lab
IP ALAPÚ TÁVKÖZLÉS
IP minőségbiztosítás Alapok
Távközlési és Médiainformatikai Tanszék Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem
lab
IP ALAPÚ TÁVKÖZLÉS
IP Trendek
Távközlési és Médiainformatikai Tanszék Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem
1
TMIT BME
IP ALAPÚ TÁVKÖZLÉS
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
TMIT BME
IP ALAPÚ TÁVKÖZLÉS
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
TMIT BME
IP ALAPÚ TÁVKÖZLÉS
Változó forgalmi jelleg Régen: a forgalom 80% helyi hálózaton
Trend: 80% más hálózatokba 20%
80% Backbone
80% Workgroup
20%
5
TMIT BME
IP ALAPÚ TÁVKÖZLÉS
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
TMIT BME
IP ALAPÚ TÁVKÖZLÉS
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
IP ALAPÚ TÁVKÖZLÉS
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
TMIT BME
IP ALAPÚ TÁVKÖZLÉS
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
TMIT BME
IP ALAPÚ TÁVKÖZLÉS
“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. Mobile
Egyéb telefon hálózat
Hozzáférési hál.
CATV Fixed
Clients Forrás: The Internet NG Project 10
5
lab
IP ALAPÚ TÁVKÖZLÉS
QoS IP Quality of Service IP hálózatokban
Távközlési és Médiainformatikai Tanszék Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem
TMIT BME
IP ALAPÚ TÁVKÖZLÉS
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
TMIT BME
IP ALAPÚ TÁVKÖZLÉS
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
IP ALAPÚ TÁVKÖZLÉS
Torlódás – a forgalom szabályozás szükségessége Átvitt forgalom
A hálózat áteresztő képessége a maximum elérésekor vissza is eshet!
felajánlott forgalom
14
7
TMIT BME
IP ALAPÚ TÁVKÖZLÉS
Példa: Hangátvitel QoS követelményei
Attribute
Toll Grade
Acceptable Quality
Best Effort
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
15
TMIT BME
IP ALAPÚ TÁVKÖZLÉS
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
TMIT BME
IP ALAPÚ TÁVKÖZLÉS
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 ALAPÚ TÁVKÖZLÉS
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
9
TMIT BME
IP ALAPÚ TÁVKÖZLÉS
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 ALAPÚ TÁVKÖZLÉS
IP Hálózatok Traditional IP
DiffServ
Connectionless
MPLS
IntServ
Connection oriented Per class QoS
Transit
Per flow QoS
Access Leaky/token bucket
20
10
TMIT BME
IP ALAPÚ TÁVKÖZLÉS
Az IP QoS architektúrális elemei
Feasible Technology Quality of Service • delay/delay variation • packet loss • accessibility
Traffic & Network Management
Mechanisms • • • • •
classification policing / marking shaping buffer management RED
• performance measurement • traffic monitoring • traffic engineering
Viable Business Model
21
TMIT BME
IP ALAPÚ TÁVKÖZLÉS
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
11
TMIT BME
IP ALAPÚ TÁVKÖZLÉS
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
IP ALAPÚ TÁVKÖZLÉS
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
TMIT BME
IP ALAPÚ TÁVKÖZLÉS
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
IP ALAPÚ TÁVKÖZLÉS
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
TMIT BME
IP ALAPÚ TÁVKÖZLÉS
Forgalomleírás alkalmazásai Forgalmi típusok Valós idejű toleráns intoleráns
Elasztikus
Felhasználási terület SLA (service level agreement) ellenőrzés, betartatás analitikus teljesítmény-vizsgálat
27
TMIT BME
IP ALAPÚ TÁVKÖZLÉS
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
28
14
TMIT BME
IP ALAPÚ TÁVKÖZLÉS
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
IP ALAPÚ TÁVKÖZLÉS
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
15
lab
IP ALAPÚ TÁVKÖZLÉS
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
TMIT BME
IP ALAPÚ TÁVKÖZLÉS
M p la a n a ne g e m
en t
IP QoS architektúra
Admission control
QoS Routing
Metering 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
32
16
TMIT BME
IP ALAPÚ TÁVKÖZLÉS
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
TMIT BME
IP ALAPÚ TÁVKÖZLÉS
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
17
TMIT BME
IP ALAPÚ TÁVKÖZLÉS
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
IP ALAPÚ TÁVKÖZLÉS
Random Early Detection
36
18
TMIT BME
IP ALAPÚ TÁVKÖZLÉS
Random Early Detection 1
Dobási valség
maxp Dobás növekvő valséggel
nincs dobás
0 minth
maxth
100%
Átlagos telítettség 37
TMIT BME
IP ALAPÚ TÁVKÖZLÉS
A RED problémája A sorhossz oszcillálhat Szaturáció
Qlen max
8 flows Actual
Qlen max
time
Actual Average
Average
0
32 flows
0
time
19
TMIT BME
IP ALAPÚ TÁVKÖZLÉS
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
TMIT BME
IP ALAPÚ TÁVKÖZLÉS
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
20
TMIT BME
IP ALAPÚ TÁVKÖZLÉS
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
IP ALAPÚ TÁVKÖZLÉS
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
21
lab
IP ALAPÚ TÁVKÖZLÉS
Csomagkiszolgálók / Csomagütemezők (Schedulers)
Prioritásos kiszolgáló, Round-Robin, Generalized Processor Sharing EDF, J-EDF, Hierarchikus kiszolgálók
Távközlési és Médiainformatikai Tanszék Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem
TMIT BME
IP ALAPÚ TÁVKÖZLÉS
M p la a n a ne g e m
en t
IP QoS architektúra
Admission control
QoS Routing
Metering 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
44
22
TMIT BME
IP ALAPÚ TÁVKÖZLÉS
Ütemezők a QoS architektúrában Feladata: Kapcsoló, útvonalválasztó kimeneti linkjén a csomagtovábbítási sorrendet határozza meg
Cél: Kapcsolatok (osztályok) különböző kezelése ezáltal QoS biztosítása
45
TMIT BME
IP ALAPÚ TÁVKÖZLÉS
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
TMIT BME
IP ALAPÚ TÁVKÖZLÉS
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
IP ALAPÚ TÁVKÖZLÉS
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
TMIT BME
IP ALAPÚ TÁVKÖZLÉS
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
IP ALAPÚ TÁVKÖZLÉS
A folyadék modell alkalmazhatósága Analitikus eredmények átvihetők a csomagos változatokra Weighted Fair Queuing (WFQ) Worst-Case Fair WFQ (WF2Q) …
Folyadék modell
Csomagos változat
50
25
TMIT BME
IP ALAPÚ TÁVKÖZLÉS
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
TMIT BME
IP ALAPÚ TÁVKÖZLÉS
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-EarliestDue-Date
Általános modell:
Regulator 1
FIFO 1
Regulator 2
FIFO 2
... Regulator h
Rate Controller
kimeno forgalom
... FIFO n
Packet Scheduler 52
26
TMIT BME
IP ALAPÚ TÁVKÖZLÉS
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
IP ALAPÚ TÁVKÖZLÉS
Beengedés-szabályozás alapjai, elemei Központosított, elosztott Foglalás alapú, mérés alapú Folyamszintű, aggregált
Távközlési és Médiainformatikai Tanszék Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem
27
TMIT BME
IP ALAPÚ TÁVKÖZLÉS
M p la a n a ne g e m
en t
IP QoS architektúra
Admission control
QoS Routing
Metering 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
55
TMIT BME
IP ALAPÚ TÁVKÖZLÉS
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
TMIT BME
IP ALAPÚ TÁVKÖZLÉS
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
TMIT BME
IP ALAPÚ TÁVKÖZLÉS
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
29
TMIT BME
IP ALAPÚ TÁVKÖZLÉS
Elosztott hívásengedélyezés
59
TMIT BME
IP ALAPÚ TÁVKÖZLÉS
Központosított hívásengedélyezés
60
30
TMIT BME
IP ALAPÚ TÁVKÖZLÉS
Végponti CAC próbaforgalom segítségével
61
TMIT BME
IP ALAPÚ TÁVKÖZLÉS
Határponti CAC döntés passzív mérés alapján
62
31
TMIT BME
IP ALAPÚ TÁVKÖZLÉS
Követelmények Hiba fajták: elsőfajú: felesleges elutasítás másodfajú: beengedés túlterhelt hálózatba
Egyszerűség, gyorsaság Skálázhatóság Jó forgalmi modell
63
TMIT BME
IP ALAPÚ TÁVKÖZLÉS
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
32
TMIT BME
IP ALAPÚ TÁVKÖZLÉS
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
IP ALAPÚ TÁVKÖZLÉS
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
33
TMIT BME
IP ALAPÚ TÁVKÖZLÉS
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
IP ALAPÚ TÁVKÖZLÉS
Mit mérjünk? Forgalmi terhelés csomópontokban határpontok alapján becslés
Kapcsolat-minőség Próbaforgalom segítségével
68
34
TMIT BME
IP ALAPÚ TÁVKÖZLÉS
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