Transmisja z gwarantowana jakoscia obsługi w Internecie

Transmisja z gwarantowana jakoscia obsługi w Internecie

Transmisja z gwarantowaną jakością
obsługi w Internecie
dr inż. Jerzy Domżał
Akademia Górniczo-Hutnicza w Krakowie, Katedra Telekomunikacji
28 listopada 2016 r.
dr inż. Jerzy Domżał (AGH)
Wprowadzenie do sieci Internet
28 listopada 2016 r.
1 / 35
Spis treści
1
Wstęp
2
Architektury QoS
3
Architektura Integrated Services
4
Architektura Differentiated Services
dr inż. Jerzy Domżał (AGH)
Wprowadzenie do sieci Internet
28 listopada 2016 r.
2 / 35
Spis treści
1
Wstęp
2
Architektury QoS
3
Architektura Integrated Services
4
Architektura Differentiated Services
dr inż. Jerzy Domżał (AGH)
Wprowadzenie do sieci Internet
28 listopada 2016 r.
2 / 35
Spis treści
1
Wstęp
2
Architektury QoS
3
Architektura Integrated Services
4
Architektura Differentiated Services
dr inż. Jerzy Domżał (AGH)
Wprowadzenie do sieci Internet
28 listopada 2016 r.
2 / 35
Spis treści
1
Wstęp
2
Architektury QoS
3
Architektura Integrated Services
4
Architektura Differentiated Services
dr inż. Jerzy Domżał (AGH)
Wprowadzenie do sieci Internet
28 listopada 2016 r.
2 / 35
Spis treści
1
Wstęp
2
Architektury QoS
3
Architektura Integrated Services
4
Architektura Differentiated Services
dr inż. Jerzy Domżał (AGH)
Wprowadzenie do sieci Internet
28 listopada 2016 r.
3 / 35
Jakość transmisji w Internecie
Internet został zaprojektowany do transmisji danych
Pierwotnie nie zakładano żadnych parametrów jakości
transmisji
Wraz ze wzrostem szybkości łączy możliwe stało się
przesyłanie dźwięku i strumieni multimedialnych
Określono parametry jakościowe:
opóźnienia
jitter
straty pakietów
średnia i szczytowa szybkość transmisji
dr inż. Jerzy Domżał (AGH)
Wprowadzenie do sieci Internet
28 listopada 2016 r.
4 / 35
Transmisja obrazu w Internecie
Transmisja obrazu to tak naprawdę transmisja danych
Obrazy to jednak sporo więcej danych - konieczna kompresja
GIF - ok. x8 (max 256 kolorów)
JPG - kompresja ok. x20
dr inż. Jerzy Domżał (AGH)
Wprowadzenie do sieci Internet
28 listopada 2016 r.
5 / 35
Transmisja dźwięku w Internecie
Paczka danych stanowiących kilka sekund dźwięku (bez
kompresji) jest znacznie większa (nawet kilkaset razy) niż
dobrej jakości obraz
Standard MIDI (Musical Instrument Digital Interface)
prosty format zapisu zdarzeń muzycznych
tylko nuty, jakość zależna od karty muzycznej
WAV (wave form audio format)
cyfrowa reprezentacja sygnału analogowego
częstotliwość próbkowania wpływa na jakość skompresowanego
dźwięku
dr inż. Jerzy Domżał (AGH)
Wprowadzenie do sieci Internet
28 listopada 2016 r.
6 / 35
Transmisja dźwięku w Internecie c.d
MP3 (MPEG Audio Layer-3)
próbka musi mieć reprezentację cyfrową o odpowiedniej
rozdzielczości
stratna kompresja pozwala skompresować dźwięk jakości CD
ok. 15 razy, radiowej nawet 100 razy
oryginalnie brak możliwości strumieniowania
Formaty strumieniowania dźwięku
QuickTime Audio (Mac)
RealAudio
Windows Media Audio (Microsoft)
dr inż. Jerzy Domżał (AGH)
Wprowadzenie do sieci Internet
28 listopada 2016 r.
7 / 35
Transmisja wideo w Internecie
MPEG (Moving Picture Experts Group)
pierwowzorem był animowany GIF
szybkozmieniające się obrazy JPEG
kompresja stratna nawet do x40
Strumieniowanie wideo
Wideokonferencje
dr inż. Jerzy Domżał (AGH)
Wprowadzenie do sieci Internet
28 listopada 2016 r.
8 / 35
Mechanizmy QoS dla sieci IP
Zapewnienie odpowiedniej jakości przekazu przez sieć IP wymaga:
Zdefiniowania klas usług sieciowych oraz mechanizmów
zapewniających sterowanie ruchem; mechanizmy takie mogą
(a czasami muszą) być zaimplementowane w każdym węźle (w
tym przypadku w ruterze IP),
Określenia zasobów sieciowych przynależnych danej usłudze
sieciowej (odpowiednia przepustowość na każdym łączu
wyjściowym wraz z buforem dla gromadzenia pakietów
powodujących chwilowe przeciążenia),
dr inż. Jerzy Domżał (AGH)
Wprowadzenie do sieci Internet
28 listopada 2016 r.
9 / 35
Mechanizmy QoS dla sieci IP c.d.
Zdefiniowania mechanizmów w ruterach IP pozwalających
rozróżniać pakiety wg ich przynależności do danej usługi
sieciowej,
Zdefiniowania dla każdej z usług sieciowych parametrów QoS
określających jakość obsługi,
Zdefiniowania funkcji realizującej przyjmowanie/odrzucanie
nowych wywołań (a więc sterowanie dostępem),
Zdefiniowania parametrów połączenia, zgłaszanych w fazie
zestawiania połączenia i dotyczących charakterystyki
oferowanego ruchu; zwykle są one podawane w formie
parametrów mechanizmu token-bucket,
Zablokowania ruchu niezgodnego z kontraktem ruchowym.
dr inż. Jerzy Domżał (AGH)
Wprowadzenie do sieci Internet
28 listopada 2016 r.
10 / 35
Spis treści
1
Wstęp
2
Architektury QoS
3
Architektura Integrated Services
4
Architektura Differentiated Services
dr inż. Jerzy Domżał (AGH)
Wprowadzenie do sieci Internet
28 listopada 2016 r.
11 / 35
Architektury QoS
Podstawową usługą sieci TCP/IP jest best effort. Zarządzanie
ruchem realizowane jest jedynie na końcu systemu. Na potrzeby
zapewniania gwarancji QoS, w ramach IETF (Internet Engineering
Task Force) zaproponowano dwie alternatywne architektury dla
sieci IP:
Integrated Services (IntServ) — w architekturze tej zasoby
sieci są przydzielane dla danej aplikacji na żądanie (z
rezerwacją zasobów),
Differentiated Services (DiffServ) — w architekturze tej
przesyłane przez sieć strumienie ruchu klasyfikowane są
zgodnie z wprowadzonymi usługami sieciowymi i przesyłane w
sieci z różnymi priorytetami (z priorytetyzowaniem strumieni
ruchu)
dr inż. Jerzy Domżał (AGH)
Wprowadzenie do sieci Internet
28 listopada 2016 r.
12 / 35
Spis treści
1
Wstęp
2
Architektury QoS
3
Architektura Integrated Services
4
Architektura Differentiated Services
dr inż. Jerzy Domżał (AGH)
Wprowadzenie do sieci Internet
28 listopada 2016 r.
13 / 35
Architektura IntServ
W architekturze IntServ [RFC1633] zakłada się, że zasoby w
sieci są rezerwowane dla poszczególnych lub zagregowanych
strumieni danych
RSVP (ReSerVation Protocol) [RFC2205, RFC2210] —
specjalny protokół sygnalizacyjny umożliwiający danej
aplikacji rezerwację zasobów w sieci
Implementacja protokołu RSVP jest konieczna w każdym węźle
(ruterze IP)
Ruter jest odpowiedzialny za przyjmowanie i realizowanie żądań
rezerwacji – konieczne jest przechowywanie informacji o każdej
rezerwacji wraz z informacją o skojarzonym strumieniu danych
dr inż. Jerzy Domżał (AGH)
Wprowadzenie do sieci Internet
28 listopada 2016 r.
14 / 35
Cechy architektury IntServ
Rozszerzenie istniejącego modelu „Best Effort” —
przeznaczona dla aplikacji wymagających gwarancji odnośnie
parametrów jakości przekazu danych związanych z
opóźnieniami,
Przydzielanie QoS do przepływów. Przez przepływ należy
rozumieć rozróżnialny strumień powiązanych ze sobą
datagramów, który został wytworzony przez aktywność
pojedynczego użytkownika, i który wymaga jednakowego QoS
Sterowanie przyjmowaniem zgłoszeń – wymaga się, aby każdy
ruter potrafił podjąć decyzję o przyjęciu do obsługi nowego
zgłoszenia na podstawie informacji o dostępnych zasobach
dr inż. Jerzy Domżał (AGH)
Wprowadzenie do sieci Internet
28 listopada 2016 r.
15 / 35
Cechy architektury IntServ c.d.
Rezerwacja zasobów – wymaga się, aby każdy ruter potrafił
zarezerwować zasoby w celu zapewnienia QoS obsługiwanym
przepływom
Opis ruchu przy pomocy modelu płynnego – wiadro tokenowe
(r – intensywność (szybkość) napływania tokenów, b głębokość wiadra, p – szybkość szczytowa, m – najmniejsza
rozróżnialna wielkość pakietu, M – maksymalny rozmiar
pakietu)
dr inż. Jerzy Domżał (AGH)
Wprowadzenie do sieci Internet
28 listopada 2016 r.
16 / 35
Usługi w architekturze IntServ
W architekturze IntServ zdefiniowano, oprócz standardowej usługi
typu best effort, dwie dodatkowe usługi:
Guaranteed Service [RFC2212] — przeznaczona dla aplikacji
wymagających gwarancji odnośnie parametrów jakości
przekazu danych związanych z opóźnieniami,
Controlled-load Service [RFC2211] — przeznaczoną dla
aplikacji wymagających bezstratnego przekazu danych i
charakteryzującą się jakością przekazu określaną jako lepszą
niż best effort
dr inż. Jerzy Domżał (AGH)
Wprowadzenie do sieci Internet
28 listopada 2016 r.
17 / 35
Uzgadnianie połączenia
Wiadomość PATH(1)
nadawca
Wiadomość PATH(2)
Wiadomość RESV(5)
Wiadomość RESV(6)
Wiadomość PATH(3)
Wiadomość RESV(4)
odbiorca
Żądanie rezerwacji zasobów jest inicjowane przez źródło (np.
aplikację w terminalu końcowym). Wysyła ono wiadomość typu
PATH message zawierającą informacje o charakterystyce
generowanego ruchu tzw. Traffic Specification (TSpec).
Wiadomość ta jest przekazywana do miejsca (lub wielu miejsc)
przeznaczenia od rutera do rutera zgodnie z ustaloną przez
algorytm drogą. Odbiorca, po otrzymaniu wiadomości typu PATH
message, wysyła wiadomość o rezerwacji typu RESV message.
dr inż. Jerzy Domżał (AGH)
Wprowadzenie do sieci Internet
28 listopada 2016 r.
18 / 35
RSVP
Protokół sygnalizacyjny (a nie realizujący sterowanie
przekazem danych),
Rezerwacja zasobów jest typu “soft”, tj. musi być ona
odnawiana okresowo,
Żądanie rezerwacji jest generowane przez odbiorcę,
Użycie protokołu przez daną aplikację wymaga opracowania
specjalnego interfejsu API (Application Programming
Interface),
Wymaga przechowywania informacji w ruterach o
pojedynczych strumieniach danych, co w konsekwencji
prowadzi do problemów ze skalowalnością sieci.
dr inż. Jerzy Domżał (AGH)
Wprowadzenie do sieci Internet
28 listopada 2016 r.
19 / 35
IntServ – wady
Skalowalność – w miarę wzrostu liczby strumieni potrzebne są
coraz większe zasoby w ruterach dla obsługi wyłącznie
procedur rezerwacyjnych
Wzrost ruchu w sieci – wyłącznie wskutek ruchu RSVP
Naliczanie opłat za ruch pomiędzy ISP – znacznie utrudnione
dla pojedynczych, niekiedy krótkotrwałych strumieni
Wspieranie protokołu RSVP przez aplikacje
dr inż. Jerzy Domżał (AGH)
Wprowadzenie do sieci Internet
28 listopada 2016 r.
20 / 35
Spis treści
1
Wstęp
2
Architektury QoS
3
Architektura Integrated Services
4
Architektura Differentiated Services
dr inż. Jerzy Domżał (AGH)
Wprowadzenie do sieci Internet
28 listopada 2016 r.
21 / 35
Differentiated Services
Architektura usług zróżnicowanych przedstawiona przez IETF
w 1998 w rekomendacji RFC 2475
Rozwiązanie to powstało w odpowiedzi na zarzuty, przeważnie
o słabej skalowalności, podnoszone w stosunku do
architektury IntServ
Zasady przeciwdziałania przeciążeniom (tj. przyjmowanie
zgłoszeń, szeregowanie i usuwanie pakietów, a nawet ruting)
są dla DiffServa i IntServa takie same
dr inż. Jerzy Domżał (AGH)
Wprowadzenie do sieci Internet
28 listopada 2016 r.
22 / 35
Założenia projektowe architektury
DiffServ
DiffServ to elastyczna i skalowalna technika sterowania ruchem,
wspierająca QoS w sieci IP. Założenie podstawowe: niezależność
zasobów wymaganych do gwarancji QoS od:
Liczby strumieni obsługiwanych w sieci
Ruchu generowanego przez te strumienie
Rozmiaru sieci
dr inż. Jerzy Domżał (AGH)
Wprowadzenie do sieci Internet
28 listopada 2016 r.
23 / 35
Ogólna charakterystyka architektury
DiffServ
Podstawowa różnica między IntServ a DiffServ: filozofia
podejścia do jakości transmisji ruchu
IntServ – podejście sesyjne, a więc pełna identyfikacja
strumienia pakietów i zapewnienie im właściwego poziomu QoS
DiffServ – zapewnia właściwy poziom QoS strumieniom
zagregowanym identyfikowanym przez 6-bitowy punkt kodowy
DSCP (ang. Differentiated Services Code Point) – strumienie
zagregowane nazywane są agregatami strumieni BA (ang.
Behavior Aggregate)
dr inż. Jerzy Domżał (AGH)
Wprowadzenie do sieci Internet
28 listopada 2016 r.
24 / 35
Nagłówek protokołu IPv4
Pole: Typ Usługi
0 1 2
Priorytet
3
D
4
T
5
R
6
M
7
0
Priorytet (Precedence) — 3-bitowe oznaczenie priorytetu
pakietów
D (Delay) — minimalizacja opóźnień
T (Throughput) — maksymalizacja przepustowości
R (Reliability) — najlepsza poprawność
M (Monetary cost) — minimalizacja kosztów
dr inż. Jerzy Domżał (AGH)
Wprowadzenie do sieci Internet
28 listopada 2016 r.
25 / 35
Nagłówek protokołu IPv4
Pole: Typ Usługi
0 1 2
Priorytet
3
D
4
T
5
R
6
M
7
0
Priorytet (Precedence) — 3-bitowe oznaczenie priorytetu
pakietów
D (Delay) — minimalizacja opóźnień
T (Throughput) — maksymalizacja przepustowości
R (Reliability) — najlepsza poprawność
M (Monetary cost) — minimalizacja kosztów
dr inż. Jerzy Domżał (AGH)
Wprowadzenie do sieci Internet
28 listopada 2016 r.
25 / 35
Nagłówek protokołu IPv4
Pole: Typ Usługi
0 1 2
Priorytet
3
D
4
T
5
R
6
M
7
0
Priorytet (Precedence) — 3-bitowe oznaczenie priorytetu
pakietów
D (Delay) — minimalizacja opóźnień
T (Throughput) — maksymalizacja przepustowości
R (Reliability) — najlepsza poprawność
M (Monetary cost) — minimalizacja kosztów
Obecnie to pole jest znane jako DSCP (Differentiated
Services Code-Point)
dr inż. Jerzy Domżał (AGH)
Wprowadzenie do sieci Internet
28 listopada 2016 r.
25 / 35
Skalowalność architektury DiffServ
Skończona liczba klas ruchu w przeciwieństwie do architektury
IntServ, w której każdy strumień, poprzez zestaw parametrów
ruchowych Tspec/Rspec, żąda niezależnej rezerwacji,
Zapewnianie QoS dla agregatów strumieni rozwiązuje problem
skalowalności – wolumen informacji przechowywanych w
ruterach, a dotyczących strumieni, jest raczej proporcjonalny
do liczby klas, a nie do liczby strumieni (jak to ma miejsce w
IntServ).
dr inż. Jerzy Domżał (AGH)
Wprowadzenie do sieci Internet
28 listopada 2016 r.
26 / 35
Inne zalety architektury DiffServ
Klasyfikacja generowanych strumieni ruchu (odpowiednie pole
DSCP) odbywa się jedynie w ruterach brzegowych lub
systemach końcowych
Prostsza budowa ruterów szkieletowych, które zajmują się
transmisją pakietów należących do agregatów strumieni do
następnego węzła w jednakowy sposób określany jako PHB
(ang. Per-Hop Behavior)
Brak mechanizmów rezerwacyjnych dla agregatów ruchu
dr inż. Jerzy Domżał (AGH)
Wprowadzenie do sieci Internet
28 listopada 2016 r.
27 / 35
Klasy ruchowe w architekturze DiffServ
Istnieją dwie propozycje klas ruchu dla architektury DiffServ
EF PHB (ang. Expedited Forwarding PHB)
AF PHB (ang. Assured Forwarding PHB)
Obie klasy należy traktować jako zasady obsługi pakietów w
ruterach szkieletowych należących do domeny DiffServ
dr inż. Jerzy Domżał (AGH)
Wprowadzenie do sieci Internet
28 listopada 2016 r.
28 / 35
Klasa Expedited Forwarding PHB
Służy do realizacji usługi Premium, żądającej usługi
bezstratnej, przy niewielkim opóźnieniu tranzytowym i
niewielkich fluktuacjach opóźnienia
Stosowawana przeważnie do realizacji usług telefonii IP,
wideokonferencji lub wirtualnych łączy dzierżawionych
Usługa Premium odpowiada usłudze Guaranteed Service
(IntServ) lub usłudze VBR (ATM)
dr inż. Jerzy Domżał (AGH)
Wprowadzenie do sieci Internet
28 listopada 2016 r.
29 / 35
Potencjalne słabe punkty klasy Expedited
Forwarding PHB
QoS dla usługi Premium jest określony wyłącznie jakościowo i
wynika ze sposobu obsługi pakietów EF PHB
Agregacja ruchu usługi Premium w ruterach szkieletowych
domeny DiffServ może doprowadzić do przekroczenia
dostępnej przepływności, a więc do przeciążenia
Usługi zróżnicowane nie są w stanie rozwiązać tego problemu
– rozwiązaniem jest skojarzenie ich z zarządzaniem ruchu
(ang. traffic engineering) lub dobór trasy z ograniczeniami
(ang. constraint-based routing)
dr inż. Jerzy Domżał (AGH)
Wprowadzenie do sieci Internet
28 listopada 2016 r.
30 / 35
Klasa Assured Forwarding PHB
Zapewnia do czterech różnych poziomów gwarancji transmisji
pakietów IP (ang. AF classes), a w każdym z nich trzy
poziomy odrzucania pakietów, a więc 12 różnych punktów
kodowych DSCP
Pakiety należące do różnych klas AF PHB są obsługiwane w
ruterach poprzez niezależne kolejki AQ (ang. Assured Queue)
z niezależną alokacją pasma
W przypadku pojawienia się przeciążenia w pierwszej
kolejności usuwane są pakiety z przypisanym wyższym
poziomem odrzucania
Podobnie jak w przypadku klasy EF PHB definicja QoS dla
klasy AF PHB ma charakter wyłącznie jakościowy
dr inż. Jerzy Domżał (AGH)
Wprowadzenie do sieci Internet
28 listopada 2016 r.
31 / 35
Klasa Assured Forwarding PHB c.d.
Na podstawie klasy AF PHB zdefiowana jest usługa Assured
Forwarding Service o charakterystyce zbliżonej do usługi
controlled-load (IntServ) lub VBR (ATM)
Parametry QoS dla usługi Assured Forwarding Service są
określone w kontrakcie SLA
dr inż. Jerzy Domżał (AGH)
Wprowadzenie do sieci Internet
28 listopada 2016 r.
32 / 35
Ruch wewnątrz i między domenowy
Ingress
router R2
Ingress
router R1
Ingress
router R5
AS 1
R3
Egress
router R4
AS 2
Intra-domain traffic
R6
R7
Intra-domain traffic
Inter-domain
traffic
dr inż. Jerzy Domżał (AGH)
Wprowadzenie do sieci Internet
28 listopada 2016 r.
33 / 35
Kompromis DiffServ i IntServ
Sieć
szkieletowa
DiffServ
AS 2
Klient
R6
R2
R5
R7
R8
R1
AS 3
AS 1
R3
R4
Sieć
dostępowa
IntServ
R9
R10
Sieć
dostępowa
IntServ
Serwer
dr inż. Jerzy Domżał (AGH)
Wprowadzenie do sieci Internet
28 listopada 2016 r.
34 / 35
Dziękuję za uwagę!
Pytania?
dr inż. Jerzy Domżał (AGH)
Wprowadzenie do sieci Internet
28 listopada 2016 r.
35 / 35