MHz. time. Internet Bandwidth. Router CPU Speed

lab

IP ALAPÚ TÁVKÖZLÉS

IP minőségbiztosítás Alapok

Távközlési és Médiainformatikai Tanszék Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem

lab


IP Trendek


TMIT BME


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

1

TMIT BME


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

TMIT BME


Változó forgalmi jelleg Régen: a forgalom 80% helyi hálózaton

Trend: 80% más hálózatokba 20%

80% Backbone

80% Workgroup

20%

5

TMIT BME


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

2

TMIT BME


Új típusú forgalmak

A hagyományos Best-effort forgalom mellett ftp, web, email, ...

Megjelennek új típusú forgalmak is: Beszéd (pl. Voice over IP) Videó

Új és más követelményeket támasztanak a hálózattal szemben: Pl. késleltetés 7

TMIT BME


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

TMIT BME


Internet Jövő Összeköttetés Mobilitás – felhasználói szabadság Tartalom Flexibilitás erőforrások terén

Mobil kommunikáció LAN és munkaállomások Hálózati együttműködés Időosztásos rendszerek Batch

Egyfelhasználós OS Együttműködés szabadsága 9

3

TMIT BME


“Next Generation Network” Architektúra Alkalmazások és tartalom

M e n e d z s m e n t

Kiszolgálók

Kommunikációs Telephony Mobility services alkalmazások és Mobile kontroll Mobile data telephony funkciók

Telephony

Messaging

Positioning

VoIP

Összeköttetés

Egyéb IP/hálózat

Gerinchálózat

Hozzáférési hál. Hozzáférési hál.

Egyéb telefon hálózat

Hozzáférési hál.

Mobile

CATV Fixed

Clients Forrás: The Internet NG Project 10

lab


QoS IP Quality of Service IP hálózatokban


TMIT BME


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

4

TMIT BME


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

TMIT BME


Torlódás – a forgalom szabályozás szükségessége Átvitt forgalom

A hálózat áteresztő képessége a maximum elérésekor vissza is eshet!

felajánlott forgalom

14

TMIT BME


Példa: Hangátvitel QoS követelményei

Attribute

Toll Grade

Acceptable Quality

Availability

99.999%

99.9%

99%

2 seconds

seconds

minutes

One-way Network Delay

50 ms

150 ms

250 ms

Packet Loss Rate

10 E -8

10 E -2

10 E -2

5 ms

20 ms

May vary widely

Restoration Time

Jitter

Best Effort

15

5

TMIT BME


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

TMIT BME


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

TMIT BME


IP QoS technológiák Traffic Engineering Optimized path selection Equal Cost Multi Path (ECMP), QoS based Optimized Multi Path (OMP)

Packet forwarding

Multi-Protocol Label Switching (MPLS)

QoS + constraint based

(Signaling)

Policy

Edge node

Classification Shaping

+ MPLS header DS -> CoS (class of service)

Core node

Behavior aggregate

Scheduling (RED)

+ operation based on CoS 18

6

TMIT BME


IP QoS technológiák 2

Application layer Transport layer

Integrated Services/RSVP Differentiated Services

Network layer

QoS-based routing

Data link layer

Multi Protocol Label Switching MPLS

19

TMIT BME


IP Hálózatok Traditional IP

DiffServ

Connectionless

MPLS

IntServ

Connection oriented Per class QoS

Transit

Per flow QoS

Access Leaky/token bucket

20

TMIT BME


Az IP QoS architektúrális elemei

Feasible Technology Quality of Service • delay/delay variation • packet loss • accessibility

Mechanisms • • • • •

classification policing / marking shaping buffer management RED

Traffic & Network Management • performance measurement • traffic monitoring • traffic engineering

Viable Business Model

21

7

TMIT BME


M pl ana an g e em

en t

IP QoS architektúra

Metering Admission control

QoS Routing

Resource Reservation

Policy

Control plane

Service restoration

Buffer mangerment Traffic shaping

Congestion avoidance Traffic policing

Packet Marking

Queuing and scheduling

Traffic classification

Service level agreement

Data plane

22

TMIT BME


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

TMIT BME


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

8

TMIT BME


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


TMIT BME


Forgalomleírás alkalmazásai Forgalmi típusok Valós idejű toleráns intoleráns

Elasztikus

Felhasználási terület SLA (service level agreement) ellenőrzés, betartatás analitikus teljesítmény-vizsgálat

27

9

TMIT BME


M pl ana an g e em

en t


Metering Admission control

QoS Routing

Resource Reservation

Policy

Control plane

Service restoration


Congestion avoidance

Packet Marking

Traffic policing




Data plane

28

TMIT BME


Tradícionális sorbanállási modellek Sztochasztikus modellek, Poisson érkezési folyamatok On-off beszédmodellek

ON 353ms

OFF 650ms

Általános Markov lánccal, beágyazott Markov lánccal megadott folyamatok … 29

TMIT BME


Forgalom formázó módszerek: Leaky/token bucket Lyukas vödör - leaky bucket

Víz beömlése

token bucket (lyukas vödör analógia)

p r b

Vödör mélysége

A lyukon a víz konstans sebességgel folyik ki

tokens r = token rate p = peak rate >= r b = token bucket length (max. nr of tokens) 30

10

lab


Sorok kezelése Mikor és melyik csomagot dobjuk el a telítetté váló várakozási sorból? DFF, RED, ECN


TMIT BME


M p la a n a ne ge m

en t


QoS Routing

Admission control

Metering Resource Reservation

Policy

Control plane

Service restoration

Buffer mangerment

Congestion avoidance

Traffic shaping

Traffic policing

Packet Marking




Data plane

32

TMIT BME


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

11

TMIT BME


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 = 6

34

TMIT BME


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

TMIT BME


Random Early Detection

36

12

TMIT BME


Random Early Detection 1

Dobási valség

maxp Dobás növekvő valséggel

nincs dobás

0 minth

maxth

100%

Átlagos telítettség 37

TMIT BME


A RED problémája A sorhossz oszcillálhat Szaturáció

Qlen max

8 flows Actual

Qlen

32 flows

max

Average

Average

0

time

Actual

0

TMIT BME

time


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

13

TMIT BME


RED tulajdonságok – variánsok

Weighted RED Kapcsolatok közös sorban vannak, különböző REDprofile-lal (maxp, minth, maxth)

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

TMIT BME


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

TMIT BME


ECN - Explicit Congestion Notification Csomageldobás

7

6

5

4

3

2

1

Adó

Vevő 1

ECN

2

7

2

6

5

2

4

2

3

2

2

1

Adó

Vevő 1

2

3

4

5

6

7

14

lab


Csomagkiszolgálók / Csomagütemezők (Schedulers)

Prioritásos kiszolgáló, Round-Robin, Generalized Processor Sharing EDF, J-EDF, Hierarchikus kiszolgálók


TMIT BME



en t


Admission control

QoS Routing


Policy

Control plane

Service restoration



Packet Marking




Data plane

44

TMIT BME


Ütemezők a QoS architektúrában Feladata: Kapcsoló, útvonalválasztó kimeneti linkjén a csomagtovábbítási sorrendet határozza meg

Cél: Kapcsolatok (osztályok) különböző kezelése ezáltal QoS biztosítása

45

15

TMIT BME


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

TMIT BME


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

TMIT BME


Round-Robin, Fair - queuing Minden sorból egy-egy csomagot szolgál ki egymás után

Nincs kiéheztetés Kiszolgálás erősen függ a többi sortól Jitter-forrás 48

16

TMIT BME


Generalized Processor Sharing (GPS) Elméleti, folyadék alapú kiszolgálómodell több kapcsolat egyidejű kiszolgálása csomag tetszőlegesen kicsivé darabolható

Kiszolgálási sebesség a kapcsolatokhoz rendelt súly arányában

49

TMIT BME


A folyadék modell alkalmazhatósága Analitikus eredmények átvihetők a csomagos változatokra Weighted Fair Queuing (WFQ) Worst-Case Fair WFQ (WF2Q) …

Folyadék modell

Csomagos változat

50

TMIT BME


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

17

TMIT BME


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:

Regulator 1

FIFO 1

Regulator 2

FIFO 2

...

Jitter-EarliestDue-Date

...

Regulator h

Általános modell:

kimeno forgalom

FIFO n

Packet Scheduler

Rate Controller

52

TMIT BME


Hierarchikus kiszolgálók

Class Based Queueing (CBQ) 50 % Class A 10 %

10 %

20 %

10 %

audio ftp telnet video

30 %

20 %

Class B

Class C

15 % 5%

video

30 %

audio

video

53

lab


Beengedés-szabályozás alapjai, elemei Központosított, elosztott Foglalás alapú, mérés alapú Folyamszintű, aggregált


18

TMIT BME



en t


Admission control

QoS Routing


Policy

Control plane

Service restoration



Packet Marking




Data plane

55

TMIT BME


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

TMIT BME


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

19

TMIT BME


A hívásengedélyezés folyamata Párbeszéd:

A döntés helye: IntServ/ATM: minden egyes útvonalválasztó/kapcsoló DiffServ: Bemeneti útvonalválasztó vagy sávszélesség bróker

Különböző protokollok Továbbiakban az algoritmust vizsgáljuk 58

TMIT BME


Elosztott hívásengedélyezés

59

TMIT BME


Központosított hívásengedélyezés

60

20

TMIT BME


Végponti CAC próbaforgalom segítségével

61

TMIT BME


Határponti CAC döntés passzív mérés alapján

62

TMIT BME


Követelmények Hiba fajták: elsőfajú: felesleges elutasítás másodfajú: beengedés túlterhelt hálózatba

Egyszerűség, gyorsaság Skálázhatóság Jó forgalmi modell

63

21

TMIT BME


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... 64

TMIT BME


Hívásengedélyezési módszerek 1 Várakozási sor matematikai modellezése elveszett csomagok aránya sor telítettségi valószínűsége

K

Ekvivalens kapacitás forgalom leíró és igényelt minőségi paraméterekből egy kapcsolatra, illetve folyamok aggregáltjára is

65

TMIT BME


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 elutasítás

1. osztály elfogadás

2. osztály folyamok száma

66

22

TMIT BME


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

TMIT BME


Mit mérjünk? Forgalmi terhelés csomópontokban határpontok alapján becslés

Kapcsolat-minőség Próbaforgalom segítségével

68

TMIT BME


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

23

MHz. time. Internet Bandwidth. Router CPU Speed

Recommend Documents