Αυτοματοποιημένη διαχείριση υπηρεσιών quality of service

Abstract

The main goal of this dissertation is the study of the provisioning of Quality of Service guarantees to part of the total traffic traversing ΙΡ networks. The study is focused on both IPv4 and IPv6 protocol, as IPv6 overcome the limitation that IPv4 has introduced. Also goal of this dissertation is the development of mechanisms and algorithms for the effective administration of resources, the best possible fairness in distributing the quality of service, and the possibility of cooperation and interoperability between different domains in an automated way (without the need for human intervention in most cases). For this reason, a number of approaches have been proposed related to Bandwidth Brokers. These approaches are studied in this dissertation, while new algorithms and mechanisms are proposed for the improvement of their operation and performance. IPv4 was capable of supporting QoS mechanisms at the network layer using the TOS field (Type of Service). IPv6 advances and improves on this idea, by supplying two new fields in the standard header, called Traffic Class and Flow Label, which can be used for this purpose. The usage of these fields, as well as the usage of IPv6 is still at an early stage. However, while IPv6 comes to the foreground and becomes mature enough to replace the dominant IPv4, it is especially interesting to investigate the way that IPv6 QoS capabilities are practically going to be exploited. An important parameter for supporting end-to-end QoS mechanisms is the interaction between multiple domains so that the designated traffic is subjected to preferential treatment along the whole path. The negotiation of this interaction clearly has to be as much automated as possible, if such services are to be widely supported. For this reason, RFC 2638 from IETF has defined the Bandwidth Broker entity. According to the RFC definition, it controls the network load by accepting or rejecting requests for specific bandwidth with QoS guarantees. Bandwidth Brokers only need to establish relationships of limited trust with their peers in adjacent domains, unlike schemes that require the setting of flow specifications in routers throughout an end-to-end path. In practical technical terms, the Bandwidth Broker architecture makes it possible to keep state on an administrative domain basis, rather than at every router and the service definitions of Premium and Assured service make it possible to confine per flow state to just the leaf routers. In the framework of this dissertation we studied a full QoS framework, including priority and assured bandwidth services for Greek Research and Technology Network. In addition, we studied and implemented a bandwidth broker that manages these services in the above network and it also communicate with adjacent domains (like Geant, the Pan-European Academic Network), providing end-to-end provisioning. The implemented bandwidth broker is based on open source tools and belongs to Grnet’s production services portfolio. Finally, it is available for use to other Research networks as well as the experience from the development. Additionally, we studied distributed architectures of bandwidth brokers using simulation tools. We implemented some enhancements on NS-2 simulator in order to have all the necessary tools for QoS tests and measurements. Next, we simulated and compared distributed and centralized models, focusing on the trade-off in their operation related to the network conditions. In distributed architectures, the operation is highly affected by topology and the distribution of service’s requests. Therefore, we studied an algorithm that adapts the distributed bandwidth broker according to several conditions, by changing the location of the main base station and the overall configuration. Finally, we studied several models for the inter-domain routing in a topology with many independent autonomous systems, aiming at investigate the best routing path that provides the QoS guarantees while the autonomous systems keeps the privacy and the SLAs in their domains.

Η ζπλερήο εμέιημε ησλ δηθηύσλ πνπ βαζίδνληαη ζην ΙΡ πξσηόθνιιν θαη ε επξύηαηε δηάδνζε θαη ρξήζε ηνπο ηα ηειεπηαία ρξόληα ζε νιόθιεξν ηνλ θόζκν θαζνδεγεί ηελ αλάγθε γηα ηελ αλάπηπμε λέσλ ηερλνινγηώλ θαη ηελ αλαβάζκηζε ησλ ππαξρόλησλ, πξνθεηκέλνπ λα θαιπθζνύλ νη ζπλερώο κεηαβαιιόκελεο ηάζεηο θαη αλάγθεο. Γύν από ηηο βαζηθόηεξεο εμειίμεηο πνπ ζρεηίδνληαη κε ην επίπεδν ηνπ ΙΡ πξσηνθόιινπ είλαη ε δπλαηόηεηα γηα ηελ παξνρή εγγπήζεσλ πνηόηεηαο (Quality of Service) ζε ηκήκα ηεο ζπλνιηθήο θίλεζεο πνπ δηαθηλείηαη κέζα από ηα ΙΡ δίθηπα, θαζώο θαη ε αλάγθε αλαβάζκηζεο ηνπ IPv4 πξσηνθόιινπ πξνθεηκέλνπ (θπξίσο) λα εμαιεηθζεί ην πξόβιεκα ηεο θεηδσιήο δηάζεζεο κνλαδηθώλ θαη νηθνπκεληθά δξνκνινγήζηκσλ δηεπζύλζεσλ, θαζώο θαη λα βειηησζνύλ άιιεο δεπηεξεύνπζεο αηέιεηεο ηνπ IPv4. Κεληξηθό αληηθείκελν απηήο ηεο Γηδαθηνξηθήο Γηαηξηβήο απνηειεί ε κειέηε ησλ ηερλνινγηώλ γηα παξνρή Quality of Service θαζώο θαη ε αλάπηπμε κεραληζκώλ θαη αιγνξίζκσλ γηα ηελ απνδνηηθή δηαρείξηζε ησλ πόξσλ, ηνλ όζν ην δπλαηόλ δίθαην θαηακεξηζκό ηεο πνηόηεηαο ππεξεζίαο, θαζώο θαη ηε δπλαηόηεηα ζπλεξγαζίαο θαη δηαιεηηνπξγηθόηεηαο κεηαμύ δηαθνξεηηθώλ απηόλνκσλ δηθηπαθώλ ηκεκάησλ κε απηνκαηνπνηεκέλν ηξόπν (ρσξίο δειαδή λα ρξεηάδεηαη ε παξέκβαζε ελόο αλζξώπνπ δηαρεηξηζηή ζηηο πεξηζζόηεξεο πεξηπηώζεηο). Γηα ην ζθνπό απηό έρνπλ πξνηαζεί δηάθνξεο πξνζεγγίζεηο, νη νπνίεο κειεηώληαη ζηελ εξγαζία απηή, ελώ πξνηείλνληαη αιγόξηζκνη θαη κεραληζκνί γηα ηε βειηίσζε ηεο ιεηηνπξγίαο θαη ηεο απόδνζήο ηνπο. Δπίζεο, από ην RFC 2638 ηεο IETF έρεη νξηζηεί ε κνλάδα ηνπ Bandwidth Broker πνπ δηαρεηξίδεηαη ζπλνιηθά ππεξεζίεο QoS ζε έλα domain. Οη Bandwidth Brokers ρξεηάδεηαη λα εγθαζηδξύζνπλ ζρέζεηο πεξηνξηζκέλεο εκπηζηνζύλεο κε ηηο αληίζηνηρεο κνλάδεο ζηα γεηηνληθά domains, αληίζεηα κε άιιεο αξρηηεθηνληθέο πνπ απαηηνύλ ηνλ θαζνξηζκό ησλ ραξαθηεξηζηηθώλ κηαο ξνήο ζηνπο δξνκνινγεηέο θαηά κήθνο ηνπ από άθξν ζε άθξν κνλνπαηηνύ. Δπνκέλσο ε αξρηηεθηνληθή ηνπ Bandwidth Broker δίλεη ηε δπλαηόηεηα λα θξαηεζεί ε πιεξνθνξία ζην επίπεδν ηνπ δηαρεηξηζηηθνύ domain, αληί λα πξέπεη λα θξαηεζεί ζε θάζε δξνκνινγεηή, θαη ε DiffServ αξρηηεθηνληθή δίλεη ηε δπλαηόηεηα λα πεξηνξηζηεί ε πιεξνθνξία απηή κόλν γηα ηνπο αθξαίνπο δξνκνινγεηέο θάζε domain. ?ηα πιαίζηα ηεο δηδαθηνξηθήο απηήο δηαηξηβήο κειεηήζεθε ε αξρηηεθηνληθή DiffServ ζε επίπεδν κεραληζκώλ ρξεζηκνπνηώληαο εξγαιεία εμνκνίσζεο (NS-2 simulator) θαζώο θαη πξαγκαηηθό δίθηπν επξείαο θιίκαθαο. Σν IPv4 πξσηόθνιιν έρεη ηε δπλαηόηεηα πινπνίεζεο κεραληζκώλ QoS ζην επίπεδν δηθηύνπ κε ηε ρξήζε ηνπ πεδίνπ TOS (Type Of Service). Σν IPv6 επεθηείλεη θαη βειηηώλεη ηελ ηδέα απηή, παξέρνληαο δύν λέα πεδία ζηελ ζηάληαξ επηθεθαιίδα, ηα Traffic Class θαη Flow Label, ηα νπνία κπνξνύλ λα ρξεζηκνπνηεζνύλ πξνο απηήλ ηελ θαηεύζπλζε. Σν απνηέιεζκα ήηαλ ν ζρεδηαζκόο κηαο νκάδαο ππεξεζηώλ QoS (απόιπηεο πξνηεξαηόηεηαο ζε IP θίλεζε, εγγπεκέλνπ εύξνπο δώλεο γηα L2 ζπλδέζεηο κέζσ ηδεαηώλ δηθηύσλ θαζώο θαη θίλεζεο ρακειήο πξνηεξαηόηεηαο). Ο ζρεδηαζκόο απηόο νινθιεξώζεθε κε ηελ πινπνίεζε κηαο πιήξνπο εθαξκνγήο bandwidth broker (θεληξηθνπνηεκέλε αξρηηεθηνληθή) πνπ εθηειεί ηηο αθόινπζεο εξγαζίεο: κνληεινπνίεζε δηθηύνπ, εθαξκνγή ηνπ κνληέινπ δηαζηαζηνιόγεζεο ζηελ ηξέρνπζα θαηάζηαζε, απνδνρή θιήζεο QoS αηηεκάησλ, παξαγσγή παξακέηξσλ ξύζκηζεο γηα ηηο δηθηπαθέο ζπζθεπέο, παξαθνινύζεζε ιεηηνπξγίαο QoS ζην δίθηπν, επηθνηλσλία κε αληίζηνηρνπο bandwidth brokers ζε γεηηνληθά domains θαη πιήξε δηαρείξηζε ησλ αηηεκάησλ QoS. Δπηπιένλ, δεδνκέλνπ όηη νη αλάγθεο ησλ εθαξκνγώλ γηα QoS απμάλνληαη, πξέπεη λα δίλεηαη κεγαιύηεξε επειημία κηα QoS ζεκαηνδνζία. Γηα ην ιόγν απηό κειεηήζεθε θαη πινπνηήζεθε κηα εθαξκνγή απηόκαηεο ζεκαηνδνζίαο ρξεζηκνπνηώληαο ην επξέσο γλσζηό πξσηόθνιιν δξνκνιόγεζεο BGP. Σν απνηέιεζκα είλαη λα επηηπγράλεηαη δπλακηθή ζεκαηνδνζία γηα QoS ζε έλα δίθηπν κέζσ κηαο δηεπαθήο πνπ βαζίδεηαη ζε Web service ή ζε κηα Βάζε Γεδνκέλσλ. Σν ζύλνιν ηεο εξγαζίαο απηήο δνθηκάζηεθε θαη εθαξκόζηεθε ζην Δζληθό Γίθηπν Έξεπλαο & Σερλνινγίαο θαη είλαη δηαζέζηκν ζε αληίζηνηρα εξεπλεηηθά εζληθά δίθηπα. Δπηπιένλ, κηα ζεκαληηθή παξάκεηξνο ηεο ππνζηήξημεο QoS κεραληζκώλ από άθξν ζε άθξν είλαη ε ζπλεξγαζία κεηαμύ δηαθνξεηηθώλ απηόλνκσλ ηκεκάησλ (domains) πνπ απαηηείηαη πξνθεηκέλνπ ε θίλεζε λα πθίζηαηαη πξνλνκηαθή κεηαρείξηζε θαζ’ όιε ηε δηαδξνκή ηεο θαη λα ηεο παξέρνληαη νη αλαγθαίεο εγγπήζεηο πνηόηεηαο. Η δηαπξαγκάηεπζε ηεο ζπλεξγαζίαο απηήο είλαη ζαθέο όηη πξέπεη λα είλαη όζν ην δπλαηόλ απηνκαηνπνηεκέλε γηα λα κπνξνύλ ηέηνηνπ είδνπο ππεξεζίεο λα γλσξίζνπλ επξύηεξε δηάδνζε. Ο πινπνηεκέλνο bandwidth broker επεθηάζεθε ώζηε κέζσ Web service δηεπαθώλ λα «ζπλνκηιεί» κε αληίζηνηρνπο άιισλ domains. Παξάιιεια, ζηα πιαίζηα ηεο εξγαζίαο απηήο αζρνιεζήθακε επίζεο κε θαηαλεκεκέλεο αξρηηεθηνληθέο bandwidth broker όπνπ έγηλαλ πινπνηήζεηο ζε επίπεδν εμνκνίσζεο. Αξρηθά πινπνηήζεθαλ ή επεθηάζεθαλ νη πινπνηήζεηο ησλ κεραληζκώλ QoS ζηνλ εμνκνησηή θαη δεκηνπξγήζεθε θαη δνθηκάζηεθαλ QoS ζελάξηα. ?ηε ζπλέρεηα πινπνηήζεθαλ παξαιιαγέο bandwidth broker πνπ αθνινπζνύζαλ