6. Kvalita služby (QoS) PB156: Počítačové sítě Eva Hladká S lidy pripravil: Tomáš Rebok Fakulta informatiky Masarykovy univerzity jaro 2023 Eva Hladká (Fl MU) 6. Kvalita služby jaro 2023 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. • 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 2023 4/31 U vod II. • základní parametry sítových toků: • spolehlivost (reliability) - požadavek plné spolehlivosti vs. tolerance definované ztrátovosti • zpoždění (latency, delay) 9 rozptyl zpoždění (jitter) 9 přenosová kapacita (bandwidth) • mechanismy zajištění kvality služby: • plánování (Scheduling) 9 formování/omezování toků (Traffic Shaping) • prevence zahlcení (Congestion Avoidance) • nutno zajistit na více vrstvách (L4, L3, L2) 6. Kvalita služby jaro 2023 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 2023 6/31 Plánování (Scheduling 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 2023 7/31 Plánováni (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: 9 žádná podpora priority • agresivní proudy zvýhodněny Eva Hladká (Fl MU) 6. Kvalita služby jaro 2023 Plánováni (Scheduling) - FIFO (FCFS) Ilustrace Arrival Queue Discard T Processor Departure arrivals packet in service © © ■ Processor Departure T Lower-priority queue CD arrivals d r i r ) © © \ \ time^ packet in service mm 3 2 departures , T 1 r i I \ time :va Hladká (Fl MU) Q © © © 6. Kvalita služby jaro 2023 Plánovaní (Scheduling) - Weighted Fair Queuing 9 pakety opět přiřazovány do prioritních front • frontám přiřazeny váhy 9 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: o řeší problém vyhladovění předchozího mechanismu Eva Hladká (Fl MU) 6. Kvalita služby jaro 2023 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 2023 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 2023 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: • 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 2023 15/31 Formování/omezovánř toků (Traffic Shaping) Leaky Bucket Traffic Shaping - Leaky Bucket Bursty flow é Fixed flow A - 12 Mbps 2 Mbps -1- —1—1—1—1—1—i—1— ->- 0123456789 10 S Bursty data Fixed-rate data • obdoba děravého kyblíčku • nezávisle na doplňování tekutiny do kyblíčku, voda dírkou vytéká vždy konstantní rychlostí o využito pro vyhlazování toku 9 nepravidelný tok je průměrován • pokud je kyblíček plný, nově příchozí pakety jsou zahozeny Eva Hladká (Fl MU) 6. Kvalita služby jaro 2023 16/31 Traffic Shaping - Leaky Bucket Přiřazování tokenů odcházejícím paketům zahozené pakety (nádoba je plná) Tokeny přitékají dle velikcsti paketů Leaky bucket Ď-velikost nádoby r- rychlost odtékání tokeníi 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 9 za každou přenesenou datovou buňku (např. 1 B, 100 B, atp.) je kyblíčku odebrán token • velikost kyblíčku ovlivňuje velikost krátkodobých špiček o 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 2023 Formování/omezovánř toků (Traffic Shaping) Token Bucket Traffic Shaping - Token Bucket Ilustrace One token added per tick Arrival Queue One token removed and discarded per cell transmitted Processor-^ Departure Discard Eva Hladká (Fl MU) 6. Kvalita služby jaro 2023 19/31 Formování/omezování toků (Traffic Shaping) Token Bucket Traffic Shaping - Token Bucket Přiřazování tokenů odcházejícím paketům r - rychlost o doplňován token íj O Ď - velikost nádoby přicházející pakety □ i-1 □ Token bucket pakety, jejichž odchod byl povolen tokeny o o o I-1 zahozené pakety (nebyl dostatek tokenC) Eva Hladká (Fl MU) 6. Kvalita služby jaro 2023 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 2023 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 9 ^> 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 2023 22/31 Prevence zahlcení (Congestion Avoidance) RED vs. WRED pravděpodobnost zahození 1 -- 0 a) RED naplnění Fronty 100% pravděpodobnost zahození 1 +■ 0 Ď) WFtĹD vyšší drop precedence nízsi drop precedence naplnění fronty 100% Eva Hladká (Fl MU) 6. Kvalita služby jaro 2023 23/31 Struktura přednášky O Uvod 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 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 2023 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 2023 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 2023 28/31 Kvalita služby v Internetu Rozlišované služby (Differentiated Services) Rozlišované služby (Differentiated Services) Ilustrace klasifikace paketů Struktura přednášky f) Uvod 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 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 (Fl MU) 6. Kvalita služby jaro 2023 31/31