9. gyires béla informatikai nap 2007. november 23

1

Adatátviteli hálózatok QoS jellemzése

Gál Zoltán

DE TEK Információtechnológiai Központ(DE IK Informatikai Rendszerek és Hálózatok Tanszék)

9. Gyires Béla Informatikai Nap2007. november 23.

2

Tartalom

1. QoS (Quality of Service) az adatátviteli hálózatokban - Forgalom típusok, QoS igény - Intelligens adathálózat méretezési előírásai - QoS mechanizmusok

2. Adatátviteli hálózatok forgalmának általános jellemzői - Börsztösség - Önhasonlóság (fraktál), hosszú memóriájúság - Skálafüggetlenség (Diszkrét Wavelet transzformáció)

3. TCP és UDP közös forgalom szabályozása QoS-sel- Esettanulmány

4. Quo Vadis QoS?

3

1. QoS az adatátviteli hálózatokban

Szolgáltatás típusa Működtetés évekkel ezelőtt Működtetés ma

Hangátvitel önálló, sajátos technológia1

közös platform, azonos technológiaVideóátvitel önálló, sajátos technológia2

Adatátvitel önálló, sajátos technológia3

- Az Interneten a PDU "best effort" típusú kézbesítése: - Kielégítő minőségű: fájlátvitel, böngészés, e-mail, és pont-pont típusú üzenetváltásnál- Akadozó minőségű: streaming, hang, videónál

4

1. QoS az adatátviteli hálózatokban

- Definíció: A QoS azon tulajdonság, ami alapján Frame Relay, ATM, Ethernet és IP-routolt hálózatok esetén a hálózati forgalom számára feljavított átviteli szolgálat nyújtható.

- QoS funkciók: - Dedikált sávszélesség allokálás - Előírt csomagvesztési jellemzők monitorozása - Torlódás kezelés és megelőzés - Forgalom formálás - Forgalom priorizálás

-Adathálózatok 3 áviteli jellemzője:- Csomagvesztés- Késleltetés- Késleltetés változás (jitter)

5

1. QoS az adatátviteli hálózatokban

a.) Csomagvesztés [%]: hiba a hálózatban, hibás keret, torlódás

-TCP (fájlátvitel): újraküldési mechanizmus alkalmazása, kevés csomagvesztés elhanyagolható hatású

- UDP (valós idejű alkalmazások): nincs újraküldés, csomagvesztés tolerálható - Előírás hangátvitel és videó esetén: < 1%

6

1. QoS az adatátviteli hálózatokban

b.) Késleltetés [sec]: - rögzített (soros küldés, kódolás/dekódolás), - változó (torlódás, csatornahozzáférés)

- Előírás hangátvitel és videó esetén: < 150 msec

7

1. QoS az adatátviteli hálózatokban

c.) Késleltetés változás (jitter) [sec]: - Egymás utáni csomagok késleltetésének különbsége - Jitter puffer: beérkezési időközöket kisimítja, de növeli a késleltetést

- Előírás hangátvitel és videó esetén: < 30 msec

- Az Intelligens Hálózat méretezésének technikai előírásai:- i.). QoS-hez nem elegendő kizárólagosan a sávszélesség növelése, mivel a különböző alkalmazások csomagvesztés, késleltetés, és jitter jellemzői eltérőek.

- ii.) A különböző alkalmazások QoS jellemzőinek figyelembevétele elengedhetetlen.

- iii.) Az alkalmazások 4 profilba sorolása szükséges.- iv.) Videókonfernecia számára szükséges minimum

sávszélesség = névleges sávszélesség *120%

8

1. QoS az adatátviteli hálózatokban

Alkalmazás profilok

Profil Megnevezés Példa alkalmazás

Gold Kritikus Tranzakciók, szoftver

Silver Garantált sávszélesség Streaming videó, üzenetek, intranet

Bronze "Best effort" és alapszint Böngészés, e-mail

< Best-Effort Opcionális, könnyen eldobható FTP, backup

9

1. QoS az adatátviteli hálózatokban

QoS mechanizmusok

a.) Best-effort szolgálat modell:

- Az alkalmazás a hálózat megkérdezése vagy értesítése nélkül akkor és olyan mennyiségben küld adatot amikor és amennyi számára szükséges. A hálózat megbízhatósági, késleltetési és teljesítmény garancia nélkül, általában FIFO sorrendben kézbesíti a PDU-kat.

Relatív érkezési idő

Egyetlen interfész kimeneti queue

Csomagok továbbítása

10

1. QoS az adatátviteli hálózatokban

b.) Integrált szolgálat (IntServ) modell:

- Adatküldés előtt az alkalmazás a jelzésrendszer segítségével ahálózattól speciális szolgálatot kér, amiben átadja a forgalom sávszélesség és késleltetés küszöbértékekre vonatkozó profilját. Az adatküldés csak a nyugta megérkezésekor kezdődik. Példa: IETF Resource Reservation Protocol (RSVP).

- A router-ek ezáltal két szolgálatot képesek nyújtani: - Garantált átviteli ráta: sávszélesség foglalás (max. 32 Mbps két végpont közötti hangkapcsolat számára). Pl. Weighted Fair Queueing (WFQ)- Ellenőrzött terhelés: alacsony késleltetés ésmagas ráta igénylés. Pl. Weighted Random Early Detection (WRED)

11

1. QoS az adatátviteli hálózatokban

c.) Diferenciált szolgálat (DiffServ) modell:

-Minden egyes csomag a QoS tartomány szélén lévő L2 vagy L3 hálózati eszközbe lépéskor osztályba sorolódik. Az IntServ-vel ellentétben az alkalmazás nem kell rendelkezzen QoS jelzésrendszerrel. - Az osztályba sorolás kulcsa:

- Az IP csomag fejrészében lévő IP precedence vagy Differential Services Code Point (DSCP) mezője,

- A 802.1Q vagy ISL típusú trönk keret Class of Service (CoS) mezője

Layer 2 fejléc IP fejléc Adatok

ISL fejléc (26 byte)

Beágyazott keret 1 …(24,5 KB)

FCS(4 byte)

Layer 2 ISL keret

Beágyazott csomag

Layer 2 802.1Q és 802.1p keret

BevezetésKeret

kezdési határ

DA SA Tag PT Adat FCS

3 bit CoS (user)

Layer 3 IPv4 csomag

Verzió ToS(1 byte) Len ID Offset TTL Proto FCS

IP precedencia vagy DSCP

IP-SA IP-DA Adatok

3 bit CoS

12

1. QoS az adatátviteli hálózatokban

A DiffServ mechanizmus lépései a bemeneti oldalon:

a.) Osztályozás: Az L2/L3 switch megvizsgálja, vagy beállítja a beérkező keret CoS bitjeit.

b.) Szabályozás: Meghatározza, hogy a csomag szerepel-e a bekonfiguráltprofilban összehasonlítva a belső DSCP--t a beállított szabályzókkal (policer), amelyek az adatfolyam által felhasznált sávszélességet korlátozzák.

c.) Jelölés (marker): Kiértékeli a szabályozót és az interfész szintű konfigurációs információt, majd megvizsgálja azt az előírást, amiszerint kell eljárnia. Ha a csomag a profilon kívül esik, átengedi acsomagot módosított DSCP értékkel vagy eldobja.

d.) Sorbahelyezés (queueing): Megvizsgálja a DSCP vagy a CoS értéket, és ez alapján eldönti, hogy a csomag melyik bemeneti várakozási sorba kerüljön a kettő közül.

Classification Policing MarkDSCP készítés

Beletartozik a profilba vagy nem Queueing

vagy scheduling

Kimeneti teendők (egress)Bemeneti teendők (ingress)

Queueing vagy

scheduling

13

1. QoS az adatátviteli hálózatokban

A DiffServ mechanizmus lépései a kimeneti oldalon:

- Sorbahelyezés (queueing) és ütemezés:

- Kiértékeli a belső DSCP--t és meghatározza, hogy a 4 kijárati queue közül melyikbe tegye a csomagot

- FIFO, FQ-Fair Queueing, - WFQ-Weighted Fair Queuing, - WRED-Weighted Random Early Detection,- „tail drop", - LLQ-Low Latency Queuing mechanizmusok

14

2. Adatátviteli hálózatok forgalmának általános jellemzői

15

2. Adatátviteli hálózatok forgalmának általános jellemzői

16

2. Adatátviteli hálózatok forgalmának általános jellemzői

17

2. Adatátviteli hálózatok forgalmának általános jellemzői

18

2. Adatátviteli hálózatok forgalmának általános jellemzői (VoIP: 2007.11.09.)

1000 2000 3000 4000 5000 60000

200

400

600

800

1000

1200

1400

1600

1800Elemzett jel: Hangforgalom a gateway felé

Idő [100ms]

Bit

ráta

[kbi

t/sec

]

Abs. and by scale Values of Ca,b Coefficients for a = 2 4 6 8 10 ...

time (or space) b

scal

es a

500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 4500 5000 5500 6000 2

10

18

26

34

42

50

58

66

74

82

90

98

106

114

122

1000 2000 3000 4000 5000 6000100

200

300

400

500

600

700Elemzett jel: Hangforgalom a gateway felől

Idő [100ms]

Bit

ráta

[kbi

t/sec

]

Abs. and by scale Values of Ca,b Coefficients for a = 2 4 6 8 10 ...

time (or space) b

scal

es a

500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 4500 5000 5500 6000 2

10 18

26

34 42 50

58 66

74 82

90

98106114

122

19

3. TCP és UDP közös forgalom szabályozása QoS-sel - Esettanulmány

Mérési környezet és adatfolyamok

20

3. TCP és UDP közös forgalom szabályozása QoS-sel - Esettanulmány

Mérésnél alkalmazott paraméterek és a mintavételezés

- TCP üzenetek (HTTP, FTP) mérete > 1500 B (MTU802.3), ezért IP fragmentáció jön létre- IP fragmentáció számára QoS jelenleg nem biztosított, ezért a TCP forgalom

“best effort” típusú (DSCP =0)- UDP üzenet (RTP-videó) mérete < 1500 B, ezért az megkülönböztetett QoS (DSCP=56)- Minden fajta mérés ugyanazzal a műsortartalommal (HTTP, FTP, RTP) történt

- Mintavételezett idősorok: (időbélyeg, keretméret) keretenként- Mintavételezési időtartam: 60 sec

Paraméter Értékek Kombináció szám

Videó bitráta [kbps] 256, 384, 512, 768, 1024 5

Videó kódolási algoritmus H.261, H.264 2

Videó adatfolyam DSCP értéke 0, 56 2

Logikai csatorna sávszélesség [Mbps] 1, 2, 4 3

Adatkapcsolat IEEE 802.3 (Full Duplex)

21

3. TCP és UDP közös forgalom szabályozása QoS-sel - Esettanulmány

Mérésnél alkalmazott paraméterek és a mintavételezés

- Származtatott idősor halmazok: Tabc [kbit/sec], Uabc [kbit/sec], ahol - T: a TCP idősor halmaz- U: az UDP idősor halmaz- Bitráta = (256, 384, 512, 768, 1024): az idősor halmaz videó bitráta [kbit/sec]- a = (H.261, H.264): a codec típusa- b = (0, 56): a DSCP értéke- c = (1, 2, 4): a QoS tartomány logikai áteresztő képessége [Mbit/sec]

Példa: T152 esetén: a = H.261 codecb = (56 = DSCP)c = (áteresztő képesség = 2 Mbit/sec)

22

3. TCP és UDP közös forgalom szabályozása QoS-sel - Esettanulmány

Jelfolyamok szórása és relatív szórása (codec, QoS, áteresztés) T1

01 T102

T104

T151

T152

T154

T401

T402

T404

T451

T452

T454

256384

512768

1024 0,00

100,00

200,00

300,00

400,00

500,00

600,00

700,00

800,00

900,00

TCP

ráta

szó

rása

[kbp

s]

TCP adatfolyam

Videó bitráta [kbps]

U10

1

U10

2

U10

4

U15

1

U15

2

U15

4

U40

1

U40

2

U40

4

U45

1

U45

2

U45

4

256384

512768

1024 0,0050,00100,00150,00200,00250,00300,00

350,00

400,00

450,00

500,00

UDP

ráta

szó

rása

[kbp

s]

UDP adatfolyam

Videó bitráta [kbps]

U10

1

U10

2

U10

4

U15

1

U15

2

U15

4

U40

1

U40

2

U40

4

U45

1

U45

2

U45

4

256384

512768

1024 0,00%

10,00%

20,00%

30,00%

40,00%

50,00%

60,00%

70,00%

80,00%

UDP

ráta

rela

tív s

zórá

sa [%

]

UDP adatfolyam

Videó bitráta [kbps]

T101

T102

T104

T151

T152

T154

T401

T402

T404

T451

T452

T454

256384

512768

1024 0,00%

50,00%

100,00%

150,00%

200,00%

250,00%

300,00%

350,00%

TCP

ráta

rela

tív s

zórá

sa [%

]

TCP adatfolyam

Videó bitráta [kbps]

23

3. TCP és UDP közös forgalom szabályozása QoS-sel - Esettanulmány

A videótovábbítás minőségének vélemény-érték (OS - Opinion Score) metrikája

Dinamika Darabosság Átlapoltság Színhűség Értelmezhetőség Vélemény érték (OS)

Merev Nagyon Igen Nem Nem 1

Akadozó Nagyon Igen Nem Nem 2

Akadozó Közepes Igen Nem Kevésbé 3

Akadozó Közepes Igen Nem Közepes 4

Akadozó Közepes Igen Nem Közepes 5

Mozgó Kevésbé Nem Nem Közepes 6

Mozgó Nem Nem Nem Közepes 7

Mozgó Nem Nem Nem Elfogadható 8

Mozgó Nem Nem Nem Jó 9

Mozgó Nem Nem Igen Nagyon jó 10

24

3. TCP és UDP közös forgalom szabályozása QoS-sel - Esettanulmány

Videótovábbítás minőségi jellemzői

25

3. TCP és UDP közös forgalom szabályozása QoS-sel - Esettanulmány

A QoS-szabályozott videó minőségének OS eloszlása (codec, QoS, áteresztés)

256

384

512

768

1024

V101V102

V104V151

V152V154

V401V402

V404V451

V452V454

012

34

5

6

7

8

9

10

OS

26

4. Quo Vadis QoS?

A QoS forgalom-modellek alakulása:

4/5 Osztály Modell

Valósidejű

Hívás jelzés

Kritikus adat

„Best Effort”

„Scavenger”

8 Osztály Modell

Hang

Videó

Hívás jelzés

Hálózatvezérlés

Kritikus adat

„Bulk” Adat

„Best Effort”

„Scavenger”

„Best Effort”

„Scavenger”

QoS Modell

Hang

Interaktív videó

Streaming videó

Hívás jelzés

IP Routing

Hálózatfelügyelet

Kritikus adat

Tranzakciós adat

„Bulk” Adat

Idő

...?

27

4. Quo Vadis QoS?

A QoS forgalom modellek alakulása:

1.) Internet forgalom átalakulása: UDP alkalmazások szaporodnak

2.) LAN/WAN környezetben megjelennek a QoS osztályos szolgáltatások

3.) Adatkapcsolati és hálózati rétegben forgalom simítás van/lesz

4.) Multifraktál skálázás erősödik az alsóbb rétegekben (nem Poisson)

5.) HTTP forgalom jellege módosul az IPTV és a VoIP elterjedése miatt

6.) Alkalmazások használatának intenzitása továbbra is Poisson eloszlású marad (felhasználói szokások)

7.) OSI koncepció radikális megváltozása

28

Hivatkozáslista

[1] Will E. Leland, Murad S. Taqqu, Walter Willinger, Daniel V. Wilson: On the Self-Similar Nature of Ethernet Traffic (Extended Version), IEEE/ACM Transactions on Networking, Vol. 2, No. 1, February 1994

[2] Patrice Abry, Darry Veitch: Wavelet Analysis of Long Range Dependent Traffic, IEEE Transactions on Information Theory, 1998

[3] Walter Willinger: Scaling Phenomena and Data Network Traffic, AT&T Labs – Research, (http://www.cms.wisc.edu/~stochnet/abstract/slides/) June 20, 2000

[4] Patrice Abry: Lois D’échelle, Multirésolutions et Ondelettes, Habilitation Travaux de Recherche, Université Claude Bernard Lyon, Mars 2001

[5] Dimitri Loguinov: Adaptive Scalable Internet Streaming, Doctor of Philosophy Thesis – The City University of New York, 2002

[6] Timothy Neame: Characterisation and Modelling of Internet Traffic Streams, Doctor of Philosophy Thesis – University of Melbourne, 2003

[7] Cisco Systems Co.: Cisco Catalyst 6500 Switch Architecture, Cisco Networkers Conference - Conference Proceedings , 2006

[8] György Terdik, Tibor Gyires: Lévy Flights and Fractal Modeling of Internet Traffic, to be published, 2007