drop From Front Random Early Detection Explicit Congestion Notification 33 A hagyományos módszer Dobás a sor végéről, ha a sor megtelt Hátrány: telített sor esetén egy börszt érkezése sorozatos csomagdobásokat eredményez TCP torlódáskezelési reakció rossz link-kihasználtság maxq =

18 Drop From Front Bonyolultabb a megvalósítása A forrás hamarabb értesül a torlódásról Valósidejű forgalom esete a legelső csomag már sokat várakozott talán már fel is élte a késleltetés-tartalékát DFF a gyakorlatban nemigen használatos 35 Random Early Detection 36 18

19 Random Early Detection 1 max p Dobási valség nincs dobás Dobás növekvő valséggel 0 min th max th 100% Átlagos telítettség 37 A RED problémája A sorhossz oszcillálhat Szaturáció Qlen max 8 flows Actual Qlen max 32 flows Actual Average Average 0 time 0 time 19

20 RED tulajdonságok variánsok A torlódási szinttel arányosan generál TCP visszacsatolást Nagyobb sávszélességű kapcsolatokat jobban büntet A TCP torlódáskezelő mechanizmusok kevésbé összehangoltak Az átmeneti torlódásokért legtöbbször a TCP-k felelnek 39 RED tulajdonságok variánsok Weighted RED Kapcsolatok közös sorban vannak, különböző REDprofile-lal (max p, min th, max th ) RED with In/Out Adaptive RED RED-profile menet közben igazodik a TCP kapcsolatok számához Flow RED nem-adaptív kapcsolatokból nem dob RTT-t figyelembe veszi 40 20

21 Értesítés küldése a torlódási helyzetről Visszajelzés a torlódásról: csomagvesztés TCP újraküldési mechanizmusa kezeli Explicit Congestion Notification (ECN) hálózati rétegbeli megoldás adatcsomag megjelölése (a sor teljes telítettsége előtt) tájékoztatás adatvesztés nélkül RED-hez hasonló megjelölési szabály is elképzelhető 41 ECN - Explicit Congestion Notification Csomageldobás Adó Vevő ECN Adó Vevő

22 lab Csomagkiszolgálók / Csomagütemezők (Schedulers) Prioritásos kiszolgáló, Round-Robin, Generalized Processor Sharing EDF, J-EDF, Hierarchikus kiszolgálók Távközlési és Médiainformatikai Tanszék Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem IP QoS architektúra Management plane Admission control QoS Routing Resource Reservation Metering Policy Control plane Service restoration Data plane Buffer mangerment Traffic shaping Congestion avoidance Traffic policing Packet Marking Traffic classification Queuing and scheduling Service level agreement 44 22

23 Ütemezők a QoS architektúrában Feladata: Kapcsoló, útvonalválasztó kimeneti linkjén a csomagtovábbítási sorrendet határozza meg Cél: Kapcsolatok (osztályok) különböző kezelése ezáltal QoS biztosítása 45 Követelmények az ütemezőkkel szemben Elkülönítés és megosztás Késleltetési korlátok Sávszélesség szétosztás Hatékonyság hatékonyabb: ua. az e2e QoS terheltebb hálózatnál Védelem rosszul viselkedő felhasználók meghibásodott eszközök best-effort forgalom Rugalmasság eltérő QoS igényű osztályok Egyszerűség nagy sebességű környezetben implementálható 46 23

24 Prioritásos kiszolgáló A legnagyobb prioritású, nem üres sorból szolgál ki Alacsonyabb prioritású sorok kiéheztetése Kis késleltetésű forgalmat a legnagyobb prioritású sorba! Non-preemptive linkeknél a hosszú kis prioritású csomagok növelik a késleltetést 47 Round-Robin, Fair - queuing Minden sorból egy-egy csomagot szolgál ki egymás után Nincs kiéheztetés Kiszolgálás erősen függ a többi sortól Jitter-forrás 48 24

25 Generalized Processor Sharing (GPS) Elméleti, folyadék alapú kiszolgálómodell több kapcsolat egyidejű kiszolgálása csomag tetszőlegesen kicsivé darabolható Kiszolgálási sebesség a kapcsolatokhoz rendelt súly arányában 49 A folyadék modell alkalmazhatósága Analitikus eredmények átvihetők a csomagos változatokra Weighted Fair Queuing (WFQ) Worst-Case Fair WFQ (WF 2 Q) Folyadék modell Csomagos változat 50 25

26 Határidő alapú ütemezők A kiszolgálás a csomagokhoz rendelt határidők sorrendjében történik Határidő lehet e2e késleltetési tartalék várt beérkezési idő + fix késleltetés Earliest-Due-Date-First (EDD) or Earliest-Deadline-First (EDF) Késleltetési korlát és az allokált sávszélesség független: nincs sávszélesség-késleltetés csatolás CAC összetett Erőforrás-megosztás nem igazságos azonos QoS kérés mellett eltérő lehet a kapott kiszolgálás 51 Nem munkamegőrző ütemezők (non-work-conserving schedulers) Várakozó csomag esetén sem feltétlenül történik kiszolgálás Átlagos csomóponti késleltetés és kihasználtság rosszabb lehet a legrosszabb végponttól végpontig terjedő késleltetés számít Kisebb jitter érhető el: Jitter-Earliest- Due-Date Általános modell: Regulator 1 Regulator 2... Regulator h Rate Controller FIFO 1 FIFO 2... FIFO n Packet Scheduler kimeno forgalom 52 26

27 Hierarchikus kiszolgálók Class Based Queueing (CBQ) 50 % 30 % 20 % Class A Class B Class C 10 % 10 % 10 % 20 % ftp telnet video audio 15 % 5 % 30 % video audio video 53 lab Beengedés-szabályozás alapjai, elemei Központosított, elosztott Foglalás alapú, mérés alapú Folyamszintű, aggregált Távközlési és Médiainformatikai Tanszék Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem 27

28 IP QoS architektúra Management plane Admission control QoS Routing Resource Reservation Metering Policy Control plane Service restoration Data plane Buffer mangerment Traffic shaping Congestion avoidance Traffic policing Packet Marking Traffic classification Queuing and scheduling Service level agreement 55 A hívásengedélyezés feladata Garantált minőségű szolgáltatás (Quality of Service, QoS) Csomagkapcsolt eset: késleltetés, késleltetés ingadozás, csomagvesztési arány,... Garantált szolgáltatásminőség: IP, ATM Hívásengedélyezés (Call Admission Control, CAC) Az új igényt beengedjük-e a hálózatba? Beengedés: ha az új és a meglévő folyamok minősége garantált De: kihasználtság garantált minőség 56 28

29 A hívásengedélyezés jelentősége Kell-e hívásengedélyezés? Jobb minőség Rosszabb hálózat elérhetőség Torlódásmenedzsment: Preventív Reaktív Adatfolyamok: elasztikus v. folyam jellegű Hívásengedélyezés: folyam jellegűre mindenképp, elasztikusra:?? 57 Párbeszéd: A hívásengedélyezés folyamata A döntés helye: IntServ/ATM: minden egyes útvonalválasztó/kapcsoló DiffServ: Bemeneti útvonalválasztó vagy sávszélesség bróker Különböző protokollok Továbbiakban az algoritmust vizsgáljuk 58 29

30 Elosztott hívásengedélyezés 59 Központosított hívásengedélyezés 60 30

31 Végponti CAC próbaforgalom segítségével 61 Határponti CAC döntés passzív mérés alapján 62 31

32 Követelmények Hiba fajták: elsőfajú: felesleges elutasítás másodfajú: beengedés túlterhelt hálózatba Egyszerűség, gyorsaság Skálázhatóság Jó forgalmi modell 63 Algoritmusok csoportosítása Determinisztikus vagy statisztikus alapú Forgalmi leíró adatblokk: Pl: forgalmi paraméterek vagy meglévő osztályok Várakozási sorok hatása beszámítva? Igen: sebesség-osztó multiplexálás (rate-sharing multiplexing, RSM) Nem: sebesség-lefedő multiplexálás (rate-envelope multiplexing, REM) Túlterheltség meghatározása: csomagvesztés, késleltetés

33 Hívásengedélyezési módszerek 1 Várakozási sor matematikai modellezése elveszett csomagok aránya sor telítettségi valószínűsége Ekvivalens kapacitás forgalom leíró és igényelt minőségi paraméterekből egy kapcsolatra, illetve folyamok aggregáltjára is K 65 Hívásengedélyezési módszerek 2 Forgalmi leíró adatblokk tartalma: Forgalmi paraméterek: új igény, új számítás Előre definiált osztályok: előre számítható N osztály: N dimenziós döntési hiperfelület folyamok száma 1. osztály elfogadás elutasítás 2. osztály folyamok száma 66 33

34 Mérés alapú hívásengedélyezés Probléma a forgalmi leírók megadásával: túl nehéz kérdés túlbecslés a hálózat torzítja új alkalmazások forgalmi típusai? Mérés alapú hívásengedélyezés Egyszerűsített forgalmi leíró blokk Hálózat terhelése: mérés alapján Előnyök: az előbb felsorolt nehézségeket kiküszöböli Hátrányok: nagyobb hibalehetőség kevesebb lehetőség a rendszabályozásra 67 Mit mérjünk? Forgalmi terhelés csomópontokban határpontok alapján becslés Kapcsolat-minőség Próbaforgalom segítségével 68 34

35 Hívásengedélyezés mozgó hálózatokban Új problémák: Felhasználó mozog hívásátadás terheletlen hálózatrészből terheltbe másodfajú hiba új igény nélkül! Új és átadott hívások más tartásidő eloszlással modellezhetők Javasolt megoldások: Védőcsatornák az átadott hívásoknak Prioritásos sorbanállás: minden kérés elfogadása, ha van szabad csatorna ha nincs: részben elutasítás, részben sorba állítás különböző sorkezelési algoritmusok 69 35