6. Kvalita služby (QoS) PB156: Počítačové sítě Eva Hladká S lidy pripravil: Tomáš Rebok Fakulta informatiky Masarykovy univerzity jaro 2018 Eva Hladká (Fl MU) 6. Kvalita služby jaro 2018 1/31 Struktura přednášky Uvod Q Plánování (Scheduling) • FIFO (FCFS) o Priority Queuing • Weighted Fair Queuing Q Formování/omezování toků (Traffic Shaping) • Leaky Bucket • Token Bucket Q Prevence zahlcení (Congestion Avoidance) Q Kvalita služby v Internetu • Integrované služby (Intergrated Services) • Rozlišované služby (Differentiated Services) Q Rekapitulace Eva Hladká (Fl MU) 6. Kvalita služby jaro 2018 2 / 31 Struktura přednášky Q Úvod Q Plánování (Scheduling) • FIFO (FCFS) • Priority Queuing • Weighted Fair Queuing Q Formování/omezování toků (Traffic Shaping) • Leaky Bucket • Token Bucket Q Prevence zahlcení (Congestion Avoidance) Q Kvalita služby v Internetu • Integrované služby (Intergrated Services) • Rozlišované služby (Differentiated Services) Q Rekapitulace U vod I. 9 všechny sítové 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. 9 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 o kritická řídící data - např. obsluha jaderného reaktoru • atp. Eva Hladká (Fl MU) 6. Kvalita služby jaro 2018 4 / 31 U vod II. • základní parametry sítových toků: • spolehlivost (reliability) - požadavek plné spolehlivosti vs. tolerance definované ztrátovosti o 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) 6. Kvalita služby jaro 2018 5 / 31 Plánování (Scheduling Struktura přednášky O Úvod Q Plánování (Scheduling) • FIFO (FCFS) o Priority Queuing • Weighted Fair Queuing Q Formování/omezování toků (Traffic Shaping) • Leaky Bucket • Token Bucket Q Prevence zahlcení (Congestion Avoidance) Q Kvalita služby v Internetu • Integrované služby (Intergrated Services) • Rozlišované služby (Differentiated Services) Rekapitulace Eva Hladká (Fl MU) 6. Kvalita služby jaro 2018 6/31 Plánování (Scheduling) • souvisíš obsluhou vstupních/výstupních front na odesílateli, příjemci a vnitřních sítových 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 (Fl MU) 6. Kvalita služby jaro 2018 7 / 31 Plánováni (Scheduling) - FIFO (FCFS) • FIFO = First In First Out • FCFS = First Come First Serve 9 kdo dříve přijde, je dříve obsloužen • nejjednodušší uspořádání • využívá pouze jednu frontu pro obsluhu procházejících paketů • nevýhody: o žádná podpora priority • agresivní proudy zvýhodněny Eva Hladká (Fl MU) 6. Kvalita služby jaro 2018 8 / 31 Plánováni (Scheduling) FIFO (FCFS) Plánování (Scheduling) - FIFO (FCFS) Ilustrace Arrival Queue Processor Departure Discard ® (D © arrivals I © time packet in service o © departures ^ 1 © © © © n time © Eva Hladká (Fl MU) 6. Kvalita služby jaro 2018 9 / 31 Plánovaní (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 vyssich trid • výhoda: 9 sítové 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 e = vyhladovění (starvation) Eva Hladká (Fl MU) 6. Kvalita služby jaro 2018 10 / 31 Plánování (Scheduling) - Priority Queuing Ilustrace The switch turns to the other Arrival Plánovaní (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: 9 řeší problém vyhladovění předchozího mechanismu Eva Hladká (Fl MU) 6. Kvalita služby jaro 2018 12 / 31 Plánování (Scheduling) - Weighted Fair Queuing Ilustrace Arrival Weight : 3 Weight : 2 Weight: 1 The turning switch selects 3 packets from first queue, then 2 packets from the second queue, then 1 packet from the third queue, The cycle repeats. Processor Departure Discard Eva Hladká (Fl MU) 6. Kvalita služby jaro 2018 13 / 31 Formování/omezování toků (Traffic Shaping) Struktura přednášky O Úvod 0 Plánování (Scheduling) • FIFO (FCFS) • Priority Queuing • Weighted Fair Queuing Q Formování/omezování toků (Traffic Shaping) • Leaky Bucket • Token Bucket Q Prevence zahlcení (Congestion Avoidance) Q Kvalita služby v Internetu • Integrované služby (Intergrated Services) • Rozlišované služby (Differentiated Services) Q Rekapitulace Eva Hladká (Fl MU) 6. Kvalita služby jaro 2018 14 / 31 Formování/omezovánř 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) o navrženy dva mechanismy: 9 Leaky Bucket - vyhlazování přenosu (ovlivňuje average rate) • Token Bucket - umožnění krátkodobých špiček (ovlivňuje peak rate a burst size) Eva Hladká (Fl MU) 6. Kvalita služby jaro 2018 15 / 31 Formování/omezovánř toků (Traffic Shaping) Leaky Bucket Traffic Shaping - Leaky Bucket mw 4*4 Bursty flow é Fixed flow é Bursty data i k 3 Mbps ->~ 0123456789 10 S Fixed-rate data 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 (Fl MU) 6. Kvalita služby jaro 2018 16 / Formování/omezování toků (Traffic Shaping) Leaky Bucket Traffic Shaping - Leaky Bucket Přiřazování tokenů odcházejícím paketům I I O O Tokeny přitékají dle I I O velikosti paketů Leaky bucket zahozené pakety (nádoba je plná) Ď-velikost nádoby r- rychlost odtékání tokenů Eva Hladká (Fl MU) 6. Kvalita služby jaro 2018 17 / 31 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 shromaždování tokenů v okamžiku nečinnosti uzlu • za každou přenesenou datovou buňku (např. 1 B, 100 B, atp.) je kyblíčku odebrán token • velikost kyblíčku ovlivňuje velikost krátkodobých špiček a možná kombinace obou přístupů • umožnění vstupních špiček spolu s vyhlazováním toku • Otázka: V jakém pořadí (Token Bucket vs. Leaky Bucket)? Eva Hladká (Fl MU) 6. Kvalita služby jaro 2018 Formování/omezovánř toků (Traffic Shaping) Token Bucket Traffic Shaping - Token Bucket Ilustrace Arrival One token added per tick Queue One token removed and discarded per cell transmitted Processor ->~ Departure Discard Eva Hladká (Fl MU) 6. Kvalita služby jaro 2018 19 / 31 Formování/omezování toků (Traffic Shaping) Token Bucket Traffic Shaping - Token Bucket Přiřazování tokenů odcházejícím paketům r- rychlost o doplňován tokenů O b - velikost nádoby přicházející pakety i-1 Tok&n bucket pakety, jejichž odchod byl povolen tokeny O O O I-1 zahozené pak&ty f nebyl dostatek tokenfi) Eva Hladká (Fl MU) 6. Kvalita služby jaro 2018 20 / 31 Prevence zahlcení (Congestion Avoidance) Struktura přednášky O Úvod Q Plánování (Scheduling) • FIFO (FCFS) • Priority Queuing • Weighted Fair Queuing Q Formování/omezování toků (Traffic Shaping) • Leaky Bucket • Token Bucket Q Prevence zahlcení (Congestion Avoidance) Q Kvalita služby v Internetu • Integrované služby (Intergrated Services) • Rozlišované služby (Differentiated Services) Rekapitulace Eva Hladká (Fl MU) 6. Kvalita služby jaro 2018 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 o nevýhody: • nemožnost pružné reakce na blížící se zaplnění fronty (odesílatel se o tomto stavu s předstihem nedozví) • může dojít k synchronizaci zahlcení mezi více směrovací 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 • =4> 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 (Fl MU) 6. Kvalita služby jaro 2018 22 / 31 Prevence zahlcení (Congestion Avoidance) RED vs. WRED pravděpodobnost zahození 1 J- 0 a) RED —I naplnení fronty 100% pravděpodobnost zahození 1 +■ D b) WHED vyšší drop precedence nízsi drop precedence naplnení fronty 100% Eva Hladká (Fl MU) 6. Kvalita služby jaro 2018 23 / 31 Kvalita služby v Internetu Struktura přednášky O Úvod Q Plánování (Scheduling) • FIFO (FCFS) • Priority Queuing • Weighted Fair Queuing Q Formování/omezování toků (Traffic Shaping) • Leaky Bucket • Token Bucket Q Prevence zahlcení (Congestion Avoidance) Q Kvalita služby v Internetu • Integrované služby (Intergrated Services) • Rozlišované služby (Differentiated Services) Rekapitulace Eva Hladká (Fl MU) 6. Kvalita služby jaro 2018 24 / 31 Kvalita služby v Internetu pro Internet navrženy dva mechanismy zajištění kvality služby: • Integrované služby (Intergrated Services) • založeno na oznamovaní požadovaných parametrů QoS a rezervaci nezbytných zdrojů na vnitřních prvcích sítě (po cestě k příjemci) • Rozlišované služby (Differentiated Services) 9 založeno na značkování paketů (přiřazování paketů do definovaných tříd provozu a jejich prioritní obsluha na vnitřních prvcích sítě) Eva Hladká (Fl MU) 6. Kvalita služby jaro 2018 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 o sít ověří, zda jsou k dispozici požadované prostředky a rozhodne, zda požadavkům vyhoví (fáze řízení přístupu (Admission Control)) o pokud nelze požadavkům vyhovět, spojení je zamítnuto • aplikace se může rozhodnout, zda požádá o méně náročné QoS • pokud lze požadavkům vyhovět, informuje sít všechny komponenty po cestě k příjemci, at 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 (Fl MU) 6. Kvalita služby jaro 2018 26 / 31 Kvalita služby v Internetu Integrované služby (Intergrated Services) Integrované služby (Intergrated Services) Ilustrace rezervace prostředků Eva Hladká (Fl MU) 6. Kvalita služby jaro 2018 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 vystačíš garancí, že se kvalita přenosu výrazně nezhorší při změně zatížení sítě • =4> 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 (IPvó) • 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 (Fl MU) 6. Kvalita služby jaro 2018 28 / 31 Kvalita služby v Internetu Rozlišované služby (Differentiated Services) Rozlišované služby (Differentiated Services) Ilustrace klasifikace paketů core router: forwarding H2 □ leaf router: classification, conditioning Eva Hladká (Fl MU) 6. Kvalita služby jaro 2018 29 / 31 Rekapitulace Struktura přednášky O Úvod Q Plánování (Scheduling) • FIFO (FCFS) • Priority Queuing • Weighted Fair Queuing Q Formování/omezování toků (Traffic Shaping) • Leaky Bucket • Token Bucket Q Prevence zahlcení (Congestion Avoidance) Q Kvalita služby v Internetu • Integrované služby (Intergrated Services) • Rozlišované služby (Differentiated Services) O Rekapitulace Eva Hladká (Fl MU) 6. Kvalita služby jaro 2018 30 / 31 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: 9 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 (Fl MU) 6. Kvalita služby jaro 2018 31 / 31