Historiaa. S Tietoliikenneverkot. Historiaa. Historiaa /XHQWR/LLNHQWHHQKDOOLQWD

Transkriptio

1 Historiaa S Tietoliikenneverkot /XHQWR/LLNHQWHHQKDOOLQWD Mitä ongelmia havaittiin? Ensimmäiset ongelmat liittyivät TCP:n sisäiseen vuonhallintaan. Pienet paketit, joita syntyy esimerkiksi merkkipohjaisessa tiedonsiirrossa, 40 tavua otsikkoa ja yksi tavu hyötykuormaa, johti verkkojen ylikuormittumiseen turhalla informaatiolla. Toinen ongelmatiikka syntyi, kun verkkojen käyttö kasvoi ja aiheutti mahdollisuuden yhteyden äkillisiin viiveiden kasvuihin; mikäli yhteyden kiertoaikaviive kasvaa nopeammin kuin lähettävän TCP-prosessin mittaama kiertoaikaviive, syntyy uudelleen lähetyksiä, jotka vastaavasti kuormittavat lisää reitittimiä aiheuttaen yhä pitemmän kiertoaikaviiveen S Tietoliikenneverkot / Marko Luoma 3 Historiaa Internet reitittimien ruuhkanhallinta sai alkunsa Ford yhtymän sisäisen verkon ongelmista. Nämä ongelmat ilmenivät, koska silloinen ARPANET perustui identtisiin linkkeihin, joita hallittiin erillisellä vuonohjauksella. Näin mitään ruuhkatilanteita ei ollut päässyt syntymään, ainakaan siinä määrin, että niihin olisi reagoitu. Fordin verkko vastaavasti oli heterogeeninen, yhdistäen useita tuotantolaitoksia eri puolilla USAta sekä sateliitin kautta laitoksen Englannissa. Heterogeenisuus syntyi siitä, että laitoksien sisällä käytettiin ethernet verkkoa ja laitoksien välillä vuokrajohtoja, joilla liikennöintinopeus oli alhaisimmillaan 1,2kbit/s S Tietoliikenneverkot / Marko Luoma 2 Historiaa Ongelmiin pyrittiin ratkaisemaan TCP-prosessin modifioinnilla sekä ns Source Quench toiminnolla, jossa ruuhkautunut reititin pyytää edellistä reititintä pakottamaan lähdettä pienentämään nopeutta. Tämä informointi tapahtuu vastavuohon aina lähteeseen saakka, joka riippuen riippuen toteutuksesta pienentää nopeuttaan tai ei. Kuten saattaa arvata lähderiippuvat ratkaisut reitittimen ruuhkanhallintaan ovat aina ehdollisia; mikäli lähde ei noudata reitittimen ohjeita mitään ei tapahdu. Näin ollen kehitys johti reitittimien sisäisiin ruuhkanhallintamekanismeihin S Tietoliikenneverkot / Marko Luoma 4

2 Mitä ja Miksi liikenteenhallintaa Reitittimet jakavat yhteisiä resursseja Verkon siirtokapasiteettia Reitittimen puskurointikapasiteettia Reitittimen prosessointikapasiteettia Resurssit ovat rajallisia ja yhdenkin loppuminen johtaa toiminnan rajoittumiseen Resurssien jako ja ruuhkanhallinta Kolikon kaksi puolta Resurssienjako: Yhteydelle määritellään ennaltakäsin rajoja Ruuhkanhallinta: Yhteydelle määritellään rajoja ruuhkautumisen tapahduttua Ääripäissä Ei ruuhkanhallintaa --> resurssit on jaettu ennaltakäsin (vrt puhelinverkko) Ei resurssienjakoa --> yhteydet kilpailevat samasta kaistasta ja ruuhkatlanteissa algoritmi ratkaisee resurssien jaon S Tietoliikenneverkot / Marko Luoma S Tietoliikenneverkot / Marko Luoma 7 Contend vs Congest Resurssien jako ja ruuhkanhallinta Contend, viivästyminen Kun verkon siirtokapasiteetti hetkellisesti ylittyy ja paketit asetellaan jonoon, josta ne palvellaan ajallaan. Congest, ruuhkautuminen Kun verkon siirtokapasiteetti ylitetään tarpeeksi pitkän aikaa, vuotaa puskurit yli ja paketteja katoaa 100% Resurssien varaus Ruuhkanhallinta 0% S Tietoliikenneverkot / Marko Luoma S Tietoliikenneverkot / Marko Luoma 8

3 Liikenteenhallinta Liikenteenhallinta on laajempi kokonaisuus kuin pelkkä resurssienjako ja ruuhkanhallinta mutta sisältää käsitteenä molemmat osa-alueet. Liikenteenhallinta on monisäikeistä (hajautettua): verkossa on useita laitteita laitteiden toiminnot on jaettu useille protokollakerroksille usiden laitteiden sisäiset resurssit on jaettu Ruuhkanhallinta vs vuonhallinta Ruuhkanhallinta pyrkii estämään lähdettä ylittämästä verkon resursseja Vuonhallinta pyrkii estämään lähdettä ylittämästä vastaanottajan resursseja S Tietoliikenneverkot / Marko Luoma S Tietoliikenneverkot / Marko Luoma 11 Liikenteen hallinnan aikatasoja Vuo (eri kuin vuonhallinta) Paketti Vuonhallinta IP-kytkentä Yhteys Reititys Yhteydellinen kytkentä, jokainen paketti kulkee ennalta määrättyä reittiä Yhteydetön kytkentä, jokainen paketti reititetään omana kokonaisuutena Käytännössä paketit kulkevat samoja reittejä pitkin ja muodostavat siten VUON. Vuo ei ole kongreettinen reunaehto vaan abstractio, joka helpottaa liikenteenhallintaa Verkonhallinta S Tietoliikenneverkot / Marko Luoma Verkonrakennus S Tietoliikenneverkot / Marko Luoma 12

4 Vuon tila Ei tilaa: puhdas yhteydetön kytkentä Pehmeä tila: reititin ylläpitää tietoa kyseisen yhteyden kytkennästä välimuistissa jonkinlaista tietoa yhteyden puskurointiviiveestä jonkinlaista tietoa yhteyden resurssitarpeesta Kova tila: reititin ylläpitää tarkkaa tietoa yhteyden kytkennästä yhteyden resurssitarpeesta yhteyden olemassaolosta Lähteen käyttäytyminen Erilaisilla sovelluksilla on ominaisuuksia, jotka määrittelevät millaista palvelua niiden tulisi verkosta saada Compressed audio MPEG-video Telephone Rate variation intensity Cell loss tolerance TCP/IP Cell delay variance tolerance S Tietoliikenneverkot / Marko Luoma S Tietoliikenneverkot / Marko Luoma 15 Palvelumalli Best Effort Ei takuuta kaistasta Ei takuuta viiveestä Ei takuuta hukasta Taattu palvelu Takuu kaistan tietylle arvolle Rajoitettu viive Taattu hukka tietyllä aikavälillä Harmaa alue S Tietoliikenneverkot / Marko Luoma 14 Palvelun hyödyllisyys Palvelulla täytyy olla tiettyjä reunaehtoja mikäli nykyisiä sovelluksia halutaa onnestuneesti käyttää. Value of the service 1 0,9 0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 Telephone TCP/IP Layer coded Video S Tietoliikenneverkot Bandwidth / Marko Luoma 16

5 Lähestymistapoja liikenteenhallintaan Reititin - lähde keskeinen Varaus - vaste pohjainen Ikkuna - nopeus pohjainen S Tietoliikenneverkot / Marko Luoma 17 Varaus - vaste pohjainen Varauspohjaisissa järjestelmissä lähde pyytää verkolta tiettyä määrää resursseja yhteyden ajaksi. Jokainen reititin täyttää tämän pyynnön tai hylkää yhteyden. Vastepohjaisissa järjestelmissä lähteet aloittavat lähettämisen heti ja säätävät nopeuttaa saamansa vasteen perusteella. Ekspilisiittisesti; reititin informoi lähdettä Implisiittisesti; lähde havainnoi verkon tilaa uudelleen lähetyspyyntöjen kautta HUOM!!! Varauspohjainen toiminta edellyttää reititin keskeistä toimintaa S Tietoliikenneverkot / Marko Luoma 19 Reititin - lähde keskeinen Reititin keskeiset menetelmät perustuvat reitittimen tekemään päätökseen, mitkä paketit saavat palvelua ja mitkä eivät Lähde keskeisissä menetelmissä lähteet sopeutuvat verkon tilaan lähettämällä sopivan määrän informaatiota verkkoon Nämä kaksi menetelmää eivät ole toisiaan poissulkevia Vaikka reititin suorittaa pakettien karsintaa tarvitaan lähdepohjaista hallintaa mukautumaan verkon tilaan Vaikka lähde kontrolloisikin liikennettä tarvitaan reitittimiin mekanismeja turvaamaan niiden toimintaa ruuhkatilanteissa S Tietoliikenneverkot / Marko Luoma 18 Ikkuna - nopeus pohjainen Lähteelle kerrotaan kuinka paljon informaatiota lähde saa lähettää Tietyssä aikaikkunassa (purskeinen) Millä nopeudella (tasainen) Nopeuspohjainen lähestymistapa soveltuu varauspohjaisiin järjestelmiin S Tietoliikenneverkot / Marko Luoma 20

6 Internet Best effort verkko Vastepohjainen toiminta (ei varausta) Lähdepohjainen toimintatapa Käyttää ikkunapohjaista lähteenhallintaa Tulevaisuudessa taattuja palveluita Varauspohjaisia palveluita Vaatii paljon reitittimiltä Luonnostaan nopeuspohjainen lähteenhallinta Resurssiteho Resurssiteho optimoi kahta keskeistä parametria läpäisyä viivettä Optimoinnin tavoite on saada mahdollisimman suuri läpäisy mahdollisimman pienellä viiveellä Teho = Läpäisy Viive α Teho Optimi S Tietoliikenneverkot / Marko Luoma S Tietoliikenneverkot / Marko Luoma Kuorma 23 Liikenteenhallinnan vertailumenetelmiä Liikenteenhallinnan menetelmiä vertaillaan usein niiden suhteessa Verkon resurssien hyödyntämiseen Lähteiden reiluun käsittelyyn Reiluus Reiluus on määritelmä sille, miten oikeudenmukaisesti eri yhteyksiä kohdellaan ruuhkautuvassa reitittimessä S Tietoliikenneverkot / Marko Luoma S Tietoliikenneverkot / Marko Luoma 24

7 Sosialistinen näkökanta Kaikkia palvellaan tasapuolisest Kaikki resurssit ovat kaikkien vapaasti hyödynntettävissä Kaikilta odotetaan kunnioitusta toisia kohtaan. TCP-ruuhkanhallinta Tehtävä on määrittää kuinka paljon verkossa on kapasiteettia vapaana Toimii itseohjautuvasti Kellotus vastesanomilla (ACK) Kello on kiertoaikaviive (RTT), joka kertoo ajan, joka kuluu paketin lähettämisestä sen vastaanottamiseen S Tietoliikenneverkot / Marko Luoma S Tietoliikenneverkot / Marko Luoma 27 Kapitalistinen näkökanta Yhteyksiä käsitellään perustuen maksukykyyn, eli sen kulutat mistä maksat. Sosiokapitalistisessa järjestelmässä uudet yhteydet pääsevät mukaan ja vanhat yhteydet saatavat kärsiä siitä ( vakio palveluaika ) Puhtaassa kapitalistisessa järjestelmässä olemassa olevien yhteyksien tilaan ei puututa mitenkään TCP-ruuhkanhallinta Ruuhkaikkuna vastaa vuonhallinnan ilmoitettuaikkunaa Ikkuna on minimiresurssi rajoitettu Maksimissaan: MaxIkkuna = MIN(RuuhkaIkkuna, IlmoitettuIkkuna) Käytännössä: Ikkuna = MaxIkkuna-(Viim. lähetetty tavu - Viim. hyväksytty tavu) KYSYMYS: Kuinka ruuhkaikkuna tiedetään? Lähde suorittaa itseohjautuvaa verkon tilan seurantaa perustuen vastesanomiin (ACK) ja kadonneisiin paketteihin S Tietoliikenneverkot / Marko Luoma S Tietoliikenneverkot / Marko Luoma 28

8 TCP-ruuhkanhallinta TCP-ruuhkanhallinta Lineaarinen kasvu Jokainen onnistuneesti lähetetty ruuhkaikkunallinen kasvattaa ruuhkaikkunaa yhdellä paketilla: RuuhkaIkkuna = RuuhkaIkkuna + MSS Käytännössä jokainen vastesanoma kasvattaa ikkunaa omalta osaltaan: Inc = MSS * (MSS/RuuhkaIkkuna) RuuhkaIkkuna = RuuhkaIkkuna + Inc Eksponentiaalinen peräytyminen Jokainen epäonnistunut lähetys (ajastin laukeaa) aiheuttaa ruuhkaikkunan puoliintumisen: RuuhkaIkkuna = ½ * RuuhkaIkkuna Lähteen nopeuden kasvattaminen on alussa liian hidasta Tarvitaan tehokkaampi mekanismi ensi alkuun Ruuhkaikkuna tuplataan jokaisella vastesanomalla SLOW START on mekanismi, jossa Ruuhkaikkunaa kasvatetaan 1:stä paketista tuplaamalla jokaisen paketin kohdalla ikkunan arvo Se estää laitetta lähettämästä täyttä ikkunaa paketteja niissä tapauksissa, joissa se vastaanottaa useita ACK-paketteja S Tietoliikenneverkot / Marko Luoma S Tietoliikenneverkot / Marko Luoma 31 TCP-ruuhkanhallinta Perusversion käyttäytyminen Pitkät hitaat kasvamiset Nopeat pudotukset TCP-ruuhkanhallinta Alussa lähteen ruuhkaikkunan loputon tuplaaminen johtaa pakettien suureen katoamiseen mittaa verkon kapasiteetin tulevan toiminnan varalle Ajastimen laukeamisen jälkeen tuplaamista käytetään ainoastaan siihen asti, että saavutetaan edellinen validi ruuhkaikkunan koko tämän jälkeen jatketaan normaalia toimintaa (lineaarinen kasvu) S Tietoliikenneverkot / Marko Luoma S Tietoliikenneverkot / Marko Luoma 32

9 TCP-Ruuhkanhallinta TCP-Ruuhkanhallinta Slow Start käyttäytyminen Nopeat nopeuden kasvattamiset Pitkät kuolleet hetket Lähetettävä data Paketin katoaminen ja siitä johtuva ajastimen laukeaminen Ruuhkaikkuna Jokainen yksittäinen kadonnut tai viivästynyt paketti vahvistetaan edellisellä oikealla ACK sanomalla. Kolme peräkkäistä samaa ACK sanomaa laukaisee uudelleen lähetyksen. Mikäli uudelleen lähetys ei tuo kuittausta jokaiseen pakettiin odotetaan ajastimen laukeamista. Paketti 1 Paketti 2 Paketti 3 Paketti 4 Paketti 5 Paketti 6 Paketti 3 ACK 1 ACK 2 ACK 2 ACK 2 ACK 2 ACK S Tietoliikenneverkot / Marko Luoma S Tietoliikenneverkot / Marko Luoma 35 TCP-Ruuhkanhallinta Miten poistaa pitkät hiljaiset hetket yksittäisen paketin kaoamisen jälkeen? Fast Recovery and Fast Retransmit on menetelmä siihen OLETUS: Verkossa katoaa useimmiten vain yksi paketti!!! TCP-Ruuhkanhallinta Nopea vaste useimmissa tapauksissa Monen paketin katoaminen ja niistä johtuva ajastimen laukeaminen Yksittäisen paketin katoaminen ja nopea palaaminen Ruuhkaikkuna S Tietoliikenneverkot / Marko Luoma S Tietoliikenneverkot / Marko Luoma 36

10 Reitittimet Ruuhkatila reitittimessä syntyy, kun resurssien tarve reitittimessä ylittää tarjolla olevan resurssien määrän. Reititin suojautuu resurssien vajetta vastaan erilaisilla jonotusalgoritmeilla, joilla jaetaan verkon kapasiteettia jaetaan puskurimuistin määrää ruuhkan aikana poistetaan oikeat paketit Reitittimet Ennustavat menetelmät pyrkivät pitämään verkon/reitittimen toimintapisteen resurssiteho maksimissa Reagoivat menetelmät pyrkivät palauttamaan toimintapisteen optimiin, mikäli se sen ylittää S Tietoliikenneverkot / Marko Luoma S Tietoliikenneverkot / Marko Luoma 39 Reitittimet Ruuhkanhallinnan menetelmät voidaan jakaa kahteen luokkaan: ruuhkatilaa ennustaviin ruuhkatilaan reagoiviin Reitittimet Toimiakseen menetelmät tarvitsevat erilaisia suoritusarvoja: Jonon keskimääräinen pituus Kiertoaikaviive Mikäli suoritusarvoja mitataan ja ennustetaan perustuen liian tiheään tai harvaan näytteenottoon ilmenee tuloksissa väistämättä virheitä, jotka johtuvat internet-liikenteen dynamiikasta S Tietoliikenneverkot / Marko Luoma S Tietoliikenneverkot / Marko Luoma 40

11 Reitittimet Tail Drop Kiertoaikaviive voidaan määrittää jonon regeneroitumisprosessista. Periaate on hyödyntää dominoivan liikenteen dynamiikkaa. Dominoiva kiertoaikaviive voidaan määrittää tarkkailemalla jonon täyttymis- ja tyhjentymisprosessia. Mikäli prosessi on deterministinen, voidaan syklin pituudesta määrittää kiertoaikaviive S Tietoliikenneverkot / Marko Luoma 41 Tail Drop eli häntäkarsinta on yksinkertaisin puskurinhallintamekanismi. Siinä rajallinen puskuri, jota palvellaan FIFOperiaatteella, ylivuotaa pitäen siten liikenteen kurissa S Tietoliikenneverkot / Marko Luoma 43 Reitittimet Puskurinhallintaan on erilaisia mekanismeja Tail Drop (häntäkarsinta) Random Drop (Satunnaiskarsinta) Random Early Detection (Ennakoiva satunnaiskarsinta) Weighted Fair Queueing (Reilujonotus) Tail Dropin ongelmia Pienellä puskurilla: TCP:llä hankaluuksia päästä slow-startista Heikko vaste verkon transienteille Suurella puskurilla: Reaaliaikaiselle liikenteelle kohtuuttoman suuri viive Verkossa ei etene hetken päästä ollenkaan liikennettä, mikäli linkin nopeus on pieni S Tietoliikenneverkot / Marko Luoma S Tietoliikenneverkot / Marko Luoma 44

12 Tail Dropin ongelmia Globaali synkronisaatio seuraa siitä, että jonon täyttyessä kaikki yhteydet kokevat pakettihukkaa miltei yhtäaikaisesti ja joutuvat siten slow startiin. Selkeä painotus tasaiselle liikenteelle, koska jonon ollessa kasvussa todennäköisyys, että purskeiselle yhteydelle riittää puskurikapasiteettia pienenee. Random Drop Voidaan käyttää sekä ruuhkaa ennakoivana että ruuhkaan reagoivana menetelmänä. Reagointi perustuu paketin karsintaan jokaisen uuden paketin saapuessa Ennakoinnissa jokainen tuleva paketti aiheuttaa karsintatodennäköisyyden laskemisen ja sen perusteella toimimisen S Tietoliikenneverkot / Marko Luoma S Tietoliikenneverkot / Marko Luoma 47 Random Drop Perustuu olettamukseen, että paketti, joka valitaan satunnaisesti kuuluu lähteelle N todennäköisyydellä, joka on suoraan verrannollinen lähteen keskinopeuteen. Paketti valitaan tällä kertaa koko jonosta tasajakaumaan perustuvulla satunnaisprosessilla. Random Early Detection REDissä hyödynnetään puskurin keskimääräistä tilaa karsinta todennäköisyyden laskemiseen. Keskimääräinen puskurin täyttöaste lasketaan keskiarvo-suodattimella Max Min avgt = αqt + ( α) avgt S Tietoliikenneverkot / Marko Luoma 46 avg S Tietoliikenneverkot / Marko Luoma 48

13 REDin edut Ei aiheuta globaalia synkronoitumista Toiminta perustuu eston havainnointiin jo ennen kuin sitä edes esiintyy. Takaa puskuriin kapasiteettia purkeiden varalle Purskeen todennäköisyys tulla karsituksi ei kasva lineaarisesti; sillä purske ei aikaansaa keskiarvon välitöntä nousua (EWMA). Fair Queuing metodit Palvelua jaetaan kiertävällä periaattella perustuen: Tasapuolisesti» Paketti kerrallaan» Bitti kerrallaan Painotetusti» Paketti kerrallaan» Bitti kerrallaan S Tietoliikenneverkot / Marko Luoma S Tietoliikenneverkot / Marko Luoma 51 Fair Queuing Menetelmä, jossa ryhmälle yhteyksiä muodostetaan rinnakkaiset jonot Nämä rinnakkaiset jonot ovat tietyssä mielessä autonomisia, eli niillä ei ole suoraa interaktiota keskenään Entä jos ATM ATM:ssä toimitaan 48-tavun hyötykuorman omaavassa pakettiverkossa. IP-paketit, joudutaan paloittelemaan useaan ATM-soluun siten, että yksittäinen paketti voi jakaantua jopa 200:n soluun. Perinteiset protokollat eivät kykene paketin osittaisiin uudelleen lähteyksiin ja siksi yhden solun hukkaaminen johtaakin koko protokollakehyksen ( solua) poistamiseen S Tietoliikenneverkot / Marko Luoma S Tietoliikenneverkot / Marko Luoma 52

14 Kuinka parantaa hyötysuhdetta Valikoivia liikenteen karsintamenetelmiä ovat: EPD (Early Packet Discard) PPD (Partial Packet Discard) EPD on estoa ennakoiva menetelmä. Se hyödyntää tietoa jonon pituudesta. Mikäli jonon pituus ylittää aseteltavan rajan hylätään saapuva AAL5 -kehys. PPD on vastaavasti reaktiivinen toimintamalli, jossa täyttynyt jono on aiheuttanut ylivuodon puskurissa ja näin ollen aikaansaanut AAL5 -kehyksen vikaantumisen. PPD poistaa jäljelle jääneet solut jonosta ja näin vapauttaa tilaa tuleville soluille. Lisälukemista Opetusmonisteissa tulee kaksi artikkelia, jotka käsittelee ruuhkanhallintaa ja ATM:n tuomia ongelmia IETF:n työsuositus Recommendation on Queue Management and Congestion Avoidance in the Internet Omar Elloumi & Hossan Afifi RED Algorithm in ATM Networks S Tietoliikenneverkot / Marko Luoma S Tietoliikenneverkot / Marko Luoma 55 Miten nämä vaikuttavat verkkoon EPD ja PPD johtavat helposti globaaliin synkronisaatioon, mikä on verkon toiminnan kannalta epäedullinen tilanne. Mikä ratkaisuksi FBA (Fair Buffer Allocation) parantaa EPD:tä lisäämällä pehmeän käyttäytymisen raja-alueella C-RED (Cell Random Early Detection) Yhdistää REDin ja koko kehyksen poiston soluverkkoon Lisäpähkinä Jotta mielenne pysyisi virkeänä ja saisitte tutkiskella asiaa tarkemmin vuorossa on tehtävät Kirjasta kappaleen 8 tehtävät 5 ja 6 Laitan ne myös www-sivulle S Tietoliikenneverkot / Marko Luoma S Tietoliikenneverkot / Marko Luoma 56