Quality of Service (QoS) v IP sítích

Cíl kapitoly

Prekrekvizity

Kvalita služby

ITU-T E.800: "Kvalita služby je souhrnný výsledek výkonnosti služby, který určuje stupeň spokojenosti uživatele služby."

Kvalita služby ovlivněna všemi komponentami sítě:

• stanicemi (WS, servery)
• směrovači, přepínači
• linkami (mezi routery, LAN)

Parametry tvořící QoS

• šířka pásma (bandwidth)
• zpoždění (delay)
• rozptyl zpoždění (jitter)
• ztrátovost paketů (packet loss)

Komponenty zpoždění a jejich příčiny

• pevná složka: serializační zpoždění, doba šíření
• proměnná složka: buffering (fronty) ve směrovačích a přepínačích

Příčiny rozptylu zpoždění

Příčiny ztrát paketů

• (fyzické chyby - discard)
• přetížení procesoru přepínacích prvků (input drops)
• přeplnění výstupních front přepínacích prvků (output drops)

Typy QoS

Best Effort

Integrated Services - Hard QoS

• explicitní rezervace zdrojů sítě (kapacity linek, paměti ve frontách, CPU přepínacích prvků) pro jednotlivé datové toky
• malá škálovatelnost (problém velkého množství toků procházejících páteřními směrovači)
• Resource Reservation Protocol (RSVP)
  - základem datový tok, rezervace na celé cestě
  - signalizace mezi příjemcem a aktivními prvky (a aktivními prvky navzájem) proti směru toku
  - distinct a shared reservation
• nutná podpora na koncových stanicích
• přirozené pro spojově orientované sítě (např. ATM), ne paketově orientované

Differentiated Services - Soft QoS

• Klasifikace provozu do tříd, označování paketů podle třídy
• Definice Per-Hop Behavior (PHB) přepínacích prvků (směrovačů, přepínačů) pro každou třídu
• Počet tříd omezen - dobrá škálovatelnost
• Pouze upřednostnění některých dat (statistická preference), nikoli garance doručení do předvídatelné doby

Klasifikace provozu

• 2. vrstva: 802.1pq (3 bity Class of Service (CoS) )
• 3. vrstva: v hlavičce IP paketu 8-bitové pole
  • původně Type of Service (ToS), 8 tříd IP Precedence
  • později předefinované na DSCP (Differentiated Service Code Point)
• mapování mezi CoS (L2) a ToS/DSCP (L3) na routerech

Třídy zpracování paketů ve směrovačích u DiffServ (Per-Hop Behavior)

• Expedited Forwarding (RFC 2598): "virtuální pevná linka", služba konec-konec s malými ztrátami, malým, ale proměnným zpožděním a garantovanou šířkou pásma.
• Assured Forwarding (RFC 2597): 4 třídy (označovány Class Selectorem, 1-4), v každé z nich 3 drop preference (low=1,medium=2,high=3).
  Označování: AFxy, x-class selector, y-drop preference. x,y zakódováno v DSCP.
• Best Effort

Mechanismy řízení QoS

aplikují se při zahlcení sítě, jinak představují zbytečnou režii

cílem je garantovat minimální šířku pásma, maximální zpoždění a minimální jitter

Vstupní filtrace, klasifikace a značkování

Traffic Policing

• podle dohodnutého CIR (příp. EIR)
• leaky-bucket algoritmus

Klasifikace vstupního provozu

• klasifikace podle informace z L3-L7 (protokolu, IP adres, portů, URL, MIME typu, ...), podle vstupního interface
• klasifikace odesílatelem nebo sítí (NBAR: Network-Based Application Recognition)
• páteřní přepínací prvky klasifikaci provedené na hranici sítě důvěřují

Řešení zahlcení (Congestion Management)

Přiřazení tříd provozů do front (explicitní přířazení + default fronta) a různé režimy obsluhy front (výběru dalšího paketu pro odesílání na výstupní linku).

Cílem rozbíjení shluků paketů (packet trains).

Základní režimy obsluhy front

• FIFO
• Priority Queuing (PQ) - absolutní priority (výběr z prioritnější fronty, dokud není prázdná)
• Custom Queuing (CQ) - proporcionální cyklické přidělování kapacity každé třídě provozu (round robin)
• Weighted Fair Queuing (WFQ) - automatické třídění do toků a cyklická obsluha každého toku, preference interaktivního provozu, zohlednění IP precedence.
• Class-Based Weighted Fair Queuing (CBWFQ) - rozdělování do uživatelem definovaných tříd, nad nimi pak WFQ
• Low-Latency Queuing (LLQ) - WFQ + fronta s absolutní prioritou, střídání mezi cyklem WFQ a prioritní frontou

Předcházení zahlcení (Congestion Avoidance)

Standardní technika při přeplnění front: tail drop.

Problém globální synchronizace v TCP

RED - Random Early Discard, WRED - Weighted RED

• při zaplnění fronty nad určitou hranici se začnou pakety se vzrůstající pravděpodobností zahazovat
• slow start všech spojení nenastane při tail drop, u některých spojení dříve od RED
• weighted RED - přednostně se zahazují pakety s nižší prioritou (pravděpodobnost zahození (drop) ovlivňuje nejen míra naplnění fronty, ale i priorita paketu)
• Konfigurace RED: pro každou třídu provozu se definuje:
  • minimální délka fronty pro zahájení zahazování
  • maximální přípustná délka fronty (nad ní zahazováno vše)
• RED slouží pouze pro TCP (!)

Tvarování provozu (Traffic Shaping)

• ochrana před shluky přesahujícími dohodnutou šířku pásma k poskytovateli (Commited Information Rate-CIR)
• důležité pokud fyzická rychlost rozhraní přesahuje CIR některého virtuálního okruhu

Fragmentace a interleaving

• na pomalých linkách (typ. pod 768 kbps), na nichž je serializační zpoždění významné
• při provozu interaktivních aplikací (aby se jejich pakety dostaly s přijatelným zpožděním a jitterem mezi velmi dlouhé pakety)
• řeší se fragmentací dlouhých paketů

Nasazování mechanismů QoS

• zjištění provozovaných aplikací a jejich požadavků, monitorování provozu
• aplikace mechanismů QoS
• ověření chování mechanismů QoS
• GOTO 1 ;-)