6Power - WP5: Next Generation Applications Teilprojekt EIT/FHBB: adaptive QoS-Mechanismen

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1 Teilprojekt EIT/FHBB: adaptive QoS-Mechanismen Peter Inäbnit Fachhochschule beider Basel Abt. Elektrotechnik und Informationstechnologie Gründenstrasse 40 CH-4132 Muttenz Muttenz, 6. Mai 2004

2 Zusammenfassung Beim Euro-IST Projekt 6Power wird in den Bereichen IPv6 und Power Line Communication (PLC) geforscht resp. entwickelt. Durch Anwendung von IPv6 und Entwicklung geeigneter Quality of Service (QoS) Mechanismen soll die PLC Technoloie auch für bandbreitenkritische Dienste wie Voice over IP (VoIP) nutzbar werden. Die Firma MultiComLab (MCLab) in Basel wurde mit der Leitung des Workpackage 5 (WP5) betraut. In diesem Workpackage geht es um die Entwicklung sogenannter Next Generation Applications. Darunter sind z.b. Sprachanwendungen zu verstehen die beispielsweise das Telefonieren über ein IP Netz ermöglichen. Die Firma MCLab beauftragte die Fachhochschule Solothurn in Oensingen sowie die Fachhochschule beider Basel (Abteilung Elektrotechnik und Abteilung Informatik) mit Arbeiten in diesem Projekt. Der Beitrag der Fachhochschulen liegt in der Entwicklung von Dienstgütemechanismen unter Verwendung der PLC Technologie und den neuen Möglichkeiten von IPv6. Exemplarisch wird die Vergabe resp. Reservation von Bandbreite für H.323 Dienste versucht. Die entwickelten Mechanismen werden in Messungen auf ihre Tauglichkeit geprüft. In diesem Teilprojekt adaptive QoS Mechanismen wurde der H.323 Gatekeeper um eine Schnittstelle zum QoS Broker erweitert. Die Anfrage der Bandbreite wurde mit einem Simulationsmodell des QoS Broker getestet.

3 Inhaltsverzeichnis 1 Einleitung Projektübersicht Projektbeschrieb Allgemeines Kommunikationsszenario und Protokollstruktur Teilprojekte Problemstellung Lösungsansatz Ziel Forschungs- und Projektplan Lösungsweg Leistungserfüllung Spezifikationen Übersicht QoS Broker H.323 Gatekeeper Software Quellcode Installation OpenH.323 Umgebung mit Gatekeeperfunktionalität und 6Power Gatekeepererweiterung QoS Broker Simulation Implementation Power Gatekeeper QoS Broker Simulation Testszenario Konfiguration Applikationen Fehlermeldungen Power Gatekeeper QoS Broker Simulation

4 Kapitel 1 Einleitung 1.1 Projektübersicht Das 6Power Projekt hat zum Ziel die Förderung von breitbandigem Internetzugang über das Stromnetz mit IPv6 in Europa voranzutreiben. Zur Erreichung des Ziels werden in diesem Projekt IPv6, QoS (Quality of Service) und andere Dienste für die Kommunikation über das Stromnetz (Power Line Communication, PLC) eingesetzt. Das 6Power Projekt besteht aus sechs Teilen (Workpackages, WP), welche sich mit verschiedenen Aspekten der Powerline Communication befassen. Projektpartner sind Firmen und Universitäten aus Spanien, Frankreich, Grossbritannien und der Schweiz: Projektpartner Abkürzung Land Diseño de Sistemas en Silicio DS2 E Consulintel CONSULINTEL E Agora Systems ASSA E 6WIND 6WIND F MultiComLab MCL CH University of Murcia UMU E Endesa Netfactory ENDESA E Pace Microtechnology PACE UK Technical University UPM E novagnet systems NGN E 1.2 Projektbeschrieb Der von der ITU ins Leben gerufene Standard H.323 stellt eine Basis zur Multimedia Kommunikation in IP basierten Netzen dar. Unter seinem Dach werden mehrere Signalisierungsund Übertragungsprotokolle zusammengefasst, die eine Echtzeitkommunikation innerhalb lokaler Netze, die keinerlei Dienstgütemerkmale unterstützen, gewährleisten. Basierend auf der Open Source Implementierung des H.323 Standards OpenH.323 soll in dem Teilprojekt, welches unter Leitung von MultiComLab durchgeführt wird, eine Anpassung der Implementierung an das Protokoll IPv6 vorgenommen werden und die Implementierung soll um Dienstgütefunktionalitäten zur Verhandelbarkeit von Bandbreiten erweitert werden. Die Grundlage des Projektes bilden die Dokumente [2, 3]. 2

5 1.2.1 Allgemeines Kommunikationsszenario und Protokollstruktur Der Verbindungsaufbau einer Kommunikationsverbindung nach H.323 kann auf zwei unterschiedlichen Wegen durchgeführt werden: Verbindungsaufbau mit Hilfe des Gatekeepers direkte Verbindung zwischen zwei Clients Abbildung 1.1: Schematische Darstellung der Systemkomponenten für die H.323 Kommunikation über ein 6Power Powerline Segment Diese zwei Varianten des Verbindungsaufbaus führen in diesem Projekt zu folgenden Szenarien: Im ersten Fall sendet der Client seinen Verbindungsaufbauwunsch an den Gatekeeper, der daraufhin eine Anfrage an den QoS Broker absetzt um die entsprechenden Ressourcen innerhalb des PLC Netzes zu reservieren. Der QoS Broker überprüft im folgenden ob genügend Ressourcen im PLC Netz vorhanden sind und meldet dem Gatekeeper zurück ob genügend Ressourcen verfügbar sind und liefert gleichzeitig die entsprechenden Parameter mit. Der Gatekeeper signalisiert das Ergebnis an den Client weiter, der mit den verfügbaren Ressourcen einen Verbindungsaufbau durchführt. Solange die Verbindung besteht überwachen die Instanzen am PLC Segment (Head End, HE und Customer Premises Equipment, CPE) die Verbindungsparameter aller über sie geführten Verbindungen und der HE veranlasst Bandbreitenänderungen einzelner Verbindungen entsprechend der aktuellen Kanalgüte. Im zweiten Fall findet der Verbindungsaufbau ohne einen Gatekeeper statt und der Client ver- 3

6 sucht direkten Kontakt zu einem anderen Client herzustellen. Dabei übernimmt die Instanz am PLC Zugang (CPE) die vorher beschrieben Funktionalitäten zur Ressourcenüberprüfung Teilprojekte Die Umsetzung der OpenH.323 Implementierung unter der Leitung von MultiComLab ist entsprechend der Anzahl der Partner in vier Teilprojekte aufgegliedert, welche weitestgehend separat voneinander bearbeitet werden können: FHBB, Abt. Elektrotechnik Implementierung der Quality of Service (QoS) Mechanismen im OpenH.323 basierend auf IPv4; Implementierung eines Simulationsmodell des Gatekeepers/QoS Brokers; Test der QoS Mechanismen FHBB, Abt. Informatik Ausarbeitung von Testszenarien zur Leistungsuntersuchung; Test des Systems bezüglich Durchsatz, Reaktionsgeschwindigkeit und Bandbreitenverbrauch FHSO, Oensingen Anpassung des OpenH.323 auf IPv6 MCLab Implementierung eines QoS Brokers; Anpassung des Gatekeepers zur Kommunikation mit dem QoS Broker; Systemintegration 4

7 Kapitel 2 Teilprojekt: adaptive QoS Mechanismen 2.1 Problemstellung Auf einem PLC Netz werden Daten verschiedener Dienste übertragen. Gewisse Dienste, wie z.b. VoIP, erfordern eine minimal zugesicherte Bandbreite, damit sie zufriedenstellend funktionieren. Bei solchen Diensten müssen Dienstgütemechanismen integriert werden. Andere Dienste, wie z.b. FTP, benötigen keine zugesicherte Bandbreite, sondern verwenden die momentan zur Verfügung stehende Bandbreite. Sollte die gesamte Bandbreite nicht mehr für die reservierten Bandbreiten ausreichen, so muss die Bandbreite der bestehenden Verbindungen angepasst werden. 2.2 Lösungsansatz In diesem Teilprojekt wird die Implementierung der Dienstgütemechanismen zur Nachverhandelbarkeit der Bandbreite in einer bestehenden H.323 Verbindung durchgeführt. Um dies unabhängig vom restlichen Projekt durchführen zu können, findet die Implementierung auf Basis der IPv4 Implementierung von OpenH.323 statt. Diese Trennung kann durchgeführt werden, da dem Client die Änderung der Dienstgüte von einer unabhängigen Instanz signalisiert wird und somit unabhängig von dem Transport Protokoll ist. Da auf einem PLC Segment einerseits Daten von Diensten mit reservierter Bandbreite und andererseits Daten von Diensten ohne reservierte Bandbreite übertragen werden, müssen die Dienste mit reservierter Bandbreite priorisiert behandelt werden. Der Gatekeeper und QoS Broker handeln die Reservation von Bandbreite aus. Die Priorisierung von Datenverkehr mit reservierter Bandbreite wird durch den QoS Broker gewährleistet. Bei einer Kommunikation mit reservierter Bandbreite werden Änderungen der Dienstgüte vom QoS Broker erfasst und dem Client signalisiert. Im Falle einer Client/Client Kommunikation ohne reservierte Bandbreite erfolgt bei Änderung der zur Verfügung stehenden Bandbreite keine Signalisierung. Reduziert sich die Bandbreite, so kann der QoS Broker lediglich Daten der Client/Client Kommunikation verwerfen, um mehr Bandbreite für die priorisierten Dienste zur Verfügung zu haben. In diesem Teilprojekt wird ausserdem die Definition des OpenH.323 Gatekeepers um eine Schnittstelle zum QoS Broker erweitert und ein einfaches Simulationsmodell eines QoS Brokers implementiert, mit dem es möglich ist dem Client die notwendige Änderung der Bandbreite zu signalisieren und damit dessen Funktion zu testen. 5

8 2.3 Ziel Ziel dieses Teilprojekts ist die Vergabe resp. Reservation von Bandbreite für priorisierte H.323 Dienste. Ausserdem sollen Möglichkeiten aufgezeigt werden, wie die Bandbreite von bestehenden Verbindungen dynamisch angepasst werden können. Dabei soll insbesondere der Gatekeeper und sofern notwendig der H.323 Client angepasst werden. 2.4 Forschungs- und Projektplan Lösungsweg 1. Entwicklungsumgebung (a) Aufsetzen von Linux Rechnern für Clients-, Gatekeeper- und QoS Broker-Funktionen in einem Testnetzwerk (LAN) (b) Übersetzung der OpenH.323 Sources und Test der OpenH.323 Umgebung (einzelne Applikationen) 2. Quality of Service (a) Gatekeeper i. Analyse der bestehenden OpenH.323 Gatekeeper Funktionen bezüglich QoS und deren Signalisation ii. Erweiterung der Definition des OpenH.323 Gatekeepers um eine Schnittstelle zum QoS Broker iii. Untersuchung der Möglichkeit für dynamische Bandbreitenzuweisung durch den Gatekeeper (b) Client / Applikationen i. Untersuchung der Möglichkeit für Priorisierung der Daten Packete ii. Vorschläge für nötige Anpassungen von Linux und den verwendeten Applikationen (c) Qos Broker i. Diskussion der Spezifikationen des Qos Broker ii. Erstellen eines Modells für die Simulation des Qos Broker 3. Test & Simulationen 6

9 2.5 Leistungserfüllung Im Laufe des Projektes wurden die Anforderungen an dieses Teilprojekt geändert. Die Dienstgütemechanismen zur Nachverhandelbarkeit der Bandbreite in einer bestehenden H.323 Verbindung werden von Seiten des QoS Brokers nicht unterstützt. Diese Funktionalität wurde aus diesem Grund nicht implementiert. Der QoS Broker wird vom 6Power Projektpartner UMU erstellt. Da uns weder Quell- noch Binärcode des QoS Broker zur Verfügung gestellt werden, muss dessen Kommunikation zum Gatekeeper simuliert werden. Implementiert und getestet wurden: Erweiterung von openh323/opengk um SIP Schnittstelle für die Kommunikation mit dem QoS Broker SIP QoS Broker Simulation 7

10 Kapitel 3 Spezifikationen 3.1 Übersicht Abbildung 3.1: Kommunikation bei H.323 Verbindung: Signalisation zwischen H.323 Client, H.323 Gatekeeper und QoS Broker; Datenaustausch direkt zwischen den H.323 Clients. 3.2 QoS Broker Auszug der Funktionsbeschreibung des QoS Broker von UMU ([3]): The QoS Broker is a SIP proxy [...] The SIP messages which the QoS Broker is aware of are these: INVITE: This indicates the desire of the sender to initiate a new SIP call. Within the body of this message, some Session Description Protocol (SDP) data is expected. The SDP body describes the SIP session that is to be established, by using a set of field=value headers. One of such headers specifies, if present, which the QoS requirements of the caller are, by using a bandwidth value and a bandwidth modifier. The QoS Broker can use this SDP header to learn about the QoS requirement, and then make a reservation for it. BYE: This indicates the desire of one of the peers to terminate the videoconference session. Upon such a message being received, the QoS Broker must free the resources that were allocated when the correspondent INVITE message was processed. 8

11 [...] 5.2 Implementation [...] Main QoS Broker Code The main QoS Broker code listens for SIP messages and acts accordingly, that is, serves as a SIP proxy while managing QoS requests for the SIP calls. The QoS Broker is capable of managing multiple simultaneous SIP calls. To do this, it makes use of a call table which stores the following information for each call: Original SIP INVITE message COPS handle for this call (introduced later, see COPS section) COPS signaled data (introduced later, see COPS section) When a SIP INVITE message is received (meaning that a new SIP call is to be established), a new entry is created for it in the call table. QoS requirements are extracted from the SIP message which is then copied to this entry in the call table. The COPS handle (a COPS transaction identifier) is calculated from the SIP message, the signaled data is built and then a COPS request is issued to the PDP. The response to this request will be an asynchronous event, so after doing this the broker goes back to listening for SIP messages. The QoS requirements are expected to be stated in an SDP (Session Description Protocol) body within the SIP INVITE message. The SDP header that carries this information has the form b=<bandwidth modifier>:<bandwidth value>. The QoS Broker recognizes three custom bandwidth modifiers: X-UBR (unspecified bit rate), X-VBR (variable bit rate) and X-CBR (constant bit rate), although there is no real support for these traffic classes at the PLC layer yet. The other field is the bandwidth value in Kbps (kilobits per second). If an SDP body is not found within the SIP message, or if the b= header is not found in the SDP body, the QoS requirement is assumed to be UBR/0. When the PDP decision is received, the QoS Broker must check whether the QoS request from the SIP node was accepted or rejected. In the first case, the QoS requirements are extracted from the call table, and set on the PLC nodes via SNMP. This done, the original SIP INVITE message (which was also saved in the call table entry) is forwarded. Otherwise, a canceling message, namely a 603 Declined, is sent back to the caller and the entry in the call table is freed. If the received message is a SIP BYE, it is time to free the resources that were allocated when the correspondent INVITE was processed. To do this, the COPS handle is calculated from the BYE message; since it will be the same handle that was calculated from the INVITE message, it is used to search the correct entry in the call table. The QoS requirements are taken again from this entry in the call table, and then the QoS configuration in the PLC nodes is updated. After this, the BYE message is forwarded and the entry in the call table is freed. Any other type of SIP message (other than INVITE or BYE) is forwarded without taking further action. The only part that deserves a slightly more detailed explanation is the resource reservation. The first task here is to find which PLC nodes must be configured. The QoS Broker has knowledge of the whole PLC topology, so it can track all the master nodes along the path from the SIP caller and the SIP callee. For each master node found, the broker first finds the available bandwidth (via SNMP) and then the already reserved bandwidth. Depending on whether the current operation is to allocate or to free, the desired bandwidth (which was taken from the call table) is added to or subtracted from the already reserved amount, which is then written back to the PLC configuration. To carry out all of this, the QoS Broker relies on several modules which are described next. 9

12 3.3 H.323 Gatekeeper Der H.323 Gatekeeper muss so modifiziert werden, dass er die Verbindungsaufbauanfragen der H.323 Clients an den QoS Broker und die Antworten des QoS Broker an die H.323 Clients weiterleiten kann. Ausserdem muss er dem QoS Broker signalisieren können, wenn eine H.323 Kommunikationsverbindung von einem Client beendet wurde und die Bandbreite wieder zur Verfügung steht. Dazu wird in der Funktion OnAdmission der Funktionsaufruf AllocateBandwidth des OpenH.323 Gatekeepers durch die neu erstellte Funktion qosbrokerbwrequest ersetzt. Beim Verbindungsabbau wird entsprechend der Funktionsaufruf qosbrokerbwdisengage in die Funktion OnDisengage eingefügt. Die Gatekeeperfunktionen befinden sich in der Datei gkserver.cxx. 10

13 Kapitel 4 Software 4.1 Quellcode Für die Installation der OpenH.323 Umgebung inkl. Applikationen zum Testen der OpenH.323 Umgebung werden folgende Quellpackete benötigt, welche bei [1] zu finden sind: pwlib tar.gz (Portable Windows Library) openh tar.gz (OpenH323 Protokoll Implementation) opengk tar.gz (Gatekeeper Applikation) ohphone tar.gz (Telefon Applikation) Die für das 6Power Projekt erforderlichen Funktionalitäten sind in den folgenden Patches/Packeten enthalten: openh323-patch-6power qosbrokersim tar.gz 4.2 Installation OpenH.323 Umgebung mit Gatekeeperfunktionalität und 6Power Gatekeepererweiterung Die Installation der OpenH.323 Umgebung erfolgt gemäss untenstehender Anleitung. Weitere Informationen sind bei [1] unter Building zu finden. 1. PWLib im home Verzeichnis entpacken, kompilieren und installieren $ > tar -xzf pwlib tar.gz $ > cd pwlib $ /pwlib>./configure; make Der aktuelle Benutzer benötigt zur Installation Schreibrecht auf das Verzeichnis /usr/local. Da unter /pwlib/lib mehrere Verzeichnisse mit Objectfiles (obj linux x86 d und obj linux x86 r) vorhanden sind, muss das Makefile angepasst werden. $ /pwlib> make install $ /pwlib> export LD LIBRARY PATH=/home/user/pwlib/lib $ /pwlib> cd.. 11

14 2. OpenH.323 und 6Power Patch im home Verzeichnis entpacken, kompilieren und installieren $ > tar -xzf openh tar.gz $ > cd openh323 $ /openh323>./configure $ /openh323> cd.. $ > patch -p0 < openh323-patch-6power $ > cd openh323 Die IP Adressen unter welchen der Gatekeeper und der QoS Broker zu erreichen sind müssen in der Datei src/sipclient.cxx in den Funktionen qosbrokerbwrequest und qos- BrokerBWDisengage unter gkip und qosbrokerip eingetragen werden. $ /openh323> make $ /openh323> make install $ /openh323> export LD LIBRARY PATH=$LD LIBRARY PATH:/home/user/openh323/lib $ /openh323> cd.. 3. OpenGK im home Verzeichnis entpacken, kompilieren und installieren $ > tar -xzf opengk tar.gz $ > cd opengk $ /opengk> make all; make install $ /opengk> cd.. 4. OhPhone im home Verzeichnis entpacken, kompilieren und installieren $ > tar -xzf ohphone tar.gz $ > cd ohphone $ /ohphone> make all; make install $ /ohphone> cd QoS Broker Simulation 1. QoS Broker Simulation im home Verzeichnis entpacken und kompilieren $ > tar -xzf qosbrokersim tar.gz $ > cd QoSBrokerSim/ $ /QoSBrokerSim> make all $ /QoSBrokerSim> export PATH=$PATH:/home/user/QoSBrokerSim $ /QoSBrokerSim> cd.. 12

15 4.3 Implementation Power Gatekeeper Folgende Funktionen wurden gemäss Kapitel 3.3 neu erstellt: qosbrokerbwrequest SDP Paket erstellen mit den vorgeschriebenen Parametern gemäss RFC 3261 sowie den 6Power spezifischen Parametern SIP Paket erstellen mit SIP Header gemäss RFC 3261 (CSeq: 101 INVITE für Verbindungsaufbau) sowie SDP Daten Senden des SIP Paketes an QoS Broker via TCP Socket Warten auf Antwort des QoS Brokers Auswerten der Antwort des QoS Brokers Bestätigung der reservierten Bandbreite (Rückgabewert = 0, wenn keine Bandbreite reserviert werden konnte) qosbrokerbwdisengage SIP Paket erstellen mit SIP Header gemäss RFC 3261 (CSeq: 231 BYE für Verbindungsabbau) Senden des SIP Paketes an QoS Broker via TCP Socket Warten auf Antwort des QoS Brokers Auswerten der Antwort des QoS Brokers Bestätigung des Verbindungsabbau QoS Broker Simulation Die QoS Broker Simulation erlaubt es, die angeforderte Bandbreite zu akzeptieren resp. abzulehnen. Beim Start des QoS Broker Simulators muss angegeben werden, ob die Bandbreiteanfragen akzeptiert (200) oder abgelehnt (603) werden sollen. Simulation Annahme der Anfrage Der QoS Broker wartet auf eine Anfrage auf Port 5060 Bei Empfang einer Bandbreitenanfrage (101 INVITE) resp. einem Verbindungsabbau (231 BYE) wird die Bestätigung 200 OK zurück gesendet. Simulation Ablehnung der Anfrage Der QoS Broker wartet auf eine Anfrage auf Port 5060 Bei Empfang einer Bandbreitenanfrage (101 INVITE) wird die Anfrage mit 603 Decline abgelehnt, bei einem Verbindungsabbau (231 BYE) wird die Bestätigung 200 OK zurück gesendet. 13

16 4.4 Testszenario Konfiguration H.323 Clients IP-Adressen: (alice) und (bob) QoS Broker IP-Adresse: H.323 Gatekeeper IP-Adresse: Applikationen 1. QoS Broker Simulator starten und Bandbreitenzuweisung einstellen: : >qos broker Type 200 for OK, 603 for Decline 200 : Annahme der Bandbreitenanfrage 603 : Ablehnen der Bandbreitenanfrage 2. H.323 Gatekeeper starten: : >opengk -cx Optionen: -c : output message to stdout rather than syslog -x : execute as a normal program 3. H.323 Applikation für Client 1 starten: : >ohphone -g u alice -a -l Optionen: -g : specify gatekeeper host -u : set local alias name(s) -a : automatically answer incoming calls -l : only listen for incoming calls 4. H.323 Applikation für Client 2 starten und Client 1 anrufen: : >ohphone -g u bob -a -l Command? C alice Commands: C : connect to remote host M : send text message to remote user H : hang up phone X : exit program 14

17 4.5 Fehlermeldungen Power Gatekeeper No QoS Broker found Der QoS Broker konnte nicht gefunden werden. Läuft der QoS Broker? Stimmt die IP Adresse und der Port des QoS Brokers mit der IP Adresse und dem Port in /home/user/openh323/src/sipclient.cxx überein? QoS Broker Simulation No valid value Geben sie beim Start der QoS Broker Simulation den Wert 200 für OK (Akzeptieren der Anfrage) oder den Wert 603 für Decline (Ablehnen der Anfrage) ein. No valid SIP-Packet Das SIP Paket enthält nicht die, für die Anfrage notwendigen, Angaben. 15

18 Literaturverzeichnis [1] [2] Martinez, D. (2003): 6Power - ASSA & UMU - D5.2 contribution. UMU. Kap. QoS mapping [3] Martinez, D. (2003): 6Power - UMU - General QoS architecture. UMU. Kap. The need for QoS Kap. QoS at PLC layer Kap. Layer 2 QoS broker Kap. Layer 3 QoS broker Kap. The QoS Broker developed by UMU 16

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