نیازمندی های کیفیت سرویس در اینترنت

نیازمندی های کیفیت سرویس در اینترنت

اسلاید 1: نیازمندیهای کیفیت سرویس در اینترنت

اسلاید 2: عنوان مطالب اين مبحث از5 قسمت تشكيل شده است:1وضعيت ترافيك در اينترنت و نيازمنديهاي آن2محدوديتهاي مدل سرويس Best Effort 3 معرفي كيفيت سرويس4 نيازمنديهاي يك معماري كيفيت سرويس5 اجزا يك معماري كيفيت سرويس

اسلاید 3: منابع1- Xipeng Xiao and Lionel M. Ni, Internet QoS: A Big Picture, IEEE Network • March/April 19992- W. Zhao, D. Olshefski and H.Schulzrinne, Internet Quality of Service: an Overview, 20003- D.D. Clark, et. al, “Supporting Real-Time Applications in an Integrated Service Packet Network,” 1992

اسلاید 4: 6-1-وضعيت ترافيك در اينترنت و نيازمنديهاي آن انگيزه_ در حال حاضر اينترنت تنها يك نوع سرويس بنام Best Effort را ارايه مي كند. در اين مورد كنترل دسترسي به شبكه انجام نميگيرد وتضميني نيز به ترافيك پذيرفته شده داده نميشود._ كاربردهاي موجود عمد تا انعطاف پذير هستند: +تاخير و دورريزي بسته ها را تحمل مي كنند.+نرخ ارسال خود را با وضعيت شبكه تنظيم مي كنند._ كاربردهاي جديد در اينترنت قابليت انعطاف كاربردهاي سنتي داده بر مبنايTCP را ندارند._آيا بايد كاربردها را تغيير داد يا اينترنت را كه بتواند كاربردهاي جديد را حمايت كند؟

اسلاید 5: انواع كاربردهاكاربردهاي انعطاف پذير_مانند ترافيك داده و ترافيكFTP _حساس به نرخ ارسال نيستند اگر چه نرخ بالاتر بهتر است ولي فراهم بودن يك نرخ مشخص براي عملكرد آنها ضروري نيست.كاربردهاي با جريان پيوسته_گاه بنام كاربردهاي بلادرنگ تحمل پذير خوانده مي شوند._مانند ترافيك ويديو._يك حد بالا و پايين براي كارايي قابل قبول شبكه وجود دارد.كاربردهاي بلادرنگ حساس_نيازمند كيفيت سرويس در سطح مشخص و تعريف شده هستند._در صورت فراهم نبودن منابع مورد نياز عملكرد كاربر با اختلال روبرو ميشود.

اسلاید 6: كاربردهاي Playbackاكثريت كاربردهاي بلادرنگ از نوع Playback هستند.اطلاعات بصورت بسته هاي داده از طريق شبكه ارسال ميشود. هر بسته با تاخير آماري در سطح شبكه مواجه ميشود.گيرنده با شروع به دريافت اطلاعات آنها را با خبر ميكند. اينكار تا مدت زمان تعريف شده ادامه مي يابد. سپس گيرنده شروع به نمايش اطلاعات به كاربر ميكند.Playback Point ميزان تاخير قابل قبول براي هر بسته را نشان مي دهد. اگر بسته اي پس از زمان تعريف شده براي نمايش اطلاعات آن بسته به گيرنده برسد, غير مفيد و بلا استفاده خواهد بود.

اسلاید 7: نقطه Playback شكل زير نمودار معمول توزيع احتمال تاخير در شبكه را نشان ميدهد.Playback Point در نقطه اي تنظيم مي شود كه امكان تاخير بيش از آن بسيار كم باشد.Distribution of Deliveries in TimeTransmission TimePlayback PointUnless It’s Too Late…Typical DeliveryApplication Buffers Datato Ensure Consistency

اسلاید 8: نيازمنديهاي سرويس كاربردهايPlayback 1-بخاطر ماهيت بلادرنگ ترافيك و دو طرفه بودن ارتباط مانند مكالمه صوتي, كاربرد حساس به تاخير در شبكه است. تاخير كمتر هميشه بهتر است.2-براي تنظيم نقطه Playback , گيرنده لازم است در مورد ميزان تاخير در شبكه اطلاعاتي را بصورت دقيق يا آماري داشته باشد.3- تاخير بسته ها تا سطح Playback Point قابل تحمل است, لذا شبكه مي تواند از اين خاصيت جهت اولويت دهي سرويس بسته ها استفاده كند. بسته هايي كه نزديك نقطه Playback خود هستند بايد زودتر ارسال شوند.4-اكثر كاربردها تلفات بسته را بطور محدودي تحمل مي كنند, لذا نقطه Playback نياز نيست خيلي زياد تنظيم شود تا هيچ بسته اي ديرتر وارد نشود.

اسلاید 9: انواع كاربردهاي بلادرنگكاربردهاي بلادرنگ را از دو ديد مي توان دسته بندي كرد:A . غيرقابل انعطاف يا قابل انعطاف: بسته به اين كه آيا كاربرد امكان تنظيم نقطه Playback بر اساس وضعيت شبكه را دارد.B . تحمل پذير يا تحمل ناپذير در مقابل وقفه هاي كوتاه در سرويس شبكه.چهار حالت از ترکيب A و B بوجود می آيد ولی در عمل دو حالت از چهار حالت فوق وجود دارد:1- كاربردهاي غير قابل انعطاف و تحمل ناپذير: نيازمند يك سطح تضمين شده سرويس است.2- كاربردهاي قابل انعطاف تحمل پذير: نيازمند سرويس با سطح تضمين قابل انعطاف تري است.سئوال : چرا دو تركيب ديگر مورد استفاده قرار نمي گيرد؟

اسلاید 10: بهبود كيفيت سرويس در اينترنت_IETF كار بهبود امكانات كيفيت سرويس در اينترنت را در دست انجام دارد._پروتكلهاي متعددي در اين رابطه تعريف شده است كه شامل موارد زير است:Differentiated ServiceIntegrated ServiceRSVP

اسلاید 11: كيفيت سرويس چيست؟از ديد كاربر: عبارت است از تضمين سرويس انتها به انتها براي كاربر مانند تضمين تاخير بين دو كاربر در ارتباط صوتي (VOIP ) و يا تضمين پهناي باند بين دروازه هاي يك شبكه خصوصي مجازي (VPN ).از ديد شبكه: عبارت است از امكان اولويت بندي بسته ها و تنظيم رفتار شبكه براي اولويت هاي مختلف به تناسب نياز آنها.دو نکته در اين رابطه حائز اهميت است:امكان تضمين سرويس انتها به انتها در صورتيكه اولويت بندي با رزرو كردن منابع همراه باشد وجود خواهد داشت.امكانات فوق در شبكه اينترنت امروزي وجود ندارد و افزودن آنها بسادگي امكان پذير نيست.

اسلاید 12: تركيب ترافيك اينترنتشكل زير نشان دهنده اين است كه ترافيك شبكه هاي داده امروزه بطور غالب از جنس IP مي باشد و ترافيك IPX و SNA با كاهش شديدي روبرو بوده اند. بنابراين اينترنت انواع كاربردهاي حساس را در بر خواهد داشت كه نيازمند ارايه سرويس مناسب هستند.80%70%60%50%40%30%20%10%0%IPSNAIPXOthersRFC 1490IP

اسلاید 13: ترافيك اينترنتانواع عمده ترافيك اينترنت عبارتند از:TCP و IP Telephony و H.323 audio/videoو در مورد ترافيكTCP , كاربردهاي زير نقش اصلي را بازي ميكنند:_Web و FTP و Mail. Transport BreakoutTCP Applications

اسلاید 14: تركيب ترافيك شبكه هاي خصوصيدر شبكه هاي سازماني, حجم ترافيك وب و چند رسانه اي در حال رشد بوده است:19962%7%27%39%17%8%199813%18%23%23%16%7%200014%17%12%15%28%14%MultimediaDynamic WWWStatic WWWFTP and TelnetE-Mail and NewsOther020406080100Numbers in Percent

اسلاید 15: شكل ترافيك ويديوكدينگ ويديو با استاندارد MPEG منجر به توليد سيگنال با نرخ متغير مي شود. فريمها به دو دسته فريمهاي اصلي و فريمهاي تفاضلي تقسيم مي شوند. فريمهاي تفاضلي نرخ بيت كمتري توليد مي كنند. Delta FramesKey FrameKey Frame

اسلاید 16: شكل ترافيك ويديومحدوديت پهناي باند موجب كاهش تغييرات نرخ سيگنال و در مقابل افزايش تاخير ارسال مي شود و لذا نقطه Playback بالاتري بايد تنظيم شود.Delta FramesKey FrameKey Frame

اسلاید 17: ترافيك صوتداراي يك نقطه Playback مانند ويديو است.محدوديت تاخير کمتری نسبت به ويديو دارد چون گوش آدمي حساسيت كمتري به تاخير دارد.تاخير بيش از حدود ms 150موجب احساس قطع شدن ارتباط و يا تاخير در پاسخ, در شنونده مي شود.در كاربردهاي چند رسانه اي, صوت بايد با ويديو از نظر زماني همگام شود.

اسلاید 18: 6-2-محدوديت هاي مدل سرويس Best Effort مدل سرويس Best Effort شبكه سعي خود را براي ارسال سريعتر بسته ها خواهد كرد ولي عليرغم اين, ممكن است برخي از بسته ها از بين بروند.مدل ديتاگرام سنتي: عدم تضمين مسير- عدم تضمين منابع.اصل برقراري ارتباط بين شبكه هاي گوناگون غير همگن, موجب رشد ساير ابعاد اقتصاد ميشود. نقش برقراري ارتباط يك گام بجلو است. تضمين سرويس يك كالاي لوكس است.با استفاده از TCP , كاربردهايي كه نياز به تضمين سالم رسيدن بسته ها دارند, مي توانند با ارسال مجدد و تنظيم نرخ ارسال با وضعيت شبكه, از منابع موجود حداكثر بهره برداري را بكنند.

اسلاید 19: فلسفه طراحيTCPفرض مي كنيم شبكه اكثرا ترتيب بسته ها را رعايت ميكند.فرض ميكنيم بسته ها اكثرا سالم مي رسند مگر در مواقع ازدحام.از بين رفتن بسته ها نشانه آن است كه اين كاربر بيش از ظرفيت شبكه از آن مي خواهد استفاده كند و بايد نرخ ارسال خود را كاهش دهد.مديريت پنجره ازدحام بر اساس مكانيسم هاي Slow-StartFast Retransmit و Fast Recovery انجام مي شود( براي اطلاعات بيشتر به [1] مراجعه شود).

اسلاید 20: رفتار يك ارتباطTCPشكل زير طول پنجره ازدحام (نرخ ارسال) يك ارتباط TCP را نشان مي دهد.05101520253035404501020304050Slow StartExponential GrowthCongestion Avoidance PhaseLinear Growth

اسلاید 21: تاثير عملكرد روترها بر TCP_حذف يك بسته : موجب كاهش نرخ يك ارتباط مي شود._ حذف تعدادي از بسته ها:+ اگر از ارتباطهاي مختلف باشند, موجب همگام شدن و افزايش همزمان آنها و ايجاد ازدحام مي گردد.+اگر از يك ارتباط باشند, موجب Time-out به جاي Fast Retransmit مي شود._تاخير بسته ها: بخاطر انتظار در صف ارسال انجام ميشود. اين كار موجب تاخير افتادن ارسال Ack ها و تاخير در ارسال بسته هاي بعدي و در نتيجه كاهش نرخ ارسال مي شود.

اسلاید 22: علت خراب شدن كيفيت سرويس در اينترنت_بخشي از مشكل به رفتارTCP مربوط مي شود:+ مكانيسم Slow Start/ Fast Retransmit موجب ايجاد صفهاي طولاني در گلوگاههاي شبكه ميشود._بسياري از اوقات طولاني بودن زمان پاسخ مثلا در استفاده از وب بخاطر دورريزي پشت سر هم بسته ها و Time out شدن است و نه ازدحام.

اسلاید 23: آيا مي توان كيفيت سرويس اينترنت Best Effort را بهبود داد؟سه نوع راه حل براي اين منظور ارايه شده است:1-صف بندي: موجب تاخير انداختن تلفات بسته ميشود به اين اميد كه وضعيت شبكه بهبود يابد.2-مديريت هوشمند بافر: روشهايي مانند Random Early Discard(RED) موجب جلوگيري از افزايش زياد نرخ ارتباطهاي TCP و از بين بردن هم زماني آنها مي شود.3-بهبود رفتار TCP : روشهاي متعددي ارائه شده است كه بعدا به آنها خواهيم پرداخت:-استفاده از Selective Acknowledgement .-افزايش مقدار اوليه پنجره TCP از يك سگمنت به 4 سگمنت براي وارد شدن به Fast Retransmit در صورت از بين رفتن بسته بجاي Time Out.-ماندن در فاز Fast Recovery در تمام طول ارتباط.

اسلاید 24: محدوديت هاي مدل Best Effortراه حل هاي فوق براي بهبود كيفيت سرويس در اينترنت كافي نيستند:_حجم روزافزوني از ترافيك از TCP استفاده نمي كند مانند: +Internet Telephony H.323/MBONE(audio/viodes)+ _استفاده وسيع از تجهيزات مياني تاخير در شبكه را افزايش مي دهد: + ديواره هاي آتش + سرورهاي, Proxy, NAT ..._رفتار معمول TCP براي برخي كاربردها اصولا مناسب نيست. بسياري از اوقات نياز به افزايش سريع نرخ ارسال نيست مانند VPN ها ولي در عين حال نياز به رزرو كردن منابع به منظوركاهش تاخير ارسال است.

اسلاید 25: 6-3- معرفي كيفيت سرويسدر ارزيابي عملكرد سيستم ها چهار سئوال اساسي پيش مي آيد كه به آنها لازم است پاسخ داده شود:How quickly : با چه سرعتي به يك درخواست پاسخ داده ميشود.How effectively : راندمان استفاده از منابع چقدر است.How fairly : منابع موجود چگونه بين درخواستهاي موازي تقسيم شده است.How well : سيستم چگونه با خطا ها و خرابيها روبرو مي شود.

اسلاید 26: معيارهاي ارزيابي كيفيتليست زير تعدادي از معيارهاي عمومي ارزيابي كيفيت عملكرد يك شبكه را نشان مي دهد:ظرفيت بهینهسطح استفاده (منظور utilization است.)گذردهينرخ تلفات بسته هاراندمانميزان سربارتاخيرتغييرات تاخيرزمان پاسخعدالت در تخصيص منابع

اسلاید 27: پارامترهاي كيفيت سرويسكيفيت سرويس در دو سطح تعريف مي شود:1-در سطح نشست يا ارتباط: نرخ مسدود بودن (Blocking Probability) احتمال دريافت پاسخ مثبت براي برقراري يك ارتباط چقدر است.2-در سطح بسته ها: سه پارامتر اصلي براي تعريف كيفيت سرويس در سطح بسته عبارتند از:تاخير (Delay) : ميزان تاخير بر سر راه ترافيك بخاطر صف بندي , پردازش و يا ازدحام.تغييرات تاخير (Jitter) : بهم ريختن و تغييرات فاصله زماني بين ورود بسته ها درگيرنده را نشان مي دهد. كاربردهای چند رسانه اي به تغييرات تاخير حساسيت بيشتري دارند.تلفات: نرخ دورريزي بسته ها بخاطر وقوع ازدحام در شبكه.

اسلاید 28: دسته بندي روشهاي ارايه كيفيت سرويسProvisioned QoS : منابع شبكه بصورت استاتيك براي يك كلاس ترافيك يا يك جریان تخصيص مي يابد.Signalated QoS : كاربردها در صورت نياز از شبكه درخواست رزرو منابع ميكنند.Per-Flow QoS : كيفيت سرويس در سطح يك جريان ترافيك مشخص تضمين مي شود.Per-aggregate QoS : حمايت از كيفيت سرويس نه براي هر جريان بلكه براي مجموعه اي از جریانها كه تشكيل يك كلاس ترافيك را مي دهند بطور جمعي انجام ميشود.

اسلاید 29: مشكلات ارايه كيفيت سرويسساختار پشته پروتكل اينترنت بدون QoS ساده است. اينترنت با QoS پيچيدگيهاي فراواني را همراه مي آورد.مي توان با افزايش پهناي باندها مشكل QoS را تا حدي رفع كرد.حمايت از كيفيت سرويس از طرف ديگر باعث استفاده بهينه منابع شبكه ميشود.آيا مي توان مصالحه اي بين پيچيدگي و راند مان انجام داد؟ جهت گيري به سمت روشهاي Per-aggregate به جاي Per- Flow است.

اسلاید 30: 6-4-نيازمنديهاي يك معماري كيفيت سرويسمثال ساده زير را در نظر بگيريد. دو جريان H2-H4 و H1-H3 خط بين مسيريابهاي R2 و R1 با ظرفيت 1.5Mbps را بطور اشتراكي استفاده مي كنند.برای انجام اينکار بصورت بهينه بايد چهار اصل اساسی رعايت گردد.

اسلاید 31: اصل1-علامت گذاري بسته هاروشي براي علامت گذاري بسته ها به منظور اولويت بندي و تمايز بين آنها لازم است.در مثال فوق اگر ارتباط H1-H3 مربوط به يك مكالمه تلفني و ارتباط H2-H4 مربوط به يك كاربرد FTP باشد, بدون الويت دهي, ارسال يك فايل بزرگ مي تواند براي مدتي ارتباط صوتي را مختل كند.

اسلاید 32: اصل2-ايزولاسيون ارتباطها از هميك جريان با رفتار نامتعارف (ارسال داده بيش از حد مجاز) نبايد موجب اختلال ساير جريانها بشود. كنترل نرخ ورود ترافيك به شبكه در سطح جريان لازم است (Policing).

اسلاید 33: اصل3- راندمان استفاده از منابعهمزمان با ايزولاسيون , بايد استفاده از منابع شبكه نيز با راندمان خوبي انجام شود. براي تامين ايزولاسيون مي توان از مدل سویيچينگ مداري استفاده كرد و پهناي باند خط را بين دو جريان بطور ثابت تقسيم كرد ولي اينكار راندمان استفاده از شبكه را كاهش مي دهد.

اسلاید 34: اصل4- كنترل پذيرش ارتباطهاشبكه نبايد بيش از ظرفيت ترافيك بپذيرد. كنترل پذيرش ترافيك معمولا در سطح ارتباط يا نشست صورت مي پذيرد. كاربر مشخصات ترافيك و نيازمنديهايي كيفيت سرويس خود را اعلام مي كند و شبكه تصميم مي گيرد آيا امكانات لازم براي پذيرش ارتباط را در اختيار دارد يا نه.

اسلاید 35: مثلثQoSفرستنده ها تمايل به ارسال حجم بالاي ترافيك بصورت ناگهاني در هر لحظه دلخواه دارند.گيرنده ها انتظار تاخير كم و گذردهي بالا دارند.فراهم كننده ها (Providers) مي خواهند بيشترين حجم ترافيك را با حداقل منابع بپذيرند.

اسلاید 36: 6-5- اجزا يك معماري كيفيت سرويس1- تعريف انواع سرويس ها با نيازمنديهاي QoS مختلف. -امكان مشخص كردن بسته هاي مربوط به سرويس هاي مختلف (Packing Marking). 2- وجود قراردادي براي ارتباط كاربر و شبكه._ يك پروتكل Signaling براي مذاكره و رزرو منابع.3- تعريف يك قرارداد سطح سرويس شامل مشخصات ترافيك و پارامترهاي كيفيت سرويس.4- تعريف الگوريتمي براي كنترل پذيرش ارتباطها (Admission Control ).5- امكان كنترل مشخصات ترافيك جريانها .(Traffic Policing / Shaping). 6- امكان مسيريابي حساس به كيفيت سرويس براي يافتن يك مسير مناسب.7- امكانات پردازش حساس به كيفيت سرويس بسته ها:Drop Policy/ Buffer Allocation _ Queuing Discipline & Service Policy_ Traffic Management_

اسلاید 37: مكانيسم هاي ارايه كيفيت سرويسA . قرارداد بين كاربران و شبكهService Level Agreement (SLA)_ Traffic Contract_ QoS Contract_ B . در لبه شبكه (Network Edge)Signaling & Admission Control_ Packet Classification/Marking_ Traffic Shaping_ Traffic Policing_ C .در روترهاClassification & Scheduling_ Routing_ Buffer Management_ Traffic Monitoring ( metering)_

اسلاید 38: دسته بندي مكانيسم هاي كيفيت سرويساين مكانیسم ها به سه دسته مكانيسم هاي صفحه داده، مكانيسم هاي صفحه كنترلي و مكانيسم هاي صفحه مديريت تقسيم مي شوند:1-صفحه داده: شامل مجموعه پروتكلها و مكانيسم هايي است كه براي تحويل به موقع بسته ها به گيرنده به كار مي رود مانند buffering, priority scheduling , ,error control framing.2- صفحه كنترلي: شامل كليه پروتكلها و مكانيسم هاي لازم جهت برقراري, نگهداري و قطع ارتباط بين كاربران است مانند پروتكل سيگنالينگ براي رزرو منابع.3- صفحه مديريت: شامل پروتكلها و مكانيسم هاي لازم براي نظارت , نگهداري و اطمينان از سالم بودن تجهيزات و منابع شبكه است مانند نظارت بر استفاده از منابع (metering).

اسلاید 39: Quality of Service شمای کلی ساختار

اسلاید 40: مقايسه اي از مكانيسم هاي QoSجدول زير مقايسه اي بين شبكه هاي ATM و IP انجام مي دهد.

اسلاید 41: نتیجه گیری فصل 6در این فصل موارد زیر مورد بررسی قرار گرفت کاربردهای بلادرنگ و به طور خاص playbackها بررسی شد. نشان داده شد که کاربردها را می توان به دو دسته قابل انعطاف و غیر قابل انعطاف تقسیم کرد. سرویس Best Effort در اینترنت توضیح داده شد. کیفیت سرویس و پارامترهای مربوطه تعریف گردید. نیازمندیهای یک معماری کیفیت سرویس تشریح گردید. اجزای یک معماری کیفیت سرویس بیان شد و مکانیسم های مربوطه برای پیاده سازی این اجزا و نقش هر یک از تجهیزات شبکه در این پیاده سازی توضیح داده شد.