Sterowanie ruchem w sieciach szkieletowych Transmisja wielościeżkowa

Transkrypt

1 Sterowanie ruchem w sieciach szkieletowych Transmisja wielościeżkowa Akademia Górniczo-Hutnicza im. Stanisława Staszica w Krakowie AGH University of Science and Technology Wydział Informatyki, Elektroniki i Telekomunikacji Department of Telecommunications Katedra Telekomunikacji Jerzy Michał Domżał Grega

2 Plan prezentacji Wstęp dlaczego przepływy? Wybrane metody rutingu wielościeżkowego w ramach pojedynczej domeny: Równoważenie obciążenia Ruting oparty na wielu topologiach Ruting Valianta Ruting w sieciach sterowanych programowo Zorientowany na przepływy adaptacyjny ruting oparty na wielu topologiach Posumowanie 2

3 Wstęp Ruting jedną trasą czy wielościeżkowy? Dlaczego łącza są zwykle przewymiarowane? Dlaczego podejście przepływowe jest lepsze od pakietowego w kontekście rutingu wielościeżkowego? 3

4 Równoważenie obciążenia Jedna z najpopularniejszych metod realizacji wielodrogowej transmisji w sieciach IP Podejście klasyczne - pod uwagę brane są trasy o równym koszcie (zgodnie z metryką danego protokołu rutingu) i są one użytkowane w jednakowym stopniu Podejście zaawansowane - z użyciem tras o nierównych kosztach (ang. unequal-cost load balancing) Implementacja z użyciem tras o różnych kosztach jest znacząco rzadziej spotykana w ruterach niż klasyczna metoda równoważenia obciążenia - wynika to z faktu możliwości powstawania pętli rutingu 4

5 Równoważenie obciążenia z użyciem tras o nierównych kosztach O wyborze tras decydują dodatkowe czynniki, np. variance Parametr wprowadzony w protokole IGRP (Interior Gateway Routing Protocol) i jego bardziej zaawansowanej wersji EIGRP (Enhanced Interior Gateway Routing Protocol) Wartość parametru wskazuje ruterom do jakiego maksymalnego kosztu (w stosunku do kosztu podstawowej trasy) alternatywne ścieżki mogą być zapisywane w tablicy rutingu 5

6 Parametr variance: Równoważenie obciążenia z użyciem tras o nierównych kosztach W przypadku tras o różnych kosztach zwykle przyjmuje się zasadę, według której trasy są używane odwrotnie proporcjonalnie do ich kosztów - przykładowo, jeśli koszt podstawowej trasy wynosi 10, a koszt alternatywnej trasy jest równy 50, to ruch będzie kierowany obiema trasami w stosunku 5:1 na korzyść podstawowej ścieżki 6

7 Podstawowa trasa pomiędzy węzłami S i D wiedzie przez Równoważenie obciążenia z użyciem tras o nierównych kosztach rutery R1 i R3 i ma koszt 30 Trasa alternatywna zawiera rutery R1, R2 i R3, a jej koszt jest równy 50 Równoważenie obciążenia jest możliwe w R1, gdyż AD(R2)<FD(R1) 7

8 Równoważenie obciążenia ruting oparty na wielu topologiach (Multi-Topology Routing) MTR pozwala na utrzymywanie w ruterach wielu topologii w ramach jednej architektury W sieci może jednocześnie być aktywnych więcej niż jedna instancji protokołu rutingu Różne zasoby Transmisje wielościeżkowe Stosowany w celu rozdzielenia różnych typów danych i zapewnienia im odpowiedniej jakości transmisji czy poziomu zabezpieczeń 8

9 Równoważenie obciążenia ruting oparty na wielu topologiach - przykład MTR zakłada możliwość zestawienia wielu topologii Pakiet przychodzący do rutera reprezentujący przepływ jest w pierwszej kolejności analizowany pod kątem przynależności do jednej z aktywnych topologii Informacje nt. topologii mogą być przenoszone w polu DSCP (Differentiated Services Code Point) 9

10 Równoważenie obciążenia ruting oparty na wielu topologiach przykład c.d. Rutery dla każdej topologii posiadają osobne tablice przekazywania (ang. forwarding table) i na ich podstawie jest podejmowana decyzja o wyborze interfejsu wyjściowego dla pakietu Jeżeli w danej topologii nie istnieje trasa do węzła docelowego, pakiet jest odrzucany Jeśli w nagłówku pakietu nie ma wskazania na wybraną topologię, używana jest topologia podstawowa 10

11 Równoważenie obciążenia MT-OSPF i M-ISIS MT-OSPF, stanowiący rozszerzenie protokołu OSPF, został objęty standardem RFC4915 w celu rozróżniania topologii wykorzystuje się identyfikatory MT-ID, których wartości są ustawiane w ruterach i muszą być spójne w ramach poszczególnych topologii jedna instancja MT-OSPF może być używana do propagowania informacji na temat stanu sieci na potrzeby wszystkich skonfigurowanych topologii Informacje związane z MT-ID są przenoszone w komunikatach OSPF LSA (Link State Advertisement), co pozwala na jednoznaczne identyfikowanie topologii M-ISIS został przedstawiony w standardzie RFC5120 informacje dotyczące poszczególnych topologii są rozgłaszane za pomocą parametrów TLV (Type Length Values) 11

12 Równoważenie obciążenia ruting Valianta Podstawowe założenie możliwość równoległego korzystania z tras prowadzących do węzła docelowego Umożliwia losowy wybór interfejsu wyjściowego z rutera spośród wszystkich nieprzeciążonych portów Trasy mają dwa przeskoki (dwa łącza) Dla każdego pakietu przychodzącego do rutera brane są pod uwagę wyłącznie trasy przechodzące przez jeden punkt pośredniczący w kierunku węzła docelowego Łatwość oszacowania ilości danych wchodzących do rutera, jak i z niego wychodzących 12

13 Równoważenie obciążenia ruting Valianta c.d. Rozwiązanie proste w implementacji - wymaga zastosowania jedynie pojedynczej nowej tablicy w ruterach W tablicy zapisane są identyfikatory portów wyjściowych i dostępne łącza Zaleta rozwiązania: wydajność i niezawodność Wada rozwiązania: pakiety przesyłane różnymi trasami mogą docierać do węzłów docelowych różnymi trasami Problem można rozwiązać wyodrębniając z transmisji przepływy (np. przy użyciu funkcji haszującej) uniemożliwiając w ten sposób przesyłanie pakietów należących do pojedynczego przepływu różnymi trasami 13

14 Równoważenie obciążenia ruting Valianta przykład Architektura fizyczna linie ciągłe Dwie trasy składające się z dwóch przeskoków pomiędzy R1 a R4 14

15 Software-Defined Networks klasyczny ruter app app OS hardware 15

16 Software-Defined Networks idea SDN Aplikacje Network OS app app app app OS hardware OS hardware app app app app OS hardware OS hardware app app OS hardware 16

17 Software-Defined Networks Komponenty SDN i korzyści Sieci SDN składają się z: - centralnego kontrolera - głupich przełączników z tablicami przepływów - protokołu sygnalizacyjnego Korzyści: - kontroler wie więcej - oprogramowanie kontrolera można zmienić - wielościeżkowa transmisja naturalnie łatwe 17

18 Software-Defined Networks Protokół sygnalizacyjny OpenFlow OpenFlow: OpenFlow is an open standard to deploy innovative protocols in production networks. OpenFlow umożliwia komunikację pomiędzy kontrolerem a przełącznikami Przełącznik OpenFlow posiada tablicę przepływów. Co to jest przepływ? 18

19 Software-Defined Networks Sieci SDN przykład działania nowy przepływ 19

20 Wady SDN dodatkowe urządzenie (kontroler) jeden punkt awarii jeden punkt obsługi (wydajność) konieczność protokołu sygnalizacyjnego konieczność zastosowania tablic przepływów 20

21 Ruting wielościeżkowy w sieciach sterowanych programowo Podstawowym założeniem sieci SDN jest możliwość zaprogramowania zewnętrznego urządzenia, jakim jest centralny sterownik umożliwiający zarządzanie ruchem w ramach pojedynczej domeny Centralny sterownik zwykle podejmuje decyzje bazując na informacjach o przepływach otrzymanych z sieci, a więc od węzłów sieciowych Mając pełną wiedzę na temat stanu sieci, centralny sterownik jest w stanie wyznaczyć nawet kilka tras pomiędzy kluczowymi węzłami, na których może odbywać się transmisja danych z akceptowalną jakością 21

22 Ruting wielościeżkowy w sieciach sterowanych programowo Dynamiczne wyznaczanie tras może być połączone z mechanizmami np. sterowania przeciążeniami Umożliwia zwiększenie przepustowości sieci w zmiennych warunkach sieciowych: W sieci B4 (Google WAN) wykorzystanie zasobów osiąga wartość 70% - jest to wynik 2-3 razy lepszy w porównaniu z tradycyjnymi sieciami WAN Umożliwia implementację mechanizmów gwarantowania jakości obsługi 2 2

23 Dlaczego ruting wielościeżkowy jest wciąż mało popularny? Ruting wielościeżkowy z trasami o nierównych kosztach jest trudny w implementacji Obecnie implementowany jest właściwie tylko ruting wielościeżkowy z trasami o równych kosztach Ruch jest kierowany na różne trasy nawet w sytuacji, gdy nie jest to konieczne Przeciążone łącza stwarzają problemy na wybieranych trasach 23

24 Zorientowany na przepływy adaptacyjny ruting oparty na wielu topologiach FAMTAR (ang. Flow-Aware Multi-Topology Adaptive Routing) umożliwia zarządzanie transmisją danych na podstawie przepływów każdy ruter w sieci FAMTAR jest wyposażony w tablicę przekazywania przepływów (ang. Flow Forwarding Table, FFT) pakiety należące do przepływów są kierowane do interfejsów wyjściowych na podstawie wpisów w FFT koszty łączy zmieniają się stosownie do ich obciążenia (z zastosowaniem histerezy) używa algorytmu rozproszonego, tzn. każdy ruter w sieci pracuje niezależnie od pozostałych i musi samodzielnie monitorować obciążenie łączy wyjściowych i utrzymywać swoją tablicę przepływów 24

25 Zorientowany na przepływy adaptacyjny ruting oparty na wielu topologiach FFT Wzrasta koszt łącza A B Zestawiana jest nowa trasa, jednakże przepływy zaakceptowane wcześniej kontynuują transmisję na wcześniej wyznaczonych trasach 25

26 Zorientowany na przepływy adaptacyjny ruting oparty na wielu topologiach pakiet p ID (f) = hash (p) Czy ID(f) jest w FFT? NIE Odczytaj port wyjściowy z tablicy rutingu TAK Odczytaj port wyjściowy z FFT Dodaj wpis do FFT Uaktualnij znacznik czasowy dla f Wyślij pakiet 26

27 Zorientowany na przepływy adaptacyjny ruting oparty na wielu topologiach 27

28 FAMTAR analiza symulacyjna Scenariusz 1 (ustalony czas symulacji): FAMTAR umożliwił przesłanie dwukrotnie większej ilości ruchu Średni czas opóźnienia pakietu został zredukowany o 19% Scenariusz 2 (ustalona ilość danych): Czas transmisji danych został skrócony o 46% Średni czas opóźnienia pakietu został zredukowany o 35% 28

29 FAMTAR analiza symulacyjna Parametr Ruting IP FAMTAR Zysk Wysłane dane [GB] % Otrzymane dane [GB] % Stosunek ilości danych otrzymanych do wysłanych % Średnie opóźnienie pakietu [ms] % Średnia liczba przeskoków ,5% Średnia liczba zmiany kosztów łączy

30 FAMTAR zalety Używanie zawsze optymalnych ścieżek Współpraca z dowolnym protokołem rutingu Alternatywne ścieżki są używane wyłącznie, gdy jest to niezbędne Brak centralnego sterownika 30

31 FAMTAR sterowanie dostępem Dwa podejścia: local AC każdy ruter niezależnie wyznacza interfejsy wyjściowe dla przepływów (bazując na obciążeniu łączy); gdy wszystkie łącza wyjściowe są przeciążone, przepływ nie jest przyjmowany global AC rutery brzegowe analizują koszty tras i na tej podstawie przyjmują nowe przepływy bądź nie 31

32 FAMTAR sterowanie dostępem, przykład Ruch TCP z węzła 0 do węzła 38 32

33 FAMTAR sterowanie dostępem, przykład Ruch TCP z węzła 0 do węzła 38 33

34 FAMTAR sterowanie dostępem, przykład Ruch TCP z węzła 0 do węzła 38 34

35 FAMTAR rozwiązywanie problemu pętli Możliwość powstawania pętli rutingu jest jednym z głównych zagrożeń stosowania transmisji wielościeżkowych w przypadku przepływów problem ten jest szczególnie istotny 35

36 FAMTAR rozwiązywanie problemu pętli 36

37 FAMTAR rozwiązywanie problemu pętli 37

38 FAMTAR rozwiązywanie problemu pętli 38

39 FAMTAR rozwiązywanie problemu pętli Scenariusz Pakiety odebrane Pakiety utracone Ruting standardowy ± ± 77 FAMTAR ± ± 130 FAMTAR /TTL ± ± 79 39

40 Wielościeżkowość - porównanie Porównanie mechanizmów ze względu na dojrzałość technologiczną Mechanizm Równoważenie obciążenia Zainteresowanie ze strony badaczy Niewielkie Dostępność rynkowa Duża Ruting oparty na Średnie Średnia wielu topologiach SDN Duże Duża Ruting Valianta Znikome Brak FAMTAR Nowa propozycja Brak 40

41 Wielościeżkowość - porównanie Porównanie mechanizmów ze względu na model zarządzania i złożoność Mechanizm Równoważenie obciążenia Model zarządzania Rozproszony Złożoność Mała Ruting oparty Rozproszony Średnia na wielu topologiach SDN Scentralizowany Duża Ruting Valianta Rozproszony Mała FAMTAR Rozproszony Średnia 41

42 Wielościeżkowość - podsumowanie Implementacja mechanizmu rutingu wielościeżkowego jest korzystna w sieciach, w których kluczowymi zagadnieniami są niezawodność i zapewnienie wymaganej jakości obsługi ruchu Może być on stosowany w sieciach różnej wielkości, począwszy od sieci lokalnych, a na szkieletowych kończąc Obecnie ruting wielościeżkowy coraz częściej znajduje zastosowanie w sieciach z centrami przetwarzania danych i usługami działającymi w modelu chmury Czasami zastosowanie mechanizmu rutingu wielościeżkowego jest wręcz niezbędne, by umożliwić wydajny transfer danych pomiędzy węzłami, klastrami serwerów czy centrami przetwarzania danych znajdującymi się w obrębie jednego systemu autonomicznego 42

43 Multipath TCP - MPTCP A1 A2 Internet B1 B2 Host A Host B 43

44 MPTCP Kto może zastosować: Smartphone WiFi i połączenie komórkowe Serwery mogą posiadać wiele kart sieciowych Centra danych rozbudowana topologia; wiele ścieżek pomiędzy urządzeniami 44

45 MPTCP Subflow 1 Subflow 2 45

46 MPTCP Aplikacja Aplikacja TCP Subflow (TCP) MPTCP Subflow (TCP) IP IP 46

47 MPTCP - zalety Wyższa przepływność Utrzymywanie ciągłej łączności brak przerwy transmisji w przypadku uszkodzenia/odłączenia jednej z tras Wymaga implementacji w warstwie 4. Przezroczyste dla sieci i aplikacji 47

48 MPTCP - implementacje Apple IOS 7 Samsung Galaxy S6 i S7 Subflow 1 Subflow 2 Serwer proxy 48

49 Dziękuję za uwagę! 49