elekommunikationsdienste und -protokolle 7. Quality of Service im Internet Dienstqualität Quality of Service (QoS) Quality of Service is the collective effect of service performance, which determine the degree of satisfaction of a user of the service IU- Recommendation E.800 Von der Zufriedenheit des Benutzers hängt die Güte des Dienstes (QoS) ab jedoch fehlt die technische Überprüfbarkeit Notwendig: Dienstgüteparameter: beschreiben qualitative Eigenschaften eines Dienstes Dienstklassen: beschreiben den Grad der Garantien Dienstverträge: legen die zu garantierenden QoS-Parameter, deren Werte und den Grad der Einhaltung (Dienstklasse) fest. Dienstgütemechanismen: Maßnahmen zur Einhaltung von Dienstverträgen Management der Dienste: Verwaltung und Reservierung von Ressourcen KDP - 7. Quality of Service im Internet 188 Dienstgüteparameter (QoS-Parameter) Leistungsorientierte Dienstgüteparameter Verzögerung: Ende-zu-Ende-Verzögerung (Delay) Schwankung der Ende-zu-Ende-Verzögerung (Delay-Jitter) Durchsatz: min./mittl./max. Durchsatz (in [bit/s] oder [Pakete/s]) max. Burst (Länge, Dauer) Zuverlässigkeitsorientierte Dienstgüteparameter Medienabhängige Fehlerraten: z.b.: Bitfehlerrate des Übertragungsmediums Ressourcenabhängige Fehlerraten: z.b.: Paketverlustraten in den Warteschlangen der Zwischensysteme Funktionale Dienstgüteparameter: Sicherheit Gruppenkommunikation (Multicast) Ressourcen Ressourcen Netzwerkressourcen Übertragungskapazität (Bandbreite, Kanäle) Übertragungszeit (Zwischen- bzw. End-) Systemressourcen Pufferspeicher Rechenzeit Reservierung von Ressourcen: durch Ressourcenmanagement Verwaltung von Ressourcen Belegung, Überwachung, Freigabe,... Verteilung der Reservierungsnachrichten durch Reservierungsprotokolle KDP - 7. Quality of Service im Internet 189 KDP - 7. Quality of Service im Internet 190
Dienstklassen (QoS-Klassen) Deterministische Klasse vorgegebene Schranken der QoS-Parameter werden exakt eingehalten Ressourcen stehen einem Nutzer exklusiv zur Verfügung keine Konflikte möglich, aber Besetztfall (keine Ressourcen mehr übrig) Statistische Klasse vorgegebene Schranken müssen mit einer gewissen Wahrscheinlichkeit eingehalten werden z.b.: die Ende-zu-Ende-Verzögerung muss für 95% der Pakete unter 100ms liegen. Ressourcen werden bis zu einem gewissen Grad überbelegt Konflikte möglich (je höher die Wahrscheinlichkeit der Garantie, desto geringer sind Ressourcenkonflikte) Bestmögliche Klasse es werden keinerlei Garantien für Dienstgüteparameter gemacht keinerlei Ressourcenreservierung Konflikte sind vorprogrammiert KDP - 7. Quality of Service im Internet 191 Dienstgüte Anforderung Angabe der Dienstgüte: Quantitativ, d.h. nachprüfbar durch Messung Angabe eines Mittelwerts Angabe eines oleranzintervalls Qualitativ, d.h. relativ, eventuell nachweisbar durch Vergleich, beeinflusst durch subjektive, menschliche Wahrnehmung KDP - 7. Quality of Service im Internet 192 Dienstgüte im Internet Internet wird zunehmen eil der Unternehmensinfrastruktur Virtuelle Private Netze (VPN) Allgemein verfügbare Kundenschnittstelle (z.b. Home-Banking) Multimediales Internet (MP3, Voice over IP, Spiele,...) Aber: Fehlende Unterstützung für Anwendungsanforderungen (Durchsatzgarantie, Echtzeitanforderung, begrenzte Verzögerungsschwankung, etc.) Ressourcenmangel im Internet Erfolg der Paketweiterleitung abhängig von der aktuellen Netzlast Einfache Maßnahmen für Dienstgüte Unendliche Übertragungskapazität Durch Verwendung spezieller Übertragungstechniken (beispielsweise WDMA) kann die verfügbare Kapazität beliebig (?) gesteigert werden Problem: Stauung an Netzübergängen mit unterschiedlichen Kapazitäten, dadurch keine Voraussage bezüglich Verzögerung und Jitter Einfache Prioritäten ausreichend Berücksichtigung unterschiedlicher Anforderungen durch unterschiedliche Priorisierung Problem: keine Ressourcenreservierung, also keine Garantie! Adaptive Applikationen Anpassung an die aktuellen Gegebenheiten im Netz Mehr Intelligenz in den Anwendungen Problem: Mindestmaß an Dienstgüte muss garantiert werden KDP - 7. Quality of Service im Internet 193 KDP - 7. Quality of Service im Internet 194
raditionelle Anwendungen Kein hartes Zeitlimit für die Auslieferung der Daten Daten werden durch lange Verzögerungszeiten nicht unbrauchbar Anwendungen können mit heutigem Internet gut auskommen Andere Bezeichnung: elastische Anwendungen Verzögerungsanforderungen unterschiedlicher elastischer Anwendungen können beliebig stark variieren Interaktiv (z.b. telnet) wenig tolerant gegenüber Verzögerungen Interaktiv mit Bursts (z.b. ftp) tolerant gegenüber Verzögerungen in der Dateiübertragungsphase Asynchron (z.b. E-Mail) sehr tolerant gegenüber Verzögerungen Realzeit-Anwendungen Harte zeitliche Anforderungen an die Auslieferung der Daten Audio- und Videoströme Fabrikautomatisierung Audio-/Videoanwendungen Nutzung redundanter Information bezüglich Datenverluste Zu spät eintreffende Daten werden wie verlorengegangene behandelt Erhöhung dieser Redundanz durch spezielle Codierung und Fehlerbehandlung Adaptivitätsmöglichkeiten: Verzögerungsadaptivität Ratenadaptivität KDP - 7. Quality of Service im Internet 195 KDP - 7. Quality of Service im Internet 196 Aktivitäten bei der Bereitstellung von Dienstgüte Dienstgütespezifikation und -abbildung Dienstvertrag (Service Level Agreement) standardisierten QoS-Parameter Unterschiedliche QoS-Parameter in verschiedenen ISO/OSI- Schichten Dienstgüteaushandlung, Zugangskontrolle und Ressourcenreservierung Unterschiedliche Beteiligte Dienstgüteüberwachung, -aufrechterhaltung und -richtlinien Policies Notfalls Benachrichtigung der Kommunikationspartner, wenn QoS nicht mehr aufrecht erhalten werden kann Dienstgüteneuaushandlung und -adaption Bereitstellung von Dienstgüte Zugangskontrolle Signalisierung Klassifizierer Verkehrsmeter Verkehrsformer Ressourcenverwaltung Reservierungsprotokolle Datenpakete Wegewahl Benutzerkonten Preismodell Abrechnung Warteschlangen & Bedienstrategien KDP - 7. Quality of Service im Internet 197 KDP - 7. Quality of Service im Internet 198
Dienstvertrag Gewünschte Dienstgüte muss spezifiziert werden: qualitative oder quantitative Aussagen durch den Dienstbenutzer Gleichzeitig Charakterisierung des Verkehrs durch den Dienstbenutzer Überprüfung der geforderten Güte durch den Diensterbringer Angebot einer Dienstgüte unter Berücksichtigung der geäußerten Wünsche und der momentanen Auslastung: Verkehrsvertrag Einhaltung der so ausgehandelten Dienstgüte strikt bei deterministischen Klassen mit eventuellen kurzzeitigen Verletzungen bei statistischen Klassen Neudeutsch Service Level Agreement Dienstanbieter muss Nachweis über seine Zugeständnisse führen! Verkehrsmeter Verkehrsmeter begutachten Datenströme Überprüfung der Konformität mit dem Verkehrsvertrag, keine aktive Beeinflussung des Datenverkehrs Eingabe: Verkehrsprofil (Datenstrom, Dienstgüteparameter, Dienstklasse) Ausgabe: Konformitätsaussage Binär Mehrere Konformitätsklassen Beispiele oken Bucket (überprüft Senderate und Burst) Leaky Bucket (zusätzlich noch Verkehrsformung) KDP - 7. Quality of Service im Internet 199 KDP - 7. Quality of Service im Internet 200 Verkehrsmeter: Beispiel oken Bucket Verkehrsformer Eimer mit maximaler Füllung B oken okenankunftsrate R Überwachung der Einhaltung einer Rate R (byte/s) mit einer oleranz (Burst) B Pakete sind konform, wenn bei Paketankunft noch genügend oken im Eimer vorhanden sind (1 byte = 1 oken) Sind zu wenige oken da, werden Pakete als nicht konform markiert (keine Pufferung, bis genügend oken vorhanden sind!) oken Bucket konform Verkehrsformer beeinflussen aktiv die Charakteristik des Verkehrs: Ziel: Wiederherstellung von Konformität bzw. eines bestimmten Verkehrsmusters Beispiele: Verkehrsglätter Verwerfer Degradierer Verwerfer nichtkonform Verkehrsglätter Degradierer (ordnet dem Datenstrom eine niedrigere Dienstkategorie zu) KDP - 7. Quality of Service im Internet 201 KDP - 7. Quality of Service im Internet 202
Verkehrsformer: Beispiel Leaky Bucket Eimer mit maximaler Füllung B byte Pakete werden in den Eimer gefüllt und tröpfeln mit der Rate R aus dem Eimer heraus (rinnender Eimer) Neben Überwachung der Einhaltung einer maximalen Rate R und einer oleranz (Burst) B zusätzlich Glättung des Ausgangsstromes auf die Rate R: Ein Paket der Länge L byte wird gesendet, wenn L byte aus dem Eimer getropft sind Hat ein neu ankommendes Paket kein Platz mehr im Eimer, wird es verworfen Pakete werden somit so lange verzögert, bis das Senden konform zur Rate ist Leaky Bucket Klassifikationselemente Klassifzierer identifizieren Datenströme aus der Menge aller Pakete: Zuordnung Paket Verkehrsprofil Arten von Klassifizierern: Klassifizierer für aggregiertes Verhalten (Aggregate Classifier) Viele Datenströme erfahren das gleiche Verhalten Sehr einfache und schnelle Klassifikation Ansatz: Differentiated Services über Codepoint im Paket Klassifizierer für mehrere Paketkopffelder (Multi-Field Classifier) Kombination eines oder mehrerer Paketkopffelder wie IP- Adressen, IP-Protokollfeld, Port-Nummern,... Sehr komplizierte und aufwändige Klassifikation Klassifikationsinformationen stehen in Datenbasis Verkehrsprofile Reservierungsdaten KDP - 7. Quality of Service im Internet 203 KDP - 7. Quality of Service im Internet 204 Warteschlangen und Bedienstrategien Warteschlangen speichern Pakete Wie sie ankommen (First In First Out) Nach Priorität (verschiedene Warteschlangen) Nach Dringlichkeit (Earliest Deadline First) Bedienstrategien bestimmen die nächste Warteschlange Reihenfolgefestlegung der exklusiven Ressourcennutzung (Bandbreite, Speicher) in Abhängigkeit von einem Scheduling- Algorithmus Beispiele: Round Robin Simple Priority Queueing Weighted Fair Queueing Scheduler Scheduling-Algorithmen Einfache Implementierung Für alle Dienstklassen Problem: In schnellen Netzen nur sehr wenig Zeit für die Bearbeitung einzelner Dateneinheiten (bei 1Gb/s AM müssen ca. 2.358.490 Pakete/s bearbeitet werden) Speicheranforderungen zur Zustandshaltung sollten möglichst gering und die Zugriffsgeschwindigkeit auf den aktuellen Zustand möglichst effizient sein. Anforderungen bei best-effort Diensten: Fairness: Ressourcen werden gemäß steigenden Anforderungen gleichmäßig verteilt, wobei nur so viele Ressourcen wie benötigt verteilt werden. Absicherung: Verbindungen, die ein höheres Datenaufkommen haben, dürfen andere (faire) Verbindungen nicht beeinträchtigen. KDP - 7. Quality of Service im Internet 205 KDP - 7. Quality of Service im Internet 206
Aggregierung von Datenströmen Mehrere Datenströme werden aggregiert betrachtet hinsichtlich der Bedienreihenfolge Vorteil: Zustandshaltung reduziert sich Wichtiges Argument in großen Netzen Vorgehensweise Einteilung der Datenströme in Klassen Aggregierte Betrachtung der Klassen Problem Datenströme innerhalb einer Klasse sind nicht voneinander abgesichert Fairness und Absicherung dann nur noch zwischen den Klassen gegeben und nicht mehr innerhalb einer Klasse festen Garantien mehr für einzelne Ströme innerhalb einer Klasse realisierbar KDP - 7. Quality of Service im Internet 207 Ressourcenverwaltung Probleme: Bereitstehende Ressourcen sind beschränkt: Übertragungskapazität Pufferkapazität Rechenzeit Anwendungen konkurrieren um gemeinsam zu benutzende Ressourcen Aufgaben: Regelung von Ressourcenzugang und -nutzung Ansätze: Reservierung on demand Langzeit-Reservierung Vor-Reservierung KDP - 7. Quality of Service im Internet 208 Dienstgüteaushandlung bei Multicast Zusätzliche Problematik durch Konflikte bei der Dienstgüteaushandlung für mehrere Empfänger: Sender (min 1Mb/s; max 50Mb/s) [20;40] [5;10] [1;50] Empfänger 1 (min 20Mb/s; max 40Mb/s) Konfliktauflösung beim Sender: Empfänger 2 Abweisung des Verbindungsaufbauwunsches (min 5Mb/s; max 10Mb/s) Ablehnung eines einzelnen Empfängers Aufbau der Multicast-Verbindung mit unterschiedlicher Dienstgüte Filterung des Datenstroms Hierarchische Codierung der Daten KDP - 7. Quality of Service im Internet 209 Dienstgütearchitekturen im Internet Einführung von Dienstgütemechanismen schwierig und teuer: Änderung der Router im Internet teuer Reservierung von Netzwerkressourcen aufwändig Abrechnung der genutzten Dienste unklar Skalierbarkeit unklar Anforderungen seitens der Anwendungen und der Anwender werden aber immer relevanter Bislang mehrere Ansätze: IP ype of Service Stream ransport Protocol Version 2: S2 Integrated Services Differentiated Services KDP - 7. Quality of Service im Internet 210
Dienstgüte in IP version 4 IP-Basiskommunikationsdienst (Wiederholung): Verbindungslos und unzuverlässig Abschnittsweise Weiterleitung, speichervermittelt Best Effort -Diensterbringung Entwurfsprinzipien Zustandsinformationen in den Zwischensystemen Datenstrom-spezifische Informationen in den End-Systemen (Fate Sharing) Einfaches und schnelles Netz mit intelligenten Endsystemen Dienstgüte nur im ype-of-service -Feld beschrieben Vorrang Verzö- Durch- Zuvergerunsatlässigk. 0 0 0 1 2 3 4 5 6 7 bit Auf dieser Basis können keine Garantien gegeben werden! Integrated Services Architecture Architektur für integrierte Dienste (Mitte der 90er Jahre) Unterstützung multimedialer Anwendungen Abkehr vom zustandslosen Router Zustand je Datenstrom in jedem Router Besondere Behandlung der Pakete wie in Verkehrsprofil abgelegt Erhalten der Robustheit durch Soft State -Reservierung Ergänzung der bestehenden Internet-Architektur Integration gruppenkommunikationsbasierter Anwendungen KDP - 7. Quality of Service im Internet 211 KDP - 7. Quality of Service im Internet 212 Das Signalisierungsprotokoll RSVP RSVP Ablauf Ziel: Signalisierung von Reservierungsanforderungen in IPbasierten Netzen Datentransfer weiterhin über IP Konzept: Empfängerbasierte Signalisierung von Reservierungsanforderungen für unidirektionalen Datenfluss Unterstützung heterogener Dienstqualität bei Multicast Soft States: Periodische Erneuerung der Zustandsdaten durch Endsysteme Empfänger erhält keine Quittung für die Reservierung Kein expliziter Abbau der Reservierung erforderlich, da Zeitgeber zugeordnet sind, nach deren Ablauf die jeweilige Reservierung gelöscht wird PAH RESV RESV = Reservation RESV PAH RESV PAH RSVP- Router RSVP- Router RESV PAH KDP - 7. Quality of Service im Internet 213 KDP - 7. Quality of Service im Internet 214
Probleme der Integrated Services Architecture Skalierbarkeit Jeder Router verwaltet Zustandsinformation (Qualitätsparameter, Sender- und Empfängeradressen) pro Datenstrom Leistung des Routers sinkt bei großer Anzahl von Reservierungen Paketweiterleitung wird durch die Klassifizierung jedes einzelnen Pakets komplexer Frei wählbare Qualitätsparameter Router muss eine sich dynamisch ändernde Anzahl von Dienstgüten unterstützen Paket-Scheduling ist daher komplex und nicht so leistungsstark Differentiated Services 1997 erste Vorschläge, um skalierbare Dienstgüte im Internet bereitzustellen (D. Clark, V. Jacobson) Vorläuferdokument A wo-bit Architecture (RFC 2638) Anfang 1998 Arbeitsgruppe Differentiated Services in der IEF Ziele: Qualitativ bessere, anwendungsunabhängige Dienste mittels einfacher, skalierbarer Mechanismen (Keep It Simple and Stupid) Reduktion der Komplexität im Netzinnern: weniger Zustände, weniger Funktionalität Kompatibilität zu existierenden Anwendungen und Endsystemen (schnelle Einführung) Vorgehensweise: Aggregation des Verkehrs im Netzinnern zu Dienstklassen Aggregierte Klassifikationszustände, einfache Paketklassifizierer Komplexere Funktionen (Klassifizierung, Markierung, Überprüfung) nur an Netzgrenzen KDP - 7. Quality of Service im Internet 215 KDP - 7. Quality of Service im Internet 216 Differentiated Services im Überblick Differentiated Services Dienste DS-Grenzknoten (Boundary Node) DS-Region DS-Domäne A Ausgangsknoten DS-Domäne B Dienstspezifikation Per-Domain Behavior (PDB) Ende-zu-Ende Dienste Spezifikation über SLA Kombination aus den PDBs Domänenweites Weiterleitungsverhalten Per-Hop Behavior (PHB) + verkehrsbeeinflussende Maßnahmen DS Innerer Knoten (Interior Node) Per-Hop Behavior (PHB) Abschnittweises Paketweiterleitungsverhalten Paketbearbeitung innerhalb eines Knotens Eingangsknoten PHB-Implementierung Bestimmte Warteschlangenmechanismen Sender Empfänger KDP - 7. Quality of Service im Internet 217 KDP - 7. Quality of Service im Internet 218
Vergleich Differentiated vs. Integrated Services Literatur QoS-Garantie Konfiguration yp der Garantie Dauer der Garantie Zustandshaltung Signalisierung Multicast- Unterstützung Best Effort IP-Multicast Integrated Services Pro Datenstrom Pro Sitzung Endezu-Ende Soft individuell Kurzlebig (Sitzungszeit) Pro Datenstrom RSVP Empfängerorientiert, heterogen Differentiated Services Aggregierte Datenströme Zwischen Domänen Aggregiert Langfristig Pro aggregierter Reservierung Noch nicht definiert IP-Multicast, sonst keine spezielle Unterstützung KDP - 7. Quality of Service im Internet 219 BRAUN,. (1999): IPnG Neue Internet-Dienste und virtuelle Netze: Protokolle, Programmierung und Internetworking. dpunkt-verlag, Heidelberg. IS 3-9209-9398-5. EFFELSBERG, W. (2001): Vorlesung Rechnernetze. http://www.informatik.uni-mannheim.de/informatik/pi4/. Sommersemester 2001. GROSSMANN, H.P. (2001): Vorlesung Kommunikationsnetze Historische Entwicklung des Internet. http://nomac.etechnik.uni-ulm.de/lomiweb/lehre/kommunikationsnetze/. Sommersemester 2001. ZIERBAR, M. (2001): Vorlesung Next Generation Internet. http://www.tm.uka.de/lehre/ss01/vorlesungen/v_ngi.html. Sommersemester 2001. KDP - 7. Quality of Service im Internet 220 RFCs (1) RFCs (2) BRADNER, S. ; MANK, A.: IP: Next Generation (IPng) White Paper Solicitation, Dezember 1993 (RFC1550). DEERG, S. ; HDEN, R.: Internet Protocol, Version 6 (IPv6) Specification, Dezember 1995 (RFC1883). CALLON, R. ; HASK, D.: Routing Aspects of IPv6 ransition, September 1997 (RFC2185). BRADEN, R. ; ZHANG, L. ; BERSON, S. ; HERZOG, S. ; JAM, S.: Resource ReSerVation Protocol (RSVP) Version 1 Functional Specification, September 1997 (RFC2205). WROCLAWSKI, J.: he Use of RSVP with IEF Integrated Services, September 1997 (RFC2210). LI,. ; REKHER, Y.: A Provider Architecture for Differentiated Services and raffic Engineering (PASE), Oktober 1998 (RFC2430). DEERG, S. ; HDEN, R.: Internet Protocol, Version 6 (IPv6) Specification, Dezember 1998 (RFC2460). NAREN,. ; NORDMARK, E. ; SIMPSON, W.: Neighbor Discovery for IP Version 6 (IPv6), Dezember 1998 (2461). HOMSON, S. ; NAREN,.: IPv6 Stateless Address Autoconfiguration, Dezember 1998 (RFC2462). CONA, A. ; DEERG, S. ; GUPA, M. (eds.): Internet Control Message Protocol (ICMPv6) for the Internet Protocol Version 6 (IPv6) Specification, März 2006 (RFC4443). NICHOLS, K. ; BLAKE, S. ; BAKER, F. ; BLACK, D.: Definition of the Differentiated Services Field (DS Field) in the IPv4 and IPv6 Headers, Dezember 1998 (RFC2474). NICHOLS, K. ; JACOBSON, V. ; ZHANG, L.: A wo-bit Differentiated Services Architecture for the Internet, Juli 1999 (RFC2638). NORDMARK, E. ; GILLIGAN, R. : Basic ransition Mechanisms for IPv6 Hosts and Routers, Oktober 2005 (RFC4213). BONAVENURE, O. ; CNODDER, S. D.: A Rate Adaptive Shaper for Differentiated Services, Oktober 2000 (RFC2963). NICHOLS, K. ; CARPENER, B.: Definition of Differentiated Services Per Domain Behaviors and Rules for their Specification, April 2001 (RFC3086). KDP - 7. Quality of Service im Internet 221 KDP - 7. Quality of Service im Internet 222