Hilgers, RRZE Dienstqualität im Internet U. Hilgers Regionales Rechenzentrum der Universität Erlangen-Nürnberg

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1 Hilgers, RRZE Dienstqualität im Internet U. Hilgers Regionales Rechenzentrum der Universität Erlangen-Nürnberg Ursula.Hilgers@rrze.uni-erlangen.de

2 Hilgers, RRZE Gliederung u Dienstqualität u Motivation u Dienstqualität in Netzwerken –IP-Protokoll »Integrated Services u Ressource Reservation Protocol (RSVP) »Differentiated Services »Multiprotocol Label Switching (MPLS) –ATM-Netzwerke u Zusammenfassung

3 Hilgers, RRZE QoS für Dummies (I) u Dienstqualität (Quality of Service, QoS): Eigenschaften bei der Ausführung eines Dienstes aus der Sicht eines Benutzers (auf Ende-zu-Ende Basis) Dienst: Telnet-Verbindung, Videokonferenz u objektive (messbare) oder subjektive Eigenschaften –objektiv: Durchsatz, Delay, Jitter,.. –subjektiv: Qualität des Bildes/Tons

4 Hilgers, RRZE QoS (II) u Dienstintegration im Internet: Datenübertragung verschiedener Applikationen über das IP-Protokoll: Best- Effort“  keine Garantien für die Datenübertragung u Neue Anforderungen durch „Echtzeit“-Applikationen (Bsp.: hochqualitative Multimedia-Anwendungen) u QoS versus Class of Service (CoS): –QoS: absolute Delay-, Durchsatz-,... Garantien für einen Verkehrstrom unabhängig vom Verhalten anderer Ströme –CoS: relative Garantien (Probleme bei Überlastung des Netzwerks)

5 Hilgers, RRZE QoS - objektiv (I) Kontinuierliche Steigerung der Senderate von Verbindung 2

6 Hilgers, RRZE QoS - objektiv (II)

7 Hilgers, RRZE QoS - objektiv (III)

8 Hilgers, RRZE QoS - subjektiv (I) Überlast

9 Hilgers, RRZE QoS - subjektiv (II)

10 Hilgers, RRZE QoS - subjektiv (III)

11 Hilgers, RRZE QoS - subjektiv (IV)

12 Hilgers, RRZE QoS (III) u Anwendungen mit unterschiedlichen Anforderungen  Definition von Dienstklassen, die zwischen Kunde und Provider ausgehandelt werden und an den Netzwerkgrenzen zur Verfügung stehen: –Service Level Agreement (SLA) Enthalten Tarife, Sicherheitsaspekte und eine Beschreibung der technischen Parameter aller Dienste, die vom Provider angebotenen werden.

13 Hilgers, RRZE QoS (IV) u Beispiel für ein SLA: 3 Dienste werden zwischen Kunde und Provider ausgehandelt –Datenrate 2 Mbit/s, geringe Verzögerungen/Jitter (Anwendung: Telefonie) –Datenrate 40 Mbit/s, keine Verluste, Delay kleiner 100 ms (Anwendung: hochqualitative Dialog- Videoübertragung) –„Best-Effort“ (Anwendung: textbasierte Datenübertragung)

14 Hilgers, RRZE Motivation (I)

15 Hilgers, RRZE Motivation (II) u Anforderungen an die Netzwerkkomponenten: –Bandbreitenbegrenzung am Rande des Netzwerks zur Überwachung des SLA –Faires/Prioritätenbasiertes Scheduling (Videokonferenzen  Datenübertragung)  Klassifizierung –Überlastkontrolle

16 Hilgers, RRZE QoS im IP-Protokoll u „QoS“ in IP-Netzwerken: oft nur CoS - relative Garantien in Abhängigkeit von der Belastung des Netzes u Verschiedene Ansätze (IETF): –Integrated Services »Resource Reservation Protocol (RSVP) –Differentiated Services –Multiprotocol Label Switching (MPLS)

17 Hilgers, RRZE Integrated Services Architektur (ISA)

18 Hilgers, RRZE ISA (I) u Integrated Services Architektur (ISA): Erweiterung des IP-Protokolls: Dienstklassen- Modell und Framework für dessen Implementierung u Annahme: QoS nur bei Kontrolle und Verwaltung der Ressourcen im Netzwerk  Admission Kontrolle und Ressourcen- Reservierung (Notwendigkeit der Authentisierung) u Für Unicast- und Multicast-Verkehr

19 Hilgers, RRZE ISA (II) u QoS: bestimmt durch die verfügbare Bandbreite und die Übertragungszeit der IP-Pakete

20 Hilgers, RRZE ISA (III) –Real-Time: Daten müssen zu einer bestimmten Zeit ankommen, sonst sind sie wertlos »Intolerant (Guaranteed, RFC 2212): reservierte Bandbreite und festes Delay Bsp.: hochqualitative, bidirektionale MM-Applikationen »Tolerant (Controlled-load, RFC 2211): reservierte Bandbreite, einzelne verspätete Pakete werden akzeptiert Bsp.: Adaptive Applikation (vic)

21 Hilgers, RRZE ISA (IV) –Elastisch: Applikationen können auf Daten „warten“ (Best Effort) Bsp.: Telnet, E-Mail »Interaktiver Verkehr mit burstartigem Verkehrscharakter u kleiner und u großer Bandbreitenbedarf »Asynchroner Verkehr

22 Hilgers, RRZE ISA (V) u QoS auf der Basis von Flows (unidirektional): Folge von zusammengehörenden Paketen mit gleicher Sende/Ziel-Adresse, gleicher Sende/Ziel Port-Nummer,..., gleichen QoS-Anforderungen) Bsp.: –ftp - Verbindung –Videostrom

23 Hilgers, RRZE ISA (VI) u ISA-Architektur –Routing Agent: Bestimmen des ausgehenden Interfaces (Next Hop) –Admission Control: trifft Entscheidung, ob Ressourcen für neue Reservierungsanfrage frei –Ressourcen Reservierung: Erstellt Zustände über Flows in den Endgeräten und den Routern im Netzwerk –Verwalten der Datenstrukturen durch Management Agent

24 Hilgers, RRZE ISA (VII)

25 Hilgers, RRZE Scheduling (I) u FIFO-Queueing - First in, First out –effizientes Verfahren – negative Auswirkungen bei Anwendungsflüssen mit höherem Verkehrsaufkommen u Fair Queueing –Gleichbehandlung für jede Dienstklasse, da gleicher Anteil an Ausgangsbandbreite –Benachteiligung von kleinen Paketen

26 Hilgers, RRZE Scheduling (II) u Weighted Fair Queueing (WFQ) –jeder Warteschlange wird ein Gewicht zugeteilt, das den Anteil an Ausgangsbandbreite bestimmt Parekh (1992) »Bandbreitengarantie »Isolation von Flows »Fairness »maximale Grenze fürs Delay (Token Bucket regulierter Verkehrsstrom)

27 Hilgers, RRZE Resource ReSerVation Protocol (RSVP)

28 Hilgers, RRZE RSVP(I) u Aufbau eines vom Empfänger initiierten Verbindungsaufbaus mit Ressourcen- Reservierung (Unicast/Multicast) u Möglichkeit, heterogene Empfänger zuzulassen  Reservierung entsprechend der individuellen Fähigkeiten u Garantieren von QoS auf dem Übertragungsweg

29 Hilgers, RRZE RSVP (II) u Reservieren von Ressourcen entlang des vollständigen Pfades im Netzwerk: Erstellen und Verwalten von Zuständen (Übertragungsrate, QoS,..) auf der Basis von Flows in den Endgeräten und den Routern u Zustände sind „Soft States“: Status (welche Ressourcen werden reserviert,..) der Reservierungen muß regelmäßig von den Applikationen bestätigt werden, sonst werden sie gelöscht

30 Hilgers, RRZE RSVP (III) u kein Routing Protokoll sondern eher Internet Control Protocol - Trennung von Reservierung und Routing Nachziehen von Routing-Änderungen bei der Reservierung u unidirektional u Session: Einheit, für die Ressoucen allokiert werden (Zieladresse, Zielport, Protokoll-ID)

31 Hilgers, RRZE RSVP (IV) u RSVP-Protokoll

32 Hilgers, RRZE RSVP (V) u Nachrichtentypen: –„Path“-Nachricht: »Wird vom Sender in einer Multicast-Gruppe an alle Empfänger geschickt »Stellt im Netz Routing-Informationen für Resv-Nachricht zur Verfügung: Path-Status, der den nächsten Hop zum Sender enthält –„Reservation“-Nachricht („Resv“): »Reserviert Ressourcen und erstellt Soft-Status (welche Ressourcen im Router für eine Session reserviert werden) »Initialisierung der Filter

33 Hilgers, RRZE RSVP (VI) u Probleme von RSVP (Applicability Statement: RFC 2208) –Skalierbarkeit: Reservierung auf Basis von Flows, Datenstrukturen pro Reservierung im Router –Security (Authentifizierung bei Reservierung) –Implementation von RSVP-Signalisierung in den Anwendungen –Abbildung der QoS der Anwendungen auf RSVP Syntax Þ Ressourcen-intensiv, keine Implementation auf breitbandigen Netzabschnitten

34 Hilgers, RRZE Differentiated Services Architektur (DiffServ)

35 Hilgers, RRZE DiffServ (I) u Skalierbarer Mechanismus zur Dienstdifferenzierung  Klassifizieren des Verkehrs und Aggregieren zu Dienstklassen ( keine aufwendige Signalisierung pro Anwendungsfluss  RSVP) u Konzept: –Klassifizieren und Markieren der Pakete und Überprüfung der SLAs (Verkehrsregulierung) –Zuweisung der Ressourcen im Router abhängig von der Dienstklasse (Scheduling, Buffer,...)

36 Hilgers, RRZE DiffServ (II) u unidirektional u Forderungen –keine Performance-Einbußen im Netzwerk durch DiffServ –keine Speicherung von Zuständen/Signalisierung (  Markierung) –keine Änderung der Applikationen

37 Hilgers, RRZE DiffServ (III) u Funktionalität der DiffServ-Router (am Rande des Netzes):

38 Hilgers, RRZE DiffServ (IV) u Markieren „Best Effort“: 00000000 DSCP: Differentiated Services CodePoint

39 Hilgers, RRZE DiffServ (IV) u Abbildung: Dienstklasse im SLA  Per Hop Behaviour (PHB) PHB bestimmt –Reservierung der Ressourcen im Router: Reservierung der Ressourcen für jede Dienstklasse entsprechend der Qualitätsanforderungen (Buffer, Bandbreite) –Queuemanagement und Scheduling –Überlastkontrolle

40 Hilgers, RRZE Überlastkontrolle (I) u Buffer und Queues werden von Netzwerkelementen als temporäre Zwischenspeicher für Daten verwendet, die darauf warten, übertragen zu werden u Buffer und Queues füllen sich, wenn der Router die Daten nicht schnell genug übertragen kann u Verwurfsstrategien: Random Drop  Tail Drop

41 Hilgers, RRZE Überlastkontrolle (II) –Tail Drop: Standard Verhalten im Netzwerk ankommende IP-Pakete werden verworfen, wenn Queue voll ist   TCP-Verbindungen reduzieren Senderate - „Slow Start“ (Mechanismus zur Überlastkontrolle)  „globale Synchronisation“ –Random Drop: zufälliges Verwerfen, bevor Queue überläuft Random Early Detect (RED): Mechanismus zur Vermeidung von Überlast

42 Hilgers, RRZE Überlastkontrolle (III) u RED beobachtet die durchschnittliche Queuelänge und verwirft ggf. Pakete aus ausgewählten Anwendungsflüssen u RED  geringes Delay und maximaler Durchsatz (Verhinderung von globaler Synchronisation)

43 Hilgers, RRZE DiffServ - Beispiel (I) u Beispiel für ein SLA: 3 Dienste werden zwischen Kunde und Provider ausgehandelt –Datenrate 2 Mbit/s, geringe Verzögerungen/Jitter (Anwendung: Telefonie) –Datenrate 40 Mbit/s, keine Verluste, (Anwendung: Dialog-Videoübertragung) –„Best-Effort“ (Anwendung: textbasierte Datenübertragung)

44 Hilgers, RRZE DiffServ - Beispiel (II) u Realisierung: –Am Rande des Netzes: »Klassifikation »Bandbreitenkontrolle und ggf. -reduktion –Prioritäten-basiertes WFQ mit drei Warteschlangen: Festlegen des Anteils an Ausgangsbandbreite und Länge der Warteschlange (WS) »120Kb/s, kurze WS für Telefonie »40 Mbit/s, 2 KB »Rest, RED auf der dieser Warteschlange

45 Hilgers, RRZE Multi Protocol Label Switching (MPLS)

46 Hilgers, RRZE MPLS (I) u „neue“ WAN-Technologie (IETF) (Integration einer Switching-Methode in ein Routing- Konzept) u Hinzufügen von kurzen Labels fester Länge (MPLS- Header) an die IP-Pakete u Label dient in MPLS-Domäne als Index für eine Forwarding-Tabelle, die angibt, wie das Paket weitergeleitet wird u Unterstützen der beschriebenen QoS Architekturen

47 Hilgers, RRZE MPLS (II) u Label „swapping“

48 Hilgers, RRZE MPLS (III) u Pfade zwischen den Label Switch Routern (LSR) werden Label Switch Pfade (LSP) genannt u Zum Aufsetzen der LSPs wird ein Label Distribution Protocol (LDP) verwendet (Verteilen der Label- Information) u wesentl. Bestandteile –MPLS-Label –Label Distribution Protokoll (Erweiterungen für BGP, OSPF,...)

49 Hilgers, RRZE MPLS (IV) u Prinzip: „Route at the edge, switch in the core“ u Eingehender LSR –Pakete werden in Forwarding Equivalence Klassen (FEC) eingeteilt, z. B. auf Basis der IP-Adresse, des TOS-Bytes,... –Alle Pakete einer FEC haben das gleiche Label und werden über den gleichen Weg weitergeleitet, erhalten die gleiche Dienstgüte,...

50 Hilgers, RRZE MPLS (V) u Transit LSR –Leitet MPLS-Paket zum nächsten LSR, ohne IP- Routing Informationen auszuwerten (verwendet dazu nur das Label) –Operationen auf den Labels Label Swapping: Einkommende Labels werden durch ausgehende ersetzt (entspr. VCI/VPI-Ersetzen bei ATM) u Ausgehender LSR –Nehmen MPLS-Label weg und führen L3-Routing durch

51 Hilgers, RRZE MPLS (VI) u Vorteile: –Layer 3 Adressfelder müssen in der MPLS Domäne nicht mehr ausgewertet werden –einfaches Forwarding –Reduziert die „Router Hops“ auf dem Übertragungsweg u Applikationen: –Traffic Engineering (Constrained Based Routing, Explizites Routen), –CoS/QoS –Virtuelle Private Netze (VPN)

52 Hilgers, RRZE MPLS und CoS/QoS (I) u MPLS und RSVP –Erweiterung von RSVP (  LDPs Ende-zu-Ende Pipes mit reservierter Bandbreite) –Reservierung auf Flow Basis oder für Aggregat von Flows (Beseitigung der Skalierbarkeitsprobleme) –MPLS erkennt Flows, für die Ressourcen reserviert worden sind –Session wird durch Label identifiziert  Erleichterung der Klassifikation –dynamisches Rerouting

53 Hilgers, RRZE MPLS und CoS/QoS (II) u MPLS und DiffServ –E-LSPs: Zugehörigkeit zu einer DiffServ-Klasse wird durch EXP-Bits im MPLS-Header gekennzeichnet (8 verschiedene Klassen) »Konfiguration der PHB für jede Klasse »Problem: DSCP: 6 Bits –L-LSPs: separates Label für jede Klasse (  viele Klassen) Abbildung: Label  PHB (Signalisierungsprotokoll)

54 Hilgers, RRZE MPLS & TE (I) u Probleme in Netzwerken: –Routing heutzutage: Destination Based, Hop-by- Hop-Routing –Kürzeste Wege von verschiedenen Quellen überschneiden sich  Überlastung einzelner Verbindungen –Verkehr von Quelle zu Ziel übersteigt Kapazität auf dem kürzesten Weg, ein längerer Weg dagegen hat freie Kapazitäten  Load Sharing wäre notwendig

55 Hilgers, RRZE MPLS & TE (II) u Traffic Engineering (TE): –TE Attribute und Metrik, Signalisierungsprotokoll –Optimieren von Netzwerk-Ressourcen –Übertragungswege im Netzwerk gleichmäßig auslasten –Dazu: Constrained Based Routing mit expliziten Routen »bei Wegewahl nicht nur Optimierung einer skalaren Metrik sondern Berücksichtigung zusätzlicher Attribute »RSVP-TE: Erweiterung von RSVP »CR-LDP: Erweiterung von Routingprotokollen

56 Hilgers, RRZE MPLS und TE (III) u Verhinderung von Überlast OC3 = 150 Mb/s (IP)

57 Hilgers, RRZE MPLS und TE (IV) u Load Sharing

58 Hilgers, RRZE Asynchronous Transfer Mode (ATM)

59 Hilgers, RRZE ATM (I) u ATM: Asynchroner Transfer Mode u durch asynchrones Zeitmultiplexen flexible Handhabung von verschiedenen Übertragungsbandbreiten u Datenpakete fester Länge u Ende-zu-Ende Verbindungspfade mit fester Bandbreite und garantierten Übertragungseigenschaften u Vermittlung in ATM-Switches u kein shared Medium u Standardisierte Technologie für alle Dienste (Daten, Sprache, Video  Integrated Services)

60 Hilgers, RRZE ATM (II) u Übertragung in virtuellen Kanälen (VC) und virtuellen Pfaden (VP) u Eigenschaften von VCs und VPs –Service-Parameter (z.B. Zellverlustrate, -verzögerung) –dynamisch (SVC) oder permanent (PVC) –Einhaltung der Übertragungsreihenfolge –Aushandlung von Verkehrsparametern vor Verbindungsaufbau u verschiedene Dienstkategorien und umfangreiche Traffic- Management-Funktionalität

61 Hilgers, RRZE ATM - QoS (I) u QoS einer ATM-Verbindung: Güte einer Verbindung, die beim Verbindungsaufbau ausgehandelt und nach Aufbau vom Netzwerk garantiert wird (Verkehrsvertrag) u verschiedene Kategorien (ATM-Forum) –constant bit-rate (CBR) –realtime variable bit rate (VBR-rt) –non realtime variable bit rate (VBR-nrt) –unspecified bit rate (UBR) –...

62 Hilgers, RRZE ATM - QoS (II) u CBR: Delay-empfindlicher CBR-Zellstrom fester Bandbreite, die reserviert wird (PCR, CDVT) –Sprachdatenübertragung u VBR-rt: Delay-empfindlicher VBR-Zellstrom mit reservierter Bandbreite (PCR, CDVT, SCR, BS) –Videoübertragung

63 Hilgers, RRZE ATM - QoS (III) u VBR-nrt: Delay-unempfindlicher VBR-Zellstrom, reservierte Bandbreite (PCR, CDVT, SCR, BS) –IP über ATM, LANE u UBR: „best effort“ (PCR, CDVT) –email, ftp Pufferkonzept der ATM Switches unterstützt zeitliche Anforderungen der Dienstkategorien (realtime, non realtime)

64 Hilgers, RRZE ATM - Verkehrsmanagement (I) u Zugangskontrolle - (Connection Admission Control) Überprüfung, ob Verbindungsaufbau möglich (Reservierung der Ressourcen) –Verkehrsvertrag: legt beim Verbindungsaufbau (abh. von Dienstkategorie) spezielle Verkehrs-Charakteristik fest: »Peak Cell Rate (PCR): Grenze für die maximale Zellübertragungsrate [c/s] »Cell Delay Variation Tolerance (CDVT): untere Grenze für minimalen Zellabstand (verursacht durch Multiplexen, OAM-Zellen,..) »Sustainable Cell Rate (SCR): Grenze für die durchschnittliche Zellübertragungsrate [c/s] »Burst Size (BS): Größe eines Bursts [c]

65 Hilgers, RRZE ATM - Verkehrsmanagement (II) u User/Network Parameter Control (UPC/NPC) Überwachen der Sendebandbreite durch Setzen der Zellverlustpriorität und selektivem Verwerfen von Zellen –Einhalten des verhandelten Verkehrsprofils »Cell Passing »Cell Tagging (als Warnung) »Cell Discarding (bei Überlastsituation) u Traffic Shaping Anpassen (Glätten) der Senderate

66 Hilgers, RRZE Zusammenfassung (I) u Dienstqualität in IP: –ISA: garantierte Dienstgüte, da Konzept Ressourcenreservierung und eine CAC vorsieht Aber: RSVP zu komplex für große Netze –DiffServ: CoS — relative Garantien –MPLS: zunächst CoS, Ansätze, die MPLS mit RSVP kombinieren u Dienstqualität in ATM: garantierte Dienstgüte — Reservierung von Ressourcen

67 Hilgers, RRZE Zusammenfassung (II) u Berücksichtigung der Anforderungen von Anwendungen bei Beurteilung der Verfahren –QoS: für harte Echtzeit-Applikationen, hochqualitatives Audio/Video –CoS: Ansätze für Applikationen mit „weichen“ QoS- Forderungen brauchbar

68 Hilgers, RRZE Literatur (I) u IETF-Homepage http://www.ietf.org –http://www.ietf.org/html.charters/intserv-charter.html –http://www.ietf.org/html.charters/rsvp-charter.html –http://www.ietf.org/html.charters/diffserv-charter.html –http://www.ietf.org/html.charters/mpls-charter.html u Quality of Service P. Ferguson, G. Huston, John Wiley & Sons, 1998 u High Speed Networks W. Stallings, Prentice Hall, 1998

69 Hilgers, RRZE Literatur (II) u ATM-Netzwerke Othmar Kyas, DATACOM, 1996 u Asynchronous Transfer Mode M. DePrycker, Ellis Howood/Prentice Hall 1993 (1996) u Integrated Broadband Networks R. Händel, M. Huber, Addison Wesley Publishing Company, 1991

70 Hilgers, RRZE Abkürzungen u ATM: Asynchronous Transfer Mode u BGP: Border Gateway Protocol u BS: Burst Size u CBR: Constant Bit Rate u CDVT: Cell Delay Variation Tolerance u CR-LDP: Constrained Routing LDP u FiFo: First in First out u ISA: Integrated Services Architecture u LDP: Label Distribution Protocol u LSR: Label Switch Router u LSP: Label Switch Path

71 Hilgers, RRZE Abkürzungen u MM: Multi Media u MPLS: Multiprotocol Label Switching u OAM: Operation, Administration and Maintenance u PCR: Peak Cell Rate u PHB: Per Hop Behaviour u QoS: Quality of Service u RED: Random Early Detect u RFC: Request for Comments u RSVP: Resource Reservation Protocol u RSVP-TE: RSVP Traffic Engineering

72 Hilgers, RRZE Abkürzungen u SCR: Sustainable Cell Rate u SLA: Service Level Agreement u TE: Traffic Engineering u UPC/NPC: User/Network Parameter Control u VBR-nrt: non realtime variable Bit Rate u VBR-rt: realtime variable Bit Rate u VPN: Virtuelles Privates Netzwerk u WFQ: Weighted Fair Queueing