Grundkurs Routing im Internet mit Übungen

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1 Grundkurs Routing im Internet mit Übungen Falko Dressler, Ursula Hilgers Regionales Rechenzentrum der FAU 1

2 Tag 5 Mechanismen zur Dienstgütebereitstellung in Routern QoS QoS& IP Differentiated Services Bandbreitenkontrolle Scheduling Verhinderung von Überlast Konfiguration 2

3 QoS (I) Dienstqualität (Quality of Service, QoS): Eigenschaften bei der Ausführung eines Dienstes aus der Sicht eines Benutzers (auf Ende-zu-Ende Basis) Dienst: Telnet-Verbindung, Videokonferenz objektive (messbare) oder subjektive Eigenschaften objektiv: Durchsatz, Delay, Jitter,.. subjektiv: Qualität des Bildes/Tons 3

4 QoS (II) Dienstintegration im Internet: Datenübertragung verschiedener Applikationen über das IP- Protokoll: Best-Effort keine Garantien für die Datenübertragung Neue Anforderungen durch Echtzeit - Applikationen (Bsp.: hochqualitative Multimedia-Anwendungen) QoS versus Class of Service (CoS): QoS: absolute Delay-, Durchsatz-,... Garantien für einen Verkehrstrom unabhängig vom Verhalten anderer Ströme CoS: relative Garantien (Probleme bei Überlastung des Netzwerks) 4

5 QoS (III) Überlast 5

6 QoS (IV) 6

7 QoS (V) 7

8 QoS (VI) 8

9 QoS (VII) Anwendungen mit unterschiedlichen Anforderungen Definition von Dienstklassen, die zwischen Kunde und Provider ausgehandelt werden und an den Netzwerkgrenzen zur Verfügung stehen: Service Level Agreement (SLA) Enthalten Tarife, Sicherheitsaspekte und eine Beschreibung der technischen Parameter aller Dienste, die vom Provider angebotenen werden. 9

10 QoS (VIII) Beispiel für ein SLA: 3 Dienste werden zwischen Kunde und Provider ausgehandelt Datenrate 2 Mbit/s, geringe Verzögerungen/Jitter (Anwendung: Telefonie) Datenrate 40 Mbit/s, keine Verluste, Delay kleiner 100 ms (Anwendung: hochqualitative Dialog- Videoübertragung) Best-Effort (Anwendung: textbasierte Datenübertragung) 10

11 QoS & IP (I) 11

12 QoS & IP (II) Anforderungen an die Netzwerkkomponenten: Bandbreitenbegrenzung am Rande des Netzwerks zur Überwachung des SLA Faires/Prioritätenbasiertes Scheduling (Videokonferenzen Datenübertragung) Klassifizierung Überlastkontrolle 12

13 QoS & IP (III) QoS in IP-Netzwerken: oft nur CoS - relative Garantien in Abhängigkeit von der Belastung des Netzes Verschiedene Ansätze entwickelt von der Internet Engineering Task Force (IETF): Integrated Services Resource Reservation Protocol (RSVP) Differentiated Services (DiffServ) 13

14 DiffServ (I) Skalierbarer Mechanismus zur Dienstdifferenzierung Klassifizieren des Verkehrs und Aggregieren zu Dienstklassen (keine aufwendige Signalisierung pro Anwendungsfluss RSVP) Konzept: Klassifizieren und Markieren der Pakete und Überprüfung der SLAs (Verkehrsregulierung) Zuweisung der Ressourcen im Router abhängig von der Dienstklasse (Scheduling, Buffer,...) 14

15 DiffServ (II) unidirektional Forderungen keine Performance-Einbußen im Netzwerk durch DiffServ keine Speicherung von Zuständen/Signalisierung ( Markierung) keine Änderung der Applikationen 15

16 DiffServ (III) Definition von Service Level Specifications (SLS): Parameter die angebotene Dienste spezifizieren Funktionalität der DiffServ-Router (am Rande des Netzes): Aggregierung des Verkehrs Überprüfung der Vertragskonformität Komplexe Funktionen zur Klassifikation, Markierung, Verkehrsregulierung,.. 16

17 DiffServ (IV) 17

18 DiffServ (V) Markieren Best Effort : DSCP: Differentiated Services CodePoint 18

19 DiffServ (VI) Im Core des Netzes: Per Hop Behaviour auf Pakete anwenden in Abhängigkeit der Markierung im Paket Header Abbildung: Dienstklasse im SLA Per Hop Behaviour (PHB) Reservierung der Ressourcen im Router: Reservierung der Ressourcen für jede Dienstklasse entsprechend der Qualitätsanforderungen (Buffer, Bandbreite) Queuemanagement und Scheduling Überlastkontrolle 19

20 DiffServ (VII) Standardisierter PHB: Assured Per Hop Behaviour Expedited Per Hop Behaviour (default) 20

21 DiffServ (VIII) Expedited Per Hop Behaviour (RFC 3246) Low Loss / Delay SLS enthalten Verkehrsprofile Nicht konformer Verkehr wird verworfen Bsp: Voice over IP 21

22 DiffServ (IX) Assured Per Hop Behaviour (RFC 2597) 4 Klassen mit 3 verschiedenen Verwurfsprofilen Belegung des DSCP-Bytes: 22

23 DiffServ (X) AF PHB f. SLS werden vereinbart Pakete mit niedriger Drop-Wahrscheinlichkeit werden geschützt vor solchen mit einer höheren Menge des weitergeleiteten Verkehrs hängt ab von Den für die Klasse allokierten Ressourcen Der Last dieser Klasse Der Drop Precedence Keine Zusagen an das maximale Delay 23

24 Scheduling (I) FIFO-Queueing - First in, First out effizientes Verfahren negative Auswirkungen bei Anwendungsflüssen mit höherem Verkehrsaufkommen Fair Queueing Gleichbehandlung für jede Dienstklasse, da gleicher Anteil an Ausgangsbandbreite Benachteiligung von kleinen Paketen 24

25 Scheduling (II) Flow: virtuelle Verbindung Alle Pakete mit der gleichen Source/Destination IP-Adresse und Port-Nummer und Protokoll-ID Alle Pakete eines Flows werden der gleichen Dienstklasse zugewiesen ToS Feld im IP-Header wird entsprechend markiert 25

26 Scheduling (III) Weighted Fair Queueing (WFQ): jeder Warteschlange wird ein Gewicht zugeteilt, das den Anteil an Ausgangsbandbreite bestimmt Parekh (1992) Bandbreitengarantie Isolation von Flows Fairness maximale Grenze fürs Delay (Token Bucket regulierter Verkehrsstrom) 26

27 Überlastkontrolle (I) Buffer und Queues werden von Netzwerkelementen als temporäre Zwischenspeicher für Daten verwendet, die darauf warten, übertragen zu werden Buffer und Queues füllen sich, wenn der Router die Daten nicht schnell genug übertragen kann 27

28 Überlastkontrolle (II) Verwurfsstrategien: Random Drop Tail Drop Tail Drop: Standard Verhalten im Netzwerk ankommende IP-Pakete werden verworfen, wenn Queue voll ist TCP-Verbindungen reduzieren Senderate - Slow Start (Mechanismus zur Überlastkontrolle) globale Synchronisation Random Drop: zufälliges Verwerfen, bevor Queue überläuft Random Early Detect (RED): Mechanismus zur Vermeidung von Überlast 28

29 Überlastkontrolle (III) RED beobachtet die durchschnittliche Queuelänge und verwirft ggf. Pakete aus ausgewählten Anwendungsflüssen einzelne TCP-Flows reduzieren ihre Übertragungsrate RED geringes Delay und maximaler Durchsatz (Verhinderung von globaler Synchronisation) 29

30 Überlastkontrolle (IV) 30

31 Überlastkontrolle (V) Wenn ein Paket ankommt 1. The average queue size is calculated. 2. If the average is less than the minimum queue threshold, the arriving packet is queued. 3. If the average is between the minimum queue threshold for that type of traffic and the maximum threshold for the interface, the packet is either dropped or queued, depending on the packet drop probability for that type of traffic. 4. If the average queue size is greater than the maximum threshold, the packet is dropped. 31

32 Überlastkontrolle (VI) Durchschnittliche Länge der Warteschlange Verwurfswahrsc heinlichkeit 1 0 min th max th 32

33 Überlastkontrolle (VII) Weighted RED Verwurfswahrscheinlichkeit 1 0 min th 3 max max min max th3 min th2 th2 th1 th1 durchschnittliche Länge der Warteschlange 33

34 Konfiguration (I) Auf Cisco-Routern: Bandbreitenbegrenzung am Rande des Netzwerks (Admission Control): rate-limit Scheduling: (weighted) faire-queue Überlastkontrolle: random-detect IOS (S) 34

35 rate-limit (I) Nur mit IP-Verkehr Voraussetzung: Cisco Express Forwarding (CEF) Klassifikation möglich für eingehendes Router-Interface einzelne Flows Pakete mit gleichen Eigenschaften (z.b. gleicher Zieladresse) werden herausgefiltert Filtern der Pakete ist auf Cisco Routern durch Access Listen (ACLs) realisiert Art der Implementation der ACLs (Software oder Hardware) hat entscheidenden Einfluss auf die Funktionalität des Klassifizierens 35

36 rate-limit (II) Realisierung durch einen Token Bucket: Formale Definition die Übertragungsrate festzulegen Committed Burst Size Durchschnittliche Rate (Mean Rate, Committed Information Rate (CIR), Ankunftszeit 36

37 Rate R der symbolischen Dateneinheiten (Token) Größe des Speicherbereichs B (Bucket) ankommendes IP-Paket Dateneinheit vorhanden? ja IP-Paket weiterleiten nein IP-Paket verwerfen

38 rate-limit (IV) Für den gesamten IP-Verkehr an einem Interface Step Command Purpose 1 interface interface-type interface-number 2 rate-limit {input output} bps burst-normal burst-max conform-action action exceed-action action Specify the interface or subinterface. This command puts the router in interface configuration mode. Specify a basic CAR policy for all IP traffic.(action: see next slide) 3 end Exit interface configuration mode. 38

39 rate-limit (V) Rate-Limit Command Action Keywords continue drop set-prec-continue new-prec set-prec-transmit new-prec transmit Description Evaluate the next rate-limit command. Drop the packet. Set the IP Precedence and evaluate the next rate-limit command. Set the IP Precedence and transmit the packet. Transmit the packet. 39

40 Step Command Purpose 1 interface interface-type interfacenumber 2 rate-limit {input output} [accessgroup [rate-limit] acl-index] bps burst-normal burstmax conform-action action exceed-action action 3 access-list acl-index {deny permit} source [source-wildcard] or access-list acl-index {deny permit} protocol source source-wildcard destination destination-wildcard [precedence precedence] [tos tos] [log] Specify the interface or subinterface -> configuration mode. Specify the rate policy for each particular class of traffic. Repeat this command for each different class of traffic. (Optional) Specify a standard or extended access list. Repeat this command to further configure the access list or specify a new access list. 4 end Exit interface configuration mode.

41 rate-limit (VII) Test: Wie wird die CPU des Router-Interfaces durch die Klassifikationsaufgabe belastet? Cisco 7507, IOS 12.0.(10)S Versatile Interface Boards im Router mit 155 MBit/s PoS Schnittstelle Klassifikation wird an dem eingehenden Interface des Routers aktiviert 41

42 rate-limit (VIII) Der Verkehrsgenerator sendet UDP-Verkehr auf verschiedenen Flows mit einer Rate von 3 Mbit/s Die Anzahl der Flows wird kontinuierlich gesteigert Pakete der Größe 64, 429 und 4096 Byte Die Klassifikation wird basierend auf den Zieladressen durchgeführt Das Filtern wird mit Access Listen (ACLs) realisiert 42

43 rate-limit (IX) 43

44 faire-queue (I) Pakete werden pro Flow klassifiziert (Flow: Pakete mit der gleichen IP Adresse, UDP/TCP Port und gleichem Protokoll) Konfiguration: Command fair-queue [congestive-discardthreshold [dynamic-queues [reservable-queues]]] or fair-queue Purpose Configure an interface to use fair queueing. or Configure an interface to use fair queueing on a Cisco router using a VIP-based interface. 44

45 faire-queue (II) congesti vediscardthreshol d dynamic -queues reserva blequeues (Optional) Number of messages allowed in each queue. The default is 64 messages, and a new threshold must be a power of 2 in the range 16 to When a conversation reaches this threshold, new message packets are discarded. (Optional) Number of dynamic queues used for best-effort conversations (that is, a normal conversation not requiring any special network services). Values are 16, 32, 64, 128, 256, 512, 1024, 2048, and The default is 256. (Optional) Number of reservable queues used for reserved conversations in the range 0 to The default is 0. Reservable queues are used for interfaces configured for features such as Resource Reservation Protocol (RSVP). 45

46 faire-queue (III) Monitoring von faire-queue Command show interfaces [interface] fair-queue show queueing fair Purpose Show information about an interface configured for WFQ and DWFQ. Show status of the fair queueing configuration. 46

47 Aktivieren random-detect (I) Command randomdetect Purpose Enable WRED. If you configure this command on a VIP interface, DWRED is enabled. 47

48 random-detect (II) Command random-detect exponentialweightingconstant exponent random-detect precedence precedence min-threshold max-threshold mark-probdenominator Purpose Configure the weight factor used in calculating the average queue length. Exponent from 1 to 16 used in the average queue size calculation. The default exponential weight factor is 9. Configure parameters for packets with a specific IP Precedence. The minimum threshold for IP Precedence 0 corresponds to half the maximum threshold for the interface. Repeat this command for each precedence. To configure RED, rather than WRED, use the same parameters for each precedence. 48

49 precedence min-threshold max-threshold mark-probdenominator IP precedence number. The value range is 0 to 7 and RSVP Minimum threshold in number of packets. The value range of this argument is 1 to When the average queue length reaches the minimum threshold, WRED drops all packets with the specified IP precedence. Maximum threshold in number of packets. The value range of this argument is the value of the min-threshold argument to When the average queue length exceeds the maximum threshold, WRED drops all packets with the specified IP precedence. Denominator for the fraction of packets dropped when the average queue depth is at the maximum threshold. For example, if the denominator is 512, one out of every 512 packets is dropped when the average queue is at the maximum threshold. The value range is 1 to The default is 10; one out of every ten packets is dropped at the maximum threshold.

50 random-detect (IV) Monitoring von RED Command show interfaces [interfacetype interface-number] randomdetect show queue interface-type interface-number show queueing [red] show interfaces [type slot port-adapter port] Purpose Show information about WRED on a VIPbased interface. Show WRED configuration and statistics for a particular interface. Show the queueing configuration for WRED. Show DWRED statistics for Cisco 7500 series routers. 50

51 Fragen??? 51