9. Gyires Béla Informatikai Nap 2007. november 23. Adatátviteli hálózatok QoS jellemzése Gál Zoltán DE TEK Információtechnológiai Központ (DE IK Informatikai Rendszerek és Hálózatok Tanszék) 9. Gyires Béla Informatikai Nap 2007. november 23.

Tartalom 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?

Működtetés évekkel ezelőtt 1. QoS az adatátviteli hálózatokban Szolgáltatás típusa Működtetés évekkel ezelőtt Működtetés ma Hangátvitel önálló, sajátos technológia1 közös platform, azonos technológia Videóátvitel 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

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)

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%

1. QoS az adatátviteli hálózatokban b.) Késleltetés [sec]: rögzített (soros küldés, kódolás/dekódolás), változó (torlódás, csatornahozzáférés) Előírás hangátvitel és videó esetén: < 150 msec

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%

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

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

1. QoS az adatátviteli hálózatokban b.) Integrált szolgálat (IntServ) modell: - Adatküldés előtt az alkalmazás a jelzésrendszer segítségével a hálózattól 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 és magas ráta igénylés. Pl. Weighted Random Early Detection (WRED)

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

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 bekonfigurált profilban 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, ami szerint kell eljárnia. Ha a csomag a profilon kívül esik, átengedi a csomagot 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.

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

2. Adatátviteli hálózatok forgalmának általános jellemzői

2. Adatátviteli hálózatok forgalmának általános jellemzői

2. Adatátviteli hálózatok forgalmának általános jellemzői

2. Adatátviteli hálózatok forgalmának általános jellemzői

2. Adatátviteli hálózatok forgalmának általános jellemzői (VoIP: 2007

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

3. TCP és UDP közös forgalom szabályozása QoS-sel - Esettanulmány Mérésnél alkalmazott paraméterek és a mintavételezés 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 Logikai csatorna sávszélesség [Mbps] 1, 2, 4 3 Adatkapcsolat IEEE 802.3 (Full Duplex) 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

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 codec b = (56 = DSCP) c = (áteresztő képesség = 2 Mbit/sec)

3. TCP és UDP közös forgalom szabályozása QoS-sel - Esettanulmány Jelfolyamok szórása és relatív szórása (codec, QoS, áteresztés)

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 1 Akadozó 2 Közepes Kevésbé 3 4 5 Mozgó 6 7 Elfogadható 8 Jó 9 Nagyon jó 10

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

3. TCP és UDP közös forgalom szabályozása QoS-sel - Esettanulmány A QoS-szabályozott videó minőségének OS eloszlása (codec, QoS, áteresztés)

4. Quo Vadis QoS? A QoS forgalom-modellek alakulása: ...?

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

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