Hauptseminararbeit Quality of Service in der Netzwerktechnik

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1 Technische Universität Ilmenau Fakultät für Elektrotechnik und Informationstechnik Hauptseminararbeit Quality of Service in der Netzwerktechnik vorgelegt von: Martin Bocksberger eingereicht am: geboren am: Studiengang: Studienrichtung: Ingenieurinformatik Informatikkomponenten für Intelligente Systeme Anfertigung im Fachgebiet: Kommunikationsnetze Fakultät für Elektrotechnik und Informationstechnik Verantwortlicher Professor: Wissenschaftlicher Betreuer: Prof. Dr. rer. nat. habil. Jochen Seitz M.Sc. Markus Hager

2 Inhaltsverzeichnis i Inhaltsverzeichnis 1 Einleitung 1 2 Quality of Service in der Netzwerktechnik Einordnung Quality of Service Das ISO/OSI-Referenzmodell Überblick über die IEEE 802 Standards Ethernet Bestehende Standards Integrated Services (IntServ) Differentiated Services (DiffServ) MAC Bridging (IEEE 802.1D) Virtual Local Area Networks (IEEE 802.1Q) Zukünftige Standards Data Center Bridging (DCB) Audio/Video Bridging (AVB) Transparent Interconnection of Lots of Links (TRILL) Staukontrolle im Ethernet Zusammenfassung der Ergebnisse Vergleich der gefundenen Methoden Zukünftige Entwicklung Literaturverzeichnis 17 Abbildungsverzeichnis 20 Tabellenverzeichnis 21 Abkürzungsverzeichnis 22

3 Inhaltsverzeichnis ii Erklärung 24

4 1 Einleitung 1 1 Einleitung Die Nutzerzahlen für das Internet haben sich in den letzten Jahren rasant entwickelt. Damit steigen auch die Anforderungen. Man braucht also Mechanismen die garantieren können, dass zeitkritische Anwendungen, wie Voice over IP (VoIP) bevorzugt behandelt werden. Diese müssen deshalb eine entsprechende Dienstgüte (engl. Quality of Service (QoS)) aufweisen. Dabei dient die Dienstgüte als ein Überbegriff für eine Reihe von Eigenschaften, wie Datenrate, Fehlerrate, Jitter oder Verzögerung. Durch entsprechende Einstellung der Parameter kann dann eine Klassifizierung und Priorisierung von Datenpaketen zeitkritischer Anwendungen erfolgen, auch wenn Dienste selbst keine Dienstgüte unterstützen (z. B. Internet als best-effort -Dienst). Je nach Netzwerktechnologie, wie WLAN, Bluetooth oder Ethernet, werden unterschiedliche Methoden und Techniken angewendet, um diese Parameter zu optimieren. Ethernet als relativ alter Standard hat sich durch seine hohe Flexibilität, weite Verbreitung und seinen geringen Kostenaufwand auf dem Markt gehalten. In dieser Hauptseminararbeit soll ein Überblick über aktuelle und zukünftige Standards, bezüglich der Dienstgüte mit Schwerpunkt auf IEEE Ethernet, gegeben werden. Im Kapitel 2.1 werden zunächst die Grundbegriffe QoS (2.1.1), Ethernet (2.1.4) erläutert und das ISO/OSI-Referenzmodell (2.1.2) sowie die wichtigsten IEEE 802 Standards (2.1.3) vorgestellt. Anschließend werden die bestehenden Standards für die Umsetzung von QoS kurz erklärt (2.2) und in Kapitel 2.3 zukünftige Standards erörtert. Da die Staukontrolle eine besondere Rolle für QoS-Maßnahmen spielt, wird darauf im Kapitel 2.4 gesondert eingegangen. Schließlich folgt in Kapitel 3 ein Vergleich der gefundenen Methoden. Zudem wird ein Ausblick in die zukünftige Entwicklung gegeben.

5 2 Quality of Service in der Netzwerktechnik 2 2 Quality of Service in der Netzwerktechnik 2.1 Einordnung Quality of Service Quality of Service (QoS) oder auch Dienstgüte ist ein Sammelbegriff für die Klassifizierung einer Übertragungstechnologie oder einzelner Verbindungen. Dabei kann QoS zu unterschiedlichen Zwecken eingesetzt werden. Zum einen aus 1. Systemsicht: zur optimalen Ausnutzung des Übertragungskanals beim Versand von Datenpaketen [ITU-93] oder/und 2. Anwendersicht: die Bedürfnisse der Nutzer zu befriedigen. [ITU-94] Das Internet, basierend auf den bekannten Kommunikationsprotokollen TCP/IP, bringt als best effort Dienst lediglich Pakete von A nach B. Es kann keine Aussage getroffen werden welche Route die Pakete im Netzwerk nehmen, ebenso gut können sie verloren gehen - folglich kann keine Dienstgüte garantiert werden. Dabei kann der verursachte Traffic im Netzwerk folgende unangenehme Merkmale aufweisen: niedriger Durchsatz verlorene Pakete hohe Verzögerung Jitter (Schwankungen der Verzögerungen um ihren Mittelwert) falsche Reihenfolge in der Auslieferung von Paketen Während diese Merkmale für die meisten Anwendungen (z.b. ) keine Rolle spielen, sorgen sie bei zeitkritischen für Probleme. Die Aufgabe von QoS ist im Falle von

6 2 Quality of Service in der Netzwerktechnik 3 Voice over IP (VoIP) die Verzögerung möglichst gering zu halten, um den Nutzer zufrieden zu stellen. Quality of Service beschreibt die Fähigkeit eines Netzwerks, Pakete je nach Aufgabe unterschiedlich zu behandeln. Häufig wird dabei eine Klassifizierung vorgenommen, in der gleichartige Datenströme zusammengefasst werden (Class of Service). Da eine Klassifizierung noch keine Aussage über die Priorisierung trifft, steht CoS in engen Zusammenhang mit Quality of Service. Um entsprechende Dienstgüten zu erreichen, ist es also weniger entscheidend, die Daten möglichst schnell zu verschicken (das würde das Netzwerk überlasten), sondern die Art und Weise wie dies geschieht. Die Parameter die dabei eine Rolle spielen sind: Reservierung von Bandbreite Reservierung einer festgelegten Bandbreite eines Netzwerks für eine bestimmte Zeitspanne Management der Verzögerung Begrenzung der Verzögerung bis zu einem maximalen Wert bei einer Übertragung Priorisierung Pakete mit höherer Priorität werden bevorzugt behandelt Traffic-Shaping Steuerung des Datenflusses (z.b. kann bei verbindungsorientierten Protokollen wie TCP, auf das Warten von Quittungen verzichtet werden) Staukontrolle Überwachung von Netzwerkverbindungen, zur Vermeidung von Pufferüberläufen im Netzwerk, um den daraus resultierenden Verlust von Paketen vorzubeugen Quality of Service ist deshalb besonders bei Multimedianwendungen nützlich, die auf einen konstanten Datenstrom angewiesen sind. Ethernet, als wichtiger Vertreter der Netzwerktechnik der grundsätzlich nicht QoS-fähig ist, muss deshalb auf andere Konzepte zur Bereitstellung von Dienstgüten zurückgreifen. [ShPG97] Das ISO/OSI-Referenzmodell Die Grundlage für die Implementierung von QoS bildet das TCP-IP-Referenzmodell [IEBr89]. Es baut dabei auf dem von der Internationalen Organisation für Normung eingeführten ISO-OSI Referenzmodell auf [osi:94]. Demnach erfolgt die Kommunikation im Netzwerk auf unterschiedlichen Schichten, die jede für sich spezielle Aufgaben hat. Die Anforderungen der einzelnen Schichten sind in dem Standard beschrieben, die jeweilige Realisierung bleibt aber denjenigen überlassen, die entsprechende Protokolle erarbeiten. Durch den Aufbau des Referenzmodells nach OSI ist es möglich, Quality of

7 2 Quality of Service in der Netzwerktechnik 4 Nr. Name OSI-Schicht Aufgabe 1 Netzzugangsschicht 1-2 Bereitstellung von Techniken zur Datenübertragung über ein Medium. Beispiele dafür sind Ethernet oder Wireless LAN (WLAN). 2 Internetschicht 3 Zuständig für Weiterleitung der Pakete und Festlegung der Wegewahl mit Hilfe von Routingverfahren. Wichtigster Vertreter ist das Internet Protocol in den Versionen 4 und 6. 3 Transportschicht 4 Stellt eine Ende-zu-Ende Verbindung zwischen den Teilnehmern her. Protokollbeispiele sind TCP und UDP. 4 Anwendungsschicht 5-7 Beschreibt jene Protokolle mit denen Anwendungen im Netz kommunizieren. Beispielhaft dafür sei das Protokoll HTTP genannt, zur Betrachtung von Webseiten im World Wide Web (WWW). Tabelle 2.1: Schichten des TCP/IP Referenzmodells und deren Aufgaben Service auch für verbindungslose Protokolle nachträglich zu implementieren. Zum einen können Protokolle so modifiziert werden, dass diese QoS unterstützen und zum anderen ist es möglich zusätzliche Schichten einzufügen, zur Umsetzung von Dienstgüten (bekanntester Vertreter ist MPLS mit zusätzlicher Schicht zwischen Netzzugangsschicht und Internetschicht) Das TCP/IP-Referenzmodell umfasst vier Schichten, wohingegen das ISO/OSI-Referenzmodell sieben Schichten beinhaltet. Die Schicht 2 im OSI-Modell ist zudem in 2 Unterschichten unterteilt, dem Logical Link Control (LLC) und Media Access Control (MAC). Eine Übersicht über die Schichten und ihre Aufgaben wird in Tabelle 2.1 gegeben Überblick über die IEEE 802 Standards Für Ethernet gibt es eine Vielzahl an Standards, für die das Institute of Electrical and Electronics Engineers (IEEE) verantwortlich ist. Die Protokolle die in den IEEE 802 Standards beschrieben werden, beziehen sich auf die ersten beiden Schichten des OSI- Referenzmodells (Bitübertragungsschicht und Sicherungsschicht). Um einen kleinen Überblick über die Vielzahl an Standards zu geben, sollen zunächst die bekanntesten

8 2 Quality of Service in der Netzwerktechnik 5 kurz erläutert werden. IEEE Die Arbeitsgruppe beschäftigt sich mit der Entwicklung von Standards der 802 LAN/MAN (Metropolitan Are Network) Architektur, Internetworking, Security, Audio/Video Bridging und Data Center Bridging. Für die Umsetzung von QoS sind besonders die Standards IEEE 802.1p/D/Q hervorzuheben, auf die in den folgenden Kapiteln näher eingegangen wird. IEEE Entwicklung von Standards für Ethernet basierende Netzwerke IEEE WLAN mit seinen Standards a/b/g/n IEEE Wireless Personal Area Network (PAN) mit Bluetooth als bekannter Vertreter Weitere Vorschläge für Standards werden von der Internet Engineering Task Force (IETF) vorgeschlagen. Das IETF ist eine offene internationale Gemeinschaft von interessierten freiwilligen Mitgliedern oder Institutionen zur Weiterentwicklung des Internets Ethernet Ethernet ist eine paketvermittelnde Netzwerktechnik, die sich in der Netzzugangsschicht (Schicht 1 und 2 des OSI-Referenzmodells) befindet und mit dem zumeist lokale Netzwerke aufgebaut werden, sogenannte Local Area Networks (LANs). Es ist unter IEEE standardisiert und baut auf den Standards IEEE und IEEE auf. Deshalb ist es auch sinnvoll die ersten beiden Schichten gemeinsam zu betrachten (siehe 2.1). Im Gegensatz zu beispielsweise ATM, gibt Ethernet kein fest Abbildung 2.1: Detaillierte Darstellung der Schicht 1 und 2 Standards [netz] Zugriffsraster vor, in der die Datenpakete verschickt werden. Das Netzwerk schränkt

9 2 Quality of Service in der Netzwerktechnik 6 die Nutzer nicht ein, so dass das Medium überlastet werden kann oder die Netzwerkelemente Pakete aufgrund von Staus verwerfen. Aus diesen Gründen, wie in Kapitel bereits erwähnt, kann somit keine Dienstgüte garantiert werden. Obwohl Ethernet als best-effort -Dienst selbst also keine Dienstgüten garantieren kann, ist es durch seinen einfachen Aufbau und kostengünstiger Anschaffung trotzdem lohnenswert, im speziellen z.b. für die Vernetzung großer Rechenzentren und Cloud Computing, entsprechende Entwicklungen zur Bereitstellung von Dienstgüten voranzutreiben. Die Arbeitsgruppe um den Standard IEEE 802.3ar, der Ethernet mit einer Staukontrolle erweitern sollte, stellte ihre Arbeit im Jahr 2005 ein, unter anderem aufgrund fehlender Nachfrage auf dem Markt. Bei den folgenden Konferenzen im Jahr 2006 wurden neue Ziele definiert, die sich auf eine präventive Vermeidung von Staus mit Hilfe von Rate-Limiting bezieht. Bekannte Flaschenhälse in Netzwerken sollen damit vor allem bei verlustsensitiven Anwendungen beseitigt werden. Inwiefern eine Umsetzung des Standards erfolgt, ist allerdings fraglich. Seit 2008 fand kein Treffen dieser Arbeitsgruppe mehr statt. Die QoS-Maßnahme Staukontrolle spielt eine tragende Rolle z.b. bei der Vermeidung von Verzögerungen und Jitter in Ethernet-Netzwerken. Eine Möglichkeit, um diese Problematik zu entschärfen besteht in der Erhöhung des Puffers in Switchen. Im Kapitel 2.4 wird auf die Staukontrolle detaillierter eingegangen. 2.2 Bestehende Standards Integrated Services (IntServ) Integrated Services (IntServ) ist ein QoS-Verfahren zur Priorisierung von IP-Paketen. Dabei wird das Resource Reservation Protocol (RSVP) zur Signalisierung verwendet. [BZBH + 97] Diese verläuft dabei vom Sender zum Empfänger und allen beteiligten Netzwerkelementen. Der Sender schickt dafür eine PATH-Nachricht, die eine Flow Specification (Flowspec) Nachricht enthält, an den Empfänger. Innerhalb der Flowspec werden dem Empfänger die Traffic Specification (TSpec) und der Request Specification (RSpec) übermittelt. Die TSpec legt die vom Sender gewünschten QoS-Anforderungen fest, während die Parameter, die notwendig sind um die Dienstgüte zu erfüllen, in der RSpec übermittelt werden. Wenn beim Empfänger die PATH-Nachricht angekommen ist, sendet dieser einen Reservation Request (RESV) zurück. Dabei werden auch gleichzeitig die vereinbarten Parameter in den beteiligten Netzwerkelementen übernommen (Seite 8 in [WrLC97a]), sofern das möglich ist. IntServ bietet zur Umsetzung folgende

10 2 Quality of Service in der Netzwerktechnik 7 Dienstklassen: Controlled-Load: Diese Dienstklasse kombiniert den best-effort -Dienst mit einer Kapazitätskontrolle für den Datenfluss. Damit können zumindest auch bei überlastetem Netzwerk QoS-Anforderungen in gewissen Rahmen bedient werden. [WrLC97b]. Guaranteed QoS: Diese Dienstklasse garantiert den Teilnehmern eine gewisse Bandbreite und eine maximale Verzögerung. Sie ist für den kontinuierlichen Verkehr geeignet. [ShPG97] IntServ ist für den produktiven Einsatz nur bedingt geeignet. Das RSVP-Protokoll hat sehr hohe Anforderungen an die Netzarchitektur. Zum einen wird eine hohe Netzlast durch Auffrischen der RSVP-Anforderungen erzeugt (Seite 57 [BZBH + 97]) und zum anderen stoßen die Router bei großen Netzen schnell an ihre Leistungsgrenzen, da diese sich für jede Anfrage einen Zustand merken müssen. Neue Protokolle wie RSVP-TE (Traffic Engineering) und die Protokoll-Suite Next Steps in Signaling (NSIS) sollen die Nachteile des RSVP-Protokolls beseitigen helfen [MUKT + 10] Differentiated Services (DiffServ) Differentiated Services dienen der Klassifizierung von IP-Paketen. Damit fällt DiffServ in den Bereich der CoS-Mechanismen. Für die Klassifizierung von garantieren Datenpaketen wird das Type-of-Service(TOS)-Byte des IPv4-Headers verwendet [NBBB98]. Dabei kodieren die ersten sechs Stellen einen Differentiated Services Codepoint (DSCP). Die verbleibenden zwei Bit werden für die Explicit Congestion Notification verwendet (Seite 7 [RNFA + 01]). Damit können 64 unterschiedlichen Klassen behandelt werden. Der Vorteil von DiffServ gegenüber IntServ liegt darin, dass keine Signalisierung über RSVP benötigt wird. Demzufolge müssen sich die Netzwerkelemente keine Zustände mehr merken. DiffServ definiert für die Klassenbehandlung die Per-Hop Behaviour (PHB) [BBCD + 98]. Sie beschreiben die Art des Netzwerkverkehrs und können somit eine QoS-Behandlung realisieren. Damit lassen sich Datenraten und niedrige Verzögerungen garantieren [Shel01]. Im Gegensatz zu IntServ skaliert DiffServ, was einen großen Vorteil bedeutet. Allerdings ist die Komplexität höher, da alle Netzwerkelemente DiffServ beherrschen müssen. Zudem können QoS-Anforderungen nur relativ einer Dienstklasse zugeordnet werden. Sobald der Verkehr für eine Klasse zu hoch wird, werden Pakete verworfen, obwohl eine andere Warteschlange einer anderen Klasse noch frei Kapazitäten bereitstel-

11 2 Quality of Service in der Netzwerktechnik 8 len würde. Eine Mischung von DiffServ mit IntServ, dass durch die Kapazitätskontrolle den priorisierten Verkehr beschränkt, würde dieses Problem lösen MAC Bridging (IEEE 802.1D) Zu Zeiten als man Netzwerke noch mit einem Bus miteinander verbunden hatte, wurde der Carrier Sense Multiple Access/Collision Detection (CSMA/CD) eingesetzt, um das Zugriffsverhalten der einzelnen Stationen auf ein gemeinsames Medium zu regeln. In diesem Protokoll ist zum Beispiel festgelegt, wann Stationen etwas senden dürfen um Kollisionen zu vermeiden. Die steigende Anzahl an Stationen hat aber auch zu einer steigenden Zahl an Kollisionen geführt. Um derlei Probleme zu lösen, wurden Netzwerksegmente mit Hilfe von Bridges verbunden. Dadurch wird das Netzwerk physikalisch aufgeteilt, aber die logische Verbindung der Segmente bleibt bestehen. Dadurch haben Kollisionen in einem Segment keinerlei störenden Einfluss auf das andere Segment. Durch den Voll-Duplex-Modus im Ethernet, der heutzutage fast ausschließlich eingesetzt wird, spielt das CSMA/CD Zugriffsverfahren keine Rolle mehr. Außerdem werden statt Bridges die funktionell gleichen, aber billigeren Switches eingesetzt. Beide Geräte arbeiten auf der Sicherungsschicht des OSI-Referenzmodells. Eine Grundlage für den IEEE 802.1D legte auch der Standard 802.1p der im Kapitel näher vorgestellt wird. Im Ethernet Netzwerk bezeichnet eine Bridge ein nach IEEE 802.1D Standard arbeitendes Gerät. Für die Umsetzung von QoS in Ethernet-Netzwerken sind neben den Bridges unter anderem auch Spannbaum-Protokolle (engl. Spanning Tree Protocol) von besonderer Bedeutung. In Anbetracht der Tatsache, dass mehrere Netzwerke über Switches miteinander verbunden werden sollen, muss dies möglichst effizient und redundantfrei geschehen. Das Bilden von Schleifen muss dabei möglichst vermieden werden, um das Netzwerk nicht mit unnötigem Datenverkehr zu belasten, was auch für QoS-Maßnahmen hinderlich wäre. Die verschiedenen Spannbaum-Protokolle in 802.1D dienen der Umsetzung dieser Anforderungen. Im aktuellen Standard (S. 12 [IEEE04]) sind die Komponenten für Quality of Service für Sicherungsschicht, die in Kapitel erwähnt wurden, definiert. Weitere Parameter, wie Durchsatz oder die Verfügbarkeit des Service, werden dort aufgeführt.

12 2 Quality of Service in der Netzwerktechnik Bytes Preamble SFD DA SA TPID TCI Length/Type Data FCS Tabelle 2.2: Tagged IEEE MAC Frame Format (Quelle: S. 239 [IEEE06]) Virtual Local Area Networks (IEEE 802.1Q) Mit der Spezifikation 802.1p, der Teil des Standards IEEE 802.1Q bzw. auch IEEE 802.1D ist, wurde die Grundlage zur Umsetzbarkeit von Quality of Service für die MAC-Schicht gegeben. Dieser Standard dient der Priorisierung von Datenströmen. Der Switch muss dabei in der Lage sein, eingehende Pakete zu unterschiedlichen Datenströmen zuordnen. Der Priority Code Point (PCP) ist ein 3-Bit breites Feld innerhalb eines Ethernet Frame Headers. Damit können acht unterschiedliche Klassifizierungen vorgenommen werden, wodurch die Priorität festgelegt wird (siehe Tabelle 2.3). Die Einteilungen reichen dabei vom best-effort bis über zeitkritische Anwendungen mit VoIP hin zur internen Netzkommunikation. Der Ethernet-Frame kann laut dem Standard IEEE 802.1Q getagged werden. In diesen beiden zusätzlichen Feldern (fett markiert in Abbildung 2.2) können QoS-Anforderungen festgelegt werden. Die erste Zeile gibt die Anzahl der Bytes an, die für das jeweilige Element verwendet werden. Die Aufgaben der einzelnen Felder sollen im Folgenden erläutert werden: Preamble - Zur Synchronisation des Empfängers Start-of-Frame Delimiter (SFD) - Festgelegtes Bitmuster kennzeichnet den Anfang des Frames Destination Adress (DA) - Zieladresse Source Adress (SA) - Quelladresse Tag Protocol Identifier (TPID) - Bei VLANs wird der Wert auf 0x8100h gesetzt Tag Control Information (TCI) - Besteht aus den folgenden Datenfeldern Priority Code Point (PCP) - Festlegung der Prioritäten nach 802.1p Canonical Format Indicator (CFI) - Kompatibilität zwishen Ethernet und Token Ring VLAN Identifier (VID) - Kennzeichnung des zugehörigen VLAN-Netzes. Bei einem Wert von null gehört es zu keinem VLAN und wird nur entsprechend der festgelegten Priorität im PCP übertragen.

13 2 Quality of Service in der Netzwerktechnik Bit 3 Bit 1 Bit 12 Bit TCI TPID PCP CFI VID Tabelle 2.3: Detaillierte Darstellung des QTag Prefix aus Tabelle 2.2 Length/Type - Angabe der Länge der Nutzdaten bzw. Verwendung als Typenfeld Data - Nutzdaten Frame Check Sequence (FCS) - Prüfsummenfeld Der Vorteil von VLANs ist die logische Trennbarkeit auch physikalisch zugehöriger Elemente. Bei der Umsetzung von QoS-Maßnahmen spielt diese auch eine Rolle bei den zukünftigen Standards. 2.3 Zukünftige Standards Data Center Bridging (DCB) Die Arbeitsgruppe um die DCB hat es sich zur Aufgabe gemacht, Erweiterungen für Ethernet-LANs zu entwickeln um, den besonderen Anforderungen in Rechenzentren (Data Center) gerecht zu werden. Je nach Anwendungsfall werden unterschiedliche Technologien auf der Netzzugangsschicht eingesetzt. Bekannte Vertreter sind Fibre Channel zur Datenspeicherung und InfiniBand zur Berechnung von Daten. Schlussendlich sollen diese Technologien durch eine physikalische Infrastruktur ersetzt werden. Dazu ist es notwendig, entsprechende QoS-Mechanismen für Ethernet zu entwickeln, damit diese hoch performanten Netze optimal genutzt werden können [Grou]. IEEE 802.1Qau - Congestion Notification (CN) - stellt eine Ende-zu-Ende Staukontrolle für Protokolle ohne native Unterstützung zur Verfügung, wie Fibre Channel over Ethernet (FCoE). IEEE 802.1Qbb - Priority-based Flow Control (PFC) - stellt eine Flusskontrolle vor, die für jede Priorität unabhängig gesteuert werden kann. Dies dient zur Vermeidung von Staus in DCB-Netzwerken. IEEE 802.1Qaz - Enhanced Transmission Selection (ETS) - stellt ein Management Framework zur Zuweisung von Bandbreite zu Verkehrsklassen zur Verfügung.

14 2 Quality of Service in der Netzwerktechnik 11 DCB Exchange Protocol (DCBX) - ein Austauschprotokoll zur Festlegung von oben genannten Eigenschaften zwischen benachbarten Stationen Audio/Video Bridging (AVB) Die Arbeitsgruppe für Audio/Video Bridging entwickelt eine Reihe von Standards die speziell auf die Anforderungen von Streaming von Audio- und Videodaten über Netzwerke zugeschnitten sind. Momentan befinden sich folgende Standards in der Entwicklung: Timing and Synchronization for Time-Sensitive Applications (IEEE 802.1AS) Stream Reservation Protocol (SRP) (IEEE 802.1Qat) Forwarding and Queuing for Time-Sensitive Streams (IEEE 802.1Qav) Audio Video Bridging Systems (IEEE 802.1BA) Transparent Interconnection of Lots of Links (TRILL) TRILL verfolgt die gleichen Ziele wie der DCB-Ansatz. Ziel ist auch das Gigabit- Ethernet als Infrastruktur für Rechenzentren zu nutzen. Dabei müssen QoS-Mechanismen gefunden werden, um bestehende Technologien (z.b. Fibre Channel) zu integrieren und optimal auszunutzen. Dazu werden die Vorteile von Routern und Switches kombiniert, um den parallelen Betrieb von Verbindungen im Ethernet zu ermöglichen. Das notwendige Multipath- Routing erfolgt bisher in der dritten Schicht des OSI-Referenzmodells und soll mit TRILL auf die zweite Schicht überführt werden. Dadurch sollen höhere Datenraten und niedrigere Latenzzeiten erreicht werden. Während das IETF sich mit TRILL auseinander setzt, steht es als Alternative zum Shortest-Path Bridging im Stream Reservation Protocol (IEEE 802.Qat) von IEEE, welches auch beim Audio/Video Bridging zum Einsatz kommt. 2.4 Staukontrolle im Ethernet Zur Umsetzung von Staukontrolle für den Ethernet-Standard hatte das IEEE Konsortium eine Arbeitsgruppe gebildet. Die Arbeiten an diesen Standard IEEE 802.3ar wurden jedoch 2005 eingestellt (siehe Kapitel 2.1.4). Ein besonderes Interesse zur Realisierung

15 2 Quality of Service in der Netzwerktechnik 12 besteht im Bereich Cloud Computing und großen Rechenzentren. Zur Steigerung der Effizienz kommt diesem Thema eine besondere Bedeutung zu. Wenn in den Netzen die Übertragungsgeschwindigkeiten immer höher werden, tritt es immer häufiger auf, dass Pakete wegen Pufferüberläufe im Netzwerk verworfen werden, was das Netz verlangsamt, da diese verlorenen Pakete erneut verschickt werden müssen. Eine effektive Staukontrolle gewinnt bei den immer schneller wachsenden Netzen an Bedeutung. Da Ethernet aber im Vergleich sehr günstig ist, besteht von wirtschaftlicher Seite das Interesse, entsprechende QoS-Mechanismen für Ethernet zur Verfügung zu stellen. Data Center Bridging mit 802.1Qau Congestion Notification bieten speziell für Rechenzentren entsprechende Ansätze, Staukontrolle umzusetzen. Die Forschungsarbeiten für Ethernet-QoS haben alle gemein, dass sie sich ausschließlich auf kurze (short-range) Gigabit-Ethernet Netzwerke mit nur weniger Hops konzentrieren. In [MWGC + 05] wird für die Sicherungsschicht eine Directional Rate Control (DRC) vorgestellt. Es erweitert das Warteschlangenmodell dahingehend, indem Datenverkehr in den Warteschlangen Priorität und Richtung behandelt werden können. Während der Initialisierung lernen die Komponenten der Sicherungsschicht ihre Beziehung untereinander und sind dann in der Lage staufreie Routen zu wählen. Dadurch kann kurzzeitig auf entstehende Staus reagiert werden, wodurch die Anzahl verlorener Rahmen sinkt. Zusätzlich wird noch eine Stauerkennung (Congestion Indication) für die Sicherungsschicht eingeführt. Dieser erkennt Staus in den Subnetzen der zweiten Schicht und liefert diese Informationen bis an den Rand des Subnetzes. Die bekannten Informationen können dazu verwendet werden, um aktiv eine Überlastung (Oversubscription) des lokalen Subnetzes zu vermeiden. In Abbildung 2.2 soll kurz die Idee dahinter erläutert werden. Die dargestellte Methode dient dazu, ECN (Explicit Congestion Notification) für TCP/IP bereitzustellen. Die Switche wurden als Virtual Output Queued (VOQ) modelliert. Bei VOQs wird zu jedem Eingabeport eine separate Warteschlange für jeden Ausgabeport bereit gestellt. In dem Paper kommt die Random Early Detection als Active Queue Management (AQM) zum Einsatz, zur Überwachung von möglichen Staus. Wird in einem Switch ein Stau erkannt, werden Frames für diesen entweder verworfen oder lösen eine Congestion Indication (CI) aus. Je nach aktuellem Congestion-Level werden in beiden Fällen zufällig Frames ausgewählt, die entsprechend markiert werden, um einem Stau vorzubeugen. Wenn der Congestion-Level einen ersten (niedrigeren) Schwellwert überschreitet, lösen die ausgewählten Frames Congestion Indications aus (über Marking oder Messaging). Durch einen weiteren Anstieg des Staus, werden alle Frames eine CI erzeugen, bis schließlich alle Frames verworfen werden. Wenn eine solche CI schließ-

16 2 Quality of Service in der Netzwerktechnik 13 Abbildung 2.2: Multi-Stage Layer 2 Interconnect [MWGC + 05] lich an die höheren Schichten weitergereicht wird, kann TCP mit entsprechenden ECN Mechanismen reagieren.

17 3 Zusammenfassung der Ergebnisse 14 3 Zusammenfassung der Ergebnisse 3.1 Vergleich der gefundenen Methoden Zunächst stellt sich die Frage ob für einen konkreten Anwendungsfall QoS überhaupt notwendig ist. Je nach Netzwerk spielen dabei mehrere Faktoren eine Rolle: Größe Kleine Netzwerke mit nur wenigen Stationen in einem LAN würden durch QoS-Maßnahmen zusätzlichen Overhead erzeugen und damit dem gewünschten Forderungen an das Netz eher entgegenwirken. Je größer die Netze desto wichtiger wir QoS z.b. zur Vermeidung von Staus. Aufgabe Während für einen -Server keine Dienstgüte bereitgestellt werden muss, können bei zeitsensitiven Anwendungen entsprechende QoS-Mechanismen unerlässlich sein (z.b. VoIP). Architektur Die Umsetzung von QoS ist natürlich auch abhängig von der verwendeten Hardware. Sie muss in der Lage sein entsprechende Protokolle umzusetzen. Grundsätzlich sollte die Verwendung von QoS von den Anwendungen abhängig gemacht werden, um den Anforderungen der Nutzer zu genügen. Bei der Umsetzung spielen oben genannte Faktoren eine Rolle. Sind in einem Netzwerk lediglich Rechner mit Switches (oder auch Bridges) verbunden, laufen alle QoS- Maßnahmen ins Leere, die sich oberhalb der zweiten Schicht des OSI-Referenzmodells befinden. Das in der Arbeit vorgestellte IntServ oder DiffServ würde deshalb keine Wirkung zeigen. Hier könnte dann der getaggte Ethernet-Frame (Abbildung 2.2) zur Priorisierung von Datenströmen verwendet werden. Sind diese Netze besonders empfindlich gegenüber Verzögerungen bieten sich Protokolle der AVB-Arbeitsgruppe an (oder TRILL als Alternative). In besonders großen Netzen, z.b. Rechenzentren, in der zusätzliche Technologien wie InfiniBand zum Einsatz kommen, sollen entsprechende QoS-Mechanismen es ermöglichen, Gigabit-Ethernet als Infrastruktur zu verwenden. Sind mehrere LANs nun über einen Router (Schicht 3) verbunden so können auch weitere QoS-Mechanismen eingesetzt werden. Wenn VoIP-Daten von einem Segment

18 3 Zusammenfassung der Ergebnisse 15 in das andere übertragen werden sollen, kann beispielsweise IntServ eingesetzt werden. Dabei werden die Ressourcen entsprechend der Anforderung reserviert. Ist eine Ende-zu-Ende Verbindung aufgebaut, werden die Daten immer auf dem gleichen Pfad geschickt. Ein Nachteil ist, dass durch das regelmäßige Auffrischen der Reservierung eine hohe Netzlast in Kauf genommen werden muss. DiffServ bietet den Vorteil, gegenüber IntServ, dass keine Reservierung erfolgen muss, sondern die Pakete entsprechend nach der festgelegten Dienstklasse behandelt werden. Über die Festlegung des Weiterleitungsverhaltens ( Per-Hop Behaviour ) für Pakete lassen sich Datenraten und Verzögerungen garantieren. 3.2 Zukünftige Entwicklung Durch die wachsende Zahl an Internetnutzern und Plattformen wie YouTube wird der Bandbreitenbedarf immer weiter steigen. Schon 2007 berichtete eine Studie, dass die Videoplattform YouTube 10% der Webbandbreite beansprucht [Widm07]. Für die meisten Internetnutzer wird die Dienstgüte für Ethernet keine Rolle spielen, da zum einen die Übertragungsraten immer schneller werden und der Flaschenhals bei den neuen Ethernet Standards zumindest bei kleinen lokalen Netzwerken nicht mehr durch die Technologie selbst begründet ist. Quality of Service in der Netzwerktechnik wird besonders in Bereichen wie Social Networks und Videoplattformen an Bedeutung gewinnen. Vor diesem Hintergrund steht auch der Trend in Richtung Cloud Computing. Inwiefern die Nutzung externer Dienstleistungen solcher Clouds für Privatleute und Unternehmen aus anderen Gewerben, gerade mit Blick auf den Umgang und möglichen Missbrauch von persönlichen bzw. geheimen Daten, von Nutzen sein wird, werden die nächsten Jahre zeigen. Quality of Service wird zur Steigerung der Effizienz auf jeden Fall eine wichtige Rolle spielen. Quality of Service für Ethernet befindet sich momentan in den Startlöchern. Aktuell befinden sich viele Standards in der Entwicklung. Es deutet sich an, dass ATM mit seiner Realisierung des QoS, in absehbarer Zeit, vom Gigabit-Ethernet mit seinen Implementierungen abgelöst wird [Mick99]. Bis zum Jahr 2012 ist vorgesehen ATM im Backbonebereich durch Ethernet-basierte Technologien zu ersetzen [Wiki]. Zudem sollen in Rechenzentren bereits genutze Techniken, wie InfiniBand oder Fibre Channel, mit Hilfe von 10GBit-Ethernet zusammengeführt werden (Fibre Channel over Ethernet) [ReSc10].

19 16 Anhang

20 Literaturverzeichnis 17 Literaturverzeichnis [BBCD + 98] [BZBH + 97] [Grou] S. Blake, D. Black, M. Carlson, E. Davies, Z. Wang und W. Weiss. RFC 2475, An Architecture for Differentiated Services. Technischer Bericht, The Internet Engineering Task Force, rfc/rfc2475.txt. R. Braden, L. Zhang, S. Berson, S. Herzog und S. Jamin. RFC 2205, Resource ReSerVation Protocol (RSVP). Technischer Bericht, The Internet Engineering Task Force, txt. Data Center Bridging Task Group. Data Center Bridging (DCB). http: //www.ieee802.org/1/pages/dcbridges.html. [IEBr89] IETF und R. Braden. RFC 1122, Requirements for Internet Hosts - Communication Layers. Technischer Bericht, The Internet Engineering Task Force, [IEEE04] [IEEE06] IEEE. IEEE 802.1D-2004, IEEE Standard for Local and metropolitan area networks, Media Access Control (MAC) Bridges. Technischer Bericht, IEEE, IEEE. IEEE 802.1Q-2005, IEEE Standard for Local and metropolitan area networks, Virtual Bridged Local Area Networks. Technischer Bericht, IEEE, [ITU-93] ITU-T. ITU-T Recommendation E.600, [ITU-94] ITU-T. ITU-T Recommendation E.800, [Mick99] T. Mickelsson. ATM versus Ethernet, Opinnot/Tik /1999/papers/07ATMvsEthernet/iworkpaper. html.

21 Literaturverzeichnis 18 [MUKT + 10] J. Manner, Aalto University, G. Karagiannis, University of Twente/Ericsson, A. McDonald und Roke. RFC 5974, NSIS Signaling Layer Protocol (NSLP) for Quality-of-Service Signaling. Technischer Bericht, International Organization for Standardization, ietf.org/rfc/rfc5974.txt. [MWGC + 05] G. McAlpine, M. Wadekar, T. Gupta, A. Crouch und D. Newell. An Architecture for Congestion Management in Ethernet Clusters. Technischer Bericht, IEEE International Parallel and Distributed Processing Symposium, [NBBB98] K. Nichols, S. Blake, F. Baker und D. Black. RFC 2474, Definition of the Differentiated Services Field (DS Field) in the IPv4 and IPv6 Headers. Technischer Bericht, The Internet Engineering Task Force, [netz] IEEE / Ethernet Grundlagen. elektronik-kompendium.de/sites/net/ htm. [osi:94] Information Technology - Open Systems Interconnection - Basic Reference Model: The Basic Model, International Organization for Standardization, [ReSc10] B. Reder und H. Schramm. Techniktrends: Ethernet als größter gemeinsamer Nenner im Datacenter, netzwerke-tk/artikel html. [RNFA + 01] K. Ramakrishnan, TeraOptic Networks, S. Floyd, ACIRI, D. Black und EMC. RFC 3168, The Addition of Explicit Congestion Notification (ECN) to IP. Technischer Bericht, International Organization for Standardization, [Shel01] T. Sheldon. Differentiated Services (Diff-Serv), linktionary.com/d/diffserv.html. [ShPG97] S. Shenker, C. Partridge und R. Guerin. RFC 2212, Specification of Guaranteed Quality of Service. Technischer Bericht, The Internet Engineering Task Force,

22 Literaturverzeichnis 19 [Widm07] Britta Widmann. Youtube beansprucht ein Zehntel der Web- Bandbreite, youtube-beansprucht-ein-zehntel-der-web-bandbreite.htm. [Wiki] [WrLC97a] [WrLC97b] Wikipedia. Asynchronous Transfer Mode. wiki/asynchronous_transfer_mode#aktuelle_situation. J. Wroclawski und MIT LCS. RFC 2210, The Use of RSVP with IETF Integrated Services. Technischer Bericht, International Organization for Standardization, J. Wroclawski und MIT LCS. RFC 2211, Specification of the Controlled- Load Network Element Service. Technischer Bericht, International Organization for Standardization, rfc2211.txt.

23 Abbildungsverzeichnis 20 Abbildungsverzeichnis 2.1 Detaillierte Darstellung der Schicht 1 und 2 Standards [netz] Multi-Stage Layer 2 Interconnect [MWGC + 05]

24 Tabellenverzeichnis 21 Tabellenverzeichnis 2.1 Schichten des TCP/IP Referenzmodells und deren Aufgaben Tagged IEEE MAC Frame Format (Quelle: S. 239 [IEEE06]) Detaillierte Darstellung des QTag Prefix aus Tabelle

25 Abkürzungsverzeichnis und Formelzeichen 22 Abkürzungsverzeichnis AQM ATM AVB CFI CI CN CoS CSMA/CD DA DCB DCBX DiffServ DRC DSCP ECN ETS FCoE FCS IEEE IETF IntServ IP ISO LAN LLC MAC MPLS NSIS OSI Active Queue Management AsynchronousTransferMode Audio/Video Bridging Canonical Format Indicator Congestion Indication Congestion Notification Class of Service Carrier Sense Multiple Access/Collision Detection Destination Adress Data Center Bridging DCB Exchange Protocol Differentiated Services Directional Rate Control Differentiated Services Codepoint Explicit Congestion Notification Enhanced Transmission Selection Fibre Channel over Ethernet Frame Check Sequence Institute of Electrical and Electronics Engineers Internet Engineering Task Force Integrated Services Internet Protocol International Organization for Standardization Local Area Network Logical Link Control Media Access Control MMultiprotocol Label Switching Next Steps in Signaling Open Systems Interconnection

26 Abkürzungsverzeichnis und Formelzeichen 23 PAN PCB PFC PHB QoS RED RESV RFC RSpec RSVP SA SFD SRP STP TCI TCP TOS TPID TRILL TSpec VID VLAN VoIP VOQ WLAN Personal Area Network Priority Code Point Priority-based Flow Control Per-Hop Behaviour Quality of Service Random Early Detection Reservation Request Requests for Comments Request Specification Resource revservation Protocol Source Adress Start-of-Frame Delimiter Stream Reservation Protocol Spanning Tree Protocol Tag Control Information Transmission Control Protocol Type-of-Service Tag Protocol Identifier Transparent Interconnection of Lots of Links Traffic Specification VLAN Identifier Virtual Local Area Network Voice over IP Virtual Output Queued Wireless Local Area Network World Wide Web

27 Erklärung 24 Erklärung Die vorliegende Arbeit habe ich selbstständig ohne Benutzung anderer als der angegebenen Quellen angefertigt. Alle Stellen, die wörtlich oder sinngemäß aus veröffentlichten Quellen entnommen wurden, sind als solche kenntlich gemacht. Die Arbeit ist in gleicher oder ähnlicher Form oder auszugsweise im Rahmen einer oder anderer Prüfungen noch nicht vorgelegt worden. Ilmenau, den Martin Bocksberger

Inhalt: 1. Layer 1 (Physikalische Schicht) 2. Layer 2 (Sicherungsschicht) 3. Layer 3 (Vermittlungsschicht) 4. Layer 4 (Transportschicht) 5.

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