Mobilkommunikationsnetze. - Quality of Service -

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1 - Quality of Service - Markus Brückner 1

2 Quality of Service (QoS)? Allgemein: Beschreibung der Dienstgüte eines Netzwerkes durch Datenrate Fehlerrate Latenz Latenzvariabilität (Jitter) Im engeren Sinn: Sicherstellung einer bestimmten Dienstgüte unabhängig von Einflüssen wie konkurrierendem Traffic oder Linkqualität Ziel eines QoS-fähigen Netzes 2

3 Grundlagen QoS-Mechanismen Reservierung von Ressourcen für eine Verbindung (bspw. in leitungsvermittelten Netzen oder mittels IntServ) Differenzierung (und Priorisierung) der Nutzung einer gemeinsamen Ressource (Beispiel: DiffServ) Overprovisioning einer Ressource, d.h. Auslegung auf den größten möglichen Lastfall 3

4 Grundlagen Funktionsblöcke Admission Control Verwaltung von Ressourcen, Erteilung/Verweigerung des Zugriffs (bspw. bei Reservierungen) Traffic-Klassifizierung Zuweisung von Datenpaketen zu unterschiedlichen Klassen Traffic Conditioning (Shaping & Policing) Anpassung von Datenströmen an gegebene QoS- Parameter Scheduling Auswahl zu übertragender Pakete (bspw. nach Priorität) Überlaststeuerung Vermeidung von Überlasten im Netz (bspw. durch Verwerfen von Paketen) 4

5 Grundlagen Beispiele Videochat hohe Datenrate mittlere Fehlerrate sehr geringe Latenz sehr geringer Jitter Videostreaming/IP-TV sehr hohe Datenrate mittlere bis geringe Fehlerrate mittlere bis hohe Latenz mittlerer Jitter 5

6 Grundlagen Beispiele Dateidownload sehr hohe Datenrate geringe Fehlerrate Latenz (fast) unwichtig geringer Jitter geringe Datenrate geringe Fehlerrate Latenz unwichtig Jitter unwichtig 6

7 Grundlagen Beispiele: UMTS Medium Anwendung Symetrie Datenrate QoS-Parameter Audio Telefonat Bidirektional 4-25 kb/s <150 ms (bevorzugt) <400 ms (Maximum) Video Videotelefonie Bidirektional kb/s Daten Audio Telemetrie/ Steuerung Anrufbeantworter Latenz* Jitter Fehlerrate <150 ms (bevorzugt) <400 ms (Maximum) < 1 ms Innerhalb einer Verbindung <3 % FER** <1 % FER Bidirektional <28,8 kb/s <250 ms keine Fehler Hauptsächlich unidirektional 4-13 kb/s <1 s (Abruf) <2 s (Aufzeichnung) <3 % FER 7

8 Grundlagen Beispiele: UMTS Medium Anwendung Symetrie Datenrate QoS-Parameter Daten Webbrowsing hauptsächlich unidirektional Daten transaktionsbasierte Dienste Daten hauptsächlich unidirektional Audio Daten HQ-Audiostreaming Transfer großer Datenmengen Latenz* Jitter Fehlerrate <4 s pro Seite keine Fehler bidirektional <4 s keine Fehler hauptsächlich unidirektional hauptsächlich unidirektional < 4 s keine Fehler kb/s < 10 s <1 ms <1 % FER <10 s keine Fehler 8

9 Grundlagen Ende-zu-Ende-QoS als Resultat einzelner Teil-QoS Ende-zu-Ende ISP Backbone Backbone ISP Edge-to-Edge Edge-to-Edge Edge-to-Edge Edge-to-Edge Netzwerkschicht-QoS Link MAC-Schicht-QoS 9

10 Edge-to-Edge QoS Latenz Verarbeitungslatenz (processing delay) in Routern Übertragungslatenz (transmission delay) über jeden Link Jitter entsteht durch Konkurrenz mehrerer Datenströme um gemeinsame Ressource (bspw. Links) queueing delay Paketverlust hauptsächlich durch Überlaufen von Warteschlangen in Routern Routereinfluss dominiert erreichbares QoS 10

11 Best-Effort-Router n Eingangsströme 1 Warteschlange (FIFO) 1 Ausgangsstrom Σ Eingänge > Ausgang steigende Latenz, Paketverlust Eingang 1 x pps FIFO Ausgang z pps Eingang 2 y pps Länge FIFO Pufferkapazität Queueing Delay 11

12 QoS-fähiger Router Klassifizierung von Paketen in unterschiedliche Warteschlangen unterschiedliche Strategien bei Überlast in verschiedenen Klassen Scheduler zur Steuerung der Ausgabe Priorisierung möglich Eingang 1 x pps Eingang 2 y pps Klassifizierung Queue Queue Queue Queue Scheduler Ausgang z pps 12

13 Grundlegende QoS-Funktionen Shaping Begrenzung einer Klasse auf einen maximalen Durchfluss über die Zeit mit Queuing bei Überschreitung Policing harte Begrenzung des Durchflusses zusätzlicher Traffic wird verworfen Markieren Pakete werden bei Überschreiten bestimmter Grenzen markiert können verworfen oder mit niedriger Priorität später übertragen werden Umsortieren Pakete innerhalb einer Queue können umsortiert werden (bspw. anhand Priorität) 13

14 Grundlegende QoS-Funktionen Metering Entscheidung, ob einzelne Pakete im Traffic-Profil liegen (bspw. anhand Durchsatz) Beispiel: Token Bucket Meter Markierung einer durchschnittlichen Paketrate mit definierten Bursts Paket Markierung eines Pakets: Token vorhanden entnehmen, Paket ist in profile kein Token Paket ist out of profile Token Token Token Token Token Token Token Token werden mit fester Rate X hinzugefügt durchschnittliche Paketrate Bucket fester Größe Y maximale Burstlänge 14

15 Ankunftsrate (Pakete/s) Grundlegende QoS-Funktionen Tocken Bucket Meter nur Markierung Paketbehandlung ist Aufgabe von Shaping oder Policing! Tokenrate in profile out of profile in profile t 15

16 Wahrscheinlichkeit des Verwerfens von Paketen Grundlegende QoS-Funktionen Strategien zum Verwerfen von Paketen Random Early Detection (RED) zufälliges Verwerfen vor Maximalfüllung der Queue für bessere Congestion Avoidance 1 min max 0 0 % 100 % Queue-Belegung 16

17 Wahrscheinlichkeit des Verwerfens von Paketen Grundlegende QoS-Funktionen Strategien zum Verwerfen von Paketen Weighted Random Early Detection min2 min1 max2 max1 1 Pakete niedrigerer Prioritär 0 0 % 100 % Queue-Belegung 17

18 QoS in IP-Netzen Type of Service (TOS) Feld im IP-Header Verschiedene Interpretationen im Laufe der Zeit Type of Service (RFC 791) DSCP (RFC 2474) DSCP + ECN (RFC 3168) Beispiel TOS nach RFC 791: Vorrang D T R 0 0 Vorrang: Priorität/Bevorzugung des betreffenden Pakets als abstrakte Klasse (bspw. 000 Routine, 010 Immediate) D, T, R: Paket mit bevorzugt geringem Delay, hoher Datenraten und/oder hoher Zuverlässigkeit übertragen 18

19 Komplexere QoS-Konzepte Integrated Services (IntServ, RFC 1633 u.a.) Ende-zu-Ende Reservierungen typisch: 1 Flow 1 Reservierung gute Isolation einzelner Flows gegeneinander schlechte Skalierbarkeit Differentiated Services (DiffServ, RFC 2475 u.a.) Markierung einzelner Pakete mit lokal (d.h. in einer DiffServ-Domain) gültigen Klassen Ende-zu-Ende-QoS als Resultat aus Folge von Per-Hop- Behaviours (Realisierung pro Domain ggf. unterschiedlich) Reservierung/Verteilung der Spezifikationen undefiniert 19

20 Komplexere QoS-Konzepte Gemeinsamkeiten Netzwerkarchitektur Edge-Router Core-Router Links 20

21 Komplexere QoS-Konzepte Gemeinsamkeiten Edge Router Netzübergänge Klassifizierung, Policing, Markierung von einfließendem Traffic ggf. Ablehnung eintreffender Requests (Admission Control) Core Router leiten Pakete innerhalb des Netzes weiter Differenzierung von Traffic nur zur Behandlung auftretender Stausituationen typischerweise höhere Belastung als Edge Router 21

22 Integrated Services (IntServ) 2(,5) Dienst-/Applikationsklassen: Controlled Load: emuliert ein wenig belastetes Netz Guaranteed: harte QoS-Garantien (Best Effort): keine Garantien, reines IP Realisierung durch explizite Reservierung (Pfadaufbau) QoS-Behandlung des Traffics eines Pfades in jedem Router nur Edge-Router nur abstraktes Modell, Umsetzungsbeispiele: RSVP NSIS 22

23 IntServ RSVP Resource reservation Protocol unidirektional sendergetrieben, empfängerreserviert Sender Router Empfänger Path-Nachricht trägt eigene Adresse in Pfadliste ein Path-Nachricht RESV-Nachricht RESV-Nachricht reserviert notwendige Ressourcen lehnt ggf. ab 23

24 IntServ RSVP Path-Message von Sender in Richtung Empfänger Router entlang des Pfades protokollieren sich Inhalt Sender Template: Beschreibung des Traffics (Quelle, Ziel, etc.) des zu reservierenden Flows Sender TSPEC: Charakteristika der Reservierung (Datenrate etc.) (optional) Adspec: unterwegs anzupassende Datenstruktur zur Vorhersage des erreichbaren QoS ( was ist gerade möglich ) 24

25 IntServ RSVP RESV-Message vom Empfänger zum Sender nimmt gleichen Weg, wie Path-Msg. Inhalt: Filter Spec: beschreibt Parameter zur Traffic-Klassifizierung (Quelle, Ziel, etc.) aus Sender Template erstellt Flowspec: Beschreibung der QoS-Parameter auf Basis der Sender TSPEC 25

26 IntServ RSVP Multicast RSVP unterstützt Multicast-Reservierungen Empfänger abonnieren Multicastgruppe Pfaddetektion durch periodische Path-Nachrichten in der Gruppe Reservierung durch Empfänger kein Zustand am Sender für jeden Empfänger Soft State Zustände im Netz müssen periodisch erneuert werden löst unnötig reservierte Ressourcen bei Pfadwechsel Wegfall des Empfängers 26

27 IntServ Next Steps In Signaling (NSIS) Weiterentwicklung von RSVP u.a. zu allgemeiner Signalisierungsinfrastruktur Trennung: Signalisierungstransport (Weiterleitung von Nachrichten) Signalisierungsanwendung (Interpretation der Nachrichten, bspw. QoS) Formulierung von IntServ Controlled Load und Guaranteed Service für NSIS (als Drafts) Infrastruktur als Overlay-Netz zwischen Netzknoten viele Signalisierungen zwischen Nachbarn über eine Verbindung 27

28 IntServ Zusammenfassung Vorteile bestmögliches QoS durch vorherige Reservierung und Garantien je Flow Nachteile Verlagerung des Zustandes ins Netz Verletzung der grundlegenden IP-Designziele Skalierbarkeit: Core Router sind an Reservierung beteiligt ggf. Zustandsexplosion Signalisierungsoverhead durch Soft State keine faire Ressourcenverteilung bei mehreren Anforderungen (wer zuerst kommt...) durch geeignete Prioritätsmodelle anpassbar 28

29 Differentiated Services (DiffServ) Löst Skalierbarkeitsprobleme bei IntServ komplexe Entscheidungen wieder in Richtung Netzgrenze verlagern Core Router weniger belastet keine festen Reservierungen, E2E-QoS aus einzelnen Schritten in Core Routern gebildet Begriffe DS Ingress Node DS Interior Node DS Egress Node 29

30 DiffServ Klassifizierung von Traffic Core Router kennen nur begrenzte Menge an Verhaltensweisen (Per-Hop-Behaviors, PHBs) komplexe Dienstlandschaft muss am Ingress Router auf PHBs abgebildet werden 2 Klassifizierer Behavior Aggregate: Klassifikation anhand DSCP-Feld (im IP-TOS-Feld gespeichert) Multi-Field: Klassifikation aufgrund verschiedener Parameter (Quelle, Ziel, Protokoll etc.) Innerhalb einer Domain: 1 DSCP = viele Datenströme (Microflows) DSCP = DiffServ Code Point 30

31 DiffServ Traffic Conditioning Grundlegendes Mittel zur Umsetzung eines PHB PHB kann mit Gesamtreservierung verbunden sein (bspw. insgesamt 20 MBit/s für PHB 3 ) Trafficprofil Verteilung der Profile bspw. durch Resource Management in DiffServ (RFC 5977) möglich Profile Meter Classifier Marker Shaper/ Dropper Router Traffic Conditioner 31

32 DiffServ Per-Hop-Behavior (PHB) Beschreibung des extern sichtbaren Verhaltens eines DS-Knotens für ein bestimmtes Behavior Aggregate (BA) Resourcen (Datenrate, Puffergrößen, ) Priorität im Verhältnis zu anderen PHBs Charakteristika des Datenflusses (Latenz, Verlust, ) Edge-to-Edge-Service als Abfolge von PHBs n DSCP 1 PHB möglich 2 standardisierte PHB (weitere möglich): Expedited Forwarding (EF, Fokus: geringe Latenz) Assured Forwarding (AF, Fokus: Priorisierung) 32

33 DiffServ Expedited Forwarding (EF) Anforderung: Router verarbeitet EF-Pakete mindestens mit der maximalen EF-Paketrate Baustein für geringe Latenz, Verlust, Jitter im Edge-to- Edge-Dienst Beschränkung der EF-Rate am Ingress Router EF-Bearbeitungsrate auf jedem Router >= erwartete EF- Ankunftsrate Isolation von EF-Traffic gegen andere Ströme EF-DSCP Queue Queue Bearbeitungsrate >= EF-Ankunftsrate Queue Ausgang andere DSCP Queue 33

34 DiffServ Assured Forwarding (AF) Gruppe von PHBs für Edge-to-Edge-Dienste mit Priorisierung Queue Zuweisung zur Queue Queue Queue Queue Ausgang DSCP N N N M M 0 RED pro Queue Konfiguration der Wahrscheinlichkeitskurve Parameter der Queues (Wahrscheinlichkeiten, Queuegröße, Schedulingparameter) extern gesetzt Aufbau von Edge-to-Edge Diensten 34

35 DiffServ Ende-zu-Ende-QoS Ende-zu-Ende-QoS aus Edge-to-Edge aufgebaut Netzübergänge durch Service Level Agreements (SLA) geregelt ggf. Mapping der DSCPs am Egress/Ingress- Router BB SLA1 BB SLA2 BB BB Bandwidth Broker vereinbaren SLAs mit enthaltenen Dienstparametern bilaterale Abstimmung 35

36 DiffServ Zusammenfassung viele verschiedene Dienste auf wenige Klassen abgebildet problemlose Erweiterung der Dienstlandschaft (Einführung neuer DSCPs nur lokal) Entkopplung Applikation Dienst kein Zustand pro Datenstrom im Kernnetz skalierbar! Zusammenarbeit mit normalen IP-Netzen (QoS endet an Netzgrenze, kein Einfluss auf angrenzende Netze) Nachteil: keine Isolation einzelner Ströme 36

37 Kombination DiffServ IntServ IntServ zum Nutzer, DiffServ im Kernnetz Ingress Router terminiert IntServ weiß anhand SLA, ob DiffServ-Netz die notwendigen Parameter ermöglichen kann Weitersignalisierung im DiffServ-Netz ggf. via RMD Vorteil: Skalierbarkeit im Kernnetz, Reservierung zum Nutzer 37

38 QoS im Funknetz Herausforderungen Funklink typischerweise limitierender Faktor Fading veränderliche Kapazitäten Probleme mit Garantien Verwendung IntServ: kleine Menge an Verbindungen, bspw. Sprachkanäle einer Basisstation bei UMTS DiffServ: große Menge an Verbindungen, Resourcen relativ günstig Priorisierung Kernnetz Overprovisioning: Voraussetzung: Resourcen nahezu unbegrenzt (im Verhältnis zu Anforderungen) typischerweise nicht im Funknetz 38

39 QoS im Funknetz - KASYMOSA Integration einzelner Schichten Beispiel: L3-Reservierungen treiben Layer-2- Ressourcenverteilung (KASYMOSA) einzelne Ströme als Reservierungen via IntServ Quelle, Ziel, Port, Datenrate, Traffic-Art Reservierung passender Pfade zu Zielterminal auf L2 Quellterminal, Zielterminal, Datenrate, ggf. Einfluss durch Latenz u. Dienstklasse Abbildung vieler IntServ-Reservierungen auf eine L2- Reservierung vgl. IntServ + DiffServ mit RMD Benachrichtigung L2 L3 bei Linkveränderung Ende-zu-Ende-Information an Applikation, Aussetzen des Pfades 39

40 Kontakt Technische Universität Ilmenau Dipl.-Inf. Markus Brückner fon: +49 (0) fax: +49 (0) Besucheradresse: Technische Universität Ilmenau Helmholtzplatz 5 Zusebau, Raum 1034 D Ilmenau 40