QoS: Queuing disciplines

Εργαστήριο 7 ΤΕΙ ΘΕΣΣΑΛΟΝΙΚΗΣ - ΤΜΗΜΑ ΠΛΗΡΟΦΟΡΙΚΗΣ ΜΑΘΗΜΑ: ΔΙΚΤΥΑ Η/Υ QoS: Queuing disciplines Στόχος Σειρά των πακέτων μετάδοσης και απόρριψης πακέτων Ο στόχος του εργαστηρίου είναι να εξετάσει την επίδραση που έχουν διαφορετικοί μέθοδοι ουρών αναμονής που χρησιμοποιούνται στην παράδοση των πακέτων και η καθυστέρηση που δημιουργείται για διαφορετικές υπηρεσίες. Περίληψη Κάθε δρομολογητής υλοποιεί ως τμήμα των μηχανισμών ανάθεσης πόρων, κάποιους αλγόριθμους ουρών αναμονής που αφορούν τον τρόπο που τα πακέτα τοποθετούνται στις ενδιάμεσες μνήμες μέχρι αν μεταδοθούν. Διάφοροι αλγόριθμοι ουρών αναμονής μπορούν να χρησιμοποιηθούν για να ελέγξουν τα πακέτα που μεταδίδονται (bandwidth allocation) και τα πακέτα που απορρίπτονται (buffer space). Ο αλγόριθμος ουρών αναμονής επηρεάζει τον ενδιάμεσο χρόνο αναμονής που έχει ένα πακέτο, με το να καθορίζει το πόσο θα περιμένει το πακέτο για να μεταδοθεί. Παραδείγματα αλγορίθμων που χρησιμοποιούνται είναι ο first-in first-out (FIFO), η εξυπηρέτηση με βάση την προτεραιότητα - priority queuing (PQ), και η σταθμισμένη ουρά αναμονής -weighted-fair queuing (WFQ). Η ιδέα της ουράς αναμονής με βάση τον αλγόριθμο FIFO είναι ότι το πρώτο πακέτο που έρχεται στον δρομολογητή είναι και το πρώτο πακέτο που θα μεταδοθεί. Δεδομένου αυτού η ποσότητα του χώρου της ενδιάμεσης μνήμης (buffer) κάθε δρομολογητή είναι μετρήσιμη, εάν ένα πακέτο έρθει αλλά η ουρά είναι γεμάτη, τότε ο δρομολογητής απορρίπτει (drops) αυτό το πακέτο. Αυτό συμβαίνει χωρίς να λαμβάνεται υπόψη σε ποια ροή ανήκει το πακέτο ή η σπουδαιότητα που έχει το πακέτο. Ο αλγόριθμος ουρών αναμονής με προτεραιότητες (priority queuing-pq) είναι μία παραλλαγή του βασικού αλγόριθμου FIFO. Η ιδέα είναι ότι κάθε πακέτο έχει μία προτεραιότητα, η οποία μπορεί να καταγράφεται για παράδειγμα στο πεδίο του τύπου της υπηρεσίας (IP Type of Service -ToS). Στην συνέχεια οι δρομολογητές υλοποιούν πολλαπλές ουρές αναμονής τύπου FIFO, μία για κάθε κατηγορία προτεραιότητας. Σε κάθε κατηγορία τα πακέτα διαχειρίζονται σύμφωνα με τον αλγόριθμο FIFO. Σε κάθε δεδομένη στιγμή, τα πακέτα υψηλότερης προτεραιότητας αποστέλλονται πριν τα υπόλοιπα. Αυτός ο αλγόριθμος επιτρέπει πακέτα με μεγάλη προτεραιότητα να εξυπηρετούνται καλύτερα. 1

Η ιδέα του αλγόριθμου σταθμισμένης ουράς αναμονής (weighted fair queuing - WFQ) είναι ότι διατηρείται πολλαπλές ουρές αναμονής για τις ροές σύνδεσης που χειρίζεται ο δρομολογητής. Ο δρομολογητής εξυπηρετεί τις ουρές αυτές με βάση τον αλγόριθμο round robin. Ο αλγόριθμος WFQ επιτρέπει την ανάθεση ενός βάρους για κάθε ροή (ουρά αναμονής), ανάλογα με τις απαιτήσεις της για ικανοποιητική μετάδοση. Το βάρος αυτό ελέγχει αποτελεσματικά το ποσοστό του bandwidth που θα διατεθεί σε κάθε ροή, ανάλογα με το βάρος της. Μπορούν να χρησιμοποιηθούν κάποια bits του πεδίου ToS στην IP κεφαλίδα για να αναγνωρίζεται το βάρος. Σε αυτό το εργαστήριο θα δημιουργήσουμε ένα δίκτυο που έχει τρεις υπηρεσίες: FTP, Video, και VoIP. Θα μελετήσουμε το πως η επιλογή διαφορετικού αλγόριθμου ουρών αναμονής στους δρομολογητές μπορεί να επηρεάσει την απόδοση των εφαρμογών αυτών και την χρησιμοποίηση των πόρων του δικτύου. Διαδικασία 1. Δημιουργία νέου project 1. Ανοίξτε το OPNET IT Guru Academic Edition Επιλέξτε New από το μενού File. 2. Επιλέξτε Project και πατήστε ΟΚ Ονομάστε το project <τα αρχικά σας (στα αγγλικά)>_queues (π.χ. dp_queues αν το ονοματεπώνυμο σας είναι Δημήτρης Παπαδόπουλος). Ονομάστε το σενάριο FIFO και πατήστε ΟΚ. 3. Στο πλαίσιο διαλόγου Startup Wizard: Initial Topology, επιλέξτε Create Empty Scenario πατήστε Next επιλέξτε Campus από την λίστα Network Scale πατήστε Next τρεις φορές πατήστε ΟΚ. 2. Δημιουργία και Διαμόρφωση δικτύου Αρχικοποίηση Δικτύου 1. Το πλαίσιο Object Palette πρέπει να βρίσκεται μπροστά από το παράθυρο του project. Εάν πλαίσιο Object Palette δεν είναι ορατό, μπορείτε να το ανοίξετε επιλέγοντας. Αν το πλαίσιο αυτό δεν είναι σε βολική θέση στην οθόνη, μπορείτε να το μετακινήσετε σέρνοντας το από τον τίτλο και να αλλάξετε το μέγεθός του σέρνοντας μία από τις τέσσερις γωνίες του. Βεβαιωθείτε ότι στο pull-down μενού του πλαισίου Object Palette είναι επιλεγμένο το internet_toolbox. 2. Προσθέστε στον χώρο του project τα εξής αντικείμενα από την παλέτα : Application Config, Profile Config, QoS Attribute Config, πέντε ethernet_wkstn, έναν ethernet_server, και δύο δρομολογητές ethernet4_slip8_gtwy. a. Για να προσθέσετε ένα αντικείμενο από την παλέτα, κάντε κλικ στο εικονίδιό του στην παλέτα μετακινήστε το ποντίκι σας στον χώρο εργασίας (workspace) πατήστε αριστερό κλικ για να τοποθετήσετε το αντικείμενο. Πατήστε δεξί-κλικ όταν τελειώσετε. 2

3. Συνδέστε τους δρομολογητές με ένα PPP_DS1 link. 4. Συνδέστε τους σταθμούς εργασίας και τον εξυπηρετητή στους δρομολογητές χρησιμοποιώντας 10Base_T links όπως φαίνεται παρακάτω. 5. Μετονομάστε τα αντικείμενα που προσθέσατε όπως φαίνεται στην παρακάτω εικόνα και αποθηκεύστε το project. Διαμόρφωση των Εφαρμογών 1. Κάντε δεξί-κλικ στον κόμβο Applications --> Edit Attributes --> Επεκτείνετε τα χαρακτηριστικά του Application Definitions και θέστε το rows σε 3 --> επεκτείνετε την νέα γραμμή --> Ονομάστε τις γραμμές ως εξής FTP_Application, Video Application, VoIP Application. i. Πηγαίνετε στην γραμμή FTP Application --> Επεκτείνετε την ιεραρχία Description --> Θέστε την τιμή High Load στο Ftp --> Κάντε κλικ στην τιμή High Load και επιλέξτε Edit από το drop-down μενού --> Θέστε την τιμή Constant(10) στο Inter-Request Time --> Θέστε την τιμή Constant(1000000) στο File Size. Κρατήστε το Type of Service (ToS) σε Best Effort (0). ii. Πηγαίνετε στην γραμμή Video Application --> Επεκτείνετε την ιεραρχία Description --> Θέστε την τιμή Low Resolution Video στο Video Conferencing --> Κάντε κλικ στην τιμή Low Resolution Video και επιλέξτε Edit --> Επεξεργαστείτε την τιμή του πεδίο Type of Service (πατώντας επάνω εμφανίζεται το παράθυρο Configure TOS/DSCP) --> Από το drop down μενού, θέστε την τιμή Streaming Multimedia (4) στο ToS --> Πατήστε δύο φορές OK. 3

iii. Πηγαίνετε στην γραμμή VoIP Application --> Επεκτείνετε την ιεραρχία Description --> Θέστε την τιμή PCM Quality Speech στο Voice. Εάν πατήσετε επάνω για να το επεξεργαστείτε θα δείτε ο τύπος της υπηρεσίας που του ανατέθηκε (ToS) είναι Interactive Voice (6). 2. Πατήστε OK και μετά αποθηκεύστε το project. Διαμόρφωση των Profile 4. Κάντε δεξί-κλικ στον κόμβο Profiles --> Πατήστε στο Edit Attributes --> Επεκτείνετε την ιεραρχία Profile Configuration --> Θέστε το rows σε 3. i. Ονομάστε και θέστε τα χαρακτηριστικά της γραμμής 0 όπως φαίνεται παρακάτω: 4

ii. Ονομάστε και θέστε τα χαρακτηριστικά της γραμμής 1 όπως φαίνεται παρακάτω: iii. Ονομάστε και θέστε τα χαρακτηριστικά της γραμμής 3 όπως φαίνεται παρακάτω: 5

5. Πατήστε OK και μετά αποθηκεύστε το project. Διαμόρφωση των Ουρών αναμονής Θα διατηρήσουμε τα εξορισμού προφίλ για τις ουρές αναμονής που έχουν οριστεί στο αντικείμενο Queues. Προτείνεται να κοιτάξετε την διαμόρφωση που έχουν τα προφίλ FIFO, PQ, και WFQ. Διαμόρφωση των σταθμών εργασίας και των εξυπηρετητών 1. Κάντε δεξί-κλικ στο FTP Client --> Πατήστε Edit Attributes --> Επεκτείνετε την ιεραρχία Application: Supported Profiles --> Θέστε τις γραμμές σε 1 --> Θέστε το Profile Name σε FTP Profile --> Πατήστε το OK. 2. Κάντε δεξί-κλικ στο Video Client --> Πατήστε Edit Attributes --> Επεκτείνετε την ιεραρχία Application: Supported Profiles --> Θέστε τις γραμμές σε 1 --> Θέστε το Profile Name σε Video Profile --> Πατήστε το OK. 3. Κάντε δεξί-κλικ στο VoIP West --> Πατήστε Edit Attributes i. Επεκτείνετε την ιεραρχία Application: Supported Profiles --> Θέστε τις γραμμές σε 1 --> Θέστε το Profile Name σε VoIP Profile. ii. Επεξεργαστείτε το Application: Supported Services --> Θέστε το rows σε 1 --> Θέστε το Service Name σε VoIP Application --> Πατήστε δύο φορές OK. 6

4. Κάντε δεξί-κλικ στο VoIP East --> Πατήστε Edit Attributes i. Επεκτείνετε την ιεραρχία Application: Supported Profiles --> Θέστε τις γραμμές σε 1 --> Θέστε το Profile Name σε VoIP Profile. ii. Επεξεργαστείτε το Application: Supported Services --> Θέστε το rows σε 1 --> Θέστε το Service Name σε VoIP Application --> Πατήστε δύο φορές OK. 5. Κάντε δεξί-κλικ στο FTP Server --> Πατήστε Edit Attributes --> Κάντε Edit στο Application: Supported Services --> Θέστε τις γραμμές σε 1 --> Θέστε το Service Name σε FTP Application --> Πατήστε το OK. 6. Κάντε δεξί-κλικ στο Video Server --> Πατήστε Edit Attributes --> Επεκτείνετε την ιεραρχία Application: Supported Services --> Θέστε τις γραμμές σε 1 --> Θέστε το Service Name σε Video Application --> Πατήστε δύο φορές ΟΚ. 7. Αποθηκεύστε το project. Διαμόρφωση των δρομολογητών 1. Πατήστε στην σύνδεση που συνδέει των δρομολογητή East και τον West για να την επιλέξετε --> Από το μενού Protocols, επιλέξτε IP --> QoS --> Configure QoS. 2. Βεβαιωθείτε ότι είναι επιλεγμένες οι επιλογές που φαίνονται στο παρακάτω πλαίσιο διαλόγου (QoS Configuration) --> Πατήστε OK. Σημείωση : Από την στιγμή που είναι επιλεγμένο το ραδιοπλήκτρο Visualize QoS Configuration, το link έχει χρώμα που βασίζεται στο QoS scheme που χρησιμοποιείται (μπλε για το FIFO). 3. Αποθηκεύστε το project. 7

3. Επιλογή στατιστικών μετρήσεων Για να ελέγξουμε την απόδοση των εφαρμογών που έχουν καθοριστεί στο δίκτυο, θα συλλέξουμε κάποιες από τις διαθέσιμες μετρήσεις: 1. Κάντε δεξί-κλικ οπουδήποτε μέσα στον χώρο εργασίας του project και επιλέξτε Choose Individual Statistics. 2. Στο πλαίσιο διαλόγου Choose Results που εμφανίζεται επιλέξτε τα ακόλουθα : 3. Πατήστε OK και μετά αποθηκεύστε το project. 8

4. Διαμόρφωση των παραμέτρων προσομοίωσης Στην συνέχεια θέλουμε να καθορίσουμε τις παραμέτρους της προσομοίωσης : 1. Κάντε κλικ στο κουμπί Configure/Run Simulation 2. Θέστε την διάρκεια στα 150 δευτερόλεπτα. 3. Πατήστε OK και μετά αποθηκεύστε το project. 5. Αντιγραφή του σεναρίου Στο δίκτυο που μόλις δημιουργήσαμε, οι δρομολογητές χρησιμοποιούν τον αλγόριθμο FIFO για τις ουρές αναμονής τους. Για να αναλύσουμε την επίδραση που έχουν διαφορετικοί αλγόριθμοι δρομολόγησης, θα δημιουργήσουμε δύο επιπλέον σενάρια για τις μεθόδους PQ και WFQ. Σενάριο Α (PQ) 1. Δημιουργήστε ένα νέο σενάριο επιλέγοντας Duplicate Scenario από το μενού Scenarios και δώστε του το όνομα PQ Πατήστε ΟΚ. 2. Πατήστε στην σύνδεση που συνδέει των δρομολογητή East και τον West για να την επιλέξετε --> Από το μενού Protocols, επιλέξτε IP --> QoS --> Configure QoS. 3. Βεβαιωθείτε ότι είναι επιλεγμένες οι επιλογές που φαίνονται στο παρακάτω πλαίσιο διαλόγου (QoS Configuration) --> Πατήστε OK. 9

Σημείωση : Από την στιγμή που είναι επιλεγμένο το ραδιοπλήκτρο Visualize QoS Configuration, το link έχει χρώμα που βασίζεται στο QoS scheme που χρησιμοποιείται (πορτοκαλί για το priority queuing). 4. Αποθηκεύστε το project. Σενάριο Β (WFQ) 1. Δημιουργήστε ένα νέο σενάριο επιλέγοντας Duplicate Scenario από το μενού Scenarios και δώστε του το όνομα WFQ Πατήστε ΟΚ. 2. Πατήστε στην σύνδεση που συνδέει των δρομολογητή East και τον West για να την επιλέξετε --> Από το μενού Protocols, επιλέξτε IP --> QoS --> Configure QoS. 3. Βεβαιωθείτε ότι είναι επιλεγμένες οι επιλογές που φαίνονται στο παρακάτω πλαίσιο διαλόγου (QoS Configuration) --> Πατήστε OK. Σημείωση : Από την στιγμή που είναι επιλεγμένο το ραδιοπλήκτρο Visualize QoS Configuration, το link έχει χρώμα που βασίζεται στο QoS scheme που χρησιμοποιείται (πράσινο για το weighted fair queuing). 4. Αποθηκεύστε το project. 6. Εκτέλεση της προσομοίωσης Για να εκτελεστεί η προσομοίωση και για τα τρία σενάρια: 1. Από το μενού Scenario Επιλέξτε Manage Scenarios. 2. Αλλάξτε την τιμή στην στήλη Results σε <collect> και για τα τρία σενάρια. 10

3. Πατήστε ΟΚ για να εκτελεστούν οι τρεις προσομοιώσεις. Ανάλογα με την ταχύτητα του επεξεργαστή αυτό μπορεί να διαρκέσει μερικά δευτερόλεπτα. 4. Αφού ολοκληρωθούν οι εκτελέσεις της προσομοίωσης πατήστε Close. 5. Αποθηκεύστε το project. Σημείωση : Τα πραγματικά αποτελέσματα μπορεί να διαφέρουν ανάλογα με την τοποθέτηση των κόμβων στο project. 7. Επισκόπηση των αποτελεσμάτων Για να δείτε και να αναλύσετε τα αποτελέσματα εκτελέστε τα εξής : 1. Επιλέξτε το Compare Results από το μενού Results. 2. Επιλέξτε την μέτρηση IP Traffic Dropped και πατήστε το κουμπί Show. Το γράφημα που θα προκύψει πρέπει να είναι παρόμοιο με το ακόλουθο. Note: Το ακόλουθο γράφημα προέκυψε ύστερα από μεγέθυνση της περιοχής που μας ενδιέφερε στο αρχικό γράφημα. 11

3. Δημιουργείστε ένα γράφημα για το Video Conferencing Traffic Received: 4. Δημιουργείστε ένα γράφημα για το Voice Traffic Received: 12

5. Δημιουργείστε γραφήματα για το Voice Packet End-to-End Delay και για το Voice Packet Delay Variation: (Σημείωση: Οι μετρήσεις για το WFQ δεν εμφανίζεται στα ακόλουθα γραφήματα επειδή καλύπτεται από τις μετρήσεις του PQ.) 13

Ερωτήσεις Ερώτηση 1 Αναλύστε το γράφημα IP.Traffic Dropped λαμβάνοντας υπόψη ότι τα πακέτα πολυμεσικής κυκλοφορίας (φωνής, video) έχουν περιορισμένη διάρκεια ζωής. Γιατί στο σενάριο FIFO ο ρυθμός απόρριψης πακέτων είναι υψηλός και με μεγάλη διακύμανση; Γιατί στο σενάριο PQ ο ρυθμός αυτός είναι χαμηλότερος και σταθερότερος; Ποια πακέτα λαμβάνουν απόλυτη προτεραιότητα; Στο σενάριο WFQ που εμφανίζει τα καλύτερα σχετικά αποτελέσματα, υπάρχει κάποιο είδος κυκλοφορίας που ευνοείται απόλυτα εις βάρος των υπολοίπων; Γιατί; Ερώτηση 2 Αναλύστε τα γραφήματα Video.Traffic Received και Voice.Traffic Received. Γιατί η κυκλοφορία video εμφανίζει τη μικρότερη λήψη στο σενάριο PQ; Από ποια κυρίως κυκλοφορία περιορίζεται η ικανοποιητική εξυπηρέτησή της; Ποια σενάρια εμφανίζουν σχεδόν ίδιο ρυθμό λήψης πακέτων φωνής; Βάσει των συνολικών αποτελεσμάτων, ποια τεχνική πειθαρχίας ουράς θα προτείνατε για ικανοποιητική εξυπηρέτηση τόσο της κυκλοφορίας video όσο και φωνής; 14

Ερώτηση 3 Αναλύστε τα γραφήματα Voice Packet End-to-End Delay και Voice Packet Delay Variation. Τι ακριβώς σημαίνουν αυτές οι δύο μετρήσεις και πώς σχετίζονται μεταξύ τους; Το σταθερό End-to-End Delay τι προκαλεί στο Delay Variation; Ερώτηση 4 (BONUS) Εξετάστε τα Attributes του αντικειμένου Queues. Λαμβάνοντας υπόψη ότι οι τεχνικές πειθαρχίας ουράς που χρησιμοποιήσατε βασίζονται στο IP πεδίο TOS (TOS based), απαντήστε στα ακόλουθα υποερωτήματα: a. Βάσει του FIFO Profiles, πόσες ουρές αναμονής συσχετίζονται με τον αλγόριθμο FIFO; Ποιο είναι το μέγιστο μέγεθός τους; b. Βάσει του Priority Queuing Profiles, πόσες ουρές αναμονής συσχετίζονται με τον αλγόριθμο PQ; Ποιο είναι το μέγιστο μέγεθός τους; Βάσει του WFQ Profiles, πόσες ουρές αναμονής συσχετίζονται με τον αλγόριθμο WFQ; Ποιο είναι τ 15