Πανεπιστήμιο Κύπρου IP QOS 1999 ΕΠΛ420 – Δίκτυα Υψηλών Ταχυτήτων με την χρήση πολυμέσων και πολυσυνδέσεων Internet Protocol Quality of Services Internet Protocol Quality of Services Δημήτρης Ζεϊναλιπούρ • Στέλλα Αριστείδου • Σοφία Καζέλη • Professor: Andreas Pitsillides • Teaching Assistant: Yiannakis Mylonas • WWW : © Department of Computer Science – University of Cyprus

Πανεπιστήμιο Κύπρου IP QOS 1999 Γενικοί τρόποι να προσφέρουμε QoS σε δίκτυα (1/2) 1.Με την παροχή άφθονων πόρων (Plentiful Capacity) 2.Με την ορθολογιστική σχεδίαση & διαχείριση (Network Traffic Engineering) 1) Με την παροχή άφθονων πόρων (Plentiful Capacity) •Συνδέσεις Υψηλών Ταχυτήτων - Oπικές Ίνες, UTP5 •Υψηλή Υπολογιστική Ισχύς των συσκευών (router, κάρτες) •Άφθονοι καταχωρητές για να αποφεύγεται εύκολη υπερχείλιση Εύκολη αυτή η πρόσφορα σε τοπικά ή κλειστά δίκτυα γιατί γνωρίζουμε την συμπεριφορά και αριθμό των πελατών. Πλεονέκτημα: Απλότητα, Ήδη αρκετά εξαπλωμένα (e.g 100Mb Ethernet) Μειονέκτημα: Πάλι 1 service level, Απροσδόκητα σε ψηλό φόρτο

Πανεπιστήμιο Κύπρου IP QOS 1999 Γενικοί τρόποι να προσφέρουμε QoS σε δίκτυα (2/2) 2) Με την ορθολογιστική σχεδίαση & διαχείριση (Network Traffic Engineering) Βασική Ιδέα είναι η κατηγοριοποίηση χρηστών σε κλάσεις, ύπαρξη έξυπνων μηχανισμών για να διαχειρίζονται το δίκτυο. Τρόποι •Reservation-based Engineering. (connection oriented) Προκρατηση των πόρων για διασφαλισμένη μετάδοση π.χ ATM, RSVP-Intserv •Reservation-less Engineering. Καμία προκρατηση, αλλά επιτυγχάνεται QoS με χρήση έξυπνων μηχανισμών όπως CAC, Policy Managers, Μηχανισμούς Ουρών (e.g RED), Traffic Classes κ.τ.λ (Diffserv)

Πανεπιστήμιο Κύπρου IP QOS 1999 Μηχανισμοί για προσφορά QoS σε δίκτυα •Admission Control. •Traffic Shaping & Conditioning / Policing (e.g leaky bucket). Περιορισμός χρήστη στο Τraffic Profile όπως καθορίζεται συνήθως από το SLA •Packet Classification & Marking. Κατάταξη των εφαρμογών μας σε κλάσεις. Αυτό μπορεί να γινει με προσθήκη επιπρόσθετης πληροφορίας στα πακέτα μας e.g στο ATM AAL headers, στο ΙPv4 ToS πεδίο, IPv6 Traffic Class octet e.g στο ATM AAL headers, στο ΙPv4 ToS πεδίο, IPv6 Traffic Class octet •Scheduling mechanism & Efficient Queuing & Packet Discarding. Μηχανισμοί για διαχείριση πακέτων που ανήκουν σε διαφορετικές κλάσεις e.g Weighted Round Robin, Class Based Queuing. Δίκαιη καταστροφή πακέτων. •Signaling Protocols. Για προδέσμευση πόρων (RSVP) και για γνώση της κατάστασης των δικτύων •Congestion Control Για να είναι σε αποδοτικά και stable τα δίκτυα πρέπει να υπάρχουν Μηχανισμοι (RED Random Early Detection) ή ECN (Explicit Congestion Notification) για πρόληψη συμφορήσεων που μπορεί να οδηγήσουν τα δίκτυα μας σε απρόσμενες καταστάσεις

Πανεπιστήμιο Κύπρου IP QOS 1999 Μηχανισμοι Προσφοράς QoS στα ATM Reservation-based Traffic Engineering όμως είναι Complex Το ΑΤΜ παρέχει ένα πλούσιο σύνολο τέτοιων μηχανισμών που μπορούμε να χρησιμοποιήσουμε και σε αλλά δίκτυα προσφοράς QoS Τρόποι •Virtual Channels Εκτός από το routing κάνουν και την προδέσμευση των Πόρων •Service Categories & QoS Descriptors Κλάσεις υπηρεσιών που υλοποιούνται μέσω των 5 ΑΤΜ Adaptation Layers, για υπηρεσίες με CBR, VBR, ABR, UBR •Intelligent Queuing Mechanisms

Πανεπιστήμιο Κύπρου IP QOS 1999 Μηχανισμοί Προσφοράς QoS στo IP (1/16) Με βάση το IETF οι επικρατέστερες προσεγγίσεις-αρχιτεκτονικές •IntServ (Integrated Services)  Αναμένεται να χρησιμοποιηθεί σε τοπικά & κλειστά δίκτυα •Diffserv (Differentiated Services)  Αναμένεται να χρησιμοποιηθεί σε enterprise networks, μεταξύ των παροχέων υπηρεσιών (e.g ISPs) •ISSLL (Internet Services over Specific Link Layers) Αναμένεται να επεκτείνει την IntServ αρχιτεκτονική για χρήση της σε μεγάλα δίκτυα. Ιntegration του DiffServ με το IntServ

Πανεπιστήμιο Κύπρου IP QOS 1999 IntServ - Μηχανισμοί Προσφοράς QoS στo IP (2/16) IntServ (Integrated Services) •Σύσταση IntServ το Ορίστηκε στο RFC 1633 •Αποσκοπεί στην δημιουργία μιας αρχιτεκτονικής στο επίπεδο της μεταφοράς, που θα στηρίζει και τις ροές (flows) με χρονισμό (real time) •Απαιτει την προδέσμευση των πόρων. Default πρωτόκολλο σήμανσης της είναι το RSVP. Κύρια συστατικά αυτής της Αρχιτεκτονικής •Traffic Control •Traffic Classes •Setup Protocol

Πανεπιστήμιο Κύπρου IP QOS 1999 IntServ – Συστατικά της Αρχιτεκτονικά (3/16) Traffic Control 1)Admission Control Που γίνεται από τους Policy Servers κατα την διάρκεια του RSVP 2)Packet Classifiers Που κατηγοριοποιούν τα πακέτα μας με βάση την κλάση εξυπηρετησης που βρίσκονται. Η κλάση ορίζεται μέσω πληροφοριών στα header, FLOWSPEC, Flow Label. Ετσι το δίκτυο βλέπει αν μπορεί να επιτρέψει σε μια εφαρμογή να δεσμεύσει τους πόρους που ζητά (κατα την διάρκεια του RSVP request) 3)Packet Schedulers Στους κόμβους του δικτύου μας χρονοδρομολογουν τα flows Flow Είναι ένα stream από πακέτα που προκύπτουν από τον ίδιο χρήστη και προορίζονται για καποιο συγκεκριμένο παραλήπτη

Πανεπιστήμιο Κύπρου IP QOS 1999 IntServ – Συστατικά της Αρχιτεκτονικά (4/16) Traffic Classes 1)Guaranteed Απόλυτες εγγυήσεις για το bandwidth και τα delays 2)Controlled Load Best effort υπηρεσίες σε χαμηλά φορτωμένα δίκτυα 3)Best-Effort Για υπηρεσίες που δεν θέλουν να τύχουν διαφορετικής εξυπηρετησης από το υπάρχον best effort που τους προσφέρει το Internet ( ,ftp,..) Setup Protocol To default πρωτόκολλο σήμανσης και πρωτόκολλο εγκατάστασης της σύνδεσης του IntServ, είναι το RSVP, το οποίο προδεσμεύει τους πόρους πριν από κάθε μετάδοση.

Πανεπιστήμιο Κύπρου IP QOS 1999 IntServ – RSVP (πρωτόκολλο σήμανσης του) (5/16) RSVP (Resource Reservation Protocol) - RFC 2205 •Δουλεύει στο επίπεδο μεταφοράς (transportation layer) Λειτουργική Περιγραφή (Reservation done with path message. Multicast)

Πανεπιστήμιο Κύπρου IP QOS 1999 IntServ – RSVP (πρωτόκολλο σήμανσης του) (6/16) Χαρακτηριστικά του RSVP 1.Multicast environments & Receiver heterogeneity Δουλεύει καλά για multicast περιβάλλοντα (e.g Ήχος,εικόνες) (είναι Uni-Directional) Επίσης μπορεί να δουλέψει για πελάτες που ανήκουν σε διαφορετικά είδη δικτύων 2.Receiver Oriented Οι πελάτες είναι υπεύθυνοι να κάνουν το Reservation ανάλογα με το QoS επίπεδο που θέλει να στείλει ο αποστολέας 3.Soft State Η προκρατηση των πόρων που γίνεται κατα μήκος του route πρέπει να γίνεται refresh περιοδικά από τον receiver, για να μην κάνει time-out  Ανθεκτικό Πρωτόκολλο 4.No build in mechanism for routing or packets Το Routing γίνεται με το IP πρωτόκολλο. Δεν ασχολείται με το Αdmission Control, Packet Classification, Packet Scheduling) Δεν ασχολείται με το Αdmission Control, Packet Classification, Packet Scheduling)

Πανεπιστήμιο Κύπρου IP QOS 1999 IntServ – RSVP (πρωτόκολλο σήμανσης του) (7/16) Μειονεκτήματα του RSVP 1.Επεκτασιμότητα (Scalability) To RSVP δεν αναμένεται να χρησιμοποιηθεί σε μεγάλα δίκτυα γιατί οι πολλά ξεχωριστά flows απαιτούν να κρατούμε το state κάθε ροής στον router  Aεφικτό Δεν είναι aggregate οι ροές όπως το DiffServ 2.Ασφάλεια (Security) Δεν προσφέρονται σήμερα Μηχανισμοι για έλεγχο ποιοι ζητούν πόρους. Γίνονται ωστόσο προσπάθειες με το RSVP Cryptographic Authentication να λυθεί αυτό 3.Policy Control Κανένας έλεγχος. Λύσεις αναμένονται από το RSVP extensions for Policy Control RSVP in Production ! Πολλά προϊόντα που είναι RSVP enabled κυκλοφορούν. Συγκεκριμένα η Microsoft και η CISCO θα προσφέρουν το Active Directory σε μελλοντική έκδοση του ΝΤ, που Θα προσφέρει εργαλεία για διαχείριση (security,policy) RSVP-based δικτύων

Πανεπιστήμιο Κύπρου IP QOS 1999 DiffServ - Μηχανισμοί Προσφοράς QoS στo IP (8/16) DiffServ (Differentiated Services) •Σύσταση DiffServ το Ορίστηκε στο RFC 2475, 2474 •Αποσκοπεί στην δημιουργία μιας αρχιτεκτονικής στο επίπεδο της μεταφοράς, που θα στηρίζει τις ροές (flows) με χρονισμό (real time), στο επίπεδο της μεταφοράς •Δεν απαιτει την προδέσμευση των πόρων όπως το IntServ. •Είναι Connection-less και αναμένεται να χρησιμοποιηθεί στα enterprise δίκτυα, από τους service providers, με την χρήση SLAs μεταξύ των ISPs. •Στηρίζεται στις κλάσεις υπηρεσιών, όπου κάθε κλάση έχει διαφορετική προτεραιότητα. Οι προτεραιότητες γίνονται marked μέσα στα header του ΙP πακέτου για να μπορέσουν να χρησιμοποιηθούν από τους routers. Συμφωνία με τον πελάτη γίνεται μέσω του SLA. •Δεν έχει μηχανισμούς για Admission Control για αυτό αναμένεται να χρησιμοποιηθεί με το ΙntServ για End to Εnd QoS

Πανεπιστήμιο Κύπρου IP QOS 1999 DiffServ – Packet Marking (9/16) DiffServ (Differentiated Services) •Oι routers στα άκρα των δικτύων, θα κατηγοριοποιούν τα πακέτα, και θα τα κάνουν marked με το DS, ετσι ώστε να μπορούν οι routers να τους προσφέρουν το επίπεδο εξυπηρέτησης που ζητάνε.

Πανεπιστήμιο Κύπρου IP QOS 1999 DiffServ – Αggregate Flows (10/16) DiffServ (Differentiated Services) •Oι ingress ή edge routers θα συναθροίσουν τις πολλές και ανεξάρτητες ροές (flows) σε aggregate flows (συναθροισμένες ροές), κάνοντας ετσι ευκολότερη την δρομολόγηση τους, αφού δεν θα υπαρχει το πρόβλημα των ανεξάρτητων ροών (όπως το DiffServ). Ετσι η πολυπλοκότητα των ροών μετακινείται προς τα άκρα όπου είναι και λιγότερες οι ροές. Επιτυγχάνεται με το Behavior Aggregate (ροές με το ίδιο DSCP)

Πανεπιστήμιο Κύπρου IP QOS 1999 (IPv4 TOS, IPv6 Traffic octet)  DSCP (11/16) Packet Marking To IPv4 ToS πεδίο που βρίσκεται στα headers του IP πακέτου, αλλά και το IPv6 Traffic Octet πεδίο, μετονομάζονται τώρα σε DSCP DiffServ Code points

Πανεπιστήμιο Κύπρου IP QOS 1999 DCSP (DiffServ Code point) (11/16) •ToS πεδίο είναι 8 bit •To DSCP χρησιμοποιεί τα 6bits στο Ιpv4. Τα άλλα 2 bit είναι ανεκμετάλλευτα. Συνεπώς έχουμε 2^6=64 codepoints.  Δυνατότητα Υποστήριξης 64 Κλάσεων DSCP= ενδεικνύει EF (Expedited Forwarding) DSCP= ενδεικνύει EF (Expedited Forwarding) DSCP= ενδεικνύει DF (Default - Best Effort) DSCP= ενδεικνύει DF (Default - Best Effort) Flash Immediate Priority Routine Network Control Internetwork Control CRITIC/ECP Flash Override Minimize monetary cost Normal service Minimize delay Maximize throughput Maximize reliability ΙPv4 ΤοS header (RFC791) ΙPv6 ΤοS octet (RFC791) RFC1122 RFC1349RFC791 unused

Πανεπιστήμιο Κύπρου IP QOS 1999 DiffServ – Service Classes (12/16) Κλάσεις Υπηρεσιών όπως ορίζονται από την IETF •Premium Services Aυτη η κλάση προσπαθεί αν μειώσει στο ελάχιστο την καθυστέρηση, και να προσφέρει υπηρεσίες με χαμηλές πιθανότητες για χάσιμο πακέτων σε δοσμένο Peak Rate Προσπαθεί να προσομοιώσει την κλασσική Leased Line υπηρεσία. •Assured Services Προσπαθεί να προσομοιώσει την κίνηση σε χαμηλά φορτωμένα δίκτυα ακόμα και στις περιπτώσεις που παρατηρείται υπερφόρτωση του δικτύου. Υπόσχεται να παραδώσει ένα Traffic με ψηλό βαθμό ασφάλειας, και στα όρια που προκαθορίσθηκαν Στο μέλλον αναμένεται να αυξηθούν αυτές οι υπηρεσίες αφού ο κάθε ISP θα ορίσει αυστηρά τι υπηρεσίες θα προσφέρει και με τι εγγυήσεις. Αυτό εξάλλου θα τους διαφοροποιήσει από την αγορά

Πανεπιστήμιο Κύπρου IP QOS 1999 DiffServ – Πως Δουλεύει (13/16) Οντότητες Που εργάζονται για την επίτευξη του DiffServ Boundary Behaviour (Edge/Ingress Routers) 1.MF Classifiers (κατηγοριοποίηση πακέτων με βάση το QoS που ζητούν & δικαιούνται) 2.Markers (γράφουν την IP πληροφορία με βάση την κατηγοριοποίηση που έχει γινει) 3.Traffic Meter (κρατά κατάσταση δικτύου για να ξέρουμε πότε θα δεχθούμε νέες ροές στο δίκτυο μας. Μπορεί τα πακέτα να γίνουν dropped πριν εισέλθουν στο δίκτυο  Υπό ερευνά η λειτουργία του) 4.Traffic Conditioner (Ασχολείται για να εφαρμόσει την PHB όπως αυτή είχε προκαθοριστεί από το traffic profile  Policing,Shaping, αλλά και συντήρηση του δικτύου Internal Behavior (Core Routers) 1.Behavior Aggregate (BA) Είναι μια ομάδα από πακέτα με το ίδιο DSCP (δηλαδή είναι aggregate flow). PHB εφαρμόζεται σε κάθε BA μέσα στο δίκτυο 2.Queuing Η ταξινόμηση των Πακέτων θα γίνεται σύμφωνα με το DSCP, που καθορίζει την προτεραιότητα κάθε αθροισμένης ροής

Πανεπιστήμιο Κύπρου IP QOS 1999 DiffServ – Πως Δουλεύει (14/16) Ingress Routers Core Routers Egress Routers MF classifier Marker Traffic Conditioner Traffic Meter BA classifierQueuing Interior functions Fig 4 : Diff Serv Boundary & Interior Elements Boundary functions

Πανεπιστήμιο Κύπρου IP QOS 1999 DiffServ – Συμπεριφορές PHBs (15/16) PHB – Per Hop Behaviors Είναι ο τρόπος με τον οποίον τα DiffServ Πακέτα θα προωθηθούν (forwarded) από τον ένα Core router στον άλλο. Μέσα στην επεξεργασία που επιδέχεται ένα πακέτο πριν προωθηθεί περιλαμβάνεται το policing, πιθανές ανασημάνσεις(remarkings) των πακέτων συντονισμός (scheduling) και αλλά Η PHB ορίζεται με την βοήθεια του 6bit DSCP Συμπεριφορές για Προώθηση 1.ΕF – Expedited Forwarding Η γρήγορη προώθηση με εγγυήσεις για Low Loss, Low Delay, Low Jitter Απαιτει όπως οι ροές “Συμπεριφέρονται”. Αυτές που υπερβαίνουν το Traffic Profile θα καταστρέφονται 2.AF - Assured Forwarding Σίγουρη Προώθηση σε 4 διαφορετικές κλάσεις όπου κάποιος μπορεί να λάβει εύρος ζώνης και άλλες εγγυήσεις. Κάθε μια από τις 4 κλάσεις ορίζει 3 διαφορετικά επίπεδα για dropping 3.DE - Default Forwarding (no processing of the DSCP)

Πανεπιστήμιο Κύπρου IP QOS 1999 DiffServ – Η εφαρμογή του σήμερα (16/16) •DiffServ is Backward Compatible, και άρα θα μπορεί να εργάζεται με routers που καταλαβαίνουν το ToS πεδίο. Ωστόσο πολλές διαδικασίες όπως traffic classification,shaping,queuing δεν θα είναι εφικτές  Μπορεί να γινει σταδιακή αναβάθμιση •Από τα φέτος (1999) θα προσφερθούν DiffServ-capable hardware H Bay Networks ήδη προσφέρει το Versallar II Access Switch (~$500 για Τ1) Άλλες εταιρείες θα προσφέρουν Software Upgrades των routers. Αλλά για να επιτύχουμε ψηλά επίπεδα επιδόσεων θα χρειαστεί hardware αναβάθμιση. Σε 2-3 χρόνια θα πρέπει να αναμένεται ευρεία χρήση του DiffServ •Παράγοντες της αγοράς (κατασκευαστές,...) αναμένουν ήδη από φέτος μερικοί ΙSP να προσφέρουν Differentiated Services. Ωστόσο αρχικά η πρόσφορα θα είναι από τον ένα ISP προς τον άλλο (e.g Cytanet προς Otenet). •Οι ISPs θα χρειαστούν compatible SLAs για να γινει εφικτή η πρoσφορά End-to-End. H απλή αναβάθμιση των routers των ISPs δεν θα είναι αρκετή. Θα πρέπει ο κάθε ISP να προσδιορίσει τις υπηρεσίες που θέλει να προσφέρει. Πολλοί ISPs θα προσφέρουν διαφορετικές υπηρεσίες από αυτές που ορίζει το IETF. Αυτό θα δημιουργήσει προβλήματα μεταξύ των Local ISPs, αλλά θα αναβαθμίσει τον ρόλο των Global ISPs (MSN-Microsoft, κ.τ.λ) •Το Μέλλον του DiffServ “Λαμπρό”. Τεχνολογίες δικτύων Υψηλών Ταχυτήτων θα το βοηθήσουν.