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1 QUALITY OF SERVICE AUF IP/DVB SATELLITENLINKS DLR Workshop "Satellitenkommunikation in Deutschland" Köln, Michael Henke VCS Aktiengesellschaft 1

2 Übersicht Projekt-Team und -Struktur QoS - Definition und Status Quo DiffServ - Modell und Implementierung Dynamische Service Level Agreements Software-Architektur Test-Ergebnisse Zusammenfassung und Ausblick 2

3 Projekt-Team R. Donadio (PM) F. Zeppenfeldt U. Sterzl (IMT-CAO) Contract Manager Michael Henke (PM) Katja Dohm Patrick Halke Milva Natcheva Ulli Leibnitz Contract Manager B. Collini-Nocker (PM) P. Maurutschek Z. Huskic K. Wagner G. Quadros (PM) A. Alves M. Pessoa F. Boavida A. Muga A. Pena 3

4 Projekt Übersicht WP 1 Network Modelling WP 3 Simulations WP 2 Advanced Traffic Management Algorithm Assessment WP1: Ausarbeitung eines Netzwerk-Modells und eines Schemas für Service Level Agreements WP2: Analyse von aktuellen Algorithmen für Traffic Management WP 0 Management WP 4 Software Design WP3: Simulation verschiedener Traffic Management Mechanismen WP 5 Implementation, Testing and Acceptance WP4: Definition von Requirements für Demonstrator, Architectural & Detailed Design WP5: Implementierung, Test und Vorführung des Demonstrator 4

5 Ausgangs-Szenario Content Provider Space Link Provider Content Receiver IRD Uplink QoS Modules IP/DVB Gateway Multiplexer Content Server Network Service Provider Service Level Agreements: Content Provider Network Service Provider Network Service Provider Space Link Provider 5

6 QoS-Definition Tequila Group (Internet Draft draft-tequila-sls-01) Durchsatz Σ (Paket-Größen) / Zeit-Intervall Paketverlust verworfene Pakete / eingespeiste Pakete Latenzzeit Paket-Austrittszeit - Paket-Eintrittszeit Jitter (IPDV) (t Eintritt (n+1) - t Austritt (n+1) ) - (t Eintritt (n) - t Austritt (n) ) Verfügbarkeit MTBF / (MTBF+MTTR) 6

7 QoS in IP Netzen - Status Quo Nutzung unterschiedlicher Service-Klassen nicht sehr verbreitet Service Level Agreements auf Papier Laufzeiten 1-3 Jahre Bandbreite Verfügbarkeit (Paketverluste) (durchschnittliche max. Latenzzeit) 7

8 Wie kann QoS gewährleistet werden? Überdimensionierung Wo kein Mangel, da kein Murren Auf Basis von Microflows z.b. ATM, IntServ erfordert Reservierungs-Mechanismen resourcen-intensiv fein granuliert Auf Basis von aggregierten Flows z.b. MPLS, DiffServ jedes Packet enthält Information über seine Priorität resourcen-schonend grobere Granulierung 8

9 DiffServ Charakteristika Standardisiert von der IETF DiffServ WG RFC No. Status Title RFC2474 Proposed Standard Definition of the Differentiated Services Field (DS Field) in the IPv4 and IPv6 Headers RFC2475 Informational An Architecture for Differentiated Services RFC2598 Proposed Standard An Expedited Forwarding PHB RFC2597 Proposed Standard Assured Forwarding PHB Group RFC2983 Informational Differentiated Services and Tunnels RFC3086 Informational Definition of Differentiated Services Per Domain Behaviors and Rules for their Specification RFC3140 Proposed Standard Per Hop Behavior Identification Codes Einteilung aller Pakete in Service-Klassen ( Behaviour Aggregates ;BA) Markierung von Paketen über den DiffServ Code Point (DSCP) Spezifizierung von Per-Hop Behaviours (PHBs), die auf BAs angewandt werden 9

10 DiffServ Modell DS Domain A Packet DSCP Ingress Node defines is treated according implements Interior Node implements Interior Node implements implements Egress Node Inter Domain Peer-to-Peer SLA DS Domain B PHB (BA,domain A) 10

11 DSCP und PHBs Identifizierung über den DiffServ Code Point (DSCP) Abbildung des DSCP über IPv4: Type of Service (TOS) field IPv6: Traffic Class Octet Standardisierte PHBs Expedited Forwarding (EF) Assured Forwarding (AFxx) Best Effort (BE) 11

12 Implikationen von DVB-S Long Fat Network (elefant) (Latenzzeit * Bandbreite) sehr groß TCP Acknowledgement Mechanismen DVB Enkapsulierungs-Overhead Berücksichtigung von IP Multicasting Verschlüsselung (IPSec) und Tunnelling IP Header TCP Header Daten riginal Paket Source Destination DSCP Sequence Count verschlüsseltes Original-Paket nach IPSec rschlüsselung Source Destination DSCP 12

13 Dynamische Service Level Agreements (1) geringere Link-Kosten geringere Link-Kosten bessere Transponder-Auslastung dynamische Service Level Agreements Kapazität für weitere Kunden geringere Kosten zusätzlicher Umsatz weitere Kunden Kunde Link Provider 13

14 Dynamische Service Level Agreements (2) SLA Rahmen-Vertrag definiert globale Parameter (Verfügbarkeit, etc.) definiert 4 verschiedene Service-Klassen Streaming Gold Silver Best Effort ( EF PHB) ( AF1x PHB) ( AF2x PHB) ( BE PHB) definiert für jede Service-Klasse die Parameter Maximale, durchschnittliche Latenzzeit Maximale IP Packet Drop Ratio Kunde definiert je Service-Klasse minimale Bandbreite maximale Bandbreite 14

15 Dynamische Service Level Agreements (3) Automatisierte, dynamische Aushandlung von Bandbreite / Service-Klasse "Request for Quotation" (Bandbreite, Klasse) "Offer" (Basispreis, Excess-Preis) "Subscription Update" (Annahme Angebot, Annahme Excess-Preis) SLA Trader (Kunde) SLA Trader (Link Provider) Gambling Provider kann mehr Bandbreite anbieten als verfügbar Charge-Back Wenn SLAs vom Provider temporär nicht erfüllt werden können, tritt ein Chargeback-Mechanismus in Kraft 15

16 Beispiel Verkehrs-Profil 1800 Überbuchung durch Link Provider Bandbreite [kbit/s] Überschreitung durch Kunde 1 Uplink BW BW Summe Kunde1 BW vereinbar Kunde1 BW genutzt Kunde2 BW vereinbar Kunde2 BW genutzt Überschreitung durch Kunde 2 Überschreitung durch Kunde 2 0 Zeit 16

17 Software-Architektur Admission Control Traffic Class Based Shaping Excess Dropping Subscription Based Shaping Excess Dropping IP/DVB Encapsulation Customer Egress Node IP/DVB Access Node Ingress Node Egress Node DVB Modulator Gateway Active Metering Traffic Notifications Notifications Notifications Metering Information Subscriptions Subscriptions Subscriptions Customer SLA Trader Node RFQs, Subscriptions Offers, Notifications, Reports SLA Trader Node 17

18 Implementierung Betriebssystem Linux Programmiersprachen C++ PHP Perl Traffic Management: Traffic Management Mechanismen des Linux Kernels 18

19 Protokolle COPS-PR für PBN Entscheidungen und System- Überwachung Keine Benutzung von Keep-alive und Sicherheits-Mechanismen Selbst-definierte PIB IOTP für SLA-Aushandlung Implementiert unter Benutzung von: IOTP V1.0 Purchase Transaction Zusätzliche Message Typen für QoS Reporting Protokoll für e-commerce basierend auf XML slapib (8) slaprcgeneraldatatable (1) slaprcgeneraldata (1) slaidentifier (1) slaclientname (2) slaprctrafficclasstable (2) slaingressnodeaddr (3) slaprctrafficclassdata (1) slaidentifier (1) slatrafficclassidentifier (2) slatrafficclassagreementversion (3) slatrafficclasscodepoint (4) slatrafficclassactualsubscription (5) slatrafficclassactualsubscprice (6) slaprcaddrpairstable (3) slatrafficclassexcessprice (7) slaprcipv4addrpairstableentry (1) slasourceaddr (1) slasourceaddrprefixlength (2) sladestinationaddr (3) slamonitoringprctable (4) sladestinationaddrprefixlength (4) slamonitoringprctableentry (1) slaidentifier (1) slatrafficclassidentifier (2) slatrafficclassagreementversion (3) slamonitoredincomingbytecount (4) slamonitoredoutgoingbytecount (5) slamonitoreddroppedbytecount (6) slamonitoredincomingpacketcount (7) slamonitoredoutgoingpacketcount (8) slamonitoreddroppedpacketcount (9) slamonitoredexcesstrafficvolume (10) 19

20 Test Ansatz Selbst entwickelte Simulatoren for PDP and PEP während Entwicklung und Integration 7 Scenarios für End-to-End Tests Nominale Last entsprechend der Reservierungen Unbezahlte Überlast Bezahlte Überlast Uplink-Überbuchung Dynamische Änderung der Reservierung Grenzlast (nahe an Uplink-Überbuchung) Kleine Packet-Größen Video Streaming mit zusätzlicher Störlast 20

21 Benutzte Test Software Last-Generierung tg iperf Link Simulator nistnet Netzwerk-Analyse tcpdump Ethereal Visualisierung gnuplot Analyse-Scripts Streaming Server Helix Basic Streaming Client RealOne Player 21

22 C A x 1x 8x 2x 9x 3xA 10x 4x 11x 5x 12x 6x 7x 1x 8x 2x 9x 10x 3xB4x 1x 5x 12x 6x C A x 1x 8x 2x 9x 10x 3x 4x A 11x 5x 12x 6x 7x 1x 8x 2x 9x 3x B 10x 4x 11x 5x 12x 6x pacecom. Remote Sensing Technology. Media Broadcasting Solutions Test Setup - Simulierter Satelliten-Link Acceptance Test Configuration (ESTEC) Sources / Sinks Access Node Ingress Node Egress Node Space Link Simulator eth1 00:04:76:51:83:AB ( ) 00:E0:7D:C5:1A:D eth1 00:E0:7D:C5:8C: :02:1B:F0:17: eth1 00:06:5B:74:15:F :00:B4:93:41:4F eth1 00:50:BA:E0:1E:B eth :04:76:51:83:A B Et her net Ethernet eth SLA Trader Node Customer SLA Trader Simulator VCS Contribution UniSal Contribution CSW Contribution ESA Contribution 22

23 C A x 1x 8x 2x 9x 3x A 10x 4x 11x 5x 12x 6x 7x 1x 8x 2x 9x 3x 10x 4x B 11x 5x 12x 6x C A x 1x 8x 2x 9x 3x A 10x 4x 11x 5x 12x 6x 7x 1x 8x 2x 9x 3x B 10x 4x 11x 5x 12x 6x pacecom. Remote Sensing Technology. Media Broadcasting Solutions Test Setup - Satelliten-Link Acceptance Test Configuration (ESTEC) DVB Uplink Infrastructure Sources Access Node Ingress Node Egress Node Sesat 00:04:76:51:83:AB :E0:7D:C5:1A:D eth1 00:E0:7D:C5:8C: :02:1B:F0:17: eth1 00:06:5B:74:15:F :00:B4:93:41:4F eth1 00:50:BA:E0:1E:B eth1 00:04:76:51:83:AB ( ) DVB Downlink Infrastructure Et her net Ethernet eth SLA Trader Node Customer SLA Trader Simulator VCS Contribution UniSal Contribution CSW Contribution 23

24 C A x 1x 8x 2x 9x 3x A 10x 4x 11x 5x 12x 6x 7x 1x 8x 2x 9x 3x B 10x 4x 11x 5x 12x 6x C A x 1x 8x 2x 9x 3x A 10x 4x 11x 5x 12x 6x 7x 1x 8x 2x 9x 3x B 10x 4x 11x 5x 12x 6x pacecom. Remote Sensing Technology. Media Broadcasting Solutions Test Setup - Video Streaming Test Acceptance Test Configuration (ESTEC) DVB Uplink Infrastructure Streaming Server Access Node Ingress Node Egress Node Sesat 00:04:76:51:83:AB :E0:7D:C5:1A:D eth1 00:E0:7D:C5:8C: :02:1B:F0:17: eth1 00:06:5B:74:15:F :00:B4:93:41:4F eth1 00:50:BA:E0:1E:B DVB Downlink Infrastructure Ethernet Ethernet Streaming Client 00:04:76:51:83:AB eth SLA Trader Node Customer SLA Trader Simulator VCS Contribution UniSal Contribution CSW Contribution 24

25 Test Resultate (Auszug) Eingespeiste Bandbreite Empfangene Bandbreite t 0 : Reservierung 200 kbit/s, keine Bezahlung von Excess Traffic t 0 +5s: Einspeisung innerhalb der vereinbarten Rate beginnt t 0 +30s: Eingespeiste Bandbreite wächst an auf 1Mbit/s, Excess Traffic wird verworfen t 0 +60s: Reservierung wird erhöht auf 750 kbit/s t 0 +90s: Reservierung wird geändert, Excess Traffic wird jetzt bezahlt t s: Eingespeiste Bandbreite geht zurück auf 100 kbit/s 25

26 Test Resultate Video-Streaming Ungestörter Video Stream 1450 kbit/s durchschnittliche Bandbreite 2000 kbit/s Uplink Bandbreite Gestörter Video Stream 1450 kbit/s durchschnittliche Bandbreite 2000 kbit/s zusätzliche Störlast niedrigerer Priorität 2000 kbit/s Uplink Bandbreite 26

27 Zusammenfassung DiffServ ist auchauf DVB-S links ein probates Mittel, um QoS zu gewährleisten Dynamische SLAs Ansatz zur Optimierung der Transponder Auslastung QoS ist und bleibt eine Ende-zu-Ende Angelegenheit DVB Enkapsulierungs-Overhead muß berücksichtigt werden QoS-Funktionalität muß entlang des kompletten Datenpfades implementiert sein 27

28 Perspektiven Weitere Forschungs-Felder QoS im DVB-RCS Rück-Kanal Integration von IP- und DVB-basierten QoS-Mechanismen DVB Enkapsulierungs-Overhead: Reduktion und Vorhersagbarkeit Optimierung der Genauigkeit von Queuing Algorithmen Mögliche Anwendungen Telelearning e-cinema 28

29 Voraussetzungen für Operationellen Einsatz Standardisierung von Elektronischen SLAs Protokollen für SLA-Aushandlung Gemeinsamer Wille auf Seiten von Kunden und Link Providern 29

30 Kontakte Roberto Donadio (ESA/ESTEC) Michael Henke (VCS Aktiengesellschaft) Bernhard Collini-Nocker (University of Salzburg) Goncalo Quadros (Critical Software SA) 30

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