1. –Bevezető előadásw3.tmit.bme.hu/courses/vitt9181-03/materials-ly/vitt9181-01-BEV... · matemetikai háttere, sorbanállás elmélet, hierarchikus címzés)

1 | Minőségbiztosítás IP hálózatokon (vitt9181), Bevezető előadás (1.) |

SZOLGÁLTATÁS-MINŐSÉG BIZTOSÍTÓ INFORMÁCIÓS TECHNOLÓGIÁK LABORATÓRIUMATÁVKÖZLÉSI ÉS MÉDIAINFORMATIKAI TANSZÉK, BME

TÁVKÖZLÉSI ÉS MÉDIAINFORMATIKAI TANSZÉKBUDAPESTI MŰSZAKI ÉS GAZDASÁGTUDOMÁNYI EGYETEM

12005. szeptember 13. kedd


1. – Bevezető előadás

Lukovszki Csaba, [email protected]

Minőségbiztosítás IP hálózatokon (vitt9181)

mailto:[email protected]



2 | Minőségbiztosítás IP hálózatokon (vitt9181), Bevezető előadás (1.) | 2005. szeptember 13. kedd


Az Internet történeteKezdetek

» A szputnyik fellövése (USSR), 1957» Válaszul megalakul a hadügyminisztérium (USA)

kezdeményezésére a DARPA (Defense Advanced Research Projects Agency), 1958 (VLSI, GPS…)

» Leonard Kleinrock (1934 - )» Számítógép hálózatok teoritikus elmélete (csomagkapcsolt hálózatok

matemetikai háttere, sorbanállás elmélet, hierarchikus címzés)» Az első publikáció csomagkapcsolt hálózati megoldásokról, 1961

» J.C.R. Licklider (1915 - 1990)» Az A.I. atyjaként ismert, jelentős szerpe volt a számítógép hálózatok

fejlődésében» A DARPA kutatási projektek vezetője, 1962 október» MAC (Multiple Access Computer, Machine Aided Cognition)

projekt, 1968 (-> MIT Laboratory for Computer Science (LCS), 1973)

- Hidegháborús versengés- DARPA célja: hatékony kommunikációt lehetővé tévő katonai hálózat létrehozása- L.K.: a mai kutatásban is használjuk számos kutatási eredményét- J.C.R.: menedzser





Az Internet történeteKezdetek – az ARPANET (ARPA Network)

» Az első csomagapcsolt hálózat, az Internet őse» Két számítógép összekapcsolása, 1965

» Dial-up összeköttetés, 1200 bps» MIT Lincoln Lab (Mass) – System Developement Corporation (Santa

Monica), az első WAN» IMP (Interface Message Processor) az első csomag kapcsoló, 1968

» DARPA, BBN (Bolt Beranek and Newman) fejlesztés» Négy számítógép összekapcsolása, 1969

» NCP (Network Control Program), végfelhasználói terminálok összekapcsolására, a TCP/IP protokoll család elődje

» Az első használt IMP implementáció» UCLA (University of California at Los Angeles), SRI (Stanford Research

Institute), UCSB (University of California at Santa Barbara), University of Utah

» Kutatás: hálózati sávszélesség kihasználása

ARPA: nem volt a mai flexibilitást nyújtó hálózat, pl nem volt címzésKutatás: már a kezdetektől számos egyetem is részt vett a fejlesztésekben és talált témát a későbbi kutatásokhoz





Az Internet történeteKezdetek – az Internet kialakulása I.

» Párhuzamos európai fejlesztés» Donald Watts Davies (1924 – 2000), csomagkapcsolt hálózatok» NPL (National Physical Laboratory), érmék (coins) – csomagok

» Oktatási és kutatási intézmények kapcsolódása az USA-ban, 1971» 15 csomópont, 23 számítógép

» Az első nemzetközi kapcsolat az ARPANET-hez, 1973» Anglia és Norvégia

» Az „internet” kifejezés megjelenése, 1974» MILNET (Military Network)

» Az ARPANET mintájára hozták létre, fizikailag elkülönítve» Az ARPANET-et és a MILNET-et összekapcsolják, 1983





Az Internet történeteKezdetek – az Internet kialakulása II.

» Több nemzetközi hálózat is kapcsolódik» MINET (a MILnet európai megfelelője) » NFSNET (National Science Foundation Network) » BITNET (Because It's Time Network; egyetemek közötti

kommunikációt biztosító hálózat, eredetileg IBM nagyszámítógépeket kötött össze)

» EARN (European Academic Research Network) » USENET (hírcsoportok, "hirdetőtáblák" elérését biztosító hálózat;

eredetileg UNIX operációs rendszerû gépeket kötött össze) » EUNet (hasonló célú, európai országokat összekötő hálózat)

» Az „internet” megjelenése, 1983» Az ARPANET kifejezés hivatalosan megszűnik, 1989

NFSNET: az NFS felismerte a hálózat kutatási jelentőségét, ezért 1985-86-ban kiépítették az NFS6 szuperszámítógépet, és az addigi 56kbs-es gerinchálózati sebességet optikai átviteli közegen 45Mbps-re növelték. Ma is az USA gerinchálózatának jelentős részét képzi.





Az Internet történeteKezdetek – alkalmazások és szolgáltatások

» Az első adatátvitel (login)» Az első e-mail program, 1972» Biztonság,1988

» Az első féreg-vírus járvány» Nagy kereskedelmi szolgáltatók csatlakozása, 1990

» CompuServe, America Online, stb.» Az üzleti alkalmazások köre bővül

» 1990-es évek » A World Wide Web kialakulása (CERN, európai részecskefizikai

kutatóintézet, Berners-Lee és Robert Cailliau, a szüőatyjai)» Alkalmazások számának robbanásszerű növekedése

» 1990-es évek vége » További, dinamikus növekedés» Az Internet globalizálódása» Az Internet popularizálódása

az Internet globalizálódása: az országos és nemzetközi vonalak sávszélességének növekedése; aföldrajzi határokon átívelő szolgáltatások megjelenéseaz Internet popularizálódása: pl. ingyenes e-mail szolgáltatások; otthoni Internet elérés általánossá válása





Az Internet történeteKezdetek – alkalmazások és szolgáltatások folyt.

» Hagyományos internet-es alkalmazások» Erőforrás megosztás» Fájl átvitel (FTP), terminál program (telnet) népszerűsége» Elektronikus levelezés (E-mail)

» Új kommunikációs model» Új együttműködési lehetőségek

» Az internet már kezdetben a szolgáltatások és alkalmazások széles skálájának használatához nyújt lehetőséget

» Szolgáltatások» Címkonfiguráció támogatása (DHCP)

» Automatikus cím és egyéb hálózati paraméterek konfigurálása» Tartomány elnevezési rendszer (DNS – Paul Mockapetris)

» Skálázható, hierarchikus megoldás hosztok név alapján való azonosítására

Kezdetben csak erőforrás megosztás volt a cél. Később vált egy interaktív kommunikációs letőség forrásává.





Az Internet történeteKezdetek – a TCP/IP kialakulása

» NCP (Network Control Program)» Nincs hibakezelés és címzés» ARPANET-re épül» Nem alkalmas nyílt hálózatok megvalósítására

» TCP/IP felváltja az NCP-t, az Internet megjelenése, 1983» Nincs hálózati kontroll; bridge és router-eknek nincs tudomásuk a

felhasználói kapcsolatokról» Hibák lekezelése; visszaállítás, újraküldés» Pipelining; ablakozó módszerrel több csomag is küldhető

egyszerre» Protokoll család: IP, (R)ARP, ICMP, UDP, TCP

Az internet megjelenése, a hálózatok összekapcsolásával igényelt egy új nyílt hálózaton való átvitelt lehetővé tévő protokollra, ami a TCP/IP protokoll család lett.Internet (1983): hálózatok összekapcsolása TCP/IP használatával





Az Internet történeteKezdetek – az Internet skálázhatósága

» Kezdetben» Egyszerű útválasztás

» Az Internet méretének növekedése» Hierarchikus útválasztás

» Tartományon belüli útválasztás, IGP (Interior Gateway Protocols)» Az egyes tartományok különböző IGP megoldásokat alkalmazhatnak

» Tartományok közötti útválasztás, EGP (Exterior Gateway Protocols)» Gyors újrakonfigurálhatóság» Robosztus megoldások» Címek aggregálhatósága» Osztály alapú címzés helyett hierarchikus címzés (VLSM, CIDR)





Az Internet feljődéseSzolgáltatások, alkalmazások

» Szolgáltatási hordozó hálózatok konvergenciája» Informatikai – Hírközlő – Telekommunikációs – Szórakoztató» ICE age (Information – Communication – Entertainment)

» Új szolgáltatások megjelenése» VoIP (Voice over IP)» Egyéb multimédia alkalmazások (VoD, IPTV, VideoConf…)» P2P alkalmazások megjelenése

» Hagyományos applikációk és szolgáltatások adatátvitele, 1995

2,53%Telnet4,63%SNMP8,66%NNTP21,53%FTP26,25%WWW





Az Internet feljődéseAz IPv6

» Címtartomány növelés (32b -> 128b)» Flexibilis címzési módok (self configuration)» Hierarchikus címkiosztás (LIR, RIR)» Automatikus konfiguráció támogatása» QoS architektúrák támogatása» Forrás útvonalválasztás támogatása» Mobilitás támogatása

» Gyors handover, mikro és makromobilitás támogatás» Végpontok közötti biztonságos átvitel támogatása

» Azonosítás, adat integritás védelem, lehalgatás elleni védelem» Áttérés könnyed megoldása» Csomagok gyors feldolgozásának támogatása





Az Internet feljődéseSzervezetek

» ISOC (Internet Society)» Az internet legnagyobb összefogó ereje

» IAB (Internet Architectural Board)» Stratégiai kérdések» Felelős szabványok elfogadása» Internet címzési stratégiák





Az Internet feljődéseSzabványok, ajánlások

» IETF (Internet Engineering Task Force)» RFC (Request For Comments)

» Az első RFC megszületése, 1969» Cél a dokumentumok gyors, portábilis és hatékony megosztása (ASCII

texts, WWW, FTP)» Az RFC típusai

» Internet Standard (STD)» Technológiai tökéletesség » Előzetes implementáció és tesztelés» Világos, könnyen érthető dokumentáció» Nyílt és pártatlan» Időszerű, aktuális

» Best Current Practice (BCP)» Nem szabványos specifikációk

» Tapasztalati, informatív, történelmi dokumentációk





Az Internet feljődéseSzabványok, ajánlások folyt.

» Technikai specifikációk» Szintjei; Szükséges (IP, ICMP), javasolt (Telnet), választáson alapuló,

korlátozott használatra, nem javasolt» Alkalmazhatósági jegyzékek» Fejlődési szintek

» Javasolt szabvány (Proposed Standard)» Tervezet szabvány (Draft Standard)» Internet szabvány (Internet Standard)

» Internet Draft-ok» Informális használatra» 6 hónapos élettartam; minden frissítésnél újra kezdődik» Nem szolgáltató specifikusak» Bármikor megváltoztatható a tartalma





Az Internet feljődéseAz internet jövőbeli kihívásai

» Végpontok közötti egységes és rugalmas architektúra» Független megvalósítás, elosztott vezérlés

» Elszeparálódás, együttműködés» (hálózat és szolgáltatás menedzsment megoldások integrációja)

» Skálázhatóság» Címzés

» Alkalmazások és szolgáltatások nyújtása széles spektrumban (szolgáltatások integrációja)

» Robusztus, és megbízható megoldások» Szolgáltatásminőség biztosítás» Nyílt, de biztonságos

» Képes legyen alapul szolgálni a jövőbeli innovációhoz

Független megvalósítás, elosztott vezérlés Elszeparálódás, együttműködés:Az egyes tartományokban egymástól független technológiai megvalósítás (adat, vezérlési és menedzsment szinten is), de a végpontok közötti egységes és rugalmas architektúra megvalósításának érdekében elosztott, de együttműködő vezérlés szükséges. (Menedzsment architektúrák integrációja, pl 3GPP IMS)





IP minőségbiztosításMinőségbiztosítás, túlméretezés

» Felhasználói forgalmak -> hálózati erőforrások» Túlméretezés

» Nem ad garanciákat» Engineering probléma» Egyszerű hálózat menedzsment

» Minőségbiztosítás» Alkalmazott szolgáltatás és kiszolgáláshoz garanciákat nyújt» Alapos tervezés» Bonyolult hálózat menedzsment





IP minőségbiztosításVégpontok közötti kapcsolat megvalósítása

Otthoni hálózatHozzáférői hálózat Regionális/Metró

hálózat

Vállalati hálózat

Szolgáltatói hálózat

GerinchálózatPSTN hálózat

Mobil hálózat

Média átjátszó

CATV





IP minőségbiztosításHálózat és felhasználó

Alkalmazás

Átviteli

Hálózati

Adatkapcsolati

Alkalmazás

Átviteli

Hálózati

Adatkapcsolati

Hálózati erőforrások

Hálózati szolgáltatások

QoS TE

TCP

Erőforrások hatékony felhasználása

Erőforrások felhasználásával minőségi hálózati szolgáltatások nyújtása

SzerződésFelhasználó: átvitt adatok karakterisztikájaHálózat: garantált minőségi jellemzők





IP minőségbiztosításAdat, vezérlési és menedzsment szintek

Adat sík (Data Plane)

Vezérlési sík (Control Plane)

Men

edzs

men

t(S

zolg

álta

tás

éshá

lóza

t m

ened

zsm

ent)

Adatok; csomagok, keretek, cellákFormázás, ütemezés, dobásErőforrások használata

Kapcsolatok, útvonalak, üzenetek feldolgozása, hálózati erőforrásokErőforrások szétosztása

Szolgáltatás nyújtása, Erőforrások hálózati szintű kezelése, Hálózatok közötti együttműködés





IP minőségbiztosításMit is jelent a QoS

» A QoS megoldások lehetővé teszik, hogy a hálózat rendelkezésre álló kapacitásait optimálisan használjuk ki, úgy hogy teljesítsük a felhasználók átviteli minőségre vonatkozó kérelmeit, miközben törekedünk a maximális adatmennyiségátvtelére.

» A QoS háromirányú kapcsolaton alapul:

Teljesítőképesség(Performance)

Forgalom átvitel (Traffic throughput)

Erőforrás kapacitás (Capacity)





IP minőségbiztosításAz IP minőségbiztosítás architekturális elemei

Életképes üzleti model

Elérhető technológiákQuality of Service• késleltetés, ingadozás• vesztés• rendelkezésre állás

Mechanizmusok• osztályozás• policing / jelölés• formázás• buffer menedzsment• RED

Forgalom és hálózat menedzsment• teljesítmény mérés• forgalom monitoring• forgalmi tervezés





IP minőségbiztosításQoS paraméterek

» Statisztikus nézőpont» Késleltetés; E[d], d: csomagok késleltetése» Késleltetés ingadozás; Var[d], Pr[d>x]» Csomagvesztés; Pr[loss]» Rendelkezésre állás; 1-Pr[blokking]

» Szolgáltatási nézőpont» Valós-idejű szolgáltatás; garantált késleltetés, késleltetés

ingadozás» Prémium szolgáltatás; garantált sávszélesség» Legjobb szándékú (Best-Effort, BE) szolgáltatás





IP minőségbiztosításPélda – A hangátvitel minőségi elvárásai

NAV20 ms5 msKésleltetés ingadozás

10 E-210 E-210 E-8Csomag vesztés

250 ms150 ms50 msEgyirányú hálózati késleltetés

percekmásodpercek2 mpHelyreállítási idő

99%99,9%99,999%Rendelkezésre állás

Legjobb szándékú átvitel

Elfogadható minőség

Csúcsminőség





IP minőségbiztosításQoS paraméterek – Késleltetés

» Feldolgozási késleltetés (processing)» A csomagok feldolgozása és

felkészítése az újraküldésre» Sorbanállási késleltetés (queuing

delay)» Csomagok sorbanállási ideje (a

terhelés és az alkalmazott ütemezési eljárás határozza meg)

» Terjedési késletetés (propagation)» Adatok kapcsolaton való terjedés

ideje» Továbbítási késleltetés

(transmission, serialization delay)» A teljes csomag megérkezésének

ideje (az első és utolsó bitnek beérkezése között eltelt idő)

time

queuing

scheduling

arrival

arrival

propagation

queuing delay

propagation delay

serialization delay

total packet delay

processing

teljes csomag késleltetés = (feldolgozási idő) + sorbanállási idő + (terjedési idő) + továbbítási idő





IP minőségbiztosításQoS paraméterek – Késleltetés ingadozás

PDF, sűrűségfüggvény

d

Pr{d}

valószínűség /gyakoriság /

Quantile(e.g. x=10-7)

Pr[d>x] = 10-7

Késleltetés ingadozás (praktikus)

E[d]

Var[d]

Késleltetés ingadozás (teoretikus)





IP minőségbiztosításIP QoS elemei

» Építőkövek» Forgalmi leírás

» Forgalom modellezési módszerek, beengedés szabályozás» Kiszolgálás

» Buffer, csomag dobás menedzsment, Ütemezés» TE

» QoS Útválasztás» QOSPF (QoS – OSPF)

» Terhelés megosztás» Több utas útválasztás (Multi-Path), MPLS

» Architektúrák» Integrált szolgáltatás (IntServ)» Megkülönböztetett szolgáltatás (DiffServ)

Forgalom leírás, formázás, ütemezés,Erőforrás foglalás,Forgalom irányítás, Architektúra





IP minőségbiztosításIntegrált szolgáltatási modell (IntServ, IS)

» Felhasználói folyamonkénti forgalom menedzsmentet valósít mega következő szolgáltatásokkal» Maximális jitter» Maximális késleltetés (véges buffer alkalmazásával)» Maximális csomagvesztési valószínűség» Maximális sávszélesség» Szolgáltatási kötelezettség kontrollált forgalom profilhoz

» Végpontok közötti megvalósítás» Hálózatok közötti együttműködésen alapul

» A hálózatoktól csomópontonként és felhasználói folyamonként dinamikus állapotinformációk nyilvántartásán alapul

» Egyedi igények kiszolgálása» Nem skálázható» A felhasználó pontosan az elvárt minőségre számíthat





IP minőségbiztosításMegkülönböztetett szolgáltatási modell (DiffServ, DS)

» A felhasználói forgalmak hatékony megkülönböztetése a legjobb szándékú (Best Effort, BE) szoláltatásnál jobb szolgáltatás nyújtására a következő paraméterekben» Jitter» Csomag késleltetés» Csomag vesztés» Maximális folyam ráta (Peak Flow Rate)

» DS felhasználó folyamok osztályba sorolásával állapotmentes architecktúrát hoz létre, melyben az egyes tartományok együttműködése lehetővé van téve» Nagy hálózatokon is alkalmazható» Skálázható





IP minőségbiztosításMulti-protokoll címke kapcsolás (MPLS)

47.3

IP 47.1.1.1

47.2

47.1

LI/ER (Label Ingress/Egress

Router)

MPLS tartomány

LSR (Label Switching Router)

50 656550

LoutLinIP 47.1.1.1

LSP (Label Switched Path)

LDP (Label Distribution Protocol)





IP minőségbiztosításLyukas és a token vödör

Lyukas vödör

rho: ρ, token keletkezési sebesség

sigma: σ, token vödör mérete

Forgalom formázás

Sorbanállás Kiszolgálás,ütemezés

Amennyiben csomag beérkezésénél nincs elég token a vödörben, a csomag eldobásra kerül

(v, bemeneti linksebesség)





IP minőségbiztosításIP QoS technológiák folyt.

Adatkapcsolai réteg

Hálózati réteg

Átviteli réteg

Álkalmazási réteg

MPLS

IntServ/RSVP,DiffServ

QoS-alapú útválasztás

Ethernet QoS





IP minőségbiztosításIP hálózatok

MPLS

Kapcsolat alapú

Hagyományos IP DiffServ

Kapcsolat mentes

IntServ

Osztályonkénti QoS Folyamonkénti QoS

Átviteli hálózatok Hozzáférés

Leaky/token bucket





IP minőségbiztosításPozícionálás

Távközlés(Telekommunication)

Adat hálózatok(Data netwokrs)

Kódolás elmélet(Coding theory)

Menedzsment(Management)

Hálózat tervezés(Network planning)

Modellezés(Modeling)

Protokollok(Protocols)

Forgalom menedzsment(Traffic management)

Felügyelet (Maintenance)

Hitelesítés (Authentication),Engedélyezés (Authorization),

Könyvelés (Accounting)Számlázás(Pricing)





A tárgy tematikájaA tárgy célja

» Betekintés az IP alapú hálózati szolgáltatásminőség biztosítás» Építőkövei» Architektúrái

» Betekintés az Ethernet alapú szolgáltatásminőség feljődésébe» Az IP fejlődése (IPv6)» Hálózati szimulációs eszközök





A tárgy tematikájaElőadók és elérhetőségek

» Lukovszki Csaba, [email protected]» Tel: (06 1 463) 3112» QoS architektúrák (DiffServ, IntServ, MPLS, RSVP, QoSR), IPv6

» Németh Felicián, [email protected]» QoS építőkövek, ütemezők, forgalom leírás, formázás, beengedés

szabályzás» Moldován István, [email protected]

» Ethernet QoS» Kis Szabolcs Máté, [email protected]

» Internet alapok (TCP/IP)» Információk

» http://w3.tmit.bme.hu/courses/vitt9181





http://w3.tmit.bme.hu/courses/vitt9181





A tárgy tematikájaElőadások» IP alapok, TCP/IP, Kisz Szabolcs Máté

» 3 előadás, szept.. 16., szept.. 20., szept.. 23.» Minőségbiztosítás építőelemei (ütemezés, forgalom leírás,

formázás, beengedés szabályzás, etc…), Németh Felicián» 6 előadás, szept.. 27.- okt.. 18. (okt.. 7. SchQpa, szünet)

» Minőségbiztosítás architektúrái (útválasztás, DiffServ, Intserv, MPLS), Lukovszki Csaba

» 5 előadás, okt.. 21. - nov.. 8. (nov.. 1. Mindenszentek, szünet)» nov.. 11. Nyílt nap/TDK, szünet» nov.. 15. ZH» IPv6, Lukovszki Csaba

» 2 előadás, nov.. 18., nov.. 22.» Ethernet QoS megoldások és szolgáltatások, Moldován István

» 4 előadás, nov.. 25. - dec.. 6.» Hálózati szimulációs eszközök (NS-2, OPNET), Németh Felicián,

Moldován István» 2 előadás, dec.. 9., dec.. 13.

» dec.. 16. Elővizsga





A tárgy tematikájaJegyzetek

» WEB» http://w3.tmit.bme.hu/courses/vitt9181» Minden előadás után, de legkésőbb a ZH-ig (vizsgáig) felkerülnek

az előadás fóliái» Jegyzetírás

» 1 hallgató» Fóliára való jegyzetelés az órán elhangzottak alapján» Minden óra előtt megkapja az előadás anyagát nyomtatva» Előadók lektorálása» Jelentkezés: [email protected]» [Márton Iván, [email protected]]

http://w3.tmit.bme.hu/courses/vitt9181







A tárgy tematikájaZárthelyi dolgozat

» Írásbeli dolgozat» Elhangzott anyag» Elméleti kis kérdések» Elméleti kifejtős kérdések» Egy-egy példa» 2 szint szükséges





A tárgy tematikájaVizsgák

» Elővizsga» dec.. 16

» Írásbeli dolgozat» Elhangzott anyag.» Elméleti kis és kifejtős kérdések» Egy-egy példa

» Szóbeli javítás: lehetséges,» Következő vizsgaalkalomkor» Előadások látogatottsága» Erős írásbeli dolgozat» ZH eredmény

1. –Bevezető előadásw3.tmit.bme.hu/courses/vitt9181-03/materials-ly/vitt9181-01-BEV... · matemetikai háttere, sorbanállás elmélet, hierarchikus címzés)

Documents