Tietoverkot ja QoS QoS ATM QoS-toteutukset Integrated Services Differentiated Services Petri Vuorimaa 1
Quality of Service (QoS) Tiedonsiirron vaatimukset määritellään QoSparametrien avulla: + esim. viive, virhetaajuus, kapasiteetti Palvelun käyttäjä neuvottelee laatuparametrit ennen palvelun käyttöä palvelun tarjoajan kanssa Neuvottelussa käytetään ylintä protokollatasoa Parametrit välitetään alemmille tasoille Petri Vuorimaa 2
Laatuparametrit Kaista Viive Huojunta Virheet Taattu / paras yritys Petri Vuorimaa 3
ATM Sopii sekä puheen, datan että multimedian siirtoon ATM:ssä käytetään 53 tavun soluja Solujen kytkentä on nopeaa (ASIC-piirit) Optinen kuitu: 155 Mbps, 622 Mbps, 2,5 Gbps Parikaapeli: 25 Mbps Siirto-ominaisuuksista (QoS) sovittava etukäteen Petri Vuorimaa 4
Ei Asiakas Joukko soluja tarvitsee palveluja Sovi ATM-verkon kanssa QoS Sopimus ok? Kyllä Lähetä solut ATM-verkkoon ATMverkko Sovi asiakkaan kanssa QoS Sopimus ok? Välitä solut eteenpäin Kyllä Ei
Solujen kytkentä ATM verkko muodostaa ATM-kytkimien kautta kulkevia yhteyksiä + Virtual Circuit Connection (VCC) Kahden ATM-kytkimen välillä on virtuaalinen yhteys + Virtual Connection (VC) Yhteydet voivat olla pysyviä (PVC) tai kytkettäviä (SVC) Petri Vuorimaa 7
Solujen kytkentä (jatk.) Useammalla yhteydellä voi olla sama polku + Virtual Path (VP) Virtuaalisillä on tunnusparit + VP Indetifier / VC Indentifier (VPI/VCI) Petri Vuorimaa 8
ATM-kytkin Petri Vuorimaa 9
Signalointi Yhteyksien muodostamista varten tarvitaan signalointia Ensin tarkistetaan QoS-vaatimukset ja sen jälkeen yhteyden onnistuminen Yksityinen verkko: + User Network Interface (UNI) + Pirivate-Network Node Interface (P-NNI) Petri Vuorimaa 10
Sovituskerros ja palveluluokat AAL1: audio ja video AAL2: vaihteleva bittinopeus AAL3: yhteydellinen data AAL4: yhteyksetön data AAL5: LAN-emulaatio Petri Vuorimaa 11
Sovitusluokat Petri Vuorimaa 12
QoS-toteutukset Reittittimien tehtävänä on ohjata sisääntuloista tulevat paketit oikeaan ulostuloon + Tehtävästä vastaa skeduleri + Skeduleri voidaan toteuttaa joko ohjelmana tai laitteistona + Yksittäiset paketit joutuvat odottamaan omaa vuoroaan Samoin ATM-kytkimessä skeduleri ohjaa yksittäisä soluja Petri Vuorimaa 13
Reitittimen toiminta Sisään prosessori Eteenpäin skeduleri Ulos prosessori Petri Vuorimaa 14
Jonotus Jos jono täyttyy, joudutaan paketti hylkäämään + Jonojen täyttymistä pyritään välttämään Yksinkertaisin jono on ns. FIFO-jono + Ensin tullut paketti ohjataan ensin oikeaan ulos-jonoon Petri Vuorimaa 15
FIFO-jono Sisään jono Ulos jono 10 9 8 7 Pakettimuisti 6 2 1 5 4 3 Petri Vuorimaa 16
Edut ja haitat FIFO-jono tasoittaa hyvin purskeita, kun kuormitus on alhainen Kun kuorimitus on korkea, aihetuu FIFOjonosta viivettä kaikille paketeille + Korkean prioriteetin liikenne kärsii + Jos jono täyttyy, kaikki paketit hylätään Petri Vuorimaa 17
Prioriteetit Yksinkertainen ratkaisu on antaa liikenteelle erilaisia prioriteettejä + Esim. reaaliaikaiselle liikenteellä voidaan antaa korkea prioriteetti Pakettien luokittelusta aiheutuu ylimääräistä kuormitusta Petri Vuorimaa 18
Prioriteetti-jono Sisään jono Ulos jono Korkea prioriteetti Normaali prioriteetti Petri Vuorimaa 19
Edut ja haitat Skedulerin toteuttaminen on yksinkertaista Luokittelu on vaikeaa Korkean prioriteetin liikenne voi tukkia reitittimen + Matalan prioriteetin liikenne ruuhkaantuu Petri Vuorimaa 20
Palveluluokat Eri palveluita varten voidaan tehdä omat ulosjonot + Korkean prioriteetin liikenne ei ruuhkauta matalan prioriteetin liikennettä Tarvitaan useita ulos-jonoja Petri Vuorimaa 21
Luokkiin perustava jono Sisään jono Luokkiin perustuvat jonot Korkea Keski Matala Petri Vuorimaa 22
Edut ja haitat Yksinkertainen tapa jakaa liikennettä eri palveluluokkiin Skaalaantuu huonosti + skeduloinnin monimutkaisuus ja jonojen ohjaus hidastaa nopeaa liikennettä Petri Vuorimaa 23
Painotetut jonot Weighted Fair Queuing (WFQ) Kapasiteettia jaetaan liikenteen määrän perusteella + Pienikapasiteettin liikenne saa etusija + Suurikapasiteettinen liikenne jakaa lopun ajan Liikenne jaetaan virtoihin + Jokainen virta menee jonoon liikenteen määrän perusteella Petri Vuorimaa 24
Painotettu reilu jono Sisään jono Vuo kohtaiset jonot Korkea Keski Matala Petri Vuorimaa 25
Edut ja haitat Reiluus + Yksi virta ei tuki kaikkea liikennettä Skaalaantuvuus + Laskenta aiheuttaa ylimääräistä kuormaa Luokittelu + Miten eri vuot luokitellaan ryhmiin Petri Vuorimaa 26
Liikenteen muokkaus Yksittäisiä liikennevirtoja muokataan sopiviksi + Paketteja laitetaan odottamaan jonoihin + Paketteja hylätään On myös mahdollista muokata tulevaa liikennettä + Ei välttämättä jonotuksen kanssa kilpaileva, vaan sitä tukeva menetelmä Petri Vuorimaa 27
Purskeiden suodatus Yksinkertaisin liikenteen muokkaustapa on suodattaa liikennepurskeita Tähän voidaan käyttää ns. vuotavaa ämpäriä + Ylisuuret liikennepurskeet suodatetaan pois + Tarvittaessa paketteja hukataan Otettu alunperin käyttöön ATM-verkoissa Petri Vuorimaa 28
Vuotava ämpäri Petri Vuorimaa 29
Kolikkoämpäri Paketien lähettämiseen tarvitaan aina kolikko + Käytössä on ämpäri, johon mahtuu B kolikkoa + Ämpäriin tulee R kolikko per sekuntti Kolikoita kertyy ämpäriin, jos niitä ei käytetä + Purskeet sallitaan tiettyyn rajaan asti Petri Vuorimaa 30
Kolikkoämpäri R kolikkoa per sekuntti B kolikkoa Petri Vuorimaa 31
RED Random Early Detection (RED) Tavoitteena on estää TCP/IP-liikenteen ruuhkautuminen + Paketteja ruvetaan hukkaamaan suuremmalla todennäköisyydellä, kun liikennemäärä kasvaa Sopii hyvin yhteen TCP-protokollan kanssa + Yksittäiset TCP-protokollat tiputtavat nopeutta + Tiputus ei tapahdu yhtäaikaa Petri Vuorimaa 32
Satunnainen aikainen varoitus Reitittimen jono maxth AvgLen minth Petri Vuorimaa 33
Yhteenveto Reitittimillä (ja kytkimillä) on olennainen vaikutus verkon QoS-ominaisuuksiin Tämä voidaan ottaa huomioon toteuksessa + Erilaiset jonot Yksittäisiä liikennevirtoja voidaan muokata + Vuotava ämpäri, kolikkoämpäri, RED Petri Vuorimaa 34
Integrated services Integrated Service Architecture work was started 1994 Designed to provide a set of extensions to the best-effort traffic model of Internet Basic underlying Internet architecture should not be modified Similar to the ATM model of QoS Petri Vuorimaa 35
Goals Define the services to be provided Define the interfaces for + Application service + Router scheduling + Link-layer Define router validation requirements Petri Vuorimaa 36
Implementation Real-time applications require resource reservation Reservation requires admission control Five key components + QoS requirements + resource-sharing requirements + allowance for packet dropping + provision for usage feedback + resource reservation protocol (RSVP) Petri Vuorimaa 37
QoS Requirements Focus on real-time QoS classes Latency and jitter are most important issues Two QoS-classes + Controlled load service + Guaranteed QoS Service Class Petri Vuorimaa 38
Controlled load service Approximates traditional best-effort services in unloaded condition + Better that best-effort Uses token bucket filter Each node handling the controlled load service request ensures that sufficient resources are available Petri Vuorimaa 39
Guaranteed QoS Service Class Bandwidth and delay guarantee Also uses the token bucket filter Measures end-to-end QoS Calculates end-to-end and hop-by-hop error terms + Cumulative delay (measured in bytes) + Delay caused by a node (measured in microseconds) Petri Vuorimaa 40
Reference model Routing agent Reservation setup agent Management agent Routing table Background processes Admission control Traffic control database Input driver Classifier Forwarding table Packet scheduler Output queue Output driver Petri Vuorimaa 41
Resource sharing requirements Allocation for network resources is accomplished on a flow-by-flow basis + Different network protocols (e.g., IP, IPX, SNA) + Different services within the same protocol suite (e.g., Telnet, FTP, SMTP) Different traffic flows should not unfairly utilize more than their fair share of network resources Petri Vuorimaa 42
Allowance for packet dropping Traffic control is provided by dropping packets Packets may be preemptable or subject to drop Similar to Random Early Detection (RED) Petri Vuorimaa 43
Conclusions Scalability is a big issue + What is ISP-router has 10 000 flows? Lacks security + Service attacks Special Link-Layer + ATM virtual circuit Petri Vuorimaa 44
Differentiated services - Goals Solution has to scale + individual micro-flows are aggregated into a single larger aggregate flow + the aggregate flow receives special treatment Applicable to all applications + no special control protocol (i.e., RSVP) + no new application programming interfaces Gigabitrate operation + 2.4 and 10 Gbps line rates are coming ISPs want to offer portfolio of service + versioning + QoS classes Petri Vuorimaa 45
Service classes Individual microflows are classified at the edge of the network Several unique service classes + E.g., Gold, Silver, Bronze Per-class service is applied in the middle of network Classification is based on one or more fields in the packets Petri Vuorimaa 46
Components DS-Field: denotes the service the packet should receive + IPv4: Type-of-service + IPv6: Traffic class Per-hop behavior (PHB): defines the service the packet receives at each hop Behavior aggregate (BA): group of similar packets Petri Vuorimaa 47
Components (cont.) Boundary router: positioned at the edge of the DiffServ-capable network + Packet classification + Metering + Marking + Traffic conditioning Interior router: core switches or routers that provide PHB Petri Vuorimaa 48
Reference model Traffic meter MF classifier Marker Traffic conditioner Ingress router Core router Core router Egress router BA classifier Queuing Petri Vuorimaa 49
Per-hop behavior IETF DiffServ Working Group is finishing work on two PHBs: + Expedited forwarding (EF) + Assured forwarding (AF) Petri Vuorimaa 50
Expedited forwarding (EF) Supports low loss, low delay, and low jitter connections Point-to-point virtual leased line Peak bandwidth Packets must spent minimum time in router queues Traffic is conditioned to the peak rate Petri Vuorimaa 51
Assured forwarding (AF) Four relative classes of service + just distinct classes Each service class has three levels of drop precedence + high precedence packets are dropped before low precedence packets In total, twelve combinations Petri Vuorimaa 52
Open questions How network policies are managed? + Manual configuration + Simple Network Management Protocol (SNMP) + Lightweight Directory Access Protocol (LDAP) + Common Open Policy Server (COPS) How to extend across ISP boundaries? + Bilateral agreements + Bandwidth brokers Petri Vuorimaa 53