S Tietoliikenneverkot

Transkriptio

1 S Tietoliikenneverkot Luento 6: Liikenteenhallinta 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

2 Historiaa 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 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

3 Mitä ja Miksi liikenteenhallintaa Reitittimet jakavat yhteisiä resursseja Verkon siirtokapasiteettia Reitittimen puskurointikapasiteettia Reitittimen prosessointikapasiteettia Resurssit ovat rajallisia ja yhdenkin loppuminen johtaa toiminnan rajoittumiseen S Tietoliikenneverkot / Marko Luoma 5 Contend vs Congest 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 S Tietoliikenneverkot / Marko Luoma 6

4 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 7 Resurssien jako ja ruuhkanhallinta 100% Resurssien varaus Ruuhkanhallinta 0% S Tietoliikenneverkot / Marko Luoma 8

5 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 S Tietoliikenneverkot / Marko Luoma 9 Liikenteen hallinnan aikatasoja Vuonhallinta Paketti IP-kytkentä Yhteys Reititys Verkonhallinta S Tietoliikenneverkot / Marko Luoma Verkonrakennus 10

6 Ruuhkanhallinta vs vuonhallinta Ruuhkanhallinta pyrkii estämään lähdettä ylittämästä verkon resursseja Vuonhallinta pyrkii estämään lähdettä ylittämästä vastaanottajan resursseja S Tietoliikenneverkot / Marko Luoma 11 Vuo (eri kuin vuonhallinta) 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 S Tietoliikenneverkot / Marko Luoma 12

7 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 S Tietoliikenneverkot / Marko Luoma 13 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

8 Lähestymistapoja liikenteenhallintaan Reititin - lähde keskeinen Varaus - vaste pohjainen Ikkuna - nopeus pohjainen S Tietoliikenneverkot / Marko Luoma 15 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 16

9 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 17 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 18

10 Internet Best effort verkko Vastepohjainen toiminta (ei varausta) Lähdepohjainen toimintatapa Käyttää ikkunapohjaista lähteenhallintaa Tulevaisuudessa taattuja palveluita Varauspohjaisia palveluita Vaatii paljon reitittimiltä Luonnostaan nopeuspohjainen lähteenhallinta S Tietoliikenneverkot / Marko Luoma 19 Liikenteenhallinnan vertailumenetelmiä Liikenteenhallinnan menetelmiä vertaillaan usein niiden suhteessa Verkon resurssien hyödyntämiseen Lähteiden reiluun käsittelyyn S Tietoliikenneverkot / Marko Luoma 20

11 Resurssiteho Resurssiteho optimoi kahta keskeistä parametria läpäisyä viivettä Optimoinnin tavoite on saada mahdollisimman suuri läpäisy mahdollisimman pienellä viiveellä Teho Läpäisy Viive Teho Optimi S Tietoliikenneverkot / Marko Luoma Kuorma 21 Reiluus Reiluus on määritelmä sille, miten oikeudenmukaisesti eri yhteyksiä kohdellaan ruuhkautuvassa reitittimessä S Tietoliikenneverkot / Marko Luoma 22

12 Sosialistinen näkökanta Kaikkia palvellaan tasapuolisest Kaikki resurssit ovat kaikkien vapaasti hyödynntettävissä Kaikilta odotetaan kunnioitusta toisia kohtaan S Tietoliikenneverkot / Marko Luoma 23 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 S Tietoliikenneverkot / Marko Luoma 24

13 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 25 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 26

14 TCP-ruuhkanhallinta Lineaarinen kasvu Jokainen onnistuneesti lähetetty ruuhkaikkunallinen kasvattaa ruuhkaikkunaa yhdellä paketilla: RuuhkaIkkuna = RuuhkaIkkuna + MSS Käytännössä jokainen vastesanoma kasvattaa ikkunaa omalta osaltaan: Eksponentiaalinen peräytyminen Jokainen epäonnistunut lähetys (ajastin laukeaa) aiheuttaa ruuhkaikkunan puoliintumisen: RuuhkaIkkuna = ½ * RuuhkaIkkuna Inc = MSS * (MSS/RuuhkaIkkuna) RuuhkaIkkuna = RuuhkaIkkuna + Inc S Tietoliikenneverkot / Marko Luoma 27 TCP-ruuhkanhallinta Perusversion käyttäytyminen Pitkät hitaat kasvamiset Nopeat pudotukset S Tietoliikenneverkot / Marko Luoma 28

15 TCP-ruuhkanhallinta 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 29 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 30

16 TCP-Ruuhkanhallinta Slow Start käyttäytyminen Nopeat nopeuden kasvattamiset Pitkät kuolleet hetket Lähetettävä data Paketin katoaminen ja siitä johtuva ajastimen laukeaminen Ruuhkaikkuna S Tietoliikenneverkot / Marko Luoma 31 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!!! S Tietoliikenneverkot / Marko Luoma 32

17 TCP-Ruuhkanhallinta Jokainen yksittäinen kadonnut tai viivästynyt paketti vahvistetaan edellisellä oikealla ACK sanomalla. Paketti 1 Paketti 2 Paketti 3 Paketti 4 ACK 1 ACK 2 Kolme peräkkäistä samaa ACK sanomaa laukaisee uudelleen lähetyksen. Mikäli uudelleen lähetys ei tuo kuittausta jokaiseen pakettiin odotetaan ajastimen laukeamista. Paketti 5 Paketti 6 Paketti 3 ACK 2 ACK 2 ACK 2 ACK S Tietoliikenneverkot / Marko Luoma 33 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 34

18 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 S Tietoliikenneverkot / Marko Luoma 35 Reitittimet Ruuhkanhallinnan menetelmät voidaan jakaa kahteen luokkaan: ruuhkatilaa ennustaviin ruuhkatilaan reagoiviin S Tietoliikenneverkot / Marko Luoma 36

19 Reitittimet Ennustavat menetelmät pyrkivät pitämään verkon/reitittimen toimintapisteen resurssiteho maksimissa Reagoivat menetelmät pyrkivät palauttamaan toimintapisteen optimiin, mikäli se sen ylittää S Tietoliikenneverkot / Marko Luoma 37 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 38

20 Reitittimet 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 39 Reitittimet Puskurinhallintaan on erilaisia mekanismeja Tail Drop (häntäkarsinta) Random Drop (Satunnaiskarsinta) Random Early Detection (Ennakoiva satunnaiskarsinta) Weighted Fair Queueing (Reilujonotus) S Tietoliikenneverkot / Marko Luoma 40

21 Tail Drop Tail Drop eli häntäkarsinta on yksinkertaisin puskurinhallintamekanismi. Siinä rajallinen puskuri, jota palvellaan FIFOperiaatteella, ylivuotaa pitäen siten liikenteen kurissa S Tietoliikenneverkot / Marko Luoma 41 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 42

22 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 S Tietoliikenneverkot / Marko Luoma 43 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 S Tietoliikenneverkot / Marko Luoma 44

23 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 45 Random Early Detection REDissä hyödynnetään puskurin keskimääräistä tilaa karsinta todennäköisyyden laskemiseen. Keskimääräinen puskurin täyttöaste lasketaan keskiarvo-suodattimella Max Min avg q ( ) avg t t 1 t 1 avg S Tietoliikenneverkot / Marko Luoma 46

24 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) S Tietoliikenneverkot / Marko Luoma 47 Fair Queuing Menetelmä, jossa ryhmälle yhteyksiä muodostetaan rinnakkaiset jonot Nämä rinnakkaiset jonot ovat tietyssä mielessä autonomisia, eli niillä ei ole suoraa interaktiota keskenään S Tietoliikenneverkot / Marko Luoma 48

25 Fair Queuing metodit Palvelua jaetaan kiertävällä periaattella perustuen: Tasapuolisesti» Paketti kerrallaan» Bitti kerrallaan Painotetusti» Paketti kerrallaan» Bitti kerrallaan S Tietoliikenneverkot / Marko Luoma 49