6. Kvalita služby (QoS) PB156: Počítačové sítě Eva Hladká Slidy připravil: Tomáš Rebok Fakulta informatiky Masarykovy univerzity jaro 2017 Eva Hladká (FI MU) 6. Kvalita služby jaro 2017 1 / 31 Struktura přednášky 1 Úvod 2 Plánování (Scheduling) FIFO (FCFS) Priority Queuing Weighted Fair Queuing 3 Formování/omezování toků (Traffic Shaping) Leaky Bucket Token Bucket 4 Prevence zahlcení (Congestion Avoidance) 5 Kvalita služby v Internetu Integrované služby (Intergrated Services) Rozlišované služby (Differentiated Services) 6 Rekapitulace Eva Hladká (FI MU) 6. Kvalita služby jaro 2017 2 / 31 Úvod Struktura přednášky 1 Úvod 2 Plánování (Scheduling) FIFO (FCFS) Priority Queuing Weighted Fair Queuing 3 Formování/omezování toků (Traffic Shaping) Leaky Bucket Token Bucket 4 Prevence zahlcení (Congestion Avoidance) 5 Kvalita služby v Internetu Integrované služby (Intergrated Services) Rozlišované služby (Differentiated Services) 6 Rekapitulace Eva Hladká (FI MU) 6. Kvalita služby jaro 2017 3 / 31 Úvod Úvod I. všechny síťové toky jsou v TCP/IP sítích obhospodařovány ekvivalentně žádný není upřednostňován na libovolném z nich může dojít ke ztrátám paketů, zpoždění, duplikaci, přeskládání, snížení přenosové rychlosti, atp. best-effort service jsou případy, kdy je nezbytné některé toky upřednostnit (prioritizovat) před jinými, resp. poskytnout jim definovanou kvalitu služby (Quality of Service, QoS) omezit maximální možnou ztrátovost, zpoždění, . . . , garantovat požadovanou přenosovou rychlost, atp. nezbytné zejména pro přenosy reálného času (tzv. real-time přenosy) multimediální přenosy, haptická interakce – např. lékařství (operace na dálku), IPTV kritická řídící data – např. obsluha jaderného reaktoru atp. Eva Hladká (FI MU) 6. Kvalita služby jaro 2017 4 / 31 Úvod Úvod II. základní parametry síťových toků: spolehlivost (reliability) – požadavek plné spolehlivosti vs. tolerance definované ztrátovosti zpoždění (latency, delay) rozptyl zpoždění (jitter) přenosová kapacita (bandwidth) mechanismy zajištění kvality služby: plánování (Scheduling) formování/omezování toků (Traffic Shaping) prevence zahlcení (Congestion Avoidance) nutno zajistit na více vrstvách (L4, L3, L2) Eva Hladká (FI MU) 6. Kvalita služby jaro 2017 5 / 31 Plánování (Scheduling) Struktura přednášky 1 Úvod 2 Plánování (Scheduling) FIFO (FCFS) Priority Queuing Weighted Fair Queuing 3 Formování/omezování toků (Traffic Shaping) Leaky Bucket Token Bucket 4 Prevence zahlcení (Congestion Avoidance) 5 Kvalita služby v Internetu Integrované služby (Intergrated Services) Rozlišované služby (Differentiated Services) 6 Rekapitulace Eva Hladká (FI MU) 6. Kvalita služby jaro 2017 6 / 31 Plánování (Scheduling) Plánování (Scheduling) souvisí s obsluhou vstupních/výstupních front na odesílateli, příjemci a vnitřních síťových prvcích struktura front a způsob manipulace s nimi zásadně ovlivňuje možnosti garance zpoždění přenosu nezbytné kombinovat s dalšími přístupy (Congestion Avoidance, Traffic Shaping) základní přístupy k obsluze front: FIFO (FCFS) Priority Queuing Weighted Fair Queuing Eva Hladká (FI MU) 6. Kvalita služby jaro 2017 7 / 31 Plánování (Scheduling) FIFO (FCFS) Plánování (Scheduling) – FIFO (FCFS) FIFO = First In First Out FCFS = First Come First Serve „kdo dříve přijde, je dříve obsloužen nejjednodušší uspořádání využívá pouze jednu frontu pro obsluhu procházejících paketů nevýhody: žádná podpora priority agresivní proudy zvýhodněny Eva Hladká (FI MU) 6. Kvalita služby jaro 2017 8 / 31 Plánování (Scheduling) FIFO (FCFS) Plánování (Scheduling) – FIFO (FCFS) Ilustrace Eva Hladká (FI MU) 6. Kvalita služby jaro 2017 9 / 31 Plánování (Scheduling) Priority Queuing Plánování (Scheduling) – Priority Queuing příchozí pakety jsou zařazeny do prioritních tříd každá prioritní třída má svou FIFO frontu pakety ve třídě s vyšší prioritou jsou obsluhovány dříve pakety nižší třídy se neodesílají dokud nejsou odeslány všechny pakety vyšších tříd výhoda: síťové toky s vyšší prioritou mají garantovánu přednostní obsluhu (nižší zpoždění generované jejich obsluhou) nevýhoda: pokud existuje kontinuální tok vyšší priority, pakety nižší priority nebudou nikdy odbaveny = vyhladovění (starvation) Eva Hladká (FI MU) 6. Kvalita služby jaro 2017 10 / 31 Plánování (Scheduling) Priority Queuing Plánování (Scheduling) – Priority Queuing Ilustrace Eva Hladká (FI MU) 6. Kvalita služby jaro 2017 11 / 31 Plánování (Scheduling) Weighted Fair Queuing Plánování (Scheduling) – Weighted Fair Queuing pakety opět přiřazovány do prioritních front frontám přiřazeny váhy pakety opět přiřazovány do prioritních front vyšší váha = vyšší priorita fronty obsluhovány střídavě dle přiřazené váhy střídavě = tzv. Round Robin mechanismus čím vyšší váha, tím více paketů je z fronty odebráno (a zpracováno) výhoda: řeší problém vyhladovění předchozího mechanismu Eva Hladká (FI MU) 6. Kvalita služby jaro 2017 12 / 31 Plánování (Scheduling) Weighted Fair Queuing Plánování (Scheduling) – Weighted Fair Queuing Ilustrace Eva Hladká (FI MU) 6. Kvalita služby jaro 2017 13 / 31 Formování/omezování toků (Traffic Shaping) Struktura přednášky 1 Úvod 2 Plánování (Scheduling) FIFO (FCFS) Priority Queuing Weighted Fair Queuing 3 Formování/omezování toků (Traffic Shaping) Leaky Bucket Token Bucket 4 Prevence zahlcení (Congestion Avoidance) 5 Kvalita služby v Internetu Integrované služby (Intergrated Services) Rozlišované služby (Differentiated Services) 6 Rekapitulace Eva Hladká (FI MU) 6. Kvalita služby jaro 2017 14 / 31 Formování/omezování toků (Traffic Shaping) Formování/omezování toků (Traffic Shaping) mechanismus pro řízení množství a rychlosti odesílaných paketů řízená kritéria: průměrná rychlost odesílaných paketů (average rate) – počet paketů, které lze zpracovat za určitý časový interval (dlouhodobé chování) špičková rychlost odesílaných paketů (peak rate) – maximální počet paketů, které lze do sítě zaslat za krátký časový interval (krátkodobé chování) maximální počet paketů, které lze do sítě odeslat najednou (burst size) – maximální počet paketů, které lze do sítě zaslat za extrémně krátký časový interval (≈ najednou) navrženy dva mechanismy: Leaky Bucket – vyhlazování přenosu (ovlivňuje average rate) Token Bucket – umožnění krátkodobých špiček (ovlivňuje peak rate a burst size) Eva Hladká (FI MU) 6. Kvalita služby jaro 2017 15 / 31 Formování/omezování toků (Traffic Shaping) Leaky Bucket Traffic Shaping – Leaky Bucket obdoba „děravého kyblíčku nezávisle na doplňování tekutiny do kyblíčku, voda dírkou vytéká vždy konstantní rychlostí využito pro vyhlazování toku nepravidelný tok je průměrován pokud je kyblíček plný, nově příchozí pakety jsou zahozeny Eva Hladká (FI MU) 6. Kvalita služby jaro 2017 16 / 31 Formování/omezování toků (Traffic Shaping) Leaky Bucket Traffic Shaping – Leaky Bucket Přiřazování tokenů odcházejícím paketům Eva Hladká (FI MU) 6. Kvalita služby jaro 2017 17 / 31 Formování/omezování toků (Traffic Shaping) Token Bucket Traffic Shaping – Token Bucket Leaky Bucket je velmi restriktivní – penalizuje nečinné uzly nedovoluje nashromáždit uzlu tokeny v okamžiku nečinnosti (a použít je pro budoucí špičkový přenos) Token Bucket umožňuje shromažďování tokenů v okamžiku nečinnosti uzlu za každou přenesenou datovou buňku (např. 1 B, 100 B, atp.) je z kyblíčku odebrán token velikost kyblíčku ovlivňuje velikost krátkodobých špiček možná kombinace obou přístupů umožnění vstupních špiček spolu s vyhlazováním toku Otázka: V jakém pořadí (Token Bucket vs. Leaky Bucket)? Eva Hladká (FI MU) 6. Kvalita služby jaro 2017 18 / 31 Formování/omezování toků (Traffic Shaping) Token Bucket Traffic Shaping – Token Bucket Ilustrace Eva Hladká (FI MU) 6. Kvalita služby jaro 2017 19 / 31 Formování/omezování toků (Traffic Shaping) Token Bucket Traffic Shaping – Token Bucket Přiřazování tokenů odcházejícím paketům Eva Hladká (FI MU) 6. Kvalita služby jaro 2017 20 / 31 Prevence zahlcení (Congestion Avoidance) Struktura přednášky 1 Úvod 2 Plánování (Scheduling) FIFO (FCFS) Priority Queuing Weighted Fair Queuing 3 Formování/omezování toků (Traffic Shaping) Leaky Bucket Token Bucket 4 Prevence zahlcení (Congestion Avoidance) 5 Kvalita služby v Internetu Integrované služby (Intergrated Services) Rozlišované služby (Differentiated Services) 6 Rekapitulace Eva Hladká (FI MU) 6. Kvalita služby jaro 2017 21 / 31 Prevence zahlcení (Congestion Avoidance) Prevence zahlcení (Congestion Avoidance) standardní chování front: fronta se plní, žádné pakety nejsou zahazovány jakmile je fronta plná, nově příchozí pakety jsou zahozeny nevýhody: nemožnost pružné reakce na blížící se zaplnění fronty (odesílatel se o tomto stavu s předstihem nedozví) může dojít k synchronizaci zahlcení mezi více směrovači a vytváření vln, kdy dojde k zahlcení a kdy naopak nejsou cesty využity (důsledek chování TCP protokolu) Random Early Detection (RED) přesáhne-li zaplnění fronty určitou mez, začne směrovač zahazovat pakety náhodně vybraných toků ⇒ odesílatel daného toku sníží rychlost odesílání (= reakce na ztrátu) pravděpodobnost zahození paketu se zvyšuje se zvyšujícím se zaplněním fronty odstraňuje problém globální synchronizace Weighted Random Early Detection (WRED) totéž, co RED, avšak pravděpodobnost zahození paketu závisí také na prioritě paketu (resp. toku, kterému přísluší) Eva Hladká (FI MU) 6. Kvalita služby jaro 2017 22 / 31 Prevence zahlcení (Congestion Avoidance) RED vs. WRED Eva Hladká (FI MU) 6. Kvalita služby jaro 2017 23 / 31 Kvalita služby v Internetu Struktura přednášky 1 Úvod 2 Plánování (Scheduling) FIFO (FCFS) Priority Queuing Weighted Fair Queuing 3 Formování/omezování toků (Traffic Shaping) Leaky Bucket Token Bucket 4 Prevence zahlcení (Congestion Avoidance) 5 Kvalita služby v Internetu Integrované služby (Intergrated Services) Rozlišované služby (Differentiated Services) 6 Rekapitulace Eva Hladká (FI MU) 6. Kvalita služby jaro 2017 24 / 31 Kvalita služby v Internetu Kvalita služby v Internetu pro Internet navrženy dva mechanismy zajištění kvality služby: Integrované služby (Intergrated Services) založeno na oznamování požadovaných parametrů QoS a rezervaci nezbytných zdrojů na vnitřních prvcích sítě (po cestě k příjemci) Rozlišované služby (Differentiated Services) založeno na značkování paketů (přiřazování paketů do definovaných tříd provozu a jejich prioritní obsluha na vnitřních prvcích sítě) Eva Hladká (FI MU) 6. Kvalita služby jaro 2017 25 / 31 Kvalita služby v Internetu Integrované služby (Intergrated Services) Integrované služby (Intergrated Services) Integrované služby (Intergrated Services) aplikace oznámí počítačové síti své kvalitativní požadavky na přenos dat síť ověří, zda jsou k dispozici požadované prostředky a rozhodne, zda požadavkům vyhoví (fáze řízení přístupu (Admission Control)) pokud nelze požadavkům vyhovět, spojení je zamítnuto aplikace se může rozhodnout, zda požádá o méně náročné QoS pokud lze požadavkům vyhovět, informuje síť všechny komponenty po cestě k příjemci, ať rezervují odpovídající objem prostředků (velikost front, jejich prioritu, atp.) nutnost využití rezervačního protokolu např. Resource reSerVation Protocol (RSVP) (RFC 2205) či protokolu YESSIR (YEt another Sender Session Internet Reservations) zásadní nevýhoda: nutnost udržování stavu na vnitřních prvcích sítě (⇒ problémy se škálovatelností) Eva Hladká (FI MU) 6. Kvalita služby jaro 2017 26 / 31 Kvalita služby v Internetu Integrované služby (Intergrated Services) Integrované služby (Intergrated Services) Ilustrace rezervace prostředků Eva Hladká (FI MU) 6. Kvalita služby jaro 2017 27 / 31 Kvalita služby v Internetu Rozlišované služby (Differentiated Services) Rozlišované služby (Differentiated Services) ne vždy je zapotřebí přesná definice požadovaných parametrů QoS často si vystačí s garancí, že se kvalita přenosu výrazně nezhorší při změně zatížení sítě ⇒ Rozlišované služby (Differentiated Services) počítačové sítí se neoznamují žádné požadavky na kvalitu přenosu není nutné využití rezervačních protokolů každý paket vstupující do sítě je označen značkou, která určuje kvalitativní třídu přenosu označení paketu provedeno pouze na vstupu do sítě značka umístěna do pole Type of Service (IPv4) či Traffic Class (IPv6) na základě přiřazené třídy je s paketem na vnitřních prvcích sítě zacházeno (vnitřní prvky jen čtou přiřazenou značku) výhoda: jednoduché (jak pro implementaci na prvcích sítě, tak pro aplikaci) žádné stavové informace na vnitřních prvcích sítě (⇒ dobrá škálovatelnost) žádné úvodní zpoždění přenosu dané nutností rezervace požadovaných zdrojů Eva Hladká (FI MU) 6. Kvalita služby jaro 2017 28 / 31 Kvalita služby v Internetu Rozlišované služby (Differentiated Services) Rozlišované služby (Differentiated Services) Ilustrace klasifikace paketů Eva Hladká (FI MU) 6. Kvalita služby jaro 2017 29 / 31 Rekapitulace Struktura přednášky 1 Úvod 2 Plánování (Scheduling) FIFO (FCFS) Priority Queuing Weighted Fair Queuing 3 Formování/omezování toků (Traffic Shaping) Leaky Bucket Token Bucket 4 Prevence zahlcení (Congestion Avoidance) 5 Kvalita služby v Internetu Integrované služby (Intergrated Services) Rozlišované služby (Differentiated Services) 6 Rekapitulace Eva Hladká (FI MU) 6. Kvalita služby jaro 2017 30 / 31 Rekapitulace Rekapitulace – kvalita služeb (QoS) v TCP/IP sítích jsou všechny toky standardně obhospodařovány ekvivalentně tzv. best-effort service prioritizace toků (zajištění požadované QoS) se provádí s využitím: plánování toků – přístupy k obsluze front paketů na odesílateli, příjemci a vnitřních prvcích formování/omezování toků – řízení množství a rychlosti odesílaných dat prevence zahlcení – mechanismus zahazování paketů v případě zahlcení (či blížícího se zahlcení) pro Internet byly navrženy dva mechanismy pro zajištění QoS: Integrované (IntServ) vs. Rozlišované (DiffServ) služby Eva Hladká (FI MU) 6. Kvalita služby jaro 2017 31 / 31