Dienstqualität. Rechnernetze Dienstqualität 1. Trend Netzwerk. Dienstqualität (Quality of Service QoS)

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1 Trend Netzwerk Netzwerke werden komplexer, bedingt durch intelligentere aktive Komponenten (in höheren Layern angeordnet) Konvergenz von Daten, Sprache und Bild, Prozesssteuerung "Konvergenz der Netze" Sicherheits-Regelungen und -Geräte neue Applikationen: Telekonferenz Telemedizin Verfügbarkeit (99,999%) Echtzeit-Anwendungen HDTV, Video-on-Demand Fernunterricht Hochgeschwindigkeits-Datenübertragung (z.b. für Rechnerverbund) Leitungsvermittlung Paketvermittlung Rechnernetze Prof. Dr.-Ing. Hartmut Kühn Hochschule für Technik und Wirtschaft Dresden Folie 1 Rechnernetze Prof. Dr.-Ing. Hartmut Kühn Hochschule für Technik und Wirtschaft Dresden Folie 2 (Quality of Service QoS) Applikation Garantie für Teilnehmer über eine gewisse Mindest-Netzqualität Qualität wird ausgehandelt Transportschicht garantiert Qualität Durchsatz / Bitrate Maximaler / Minimaler / Mittlerer Durchsatz bzw. konstanter Durchsatz Laufzeit / Verzögerung der Übertragung Maximale / Minimale / Mittlere Laufzeit bzw. konstante Laufzeit Zuverlässigkeit Fehlerrate (Bitfehler + Burstfehler) Zeit für Verbindungsaufbau Zeit für Verbindungsabbau Wahrscheinlichkeit für Verbindungsabbruch Schutz Kein Schutz gegen Manipulation und Mithören Schutz gegen Mithören Schutz gegen Manipulation und Mithören Kosten ist Voraussetzung für Echtzeitanwendungen 1. Anforderungen der Anwendung entgegennehmen 2. Reservieren der Ressourcen im Netz 3. Aufrechterhalten und Kontrolle Paketvermittlung? erforderliche Bandbreite Empfindlichkeit gegen zufällige Paketverluste Empfindlichkeit gegen Verzögerungen Empfindlichkeit gegen schwankende Datenrate Sprache Video hoch hoch hoch FTP mittel hoch hoch Verwaltungs- Anwendungen mittel hoch mittel Rechnernetze Prof. Dr.-Ing. Hartmut Kühn Hochschule für Technik und Wirtschaft Dresden Folie 3 Rechnernetze Prof. Dr.-Ing. Hartmut Kühn Hochschule für Technik und Wirtschaft Dresden Folie 4 Rechnernetze 1

2 Ziel: Prozeßsteuerung, Voice über Ethernet und IP Bedingung Ethernet muss echtzeitfähig sein, da Prozesse in der Regel definierte Reaktionszeiten fordern eigentlich deterministischer Kanalzugriff erforderlich Voraussetzungen bei Ethernet dezentrales Netz unabhängige, gleichberechtigte Stationen mögliche Kollisionen von n Management der Kollisionen statistischer Kanalzugriff Konflikt unvorhersehbares Verhalten keine definierten Reaktionszeiten Lösung nur über Kompromiss möglich Rechnernetze Prof. Dr.-Ing. Hartmut Kühn Hochschule für Technik und Wirtschaft Dresden Folie 5 Rechnernetze Prof. Dr.-Ing. Hartmut Kühn Hochschule für Technik und Wirtschaft Dresden Folie 6 Konzepte für virtuelle Leitungen Leitungsvermittlung zuerst Pfadaufbau, dann Datenübertragung kein Zwischenspeichern im Switch Bandbreite nicht genutzt Kosten? Paketvermittlung (Ethernet) Effiziente Nutzung der Kapazität des Kanals Zwischenspeichern im Switch nötig Überlast kann Paketverluste verursachen Overhead für Header Dienstgüte? Paketvermittlung (ATM) kurze schnelle Reaktion auf dringende Anpassung an verschiedenste Kanalkapazitäten Minimierung des Overheads für Header Wegfestlegung bei Verbindungsaufbau Zellen werden entlang des gleichen Pfades transportiert Verbindungsnummern als Header Rechnernetze Prof. Dr.-Ing. Hartmut Kühn Hochschule für Technik und Wirtschaft Dresden Folie 7 Vergleich der Vermittlungs-Technologien feste Bitrate einfaches Management Leitungs- Vermittlung Leitungsbelegung für gesamte Verbindungszeit Zeitmultiplex auch als STM bekannt Synchronous Transfer Mode sehr unflexibel, da feste Bitrate Asynchroner Transfermode Paketlänge fest Header mit Verbindungsnummer immer Verbindungsaufbau erforderlich variable Bitrate ausgefeiltes Management Frame- Relay Paket- Vermittlung Übertragung als Paketlänge variabel Header mit Adresse Overhead minimiert keine Flußkontrolle keine Fehlerkorrektur Header mit Info für Fehlerkorrektur für Flußkontrolle Rechnernetze Prof. Dr.-Ing. Hartmut Kühn Hochschule für Technik und Wirtschaft Dresden Folie 8 Rechnernetze 2

3 Aufbau einer Zelle: ATM Asynchron-Transfer-Mode 5 Byte 48 Byte Zellenkopf Daten alle Zellen haben gleiche Länge: K D K D K D K D K D Zellensynchronität, statistischer Multiplex Asynchroner Transfer-Mode K Quelle 1 K Quelle 3 K Quelle 1 K Quelle 2 K Quelle 2 Datenströme unterschiedlicher Datenrate können gemischt werden! Integration verschiedener Dienste möglich CCITT Definition von ATM (CCITT Recommendation I.113, Section 2.2) A transfer mode in which the information is organized into cells; it is asynchronous in the sense that the recurrence of cells containing information from a particular user is not necessarily periodic (periodic: appears at equal time intervals as in T1) Rechnernetze Prof. Dr.-Ing. Hartmut Kühn Hochschule für Technik und Wirtschaft Dresden Folie 9 ATM - Dienste Permanante virtuelle Verbindung (Permanent virtual circuits PVC) Geschaltete virtuelle Verbindung (switched virtual circuits (SVC) verbindungsloser Dienst (connectionless service) 4 Dienstklassen A B C D Zeitabhängigkeit notwendig nicht notwendig Bitrate konstant variabel Verbindungsart verbindungsorientiert verbindungslos AAL ATM Adaptation Layer CBR konstante Bitrate constant bitrate VBR variable Bitrate variable bitrate UBR unspezifizierte Bitrate unspecified bitrate ABR verfügbare Bitrate available bitrate Rechnernetze Prof. Dr.-Ing. Hartmut Kühn Hochschule für Technik und Wirtschaft Dresden Folie 10 Verbindungsnummern VPI/VCI VCI Virtual Circuit Identifier beschreibt unidirektionalen Transport von ATM Zellen (16 Bits = 65536) VPI Virtual Path Identifier beschreibt unidirektionalen Transport von ATM Zellen in einem Bündel von virtuellen Leitungen (8 Bits = 256 für private Switche, sonst 12 Bits=4096) werden für Routing benötigt Zuordnung erfolgt bei Verbindungsaufbau durch Verhandlung zwischen Endgerät und Netzwerk (signalling) gesperrte VCI-Werte 0-31, z.b. für ungenutzte Zellen 5 Signalisierung von Endgerät zu Switch 16 Integrated Local Management Interface ILMI (Parameteraustausch mit Gegenstelle) 18 Private Network Network Interface PNNI (Topologie + Verbindungsaufbau) physische Verbindung VPI 1 VPI n VCI 32 VCI 35 VCI n VCI 52 VCI 67 VCI n ATM-Switch (Koppelfeld) Virtuelle Verbindungen werden durch VCI/VPI Tabellen organisiert Tabellen tragen lokalen Charakter (d.h. für den Switch) Routing-Tabellen existieren für jeden Input-Kanal getrennt VPI/VCI im Header wird ausgetauscht! PVC Permanente Virtuelle Verbindungen werden manuell konfiguriert ( feste Einträge in den Tabellen Standleitung, nur begrenzt verfügbar) SVC Geschaltete (switched) Virtuelle Verbindungen werden automatisch generiert ( Wählleitung ) ATM-Switch VPI 5 VCI 33 VCI 33 VPI 1 VCI 34 VPI 4 VCI 34 VCI 33 VCI 34 VPI 2 VPI 3 VCI 33 VCI 34 Rechnernetze Prof. Dr.-Ing. Hartmut Kühn Hochschule für Technik und Wirtschaft Dresden Folie 11 Rechnernetze Prof. Dr.-Ing. Hartmut Kühn Hochschule für Technik und Wirtschaft Dresden Folie 12 Rechnernetze 3

4 Ziel: Verringern der Kollisionen Lastbeschränkung, die Netzlast herabsetzt Begrenzung Parametern Lösungsansätze in LAN Eingriff λ max, die maximale Meldungsrate [in Meldungen/s] pro Station, m max, die maximale Länge einer Meldung [in s], δ, der minimale Zeitabstand zwischen der Erzeugung von Meldungen [in s] OSI-Referenzmodell (Open Systems Interconnection) Anwendungsschicht Darstellungsschicht Kommunikationsschicht Transportschicht Vermittlungsschicht Datensicherungsschicht Bitübertragungsschicht Rechnernetze Prof. Dr.-Ing. Hartmut Kühn Hochschule für Technik und Wirtschaft Dresden Folie 13 Rechnernetze Prof. Dr.-Ing. Hartmut Kühn Hochschule für Technik und Wirtschaft Dresden Folie 14 IPv4-Header Version Header TOS Länge Type of Service Kennung TTL Time to Life Protokoll Flags Quelladresse Zieladresse Gesamtlänge des Pakets Fragment-Offset CRC Header Optionen + Füllbytes (variabel) Rechnernetze Prof. Dr.-Ing. Hartmut Kühn Hochschule für Technik und Wirtschaft Dresden Folie 15 Rechnernetze Prof. Dr.-Ing. Hartmut Kühn Hochschule für Technik und Wirtschaft Dresden Folie 16 Rechnernetze 4

5 TOS- Feld Priorisierung von n nach RFC D T R 0 0 TOS- Feld Priorisierung von n nach RFC 1349 (1992) D 4 T 5 R 6 C 7 0 Precedence reserviert für zukünftige Nutzung D=0 normal Delay D=1 low Delay Verzögerung T=0 normal Throughput T=1 High Troughput Durchsatz R=0 normal Reliability R=1 high Reliability Zuverlässigkeit Precedence Klasse / Bedeutung dez. bin. Priorität max. zwei der Bits 3-5 gleichzeitig! Network Control hoch Internetwork Control CRITIC/ECP Flash Override Problem: Flash Immediate Keine Steuerung der Kosten Priority Routine niedrig durch Anwender möglich Precedence TOS reserviert für zukünftige Nutzung D=0 normal Delay D=1 low Delay Verzögerung T=0 normal Throughput T=1 High Troughput Durchsatz R=0 normal Reliability R=1 high Reliability Zuverlässigkeit C=0 normal Costs D=1 minimize Costs Kosten Precedence Klasse / Bedeutung Priorität max. eins der Bits 3-6 gleichzeitig! dez. bin Network Control hoch Internetwork Control CRITIC/ECP Flash Override Flash Immediate Priority Routine niedrig In OSPF implementiert Aber: Keine einheitliche Realisierung in allen Routern Nur rudimentäre Unterstützung durch die Betriebssysteme Rechnernetze Prof. Dr.-Ing. Hartmut Kühn Hochschule für Technik und Wirtschaft Dresden Folie 17 Rechnernetze Prof. Dr.-Ing. Hartmut Kühn Hochschule für Technik und Wirtschaft Dresden Folie 18 Differentiated Services-Domäne =Gebiet mit einheitlicher Umsetzung des DiffServ-Konzeptes durch alle Router Klassifizierung der Markierung Shaping / Dropping Queuing Routing DiffServ-Domäne Ingress- Node Interior Node Queuing Routing Egress- Node Ggf. Neu-Markierung Shaping / Dropping Queuing Routing Rechnernetze Prof. Dr.-Ing. Hartmut Kühn Hochschule für Technik und Wirtschaft Dresden Folie 19 Rechnernetze Prof. Dr.-Ing. Hartmut Kühn Hochschule für Technik und Wirtschaft Dresden Folie 20 Rechnernetze 5

6 Differentiated Services (DiffServ) RFC (1998) PHB Per-Hop-Behavior Differentiated Services Class Relative Priorität reserviert für innerhalb einer zukünftige Nutzung DS-Klasse relativ absolut DSCP Differentiated Services Codepoint IPv4: TOS-Feld IPv6: Traffic-Class-Feld Zuordnung DSCP PHB Per-Hop-Behavior PHB's beschreiben Delay Jitter Bandbreite und Verlustwahrscheinlichkeit relative Priorität der PHB's zueinander Prozentuale Teilung der Ressourcen: % Puffer % Bandbreite Absolute Zuteilung der Ressourcen: Puffer in Byte Bandbreite in Bit/s Rechnernetze Prof. Dr.-Ing. Hartmut Kühn Hochschule für Technik und Wirtschaft Dresden Folie 21 Rechnernetze Prof. Dr.-Ing. Hartmut Kühn Hochschule für Technik und Wirtschaft Dresden Folie 22 Elemente eines DiffServ-Routers klassifizieren Messung des Verkehrs Classifier Meter Marker DSCP setzen markieren Shaper / Dropper Steuerung des Verkehrs durch Verzögern und Verwerfen von n Rechnernetze Prof. Dr.-Ing. Hartmut Kühn Hochschule für Technik und Wirtschaft Dresden Folie 23 Rechnernetze Prof. Dr.-Ing. Hartmut Kühn Hochschule für Technik und Wirtschaft Dresden Folie 24 Rechnernetze 6

7 IntServ: Reservierung mittels RSVP Resource Reservation Protocol Path-Message vom Sender Sender Jeder Router speichert den Pfad RESV-Message Ressourcen-Zuordnung durch jeden Router Empfänger Reserviert immer nur für eine Richtung Periodische Refresh-Meldungen 'Still alive' Rechnernetze Prof. Dr.-Ing. Hartmut Kühn Hochschule für Technik und Wirtschaft Dresden Folie 25 Rechnernetze Prof. Dr.-Ing. Hartmut Kühn Hochschule für Technik und Wirtschaft Dresden Folie 26 MPLS Multiprotocol Label Switching Idee: Markierung der Einfügen eines Zwischenlayers nicht auf IP begrenzt Label beinhaltet Priorisierungsinformationen und/oder Routing-Informationen IP Input Label IP 437 MPLS-Netzwerk Output Label 10 IP usw. Port Edge 10 Hop 437 Input Label Output Label usw Port Edge MPLS- Zwischenlayer Edge Ethernet PPP ATM Rechnernetze Prof. Dr.-Ing. Hartmut Kühn Hochschule für Technik und Wirtschaft Dresden Folie 27 Rechnernetze Prof. Dr.-Ing. Hartmut Kühn Hochschule für Technik und Wirtschaft Dresden Folie 28 Rechnernetze 7

8 Warteschlangen (Queues) Warteschlangen dienen der Zuordnung von Bandbreite (Bandwidth): Welches Paket als nächstes übertragen? (scheduling) Puffer (Buffer): Welches Paket verwerfen? (buffer management) jeder Router muß Warteschlangen verwalten Verwaltung der Warteschlangen beeinflußt die Verzögerung der Eingänge Beispiel der Struktur eines Routers Queue Class A Class B Class C Class D Ausgänge Rechnernetze Prof. Dr.-Ing. Hartmut Kühn Hochschule für Technik und Wirtschaft Dresden Folie 29 Rechnernetze Prof. Dr.-Ing. Hartmut Kühn Hochschule für Technik und Wirtschaft Dresden Folie 30 Typische Warteschlangenverwaltung FIFO + drop-tail einfachste Variante im Internet weit verbreitet Scheduling: FIFO (first-in-first-out) Wer zuerst kommt mahlt zuerst zuerst angekommene werden auch zuerst weitergeleitet Nur eine Klasse von n, keine Priorisierung Buffer management: Drop-tail Ende wegwerfen ankommende werden verworfen, wenn die Warteschlange voll ist nur eine Klasse von n, keine Priorisierung Problem: wer mehr versendet, erhält mehr Service große Queues erforderlich, um Paketverluste zu vermeiden bei Stau große Wartezeiten bei Paketverlusten (üblicherweise gehen in Gruppen verloren) senden alle Endnutzer gleiche Anfragen erneut Oszillation der Warteschlangen Strategien zur Warteschlangen-Verwaltung Synchronisation: Zufall: Vernichte zufällig gewähltes Paket Spitze: Vernichte Paket vom Kopf der Queue Hohe Dauerlast oder Burst: Frühzeitig: Vernichte bevor die Queue voll ist nicht zu früh vernichten (die Queue könnte nur durch Burst und nicht durch wirkliche Überlast gefüllt sein) Schutz empfindlicher Datenströme? proportional zu ihrem Anteil an der Überlastung vernichten empfindliche Datenströme schützen (z.b. durch Prioritäten) vernichten oder markieren: Vernichten von n beeinflußt die Zuverlässigkeit Markieren von n: Mitarbeit der Endsysteme erforderlich Rechnernetze Prof. Dr.-Ing. Hartmut Kühn Hochschule für Technik und Wirtschaft Dresden Folie 31 Rechnernetze Prof. Dr.-Ing. Hartmut Kühn Hochschule für Technik und Wirtschaft Dresden Folie 32 Rechnernetze 8

9 PQ Priority Queuing WFQ Weighted Fair Queuing Rechnernetze Prof. Dr.-Ing. Hartmut Kühn Hochschule für Technik und Wirtschaft Dresden Folie 33 Rechnernetze Prof. Dr.-Ing. Hartmut Kühn Hochschule für Technik und Wirtschaft Dresden Folie 34 Wahrscheinlichkeit für Vernichtung des ankommenden s 1 Verstopfungskontrolle mittels zufälliger Früherkennung Random Early Detection (RED) aktuelle Warteschlangenlänge physische Warteschlangenlänge Ereignis-Übertragung Status-Übertragung Ereignisübertragung jede Nachricht ist bedeutsam Nachrichtenverluste nicht tolerierbar effektive Ausnutzung der Bandbreite Problem: Überflutung mit Nachrichten Was ist das beste Real-Time-Protokoll? CSMA / CD - Ethernet CSMA / CA - WLAN CAN Polling - Bitbus Token Passing - Token Bus Profibus TDMA Fire-Wire???? Statusübertragung konstante Netzlast ineffektiv Verlust einzelner Nachrichten tolerierbar Application Presentation Session Transport Network LLC Data-Link MAC Physical Rechnernetze Prof. Dr.-Ing. Hartmut Kühn Hochschule für Technik und Wirtschaft Dresden Folie 35 Rechnernetze Prof. Dr.-Ing. Hartmut Kühn Hochschule für Technik und Wirtschaft Dresden Folie 36 Rechnernetze 9