ΜΗΧΑΝΙΣΜΟΙ ΠΟΙΟΤΗΤΑΣ ΥΠΗΡΕΣΙΑΣ ΣΕ ΔΙΚΤΥΑ

ΜΗΧΑΝΙΣΜΟΙ ΠΟΙΟΤΗΤΑΣ ΥΠΗΡΕΣΙΑΣ ΣΕ ΔΙΚΤΥΑ Ενότητα # 4: Differentiated Services (DiffServ) I Καθηγητής Χρήστος Ι. Μπούρας Τμήμα Μηχανικών Η/Υ & Πληροφορικής, Πανεπιστήμιο Πατρών email: bouras@cti.gr, site: http://ru6.cti.gr/ru6/bouras

Σκοποί ενότητας Η κατανόηση του μοντέλου DiffServ Η υπενθύμιση της τεχνολογίας MPLS Η κατανόηση της αρχιτεκτονικής DiffServ Η εμβάθυνση στους βασικούς μηχανισμούς της αρχιτεκτονικής DiffServ Η κατανόηση του μηχανισμού ταξινόμησης της κίνησης Η κατανόηση των μηχανισμών ελέγχου, αστυνόμευσης και μορφοποίησης της κίνησης, καθώς της λειτουργίας των σχετικών αλγόριθμων 2

Περιεχόμενα ενότητας Το μοντέλο DiffServ Αρχιτεκτονική DiffServ Ταξινόμηση κίνησης Έλεγχος και αστυνόμευση κίνησης Αλγόριθμος token bucket Αλγόριθμος leaky bucket 3

Differentiated Services (DiffServ) I

Εισαγωγή DiffServ (Differentiated Services) Παροχή προτεραιότητας σε κλάσεις κίνησης Εφαρμόζεται σε συνενώσεις ροών (aggregates) Δεν στοχεύει να παρέχει απόλυτες εγγυήσεις ανά ροή Είναι ευέλικτη αρχιτεκτονική με σχετικά εύκολη εφαρμογή και υποστηρίξιμη από πολλές πλατφόρμες δρομολογητών 5

Το μοντέλο DiffServ (1/9) Το μοντέλο DiffServ αποτελεί τη δεύτερη σημαντική προσπάθεια για την παροχή εγγυήσεων ποιότητας υπηρεσίας (QoS) στο Διαδίκτυο. Η πρώτη προσπάθεια (IntServ) εμφάνισε αρκετά μειονεκτήματα με κυριότερο αυτό της μη επεκτασιμότητας σε μεγάλα δίκτυα. Ο σκοπός της ομάδας εργασίας DiffServ ήταν να ορίσει το DS πεδίο στην επικεφαλίδα των IP πακέτων, αντικαθιστώντας το πεδίο TOS (στο IPv4) ή το πεδίο Traffic Class (στο IPv6). 6

Το μοντέλο DiffServ (2/9) Οι DiffServ υπηρεσίες χαρακτηρίζονται από το γεγονός ότι παρέχονται προς μια κατεύθυνση (unidirectional) και άρα είναι μη συμμετρικές. Η αρχιτεκτονική DiffServ μπορεί να χρησιμοποιηθεί μόνο για unicast μετάδοση και το μοντέλο δε μπορεί ακόμα να υποστηρίξει multicast μετάδοση 7

Το μοντέλο DiffServ (3/9) Η λειτουργία του μοντέλου έχει ως εξής: Οι πελάτες ζητούν ένα συγκεκριμένο επίπεδο υπηρεσίας, μαρκάροντας το DS πεδίο του κάθε πακέτου με μια συγκεκριμένη τιμή Η τιμή αυτή προσδιορίζει την ανά κόμβο συμπεριφορά του δικτύου (Per-Hop Behavior, PHB) ως προς το πακέτο Οι τιμές του DS πεδίου είναι μέσα στα πλαίσια της συμφωνίας ανάμεσα στον πάροχο και στον πελάτη (SLA) και ορίζουν τις παραμέτρους του επιπέδου υπηρεσίας, όπως ο ρυθμός μετάδοσης, η προτεραιότητα μετάδοσης και απόρριψης, η εξυπηρέτηση στην ουρά κ.ά. 8

Το μοντέλο DiffServ (4/9) H αρχιτεκτονική DiffServ αποτελεί το πιο δυναμικό σημείο για την παροχή υπηρεσιών QoS. Η λογική της είναι να αναγνωρίζει κάποιες ροές πακέτων και να τις διαχειρίζεται προνομιακά έναντι των υπολοίπων. Γενικά έχουν προταθεί 2 είδη DiffServ υπηρεσιών. 9

Το μοντέλο DiffServ (5/9) Per Hop Behavior (PHB) καλείται η «συμπεριφορά προώθησης» (forwarding behavior) που εφαρμόζεται στα πακέτα σε κάθε κόμβο του DiffServ διαχειριστικό τμήμα. 10

Το μοντέλο DiffServ (6/9) Expedited Forwarding (EF). Σε αυτή την κατηγορία υπηρεσιών στόχο αποτελεί η ελαχιστοποίηση της καθυστέρησης και της διακύμανσης καθυστέρησης στοχεύοντας να παρέχει ποιότητα υπηρεσίας στον υψηλότερο βαθμό. Τα πακέτα που υπερβαίνουν το προφίλ της κίνησης που έχει συμφωνηθεί ότι θα εισάγει ο χρήστης (στο SLA του) απορρίπτονται. Γενικά οι υπηρεσίες αυτής της κατηγορίες εξομοιώνουν τη λειτουργία μιας εικονικής μισθωμένης γραμμής. 11

Το μοντέλο DiffServ (7/9) Assured Forwarding (AF). Η κατηγορία αυτή διαθέτει το πολύ 4 κλάσεις εξυπηρέτησης και το πολύ 3 επίπεδα απόρριψης για κάθε κλάση. Η AF κίνηση που υπερβαίνει τα χαρακτηριστικά διανέμεται με όχι τόσο μεγάλη πιθανότητα όσο η εντός προφίλ κίνηση, γεγονός που σημαίνει ότι μπορεί να υποβιβάζεται αλλά δεν σημαίνει απαραίτητα ότι απορρίπτεται 12

Το μοντέλο DiffServ (8/9) Η λειτουργία της DiffServ Αρχιτεκτονικής βασίζεται σε μια σειρά από μηχανισμούς οι οποίοι ενεργούν πάνω στις ροές. Ταξινόμηση των πακέτων Μαρκάρισμα της κίνησης Μέτρηση της κίνησης Μηχανισμός μορφοποίησης της κίνησης Διαχείριση Ουρών Χρονοδρομόλογηση κλάσεων (και ουρών) 13

Το μοντέλο DiffServ (9/9) Προκειμένου να υλοποιηθούν υπηρεσίες παροχής ποιότητας υπηρεσίας απαιτείται η σωστή σχεδίαση και χρήση όλων αυτών των μηχανισμών 14

Εισαγωγή στην τεχνολογία MPLS (1/4) Το MPLS ανήκει μόνο στους δρομολογητές Η σημασία του ΜPLS στα πεδία: Λειτουργικότητα, Κλιμάκωση, Εξέλιξη, Ολοκλήρωση Πλεονεκτήματα: Υποστήριξη πολλών πρωτοκόλλων Ανεξαρτησία επιπέδου διασύνδεσης δεδομένων Αυξημένη απόδοση Traffic engineering Υποστήριξη multicast, QoS Εισάγει μια ετικέτα μεγέθους 20 bits μεταξύ των επικεφαλίδων επιπέδου 2 και 3 15

Εισαγωγή στην τεχνολογία MPLS (2/4) Διαθέτει ένα πεδίο 3 bits (EXP) που χρησιμοποιείται για μαρκάρισμα κίνησης (συνδυάζεται με την DiffServ αρχιτεκτονική) Στο πεδίο είτε ανατίθεται μια τιμή είτε αντιγράφεται η τιμή του IP Precedence (3 πιο σημαντικά bits του DSCP) Επικεφαλίδα επιπέδου διασύνδεσης δεδομένων MPLS SHIM Επικεφαλίδα επιπέδου δικτύου Επικεφαλίδες των άλλων επιπέδων και δεδομένα 32 bits LABEL EXP bits B S TTL 20 bits 3 bits 3 bits 1 bit 16

Εισαγωγή στην τεχνολογία MPLS (3/4) 17

Εισαγωγή στην τεχνολογία MPLS (4/4) Υποστηρίζει traffic engineering Στόχοι προσανατολίζονται στην κυκλοφορία προσανατολίζονται στους πόρους Μέθοδοι ρητών διαδρομών ή ρητής δρομολόγησης έμμεση δρομολόγηση Υποστηρίζεται με επεκτάσεις σε υπάρχοντα πρωτόκολλα (RSVP-TE και CR- LDP) Link failure / fast reroute - Εναλλακτικά μονοπάτια Τα traffic engineering χαρακτηριστικά του μπορούν να συνδυαστούν με την DiffServ αρχιτεκτονική (μαρκάρισμα με χρήση του πεδίου EXP, αστυνόμευση, διαχείριση ουρών και χρονοδρομολόγηση) 18

Αρχιτεκτονική DiffServ (1) Για την υλοποίησή της απαιτούνται οι ακόλουθοι μηχανισμοί: Ταξινόμηση των πακέτων Μαρκάρισμα Μέτρηση Μηχανισμός μορφοποίησης Διαχείριση Ουρών και Χρονοδρομόλογηση 19

Αρχιτεκτονική DiffServ (2) Traffic Conditioner Μέτρηση (προφίλ) πακέτα Ταξινόμηση της κίνησης Μαρκάρισμα των πακέτων Μορφοποίηση/ απόρριψη 20

Βασικές Αρχές DiffServ Edge και Core δρομολογητές Ενεργοποίηση traffic condiotioning μηχανισμών μόνο στους edge δρομολογητές Δημιουργία ουρών και Χρονοδρομολόγηση σε όλους Σε περίπτωση διασύνδεσης trusted domains, οι edge δρομολογητές μπορεί να μην υλοποιούν ούτε traffic conditioning μηχανισμούς (μόνο διαχείριση ουρών) 21

Ταξινόμηση της κίνησης (1) Θεωρητικά οι ροές μπορούν να ταξινομηθούν με βάση τα ακόλουθα χαρακτηριστικά: Την IP διεύθυνση του αποστολέα Τον αριθμό port του αποστολέα Την IP διεύθυνση του παραλήπτη Τον αριθμό port του παραλήπτη Το πρωτόκολλο που χρησιμοποιείται Στην DiffServ αρχιτεκτονική όμως η ταξινόμηση γίνεται σε κλάσεις 22

Ταξινόμηση της κίνησης (2) Ταξινόμηση με βάση την IPv4 επικεφαλίδα Χρησιμοποιείται το πεδίο DSCP (που ανήκει στο TOS octet) και έχει μέγεθος 6bits Έτσι δημιουργούνται 64 δυνατοί συνδυασμοί άρα 64 κλάσεις υπηρεσίας DSCP Προσωρινά αχρησιμοποίητο 6 bits 2 bits 23

Ταξινόμηση της κίνησης (3) Ταξινόμηση με βάση την IPv6 επικεφαλίδα Ομοίως υπάρχει το DSCP πεδίο που ανήκει στο πεδίο Traffic Class Επίσης υπάρχει το πεδίο flow label (για διαχωρισμό ροών) προτυποποιήθηκε η χρήση του πρόσφατα με το RFC 3697 0 4 8 12 16 24 31 ver Traffic Class Flow Label Payload length Επόμενη επικεφαλίδα IP Διεύθυνση Αποστολέα IP Διεύθυνση Παραλήπτη Hop limit Βασικά στοιχεία ευρυζωνικών επικοινωνιών Μέρος 1 24

Ταξινόμηση της κίνησης (4) Ταξινόμηση με Βάση την MPLS Επικεφαλίδα Χρήση του πεδίου EXP (3 bits) Με την είσοδο σε ένα MPLS DiffServ domain το πεδίο αυτό συμπληρώνεται Σε πολλές πλατφόρμες αν δεν οριστεί το πεδίο τότε αντιγράφεται η τιμή του IP Precedence από την IP επικεφαλίδα 25

Ταξινόμηση της κίνησης (5) Ταξινόμηση με βάση την MPLS επικεφαλίδα Με την χρήση του EXP πεδίου υλοποιούνται μέχρι 8 κλάσεις Επικεφαλίδα επιπέδου διασύνδεσης δεδομένων MPLS SHIM Επικεφαλίδα επιπέδου δικτύου Επικεφαλίδες των άλλων επιπέδων και δεδομένα 32 bits LABEL EXP bits B S TTL 20 bits 3 bits 3 bits 1 bit 26

Έλεγχος της κίνησης Αλγόριθμος token bucket Επιτυγχάνει έλεγχο και αστυνόμευση της κίνησης Διαχωρίζει τα πακέτα σε 2 κατηγορίες (σε αυτά που είναι εντός προφίλ και αντίστροφα σε όσα είναι εκτός προφίλ) Ο αλγόριθμος ορίζει 2 μεταβλητές: το μέσο ρυθμό αποστολής πακέτων r το μέγιστο μέγεθος του κάδου b 27

Αλγόριθμος Token Bucket (1) Παράγονται κουπόνια με ρυθμό ίσο με το μέσο ρυθμό που καθορίστηκε Αν αυτά δεν χρησιμοποιούνται συσσωρεύονται στο κάδο μέχρι το πολύ b. Όταν φτάσει ένα πακέτο, αν υπάρχει ελεύθερο κουπόνι, τότε θεωρείται ότι το κουπόνι ανατίθεται στο πακέτο αυτό και το πακέτο χαρακτηρίζεται σαν εντός προφίλ. Αντίθετα αν φτάσει ένα πακέτο και δεν υπάρχει ελεύθερο κουπόνι, τότε το πακέτο μαρκάρεται ως εκτός προφίλ Η συμπεριφορά στα εκτός προφίλ πακέτα καθορίζεται ανάλογα (μικρότερη κλάση υπηρεσίας ή απόρριψη) 28

Αλγόριθμος Token Bucket (2) δεδομένα υπέρβαση κάδου, μαρκάρισμα ή απόρριψη του πακέτου μέσος ρυθμός μετάδοσης μέγεθος κάδου χρόνος 29

Αλγόριθμος Token Bucket (3) Για κατηγοριοποίηση της κίνησης σε περισσότερα από 2 επίπεδα αρκεί να εφαρμοστεί ο αλγόριθμος διαδοχικά δεδομένα μέσος ρυθμός r2 μέσος ρυθμός r3 μέσος ρυθμός r1 b3 b2 b1 χρόνος 30

Αλγόριθμος Leaky Bucket (1) Αποτελεί έναν αλγόριθμο μορφοποίησης της κίνησης Αν ο ρυθμός με τον οποίο καταφθάνουν τα πακέτα στον κάδο είναι μεγαλύτερος από τον ρυθμό με τον οποίο αυτά εξέρχονται από αυτόν, τότε συσσωρεύονται, μέχρι όμως μια τιμή που αποτελεί και το μέγιστο μέγεθος του κάδου. Ο αλγόριθμος οδηγεί τα πακέτα να εξέρχονται με σταθερό ρυθμό από τον κάδο και επιτρέπει αυτά να συσσωρεύονται στον κάδο εφόσον βέβαια υπάρχει διαθέσιμος χώρος. Όσα πακέτα δεν εισέρχονται στον κάδο μαρκάρονται ως εκτός προφίλ και χειρίζονται ανάλογα 31

Αλγόριθμος Leaky Bucket (2) Host κίνηση π ακέτων με τυχαίο ρυθμό κάδος Leaky Bucket ο κάδος απ οθηκεύει π ακέτα κίνηση π ακέτων π ρος το δίκτυο με σταθερό ρυθμό δίκτυο 32

Αστυνόμευση της κίνησης Η αστυνόμευση της κίνησης πραγματοποιείται στα σημεία εισόδου της κίνησης σε ένα DiffServ domain έχει την έννοια του ελέγχου της κίνησης με βάση ένα συγκεκριμένο προφίλ που έχει συμφωνηθεί (με κάποιο SLA) και τη λήψη συγκεκριμένων αποφάσεων για τον χειρισμό της κίνησης που ξεφεύγει από το συμφωνηθέν προφίλ Οι αποφάσεις μπορεί να είναι είτε μαρκάρισμα των πακέτων σε μικρότερη κλάση εξυπηρέτηση στη χειρότερη περίπτωση απόρριψη Τα κριτήρια αστυνόμευσης που χρησιμοποιούνται μπορεί να είναι με βάση τη χρονική στιγμή στη διάρκεια της μέρας, βάση της πηγής και του προορισμού ή γενικότερα με βάση κάθε δεδομένο της κίνησης 33

Μορφοποίηση της κίνησης Ο μηχανισμός μορφοποίησης της κίνησης επιτυγχάνει να διαμορφώνει την κίνηση εξαλείφοντας εκρήξεις Επίσης μπορεί να προβλεφθεί τα πακέτα που κανονικά απορρίπτονται (πακέτα εκτός προφίλ) να αποθηκεύονται προσωρινά και να διοχετεύονται αργότερα στο δίκτυο και αφού έχει εξομαλυνθεί η εκρηκτικότητα της μετάδοσής τους Οι μηχανισμοί αστυνόμευσης και μορφοποίησης της κίνησης μπορούν να χρησιμοποιηθούν συνδυασμένα ώστε ένα μέρος των πακέτων που θεωρούνται εκτός προφίλ από τον μηχανισμό αστυνόμευσης να μορφοποιείται και να μεταδίδεται. 34

Σύντομη ανασκόπηση Το μοντέλο DiffServ Αρχιτεκτονική DiffServ Ταξινόμηση κίνησης Έλεγχος και αστυνόμευση κίνησης Αλγόριθμος token bucket Αλγόριθμος leaky bucket 35

Βιβλιογραφία Σημειώσεις μαθήματος (Κεφάλαιο 4) Βιβλία S. Vegesna, IP Quality of Service: the complete resource for understanding and deploying IP Quality of Service for Cisco networks, Cisco Press, 2001 Vivek Alwin, Advanced MPLS Design and Implementation, Cisco Press, 2001 H. K. Lew, S. Spanier, M. Ford, T. Stevenson, Internetworking Technologies Handbook, Cisco Press, 1998 W. Stallings, Data and Computer Communications, 10th edition, Pearson, 2013 W. Stevens, TCP / IP Illustrated, Volume 1: The Protocols, 2nd edition, Addison- Wesley, 2011 Links: http://ru6.cti.gr/ru6/bouras/graduate-courses/mhxanismoi-poiothtasuphresias?language=el (Δικτυακός τόπος μαθήματος) 36

Ερωτήσεις 37

Τέλος Ενότητας

Χρηματοδότηση Το παρόν εκπαιδευτικό υλικό έχει αναπτυχθεί στο πλαίσιο του εκπαιδευτικού έργου του διδάσκοντα. Το έργο «Ανοικτά Ακαδημαϊκά Μαθήματα στο Πανεπιστήμιο Αθηνών» έχει χρηματοδοτήσει μόνο την αναδιαμόρφωση του εκπαιδευτικού υλικού. Το έργο υλοποιείται στο πλαίσιο του Επιχειρησιακού Προγράμματος «Εκπαίδευση και Δια Βίου Μάθηση» και συγχρηματοδοτείται από την Ευρωπαϊκή Ένωση (Ευρωπαϊκό Κοινωνικό Ταμείο) και από εθνικούς πόρους. 39

Σημειώματα

Σημείωμα Ιστορικού Εκδόσεων Έργου Το παρόν έργο αποτελεί την έκδοση 1.0. 41

Σημείωμα Αναφοράς Copyright Πανεπιστήμιο Πατρών, Χρήστος Μπούρας 2015. «Μηχανισμοί Ποιότητας Υπηρεσίας σε Δίκτυα. Differentiated Services (DiffServ) I». Έκδοση: 1.0. Πάτρα 2015. Διαθέσιμο από τη δικτυακή διεύθυνση: https://eclass.upatras.gr/courses/ceid1103/ 42

Σημείωμα Αδειοδότησης Το παρόν υλικό διατίθεται με τους όρους της άδειας χρήσης Creative Commons Αναφορά, Μη Εμπορική Χρήση Παρόμοια Διανομή 4.0 [1] ή μεταγενέστερη, Διεθνής Έκδοση. Εξαιρούνται τα αυτοτελή έργα τρίτων π.χ. φωτογραφίες, διαγράμματα κ.λ.π., τα οποία εμπεριέχονται σε αυτό και τα οποία αναφέρονται μαζί με τους όρους χρήσης τους στο «Σημείωμα Χρήσης Έργων Τρίτων». [1] http://creativecommons.org/licenses/by-nc-sa/4.0/ Ως Μη Εμπορική ορίζεται η χρήση: που δεν περιλαμβάνει άμεσο ή έμμεσο οικονομικό όφελος από την χρήση του έργου, για το διανομέα του έργου και αδειοδόχο που δεν περιλαμβάνει οικονομική συναλλαγή ως προϋπόθεση για τη χρήση ή πρόσβαση στο έργο που δεν προσπορίζει στο διανομέα του έργου και αδειοδόχο έμμεσο οικονομικό όφελος (π.χ. διαφημίσεις) από την προβολή του έργου σε διαδικτυακό τόπο Ο δικαιούχος μπορεί να παρέχει στον αδειοδόχο ξεχωριστή άδεια να χρησιμοποιεί το έργο για εμπορική χρήση, εφόσον αυτό του ζητηθεί. 43