6. Kvalita služby (QoS)
PB156: Počítačové sítě
Eva Hladká
S lidy pripravil: Tomáš Rebok Fakulta informatiky Masarykovy univerzity
jaro 2021
Eva Hladká (Fl MU) 6. Kvalita služby jaro 2021 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)
O Rekapitulace
Eva Hladká (Fl MU) 6. Kvalita služby
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 2021 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 2021 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 2021
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 2021 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 2021 8/31
Plánováni (Scheduling) - FIFO (FCFS)
Ilustrace
Arrival
Queue
Discard T
Processor
Departure
® (D (4
arrivals 11^
packet in service
©
©
©
departures ^    1    J, v
© © © ©
time
©
©
time
Eva Hladká (Fl MU)
6. Kvalita služby
jaro 2021 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 2021 10/31
Plánování (Scheduling) - Priority Queuing
Ilustrace
Arrival
I [i"her-priority queue
1
The switch turns to the other queue when the current one is empty
j
Processor
T
Lower-priority queue
Departure
©
arrivals
packet in service
© ©
departures
© © © ©
Eva Hladká (Fl MU)
6. Kvalita služby
jaro 2021 11/31
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 2021 12/31
Plánování (Scheduling) - Weighted Fair Queuing
Ilustrace
Arrival
Weight: 3
Weight: 2
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
Weight: 1
Discard
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 2021
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)
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 2021 15/31
Formování/omezovánř toků (Traffic Shaping)      Leaky Bucket
Traffic Shaping - Leaky Bucket
Bursty flow
A
Fixed flow
é
Bursty data
A	3 Mbps	
-!-1-f-!-!-1-t-1-f-1-*~		
0 123456789 10
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 2021 16/31
Traffic Shaping - Leaky Bucket
Přiřazování tokenů odcházejícím paketům
zahozené pakety (nádoba je plná)
^ O •  Tokeny přitékají dle
O velikcsti paketů
Leaky bucket
Ď-velikost nádoby
o o T
r- rychlost odtékaní token ň
Formovanf/omezovanf toku (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 shromaždování 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
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 2021 18/31
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 2021 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—
Token bucket
pakety, jejichž odchod byl povolen tokeny
o o o
I-1
zahozené pakety (nebyl dostatek tokenů)
Eva Hladká (Fl MU)
6. Kvalita služby
jaro 2021 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 2021
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 2021 22/31
Prevence zahlcení (Congestion Avoidance)
RED vs. WRED
pravděpodobnost zahození
1 +-
0
a) RED
naplnění fronty
100%
pravděpodobnost zahození
1 +■
D
b) WFtĹD
vyšší drop precedence
nízsi drop precedence
naplnění fronty
100%
Eva Hladká (Fl MU)
6. Kvalita služby
jaro 2021 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 2021 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 2021
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 2021 26/31
Kvalita služby v Internetu      Integrované služby (Intergrated Services)
Integrované služby (Intergrated Services)
Ilustrace rezervace prostředků
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 2021 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 2021 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 2021
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 2021 31/31