Quality of Service (QoS)

Inhalt

Was ist QoS?

Was ist QoS?

Szenario

• bisher Best-Effort-Service
• heutzutage sehr starke Nutzung
• Bandbreiten- und Latenzzeitforderungen kaum erfüllbar

Anforderungen

• kurze Antwortzeiten für Management-Daten
• stabile Bandbreite für Videodaten
• keine Behinderung geschäftskritischer Anwendungen

Was ist QoS?

Quality of Service (QoS)

• Unterscheidung von Verkehrsklassen und Services
• unterschiedliche Behandlung

Quality

• bestimmte qualitative Parameter garantiert
• verlässliche Datenlieferung, garantierte Bandbreiten, minimale Verzögerung
• bevorzugte Behandlung von Management-Daten

Service

• verschiedene Arten von Anwendungen / Protokollen: Classes of Service (CoS)
• E-Mail, WWW, Chat, Videoströme; TCP, IP, IPX
• Klassifikation anhand Protokoll, Quell-/Zieladresse, Port

Was ist QoS?

Probleme bei der Umsetzung von QoS

• Netzwerkcharakteristiken müssen vorhersagbar bleiben
• z.B. Round-Trip Time -> wichtig für TCP-Timeouts
• Filtering bevorzugt an Endpunkten
• aber: dadurch leicht manipulierbar

• sehr eng mit Routing verbunden (z.B. QoSR)
• aber: lastabhängiges Routing noch sehr unausgereift
• Problem wegen Asymmetrie (Hin- und Rückweg)

• QoS-Maßnahmen meist nur in Überlastsituationen bemerkbar
• eher "Versicherung gegen Netzengpässe"
• Aufwand für Netzbetreiber, Folgen schwer vorhersehbar
• Messungen verfälschen Ergebnis zusätzlich

Herangehensweisen

Herangehensweisen

Integrated Services (IntServ)

• ähnliche Bedeutung wie bei ATM
• genaue Definition der Services

Schlüsselkomponenten

• Application Service (End-To-End Ansprüche)
• Router Scheduling (Informationen für Router)
• Router Validation (stehen Services zur Verfügung?)
• Resource-Sharing-Anforderungen (Link-Sharings)
• Usage Feedback (Accounting)
• Dynamische QoS-Anforderungen (RSVP)

Herangehensweisen

Differentiated Services (DiffServ)

• verschiedene Serviceklassen / Output Queues
• durch unterschiedliche Queuing Disciplines behandelbar
• Festlegung der Parameter an den Endpunkten oder beim Provider
• Klassifizierung im TOS-Byte mitgeführt (DSCP)
• Vorteil: skaliert besser als IntServ
• Nachteil: statisches Setup, kein RSVP

Grundlegende Serviceklassen

• Assured Forwarding (AF)
• Expedited Forwarding (EF)
• Best Effort (BE) bzw. Default (DE)

Grundlegende Verfahren

Grundlegende Verfahren

Admission Control

• welcher Traffic ist erlaubt
• Festlegung über Policies

• passive Admission Control: Endpunkte legen Policies fest
• aktive Admission Control: Ingress-Router legt Policies fest

Grundlegende Verfahren

Traffic Shaping

• Menge und Rate des Datenverkehrs kontrollieren
• Ziel: Anschein von vorhersagbarem Verhalten

Leaky Bucket

• Traffic-Bursts gepuffert und in konstanten Raten abgegeben
• wenn Puffer überläuft, neue Pakete gedroppt
• Nachteil: bei genügend Bandbreite Verkehr unnötig eingeschränkt

Token Bucket

• Bucket in bestimmten Abständen mit Tokens versorgt
• repräsentieren gewisse Menge von Datenbytes
• Daten nur bei genügend Tokens sendbar, Bursts möglich

Grundlegende Verfahren

Preferential Queuing

Priority Queuing

• hochpriorisierte Pakete vor anderen in Queue eingeordnet
• langsamer als FIFO (Analyse, Umordnung), unfair

Weighted Fair Queuing (WFQ)

• Traffic mit niedriger Datenmenge bevorzugt behandelt

Stochastic Fair Queuing (SFQ)

• Hashbildung über Quell- und Zieladresse -> Queues -> Round Robin
• Alternative: Weighted Round Robin (WRR)

Class-Based Queuing (CBQ)

• Bandbreite hierarchisch (Baum) auf Klassen verteilt, borgbar
• Fairness: jede Klasse behandelt, auch niedrigpriorisierte
• Alternative: Hierarchical Token Bucket (HTB)

Grundlegende Verfahren

TCP-Mechanismen

Random Early Detection/Drop (RED)

• Unterstützung der TCP-Flusskontrolle
• abhängig vom Füllstand der Queue Wegwerfen von Paketen
• TCP-Flows zu verschiedenen Zeitpunkten langsamer, Überlastung verhindert
• Problem: UDP (Multimedia!) nicht erfasst

Weighted RED (WRED)

• Dropwahrscheinlichkeit von Priorität abhängig
• Token-Bucket-Schwellen (Tresholds)
• überschritten -> niedrigere Priorität (Treshold Triggering)

Generalized RED (GRED)

• Drop-Precedences und -Wahrscheinlichkeiten pro Queue

Einsatz im CSN

Einsatz im CSN

Chemnitzer Studentennetz (CSN)

• Initiative von Studenten für Studenten
• Ziel: Anschluss der privaten Wohnheim-Rechner an Campusnetz
• Anfänge reichen zurück bis ins Jahr 1994

• derzeit etwa 1700 Nutzer
• alle Wohnheime sind angeschlossen
• eines der größten Studentennetze

Einsatz im CSN

Netztopologie CSN

Einsatz im CSN

Motivation

• Transfervolumen 3000 GByte/Monat (jetzt 6000)
• jährlich 550.000 DM
• nächste Kategorie 200.000 DM teurer
• bei Überschreitung Mahnungen und Bandbreitenbeschränkung

• Idee: Traffic-Limit für Nutzer
• bei Überschreitung erst Verwarnung, dann Sperrung
• Probleme bei notwendigen größeren Datenmengen
• Ausnutzung des Limits bei Ablauf der Gültigkeitsfrist
• "unfreundlicher Akt" und Beschneidung der persönlichen Freiheit

• Ausweg: intelligenteres Bandbreiten-Management

Einsatz im CSN

Prinzipielle Funktionsweise

• Nutzer nach Trafficmenge in Gruppen eingeteilt
• mehr Traffic -> schlechtere Gruppe mit weniger Bandbreite
• schrittweise wieder besserer Gruppe zugewiesen
• Vorteil: geringerer Verwaltungsaufwand
• keine Verwarnungen/Sperrungen mehr

• Bandbreitenbeschränkungen auf dem CSN-Server eingesetzt
• Parameter der Gruppen über Webinterface einstellbar
• automatische Regelung der Bandbreiten
• Ausnahmeregelungen: WWW- und FTP-Server der TU, News
• Webinterface für Nutzer, E-Mail bei Einordnung

Einsatz im CSN

Architektur des Systems

Einsatz im CSN

Einordnung in eine Gruppe

QoS in Linux

QoS in Linux

• ab Kernel 2.2 QoS unterstützt
• zum Management Kommandozeilen-Tool tc
• Support im Kernel aktivieren (Networking Options ---> QoS and/or fair queueing)
• benötigte Algorithmen als Modul oder fest einkompiliert
• Module explizit laden

modprobe sch_qdisc
modprobe cls_classifier

QoS in Linux

Zuweisung der Queuing Discipline

• Queuing Discipline (QDisc) an Netzinterface binden

Unterstützte QDiscs (Auswahl)

• CBQ, CSZ (currently broken)
• PFIFO und BFIFO, PRIO
• RED und GRED
• SFQ, TBF
• DSMARK, TEQL
• HTB und WRR patchbar

tc qdisc add dev eth0 root handle 1: cbq bandwidth 100MBit avpkt 1000 cell 8

QoS in Linux

Einrichten der Klassenhierarchie

• Anordnung der Klassen im Vaterbaum
• Kinder können Eltern Bandbreite abgeben
• andere Kinder können diese von Eltern "borgen"
• an Blätter andere QDiscs anfügen
• jede Serviceklasse lässt sich anders behandeln
• Zuordnung über Filter (Classifier)

tc class add dev eth0 parent 1:0 classid 1:1 cbq bandwidth 100MBit rate 100MBit\
   allot 1514 cell 8 weight 10MBit prio 8 maxburst 20 avpkt 1000
tc class add dev eth0 parent 1:1 classid 1:3 cbq bandwidth 100MBit rate 100MBit\
   allot 1514 cell 8 weight 10MBit prio 8 maxburst 20 avpkt 1000
# Klasse fuer Gruppe 5
tc class add dev eth0 parent 1:3 classid 1:35 cbq bandwidth 100MBit rate 100KBit\
   allot 1514 cell 8 weight 10KBit prio 5 maxburst 20 avpkt 1000 bounded
tc qdisc add dev eth0 parent 1:35 tbf rate 100KBit buffer 10Kb/8 limit 15Kb

QoS in Linux

Klassenhierarchie im CSN

QoS in Linux

Klassifizierung der Pakete

• Zuordnung von Paketen zu Klassen
• sequentiell durchlaufen
• Hashing Filters evtl. schneller

Filterarten

• routingbasiert, Firewall-Marks
• U32-Classifier (wertet Paketkopf aus)
• RSVP, TC-Index (ab Kernel 2.4)

# Filter fuer Gruppe 5, fuer jede IP
tc filter add dev eth0 parent 1:0 protocol ip prio 100 u32\
   match ip dst 134.109.96.165/32 flowid 1:35

QoS in Linux

Verhalten bei vielen Filtern

QoS in Linux

Zusammenfassung

modprobe sch_qdisc
modprobe cls_classifier

tc qdisc add dev eth0 root handle 1: cbq bandwidth 100MBit avpkt 1000 cell 8

tc class add dev eth0 parent 1:0 classid 1:1 cbq bandwidth 100MBit rate 100MBit\
   allot 1514 cell 8 weight 10MBit prio 8 maxburst 20 avpkt 1000
tc class add dev eth0 parent 1:1 classid 1:3 cbq bandwidth 100MBit rate 100MBit\
   allot 1514 cell 8 weight 10MBit prio 8 maxburst 20 avpkt 1000
# Klasse fuer Gruppe 5
tc class add dev eth0 parent 1:3 classid 1:35 cbq bandwidth 100MBit rate 100KBit\
   allot 1514 cell 8 weight 10KBit prio 5 maxburst 20 avpkt 1000 bounded
tc qdisc add dev eth0 parent 1:35 tbf rate 100KBit buffer 10Kb/8 limit 15Kb
# Filter fuer Gruppe 5, fuer jede IP
tc filter add dev eth0 parent 1:0 protocol ip prio 100 u32\
   match ip dst 134.109.96.165/32 flowid 1:35

Ausblick

Ausblick

Aktueller Einsatz im CSN

• seit August 2001 Testbetrieb, zufriedenstellend
• ab 03.09.2001 zeitweise mit aktiven Begrenzungsregeln
• ab 23.10.2001 offizieller Testbetrieb

Geplant für die nähere Zukunft

• gleitende Zählung (letzte 14 Tage) -> Peaks geglättet
• Gruppeneinordnung ständig neu, keine Verweildauer
• reines Regelsystem

Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit :-)