ATM Netzwerke

Grundkurs Routing im Internet mit
Übungen
Falko Dressler, Ursula Hilgers
{Dressler,Hilgers}@rrze.uni-erlangen.de
Regionales Rechenzentrum der FAU
Dressler, Hilgers,
Regionales RechenZentrum Erlangen
1
Grundkurs Routing …
Tag 5
• Mechanismen zur Dienstgütebereitstellung in Routern
– QoS
– QoS & IP
– Differentiated Services
• Bandbreitenkontrolle
• Scheduling
• Verhinderung von Überlast
– Konfiguration
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2
Grundkurs Routing …
QoS (I)
• Dienstqualität (Quality of Service, QoS):
Eigenschaften bei der Ausführung eines
Dienstes aus der Sicht eines Benutzers
(auf Ende-zu-Ende Basis)
Dienst: Telnet-Verbindung, Videokonferenz
• objektive (messbare) oder subjektive
Eigenschaften
– objektiv: Durchsatz, Delay, Jitter, ..
– subjektiv: Qualität des Bildes/Tons
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3
Grundkurs Routing …
QoS (II)
• Dienstintegration im Internet: Datenübertragung
verschiedener Applikationen über das IPProtokoll: Best-Effort“ keine Garantien für die
Datenübertragung
• Neue Anforderungen durch „Echtzeit“Applikationen
(Bsp.: hochqualitative Multimedia-Anwendungen)
• QoS versus Class of Service (CoS):
– QoS: absolute Delay-, Durchsatz-, ... Garantien für
einen Verkehrstrom unabhängig vom Verhalten
anderer Ströme
– CoS: relative Garantien
(Probleme bei Überlastung des Netzwerks)
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4
Grundkurs Routing …
QoS (III)
Überlast
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5
Grundkurs Routing …
QoS (IV)
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6
Grundkurs Routing …
QoS (V)
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7
Grundkurs Routing …
QoS (VI)
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8
Grundkurs Routing …
QoS (VII)
• Anwendungen mit unterschiedlichen
Anforderungen Definition von
Dienstklassen, die zwischen Kunde und
Provider ausgehandelt werden und an den
Netzwerkgrenzen zur Verfügung stehen:
– Service Level Agreement (SLA)
Enthalten Tarife, Sicherheitsaspekte und
eine Beschreibung der technischen
Parameter aller Dienste, die vom
Provider angebotenen werden.
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9
Grundkurs Routing …
QoS (VIII)
• Beispiel für ein SLA:
3 Dienste werden zwischen Kunde und
Provider ausgehandelt
– Datenrate 2 Mbit/s, geringe
Verzögerungen/Jitter
(Anwendung: Telefonie)
– Datenrate 40 Mbit/s, keine Verluste, Delay
kleiner 100 ms
(Anwendung: hochqualitative DialogVideoübertragung)
– „Best-Effort“
(Anwendung: textbasierte Datenübertragung)
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10
Grundkurs Routing …
QoS & IP (I)
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11
Grundkurs Routing …
QoS & IP (II)
• Anforderungen an die
Netzwerkkomponenten:
– Bandbreitenbegrenzung am Rande des
Netzwerks zur Überwachung des SLA
– Faires/Prioritätenbasiertes Scheduling
(Videokonferenzen
Datenübertragung)
Klassifizierung
– Überlastkontrolle
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12
Grundkurs Routing …
QoS & IP (III)
• „QoS“ in IP-Netzwerken: oft nur CoS relative Garantien in Abhängigkeit von der
Belastung des Netzes
• Verschiedene Ansätze entwickelt von der
Internet Engineering Task Force (IETF):
– Integrated Services
• Resource Reservation Protocol (RSVP)
– Differentiated Services (DiffServ)
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13
Grundkurs Routing …
DiffServ (I)
• Skalierbarer Mechanismus zur
Dienstdifferenzierung Klassifizieren des
Verkehrs und Aggregieren zu Dienstklassen
(keine aufwendige Signalisierung pro
Anwendungsfluss
RSVP)
• Konzept:
– Klassifizieren und Markieren der Pakete und
Überprüfung der SLAs (Verkehrsregulierung)
– Zuweisung der Ressourcen im Router abhängig
von der Dienstklasse (Scheduling, Buffer, ...)
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14
Grundkurs Routing …
DiffServ (II)
• unidirektional
• Forderungen
– keine Performance-Einbußen im Netzwerk
durch DiffServ
– keine Speicherung von
Zuständen/Signalisierung
( Markierung)
– keine Änderung der Applikationen
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15
Grundkurs Routing …
DiffServ (III)
• Definition von Service Level
Specifications (SLS): Parameter die
angebotene Dienste spezifizieren
• Funktionalität der DiffServ-Router (am
Rande des Netzes):
– Aggregierung des Verkehrs
– Überprüfung der Vertragskonformität
– Komplexe Funktionen zur Klassifikation,
Markierung, Verkehrsregulierung, ..
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16
Grundkurs Routing …
DiffServ (IV)
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17
Grundkurs Routing …
DiffServ (V)
• Markieren
„Best Effort“: 00000000
DSCP: Differentiated Services
CodePoint
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18
Grundkurs Routing …
DiffServ (VI)
• Im Core des Netzes: Per Hop Behaviour auf
Pakete anwenden in Abhängigkeit der Markierung
im Paket Header
• Abbildung: Dienstklasse im SLA
Per Hop
Behaviour (PHB)
– Reservierung der Ressourcen im Router:
Reservierung der Ressourcen für jede
Dienstklasse entsprechend der
Qualitätsanforderungen (Buffer, Bandbreite)
– Queuemanagement und Scheduling
– Überlastkontrolle
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19
Grundkurs Routing …
DiffServ (VII)
• Standardisierter PHB:
– Assured Per Hop Behaviour
– Expedited Per Hop Behaviour
– (default)
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20
Grundkurs Routing …
DiffServ (VIII)
• Expedited Per Hop Behaviour (RFC
3246)
– Low Loss / Delay
– SLS enthalten Verkehrsprofile
– Nicht konformer Verkehr wird verworfen
– Bsp: Voice over IP
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21
Grundkurs Routing …
DiffServ (IX)
• Assured Per Hop Behaviour (RFC
2597)
– 4 Klassen mit 3 verschiedenen
Verwurfsprofilen
– Belegung des
DSCP-Bytes:
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Grundkurs Routing …
DiffServ (X)
• AF PHB f.
– SLS werden vereinbart
– Pakete mit niedriger Drop-Wahrscheinlichkeit
werden geschützt vor solchen mit einer höheren
– Menge des weitergeleiteten Verkehrs hängt ab
von
• Den für die Klasse allokierten Ressourcen
• Der Last dieser Klasse
• Der Drop Precedence
– Keine Zusagen an das maximale Delay
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23
Grundkurs Routing …
Scheduling (I)
• FIFO-Queueing - First in, First out
– effizientes Verfahren
– negative Auswirkungen bei
Anwendungsflüssen mit höherem
Verkehrsaufkommen
• Fair Queueing
– Gleichbehandlung für jede Dienstklasse, da
gleicher Anteil an Ausgangsbandbreite
– Benachteiligung von kleinen
Paketen
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24
Grundkurs Routing …
Scheduling (II)
• Flow: virtuelle Verbindung
Alle Pakete mit der gleichen
Source/Destination IP-Adresse und
Port-Nummer und Protokoll-ID
• Alle Pakete eines Flows werden der
gleichen Dienstklasse zugewiesen
ToS Feld im IP-Header wird
entsprechend markiert
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25
Grundkurs Routing …
Scheduling (III)
• Weighted Fair Queueing (WFQ):
jeder Warteschlange wird ein Gewicht
zugeteilt, das den Anteil an Ausgangsbandbreite bestimmt
Parekh (1992)
•
•
•
•
Bandbreitengarantie
Isolation von Flows
Fairness
maximale Grenze fürs Delay (Token
Bucket regulierter Verkehrsstrom)
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Grundkurs Routing …
Überlastkontrolle (I)
• Buffer und Queues werden von
Netzwerkelementen als temporäre
Zwischenspeicher für Daten verwendet,
die darauf warten, übertragen zu
werden
• Buffer und Queues füllen sich, wenn der
Router die Daten nicht schnell genug
übertragen kann
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27
Grundkurs Routing …
Überlastkontrolle (II)
• Verwurfsstrategien: Random Drop
Drop
Tail
– Tail Drop: Standard Verhalten im Netzwerk
ankommende IP-Pakete werden verworfen,
wenn Queue voll ist
TCP-Verbindungen reduzieren Senderate „Slow Start“ (Mechanismus zur
Überlastkontrolle)
„globale Synchronisation“
– Random Drop: zufälliges Verwerfen, bevor
Queue überläuft
Random Early Detect (RED):
Mechanismus zur Vermeidung von Überlast
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28
Grundkurs Routing …
Überlastkontrolle (III)
• RED beobachtet die durchschnittliche
Queuelänge und verwirft ggf. Pakete
aus ausgewählten Anwendungsflüssen
einzelne TCP-Flows reduzieren ihre
Übertragungsrate
• RED geringes Delay und maximaler
Durchsatz (Verhinderung von globaler
Synchronisation)
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Grundkurs Routing …
Überlastkontrolle (IV)
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30
Grundkurs Routing …
Überlastkontrolle (V)
•
Wenn ein Paket ankommt
1. The average queue size is calculated.
2. If the average is less than the minimum queue
threshold, the arriving packet is queued.
3. If the average is between the minimum queue
threshold for that type of traffic and the
maximum threshold for the interface, the packet
is either dropped or queued, depending on the
packet drop probability for that type of traffic.
4. If the average queue size is greater than the
maximum threshold, the packet is dropped.
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31
Grundkurs Routing …
Überlastkontrolle (VI)
Verwurfswahrsc heinlichkeit 1
0
minth
max th
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32
Durchschnittliche
Länge der Warteschlange
Grundkurs Routing …
Überlastkontrolle (VII)
• Weighted RED
Verwurfswahrscheinlichkeit
1
0
minth 3
maxth3 minth2
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max th2 min th1 maxth1
33
durchschnittliche
Länge der Warteschlange
Grundkurs Routing …
Konfiguration (I)
• Auf Cisco-Routern:
– Bandbreitenbegrenzung am Rande des
Netzwerks (Admission Control):
rate-limit
– Scheduling: (weighted) faire-queue
– Überlastkontrolle: random-detect
• IOS 12.0.10(S)
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34
Grundkurs Routing …
rate-limit (I)
• Nur mit IP-Verkehr
• Voraussetzung: Cisco Express Forwarding
• (CEF) Klassifikation möglich für
– eingehendes Router-Interface
– einzelne Flows
Pakete mit gleichen Eigenschaften (z.B. gleicher
Zieladresse) werden herausgefiltert
Filtern der Pakete ist auf Cisco Routern durch
Access Listen (ACLs) realisiert
Art der Implementation der ACLs (Software
oder Hardware) hat entscheidenden Einfluss auf
die Funktionalität des Klassifizierens
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Grundkurs Routing …
rate-limit (II)
• Realisierung durch einen Token
Bucket: Formale Definition die
Übertragungsrate festzulegen
– Committed Burst Size
– Durchschnittliche Rate (Mean Rate,
Committed Information Rate (CIR),
– Ankunftszeit
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Grundkurs Routing …
Rate R der symbolischen
Dateneinheiten (Token)
Größe des Speicherbereichs B (Bucket)
ankommendes
IP-Paket
Dateneinheit
vorhanden?
nein
IP-Paket
verwerfen
ja
IP-Paket
weiterleiten
rate-limit (IV)
• Für den gesamten IP-Verkehr an einem
Interface
Step
Command
Purpose
1
interface interface-type
interface-number
Specify the interface or subinterface.
This command puts the router in
interface configuration mode.
2
rate-limit {input |
output} bps burst-normal
burst-max
conform-action action
exceed-action action
Specify a basic CAR policy for all IP
traffic.(action: see next slide)
3
end
Exit interface configuration mode.
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Grundkurs Routing …
rate-limit (V)
Rate-Limit Command Action
Keywords
Description
continue
Evaluate the next rate-limit
command.
drop
Drop the packet.
set-prec-continue new-prec
Set the IP Precedence and evaluate
the next rate-limit command.
set-prec-transmit new-prec
Set the IP Precedence and transmit
the packet.
transmit
Transmit the packet.
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39
Grundkurs Routing …
Step
Command
Purpose
1
interface interface-type interfacenumber
Specify the interface or subinterface ->
configuration mode.
2
rate-limit {input | output} [accessgroup [rate-limit]
acl-index] bps burst-normal burstmax conform-action
action exceed-action action
Specify the rate policy for each particular
class of traffic. Repeat this command for
each different class of traffic.
3
access-list acl-index {deny |
permit} source
[source-wildcard]
or
access-list acl-index {deny |
permit} protocol source
source-wildcard destination
destination-wildcard
[precedence precedence] [tos tos]
[log]
(Optional) Specify a standard or extended
access list. Repeat this command to further
configure the access list or specify a new
access list.
4
end
Exit interface configuration mode.
rate-limit (VII)
• Test: Wie wird die CPU des Router-Interfaces durch
die Klassifikationsaufgabe belastet?
• Cisco 7507, IOS
12.0.(10)S
• Versatile Interface
Boards im Router mit
155 MBit/s PoS
Schnittstelle
• Klassifikation wird an
dem eingehenden
Interface des Routers
aktiviert
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41
Grundkurs Routing …
rate-limit (VIII)
• Der Verkehrsgenerator sendet UDP-Verkehr auf
verschiedenen Flows mit einer Rate von 3 Mbit/s
• Die Anzahl der Flows wird kontinuierlich gesteigert
• Pakete der Größe 64, 429 und 4096 Byte
• Die Klassifikation wird basierend auf den Zieladressen
durchgeführt
• Das Filtern wird mit
Access Listen (ACLs)
realisiert
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Grundkurs Routing …
rate-limit (IX)
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Grundkurs Routing …
faire-queue (I)
• Pakete werden pro Flow klassifiziert
(Flow: Pakete mit der gleichen IP Adresse, UDP/TCP
Port und gleichem Protokoll)
• Konfiguration:
Command
Purpose
fair-queue
[congestive-discardthreshold
[dynamic-queues
[reservable-queues]]]
or
fair-queue
Configure an interface to use fair queueing.
or
Configure an interface to use fair queueing on
a Cisco router using a VIP-based interface.
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44
Grundkurs Routing …
faire-queue (II)
congesti
vediscardthreshol
d
(Optional) Number of messages allowed in each queue. The
default is 64 messages, and a new threshold must be a power of 2
in the range 16 to 4096. When a conversation reaches this
threshold, new message packets are discarded.
dynamic (Optional) Number of dynamic queues used for best-effort
-queues conversations (that is, a normal conversation not requiring any
special network services). Values are 16, 32, 64, 128, 256, 512,
1024, 2048, and 4096. The default is 256.
reserva
blequeues
(Optional) Number of reservable queues used for reserved
conversations in the range 0 to 1000. The default is 0. Reservable
queues are used for interfaces configured for features such as
Resource Reservation Protocol (RSVP).
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Grundkurs Routing …
faire-queue (III)
• Monitoring von faire-queue
Command
Purpose
show interfaces
[interface] fair-queue
Show information about an interface
configured for WFQ and DWFQ.
show queueing fair
Show status of the fair queueing configuration.
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46
Grundkurs Routing …
random-detect (I)
• Aktivieren
Command
randomdetect
Purpose
Enable WRED. If you configure this command on a VIP
interface, DWRED is enabled.
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Grundkurs Routing …
random-detect (II)
Command
Purpose
random-detect
exponentialweightingconstant
exponent
Configure the weight factor used in calculating the
average queue length. Exponent from 1 to 16 used in
the average queue size calculation. The default
exponential weight factor is 9.
random-detect
precedence
precedence
min-threshold
max-threshold
mark-probdenominator
Configure parameters for packets with a specific IP
Precedence. The minimum threshold for IP Precedence
0 corresponds to half the maximum threshold for the
interface. Repeat this command for each precedence.
To configure RED, rather than WRED, use the same
parameters for each precedence.
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48
Grundkurs Routing …
precedence
IP precedence number. The value range is 0 to 7 and RSVP
min-threshold
Minimum threshold in number of packets. The value range of this
argument is 1 to 4096. When the average queue length reaches the
minimum threshold, WRED drops all packets with the specified IP
precedence.
max-threshold Maximum threshold in number of packets. The value range of this
argument is the value of the min-threshold argument to 4096.
When the average queue length exceeds the maximum threshold,
WRED drops all packets with the specified IP precedence.
mark-probdenominator
Denominator for the fraction of packets dropped when the average
queue depth is at the maximum threshold. For example, if the
denominator is 512, one out of every 512 packets is dropped when
the average queue is at the maximum threshold. The value range is
1 to 65536. The default is 10; one out of every ten packets is
dropped at the maximum threshold.
random-detect (IV)
• Monitoring von RED
Command
Purpose
show interfaces [interfacetype
interface-number] randomdetect
Show information about WRED on a VIPbased interface.
show queue interface-type
interface-number
Show WRED configuration and statistics for
a particular interface.
show queueing [red]
Show the queueing configuration for
WRED.
show interfaces [type slot |
port-adapter | port]
Show DWRED statistics for Cisco 7500
series routers.
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50
Grundkurs Routing …
Fragen???
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51
Grundkurs Routing …