Transmisja z gwarantowaną jakością 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

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

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

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) Wiadomość PATH(2) Wiadomość PATH(3) nadawca Wiadomość RESV(6) Wiadomość RESV(5) odbiorca Wiadomość RESV(4) 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

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 3 4 5 6 7 Priorytet D T R M 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 3 4 5 6 7 Priorytet D T R M 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 R6 R7 Intra-domain traffic Inter-domain traffic Intra-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 R6 R7 Klient R2 R5 R8 R1 AS 1 R3 Sieć dostępowa IntServ R4 AS 3 R9 Sieć dostępowa IntServ R10 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