Ποιότητα υπηρεσίας σε δίκτυα επόμενης γενιάς: μηχανισμοί για τη χρήση διαφοροποιημένων υπηρεσιών και μεσιτών εύρους ζώνης

Abstract

The main goal of this dissertation is the study of two of the main developments related to the Internet network layer: the provisioning of Quality of Service guarantees to part of the total traffic traversing ΙΡ networks, as well as the need for upgrading the IPv4 protocol to IPv6. 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 have also studied the admission control module of a Bandwidth Broker. An adaptive algorithm for advance resource reservation requests is proposed and evaluated. The algorithm gathers and evaluates multiple requests in order to better utilize the network, using previous work on timescheduling problems. The importance of monitoring and adapting the computational overhead for the Bandwidth Broker is clearly demonstrated for high request arrival rates and small bandwidth requests, such as the case for multiple VoIP requests that use a high bandwidth link.

Κεντρικό αντικείμενο αυτής της Διδακτορικής Διατριβής αποτελεί η μελέτη του συνδυασμού δύο εκ των βασικότερων εξελίξεων που σχετίζονται με το επίπεδο του IP πρωτοκόλλου στο Internet: της δυνατότητας για την παροχή εγγυήσεων ποιότητας (Quality of Service) σε τμήμα της συνολικής κίνησης που διακινείται μέσα από τα IP δίκτυα, καθώς και της ανάγκης αναβάθμισης του IPv4 πρωτοκόλλου στο IPv6. Επίσης αντικείμενο της παρούσας εργασίας είναι η ανάπτυξη μηχανισμών και αλγορίθμων για την αποδοτική διαχείριση των πόρων, τον όσο το δυνατόν δίκαιο καταμερισμό της ποιότητας υπηρεσίας, καθώς και τη δυνατότητα συνεργασίας και διαλειτουργικότητας μεταξύ διαφορετικών αυτόνομων δικτυακών τμημάτων με αυτοματοποιημένο τρόπο (χωρίς δηλαδή να χρειάζεται η παρέμβαση ενός ανθρώπου διαχειριστή στις περισσότερες περιπτώσεις). Για το σκοπό αυτό έχουν προταθεί διάφορες προσεγγίσεις όσον αφορά μεσίτες εύρους ζώνης, οι οποίες μελετώνται στην εργασία αυτή, ενώ προτείνονται αλγόριθμοι και μηχανισμοί για τη βελτίωση της λειτουργίας και της απόδοσής τους. Το IPv4 είχε τη δυνατότητα υλοποίησης μηχανισμών QoS στο επίπεδο δικτύου με τη χρήση του πεδίου TOS (Type Of Service). Στην πράξη όμως το πεδίο αυτό έμεινε σε μεγάλο βαθμό ανεκμετάλλευτο. Το IPv6 επεκτείνει και βελτιώνει την ιδέα αυτή, παρέχοντας δύο νέα πεδία στην στάνταρ επικεφαλίδα, τα Traffic Class και Flow Label, τα οποία μπορούν να χρησιμοποιηθούν προς αυτήν την κατεύθυνση. Η χρήση των πεδίων αυτών, όπως και γενικότερα η χρήση του IPv6 βρίσκονται ακόμα σε πειραματικό επίπεδο. Καθώς όμως το IPv6 περνάει σιγά-σιγά στο προσκήνιο και ετοιμάζεται να υποκαταστήσει το κυρίαρχο έως τώρα IPv4, παρουσιάζει ιδιαίτερο ενδιαφέρον η διερεύνηση του τρόπου με τον οποίο θα αξιοποιηθούν πρακτικά οι QoS δυνατότητες που προσφέρει το IPv6. Μία σημαντική παράμετρος της υποστήριξης QoS Μηχανισμών από άκρο σε άκρο είναι η συνεργασία μεταξύ διαφορετικών αυτόνομων τμημάτων (domains) που απαιτείται προκειμένου η κίνηση να υφίσταται προνομιακή μεταχείριση καθ’ όλη τη διαδρομή της και να της παρέχονται οι αναγκαίες εγγυήσεις ποιότητας. Η διαπραγμάτευση της συνεργασίας αυτής είναι σαφές ότι πρέπει να είναι όσο το δυνατόν αυτοματοποιημένη για να μπορούν τέτοιου είδους υπηρεσίες να γνωρίσουν ευρύτερη διάδοση. Για το σκοπό αυτό έχει από το RFC 2638 της IETF οριστεί η μονάδα του Bandwidth Broker (μεσίτης εύρους ζώνης). Ελέγχει το δικτυακό φόρτο αποδεχόμενη ή απορρίπτοντας αιτήματα για συγκεκριμένο bandwidth με εγγυήσεις QoS. Οι Bandwidth Brokers χρειάζεται να εγκαθιδρύσουν σχέσεις περιορισμένης εμπιστοσύνης με τις αντίστοιχες μονάδες στα γειτονικά domains, αντίθετα με άλλες αρχιτεκτονικές που απαιτούν τον καθορισμό των χαρακτηριστικών μιας ροής στους δρομολογητές κατά μήκος του από άκρο σε άκρο μονοπατιού. Επομένως η αρχιτεκτονική του Bandwidth Broker δίνει τη δυνατότητα να κρατηθεί η πληροφορία στο επίπεδο του διαχειριστικού domain, αντί να πρέπει να κρατηθεί σε κάθε δρομολογητή, και η DiffServ αρχιτεκτονική δίνει τη δυνατότητα να περιοριστεί η πληροφορία αυτή μόνο για τους ακραίους δρομολογητές κάθε domain. Στα πλαίσια της εργασίας αυτής ασχοληθήκαμε επίσης με τη μονάδα ελέγχου αποδοχής ενός Bandwidth Broker. Προτείνεται και αξιολογείται ένας προσαρμοστικός αλγόριθμος για αιτήματα κράτησης πόρων που καταφτάνουν νωρίτερα από τον καθορισμένο χρόνο έναρξης της κράτησης. Το γεγονός αυτό επιτρέπει στον αλγόριθμο να συγκεντρώνει ένα σύνολο από πολλαπλά αιτήματα και να κάνει καλύτερη αξιοποίηση του δικτύου, χρησιμοποιώντας την υπάρχουσα βιβλιογραφία για προβλήματα χρονοδρομολόγησης. Η σημασία της παρακολούθησης και της προσαρμογής της υπολογιστικής επιβάρυνσης για τον Bandwidth Broker φαίνεται σαφέστερα όταν υπάρχει μεγάλος ρυθμός άφιξης αιτημάτων, ενώ το ζητούμενο bandwidth για κάθε κράτηση είναι μικρό, όπως στην περίπτωση πολλαπλών VoIP αιτημάτων σε μία σύνδεση υψηλού bandwidth.