TEMAT ROZPRAWY DOKTORSKIEJ:

Transkrypt

1 TEMAT ROZPRAWY DOKTORSKIEJ: ALGORYTMY OBSŁUGI UŻYTKOWNIKÓW W ROZWINIĘTYCH SIECIACH LOKALNYCH I ROZLEGŁYCH Promotor: prof. dr hab. inż. Andrzej GRZYWAK Autor: mgr inż. Jarosław KARCEWICZ

2 Geneza Problemu Powstanie Sieci Internet 1) W 1969 r. wykonana została pierwsza próba transmisji danych poprzez sieć ARPANET. 2) Na koniec 1972 r. sieć ta oferowała usługi: , Usenet, FTP, Telnet. 3)W 1983 r. wprowadzono usługę DNS. Dane o NIEWIELKIM ROZMIARZE!!!!

3 Geneza Problemu Protokół TCP/IP CEL: Zagwarantowanie dostarczenia informacji z jednego punktu do drugiego.

4 Geneza Problemu Nowe wymagania sieci Internet Użytkownicy coraz częściej: 0) korzystają ze zdalnie uruchamianych aplikacji, 1) żądają szybkiego dostępu do olbrzymich archiwów danych, 2) przesyłają dźwięk i obraz w czasie rzeczywistym Dane o ZNACZNYM ROZMIARZE!!!!

5 Czym jest Quality of Service Jest to zbiór mechanizmów, które mają zapewnić dostarczenie przewidywalnego poziomu jakości usług sieciowych, poprzez zapewnienie określonych parametrów transmisji danych, w celu osiągnięcia satysfakcji użytkownika.

6 Parametry Quality of Service Przepustowość Jest to ilość informacji jaka może być skutecznie przesłana między dwoma punktami końcowymi przez sieć w danej jednostce czasu

7 Parametry Quality of Service Straty pakietów Parametr ten oznacza niedostarczenie do odbiornika pakietu wysłanego przez nadajnik.

8 Parametry Quality of Service Opóźnienie Jest to odstęp czasu pomiędzy chwilą wysłania pakietu z jednego punktu w sieci i odebrania go w innym punkcie w sieci.

9 Parametry Quality of Service Jitter Jednorodność Opóźnienia Jest to zakres w którym zmienia się wartość opóźnienia mierzona dla pakietów należących do tego samego strumienia.

10 Pole TOS Zadaniem tego ośmiobitowego pola jest określenie rodzaju przenoszonej przez pakiet usługi.

11 Pole TOS (2) Możliwości oznaczenia pakietu w polu Type of Service : 1000 przesłanie pakietu z minimalnym opóźnieniem, 0100 zarezerwowanie dla tego typu pakietów maksymalnej przepustowości, 0010 ustawienie niezawodności przesłania tego typu pakietów tak, że nie mogą być one odrzucone, 0001 możliwie najtańsze przesłanie tego pakietu, 0000 normalny pakiet, bez żadnych informacji dotyczących jakości przesłania.

12 Model usług zintegrowanych (IntServ) Stacja końcowa rozpoczyna sygnalizację RSVP, wysyłając komunikat PATH zawierający parametry identyfikujące daną konwersację (flow), takie jak: adres źródłowy, docelowy, porty TCP lub UDP oraz wymagane pasmo. Każde kolejne urządzenie sieciowe (np. router), do którego dotrze komunikat PATH, odczytuje go, zapamiętuje stan konwersacji i przekazuje w kierunku odbiorcy. Po odebraniu komunikatu PATH odbiorca transmisji odsyła w odpowiedzi komunikat RESV opisujący niezbędne dla danej konwersacji pasmo. Komunikat ten wraca do nadawcy ścieżką wytyczoną przez PATH, a każde urządzenie sieciowe po drodze podejmuje decyzję o akceptacji lub odrzuceniu danej konwersacji.

13 Model usług zintegrowanych (IntServ) Model IntServ wymaga aby wszystkie węzły pośredniczące w ruchu obsługiwały protokół RSVP, oprócz tego wymaga aby rutery utrzymywały w swojej pamięci informacje odnośnie rezerwacji zasobów, ich stanu, itd. co może powodować ich znaczne obciążenie. Wymaga też przesyłania dość sporej ilości informacji kontrolnych, co praktycznie czyni ten mechanizm nieużyteczny w przypadku ruchu unicastowego, bardzo dobrze zaś nadaje się do ruchu multicastowego.

14 Model usług zróżnicowanych (DiffServ) Pakiety są klasyfikowane i znaczone na wejściu sieci, do czego wykorzystywane jest pole Type of Service w nagłówku pakietu IPv4 lub Traffic Class w nagłówku pakietu IPv6 wyznaczając dla tych pakietów klasy usług. Kolejne urządzenia wykorzystują niezależnie od siebie zawartość tego pola do zapewnienia odpowiedniego poziomu opóźnienia, wahań opóźnienia czy pasma.

15 Model usług zróżnicowanych (DiffServ) Pośredniczące rutery niemuszą tu kontrolować stanu transmisji, a nawet fakt nieobsługiwania tego modelu przez jeden z węzłów nieoznacza niepowodzenia całego mechanizmu, dzięki czemu jest on dużo bardziej przydatny do ruchu unicastowego Model DiffServ nie jest w stanie zapewnić tak mocno gwarancji jakości jak model IntServ.

16 Protokół MPLS Jedną z największych bolączek zarówno modelu IntServ, jak i DiffServ jest fakt, że mechanizmy te działają całkowicie niezależnie od protokołów routingu Większość dzisiejszych protokołów routingu, umożliwia każdemu routerowi odnalezienie najkrótszej ścieżki do celu, nie mają one jednak wbudowanego mechanizmu admission control, pozwalającego na rozkładanie ruchu pomiędzy ścieżki alternatywne. W rezultacie w sieci mogą występować zatory na najkrótszych ścieżkach, a poza nimi pasmo może się marnować. Protokół MPLS stanowi pewien mariaż elementów Quality of Service oraz routingu.

17 Protokół MPLS O ile w klasycznej sieci jej węzły podejmują decyzję o przesyłaniu datagramów, analizując za każdym razem od nowa ich dane nagłówkowe, w nowym systemie decyzja jest wypracowywana jedynie za pierwszym razem, a kolejne dane podążają tą samą trasą. Etykieta stanowi tu swoistą formę skróconego nagłówka. Etykieta pakietu umożliwia także przypisanie do jednej z tzw. klas FEC (Forwarding Equivalence Class) - klas równoważności przekazywania.

18 Modele Klasy End-To-End Podsumowanie Są mechanizmami ponad protokołem IP, nie wchodzącymi w skład tego protokołu, mającymi za zadanie zapewnienie jakości danych parametrów na całej drodze od nadawcy do odbiorcy. Są one mechanizmami wysokopoziomowymi, mającymi rozwiązać problem klasyfikacji ruchu i następnie propagacji do innych węzłów informacji odnośnie konieczności rezerwacji danych zasobów dla tego ruchu.

19 Zastosowanie modeli klasy End-To-End w sieciach LAN/WAN Sieć Internet na dzień obecny nie wspiera tychże rozwiązań, ich zasięg zostaje ograniczony do sieci lokalnych i ich działanie można odczuć tylko wewnątrz tychże sieci. Modele te pozwalają zapewnić jakość parametrów ograniczonej ilości strumieni danych.

20 Metody zapewnienia Quality of Service w sieciach LAN/WAN Charakterystyczne dla sieci lokalnych korzystających z zasobów sieci rozległej Internet jest: ruch między siecią lokalną a siecią rozległą, jest w przeważającej części ruchem unicastowym, przy czym w tej wymianie informacji występuje dość duża ilość strumieni unicastowych, usługi przesyłane przez te sieci można najczęściej w pewien sposób schierarchizować w randze ważności.

21 Nadchodzący pakiet zostaje odrzucony Metody zapewnienia Quality of Service w sieciach LAN/WAN (3) Standardową metodą dostępu do sieci rozległej, dla użytkowników sieci lokalnej, jest metoda Pierwszy Wszedł, Pierwszy Wyjdzie (ang. First In First Out, FIFO), co oznacza, że żaden pakiet nie będzie specjalnie traktowany. Pakiety oznaczone tym samym znakiem nalezą do jednej transmisji

22 Metody zapewnienia Quality of Service w sieciach LAN/WAN (4) Efektem stosowania metody FIFO jest powstawanie zatorów łącza, co oznacza blokadę łącza poprzez zdominowanie go przez użytkownika, usługę, bądź ich grupę, dla pozostałych użytkowników.

23 Sposoby zapewnienia przepustowości łącza (1) Dodanie kolejnego łącza Prawo Moore'a: Jeśli zwiększy się pojemność jakiegokolwiek systemu w celu sprostania żądań użytkowników, żądania użytkowników wzrosną tak, że spożytkują zwiększoną pojemność systemu

24 Metody zapewnienia Quality of Service w sieciach LAN/WAN (2) Szczególnie istotne staje się więc w sieciach o omawianej architekturze zapewnienie odpowiedniego podziału między użytkowników parametru jakim jest przepustowość oraz priorytetyzacja danych usług bądź klientów kosztem innych.

25 Sposoby zapewnienia przepustowości łącza (2) Filtrowanie danych D O S T A W C A Usługa FTP Usługa WWW Usługi sieci P2P

26 Sposoby zapewnienia przepustowości łącza (3) Do podstawowych wad filtrowania można zaliczyć: ograniczenie dostępnych usług. Filtrowanie jest mechanizmem, który pozwala poprawić jakość korzystania jednych usług, kosztem innych. W efekcie sieć zostaje przeznaczona do z góry określonego zestawu usług, z których za jej pośrednictwem można skorzystać. niewykorzystanie przepustowości łącza w sytuacji kiedy ruch nieodrzucany przez filtrację nie wypełnia całej dostępnej przepustowości. W rezultacie pasmo, które może być potencjalnie dostępne pozostaje niewykorzystane. możliwość zdominowania łącza jednego rodzaju ruchem który jest akceptowany. Filtrowanie nie jest w stanie zapewnić, że pakiety związane z ruchem, który został przepuszczony i tak nie zdominują łącza i nie zajmą całej dostępnej przepustowości łącza.

27 Sposoby zapewnienia przepustowości łącza (4) Kształtowanie ruchu z wykorzystaniem algorytmów kolejkowania

28 Algorytmy kolejkowania danych Wśród algorytmów kolejkowania ruchu sieciowego opracowanym jako rozwinięcie algorytmu First In First Out, można wyróżnić: algorytmy szeregowania pakietów które zajmują się zmianą kolejności pakietów w buforze, mające na celu osiągnięcie określonej jakości obsługi, algorytmy przeciwdziałania przeciążeniom mające przeciwdziałać zapełnieniu się bufora, skutkującym zatorem łącza.

29 Algorytmy kolejkowania danych (2) Algorytmy te z kolei mogą być algorytmami: bezklasowymi, opartymi o klasy.

30 Algorytmy priorytetowego kolejkowania Umożliwia on podział ruchu na trzy lub cztery grupy kierowane do trzech lub czterech różnych kolejek ustawionych hierarchicznie, priorytetyzując w ten sposób jeden ruch względem innego.

31 Algorytmy sprawiedliwego kolejkowania W algorytmie tym utrzymywane są oddzielne kolejki dla pakietów z określonych źródeł. Kolejki te zostają następnie obsługiwane metodą Round-Robin, która zakłada cykliczne opróżnianie kolejek po jednym pakiecie.

32 Algorytmy ograniczania przepustowości Algorytmy ograniczania przepustowości pozwalają na ograniczenie prędkości transmisji danych dla danego ruchu.

33 Algorytmy ograniczania przepustowości (2) Model cieknącego wiadra

34 Algorytmy ograniczania przepustowości (3) Model wiadra z żetonami

35 Algorytmy hierarchicznego podziału łącza Pozwalają na dokładnie określony podział parametrów jakości, przede wszystkim przepustowości łącza, pomiędzy zdefiniowane klasy ruchu. Klasa ruchu jest pewnym agregatem ruchu grupowanym razem dla celów jakichś sposobów zarządzania nim.

36 Algorytmy hierarchicznego podziału łącza (2)

37 Algorytmy zapobiegania zatorom W porównaniu do algorytmów szeregowania pakietów, które zajmują się kwestią jak się zachować w sytuacjach przeciążenia sieci, algorytmy zapobiegania zatorom zajmują się kwestią jak się zachować, aby do tego przeciążenia nie dopuścić Efekt ten jest osiągany poprzez losowe odrzucanie pakietów, mające na celu spowolnić transmisję danych wybranych sesji TCP.

38 Algorytmy zapobiegania zatorom (2) Algorytm ten polega na ciągłym obliczaniu średniej długości kolejki i porównywanie jej z dwoma progami: minimalnym i maksymalnym. Jeśli średnia wielkość kolejki znajduje się poniżej minimalnego progu wówczas ani jeden przybywający pakiet nie będzie odrzucony. Jeśli średnia wielkość kolejki znajduje się powyżej progu maksymalnego, wtedy każdy nowo przybyły pakiet zostaje odrzucony. Jeśli średnia znajduje się pomiędzy wartościami tych progów, wówczas pakiety są odrzucane bazując na obliczeniach prawdopodobieństwa dokonywanych na podstawie średniej wielkości kolejki.

39 Algorytmy zapobiegania zatorom (3)

40 Zintegrowany algorytm podziału łącza 1 Mbit/s 1: klasa pień 2:1 400 kbit/s 1:1 600 kbit/s klasa rodzic 1:2 400 kbit/s 1:3 klasa dziecko 20:1 (SFQ) 20: (WRR) (SFQ)... 20:n (SFQ) 200 kbit/s 30: (FIFO) (SFQ) kolejki bezklasowe lub klasowe

41 Eksperyment Generator ruchu Bridge z algorytmami kolejkownia CIR gwarantowana wartość łącza Laboratorium 407 RUTER (metody kolejkowania) EIR nominalna wartość łącza 20% 20% 20% 20% 20% Komp uter 1 Kompu ter 2 Komp uter 3 Komp uter 4 Komp uter 5

42 Wyniki badań Efekt działania kolejki HTB na ciągłość transferu danych (w [KB/s]) dla jednego z komputerów przy równym podziale między pięciu użytkowników

43 Wyniki badań (2) Efekt działania kolejki HTB na ciągłość transferu danych (w [KB/s]) dla komputera o największej liczbie ściągniętych danych przy równym podziale między pięciu użytkowników Efekt działania kolejki HTB na ciągłość transferu danych (w [KB/s]) dla komputera o najmniejszej liczbie ściągniętych danych przy równym podziale między pięciu użytkowników

44 Wyniki badań (3) Efekt działania kolejki HTB na równy podział danych między pięć komputerów Ilość danych [B] ściągniętych Stosunek ściągniętych [%] danych Przewidywana wartość [%] Komputer 1 (sesja WWW) Komputer 2 (sesja FTP) Komputer 3 (sesja WWW) Komputer 4 (sesja FTP) Komputer 5 (sesja WWW)

45 Wyniki badań (4) Wpływ różnych wartości EIR i CIR na efekt działania kolejki HTB przy równym podziale danych między pięć komputerów Ilość ściągniętych Stosunek danych [B] ściągniętych danych [%] Przewidywana wartość [%] Komputer 1 (sesja WWW) Komputer 2 (sesja FTP) Komputer 3 (sesja WWW) Komputer 4 (sesja FTP) Komputer 5 (sesja WWW)

46 Badania dot. występowania fluktuacji badania ankietowe 6) Czy zauważasz/zauważałe(a)ś w swojej sieci (szczególnie w godzinach największych obciążeń) problem z uzyskaniem dostępnej przepustowości łącza, mimo zauważalnego maksymalnego obciążenia przez wszystkich użytkowników sieci (mimo widocznego maksymalnego obciążenia, osiągany transfer jest niższy niż przewiduje to wielkość dzierżawionego łącza) Ta k, kie dyś występow ały takie s ytuacje, teraz już problem ustąpił 37% 14% 4% 12% Ta k, kie dyś występow ały takie sytuacje, po zmianie dostaw cy łą cza problem ustąpił Ta k, z uw a żam często 33% Tak, zauważam rzadko Nigdy nie zauw ażyłe(a) podobnych problemów

47 Badania dot. występowania fluktuacji badania ankietowe (2) 7) Jak duże potrafią/potrafiły być różnice między wielkością prędkości dzierżawionego łącza a rzeczywiście osiąganą prędkością w sytuacjach jak przedstawiona w punkcie 6? 38% 4% 19% Więcej niż 50% nominalnej prędkoś ci łą cza Między 30-50% nominalnej prędkoś ci łą cza Między % nominalnej prędkoś ci łą cza 39% Mn ie j n iż 10% nominalnej prędkoś ci łą cza

48 Badania dot. występowania fluktuacji badania ankietowe (3) 8) Gdzie Pana(i) zdaniem jest/była wina powyższych problemów? 23% 4% 0% 8% Na pewno po stronie dostawcy łącza Chyba po stronie dostawcy łącza 65% Chyba po stronie mojej s ieci lokalnej Na pewno po stronie mojej s ieci lokalnej Nie wiem

49 Badania dot. występowania fluktuacji badania ankietowe (4) 9) Czy miał Pan(i) styczność, słyszałe(a)ś o powyższych problemach (jak w punkcie 6) u innych administratorów sieci, w innych sieciach? Ta k, m ia łem styczność i s łys za łem 14% 0% Ta k, m ia łem styczność 45% Ta k, s łys za łem 37% 4% Nie, nie miałem stycznoś ci, ani nie s łys za łem Nie, nie mam stycznoś ci z innym i administratorami sieci

50 Badania dot. występowania fluktuacji badania eksperymentalne Sieć około 200 użytkowników Łącze do sieci Internet: 4 [Mbit/s] Eksperyment: przesyłanie generowanego ruchu UDP z dwóch serwerów, po 3 [Mbit/s] z każdego, do klienta wewnątrz omawianej sieci lokalnej.

51 Badania dot. występowania fluktuacji badania eksperymentalne (2)

52 Badania dot. występowania fluktuacji badania eksperymentalne (3)

53 Teza pracy Istnieje możliwość opracowania algorytmu opartego o algorytm hierarchicznego podziału łącza, który pozwoli na dynamiczny przydział pasma użytkownikom w sieci lokalnej korzystających z zasobów sieci rozległej, uwzględniając ich zapotrzebowanie oraz możliwość priorytetyzacji, a równocześnie także fluktuacje przepustowości łącza z siecią Internet.

54 Etap I Etapy realizacji pracy Przedstawienie rozwiązań sprzętowych i programowych służących do udostępniania Internetu dla użytkowników w dużych sieciach lokalnych. Etap II Omówienie istniejących algorytmów przydziału pasma dla tego typu rozwiązań sieciowych. Etap III Przedstawienie koncepcji nowego rozwiązania algorytmu przydziału pasma opartego o klasy uwzględniającego fluktuacje przepustowości łącza z siecią Internet. Etap IV Przedstawienie badań zaimplementowanego algorytmu w warunkach fluktuacji przepustowości łącza z siecią Internet. Etap V Podsumowanie i opracowanie wyników pracy.

55 Efekt pracy Mechanizm, który: Pozwoli na wykrywanie efektu fluktuacji prędkości łącza i sterowanie podawanej algorytmowi opartemu o klasy nominalnej wartości łącza. Uwzględni minimalne wykorzystanie zasobów sieciowych i sprzętowych.

56 Dziękuję za uwagę