dept. computer science and engineering kwangju university. jun-hyun moon [email protected]

Differentiated Service Differentiated Service 제공을 위한 제공을 위한 CBQ CBQ 기반의 패킷 전송 기법에 관한 연구기반의 패킷 전송 기법에 관한 연구

A Study on Packet Transmission Mechanism based on CBQ for Providing A Study on Packet Transmission Mechanism based on CBQ for Providing the Differentiated Servicethe Differentiated Service

Dept. Computer Science and EngineeringDept. Computer Science and EngineeringKwangju University.Kwangju University.

Jun-Hyun MoonJun-Hyun [email protected]@bravo.kwangju.ac.kr

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목 차

서론 인터넷 QoS 모델 Differentiated Service Model Class Based Queuing CBQ 를 이용한 Packet Forwading 기법 결론

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서 론

인터넷 환경의 변화 인터넷 사용자의 증가 다양한 애플리케이션의 등장 다양한 형태의 데이터 트래픽

텍스트 , 오디오 , 비디오 , 스트리밍 데이터 등 고 대역폭 , 고속의 데이터 송 / 수신을 요구

화상회의 , VOD Service Quality of Service 네트워크 관리 문제

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현재 인터넷환경의 문제점

Best-effort Service Low Bandwidth 표준화된 서비스만이 제공 가능 너무 많고 복잡한 네트워크 관리 method 실시간 정보 전달 QoS(Quality of Service), 가입자 액세스 병목 현

상 , 인터넷 주소 고갈문제 , 보안문제 등

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인터넷에 대한 요구사항 Service Providers 측면

Scalability 간단한 Implementation 과 관리 서비스에 대한 차등화된 과금체계

Users 측면 Better than best effort service Bandwidth grarantee Low Delay & Jitter & Loss

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최근 인터넷 기술 개발 추세

지연 및 처리용량을 중심으로 메커니즘 선정 용량 향상 (Plentiful capacity) 트래픽 처리 (Traffic engineering)

용량 향상 통신망 측면 고속 , 고대역 링크 고속 프로세서 버퍼용량 증대

트래픽 처리 네트워킹 측면 차등레벨 서비스 처리 예약형 트래픽 처리 : dynamic resource reservation 비예약형 트래픽 처리 : 노드별 차등 처리 능력

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QoS 보장 기술

QoS(Quality of Service) 현재 인터넷의 기술적인 문제점들을 해결하기 위해

각국에서 추진 중인 인터넷 관련기술 개발 분야 중에 하나 고속 , 고대역폭의 트래픽 처리 요구 Service Differentiation 망 관리 및 연동 기술 , 상호 접속 기술 , 서비스 품질

보장 기술 통합 서비스 제공 기술 통합 라우팅 기술 트래픽 관리 기술 QoS 보장형 라우팅 제어 기술

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QoS 보장 기술의 구조

Reservation service model 서비스별 요구 자원의 사전 Reservation and Assignment 망에 유입된 Traffic 중 Reservation Traffic 에 대해서만

해당 Resource 할당 서비스 품질별 처리를 위한 Admission control, 큐잉 Mech

anism 필요 Non reservation service model

사전 예약 없이 Traffic 을 몇 가지 Level 로 구분 Edge node 에서 Traffic 전달 Priority 를 결정 각 Hop 별 차별 처리 Mechanism 필요

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인터넷 서비스 모델

Internet services model extension 현재의 Best-effort 서비스의 문제점 보완 새로운 Service 요구사항 수용 IETF 에서 제안한 Integrated Service Model

IntServ, RSVP 등 새로운 Differentiated Service Model

Best-effortService

DifferentiatedService

QoSGuaranteed

Service현재의 인터넷 서비스 중간 단계 최종 단계

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Differentiated Service Model Differentiated Service

망의 Edge Node 와 관리 경계 점에서 IP 헤더의 특정영역 설정

DS 영역 특정 영역의 값 (DSCP) 에 따라서 입력된 Packet 을

어떻게 Forwarding 할 것인지를 결정 Per-Hop Behavior

각 서비스 규칙에 맞추어 요구사항에 일치하는 방법으로 처리

Traffic Conditioner

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Differentiated Service 의 장점

Scalability Service differentiation IP Packet 헤더 내의 DSCP 영역을 사용

Traffic Classification State 를 줄일 수 있음 Traffic aggregation Micro-flow state 를 유지할 필요가 없음

복잡한 작업을 망의 edge 노드에서만 수행 내부라우터의 기능 간소화

Software Upgrade 만으로 기존의 Router 장비를 사용 가능

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Differentiated Service 특징

하나의 IP Packet 흐름 , 즉 Flow 별로 서로 다른 QoS를 제공하는 것이 아니라 , Flow 의 각 집합 (Aggregation)별로 서로 다른 Packet 전달 품질을 제공함

End to End 신호를 사용하지 않고 Per-Hop Behavior(PHB) 방식을 채택

여러 개의 ISP 가 연결된 인터넷 망에 적용 가능한 확장성이 있음

다양한 서비스 처리 및 제공 정책 수용 서비스 형태 : 사용중인 특정 응용과 독립성 유지

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Differentiated Service 특징 (cont.)

Traffic 조절 기능 / 서비스 제공 기능 Forwarding 처리와는 분리

Hop 간 응용 Signal 없이 운용 가능 Core Network Router : 단순한 DSCP 에 따른 고속 Forwardi

ng Edge Router : Flow Aggregation, 정책 반영 , Traffic 분류 ,

DSCP 할당 , Traffic 측정 Domain 간 : SLA 를 통한 협상 ( 어떤 클래스 , 얼마나 많은

Traffic, 기대되는 성능을 결정 )

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Differentiated Service PHB

DiffServ WG에서 정의한 IPv4 의 TOS Field 의 DS영역

DSCP : Differentiated Service Codepoint CU : Currently Unused

Predefined Code point

DSCP (6bits) CU (2bits)

Code Point000000000010

Behavior NameDefault(DE)

Expedited Forwarding(EF)

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Differentiated Service PHB(cont.)

DE(Default) - codepoint : 000000 Best-Effort Forwarding Behavior 현재 유효한 버퍼자원에 따라서 출력 인터페이스의

큐에 저장 EF(Expedited Forwarding) - codepoint : 000010

High Priority Forwarding Behavior EF 표시가 되어 있는 Packet 이 Buffer Management 와

Scheduling 에서 High Service Priority 를 갖도록 설정 서비스 계약을 어길 경우 , Packet 을 Drop 시키거나

새롭게 Remark, 또는 Delay 된다 .

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AF(Assured Forwarding) 네 개의 서로 다른 서비스 클래스와 세 개의 Drop

Precedence 를 사용하여 보장된 서비스를 제공함구 분

Low Drop Prec.

Medium Drop Prec.

High Drop Prec.

Class 1 Class 2 Class 3 Class 4001010001100001110

010010010100010110

011010011100011110

100010100100100110

AF ServiceAF Service 의 의 DCSP DCSP 할당 예할당 예

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Forwarding Path 망 내의 각 홉에서 해당 DSCP 값에 따라 Packet 을 처리

PHB Mechanism PHB 의 Behavior Characteristics 만을 정의하고 있으며

실제 알고리즘이나 Mechanism은 Router Vendor 에 따라서 구현 가능

Buffer Management 와 Packet Scheduling Mechanism에 의해서 구현

Packet 을 제어하기 위해서 다양한 Parameter 를 Router에서 사용할 수 있음

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Differentiated Service 구성요소

DS domainDS domain

DS domainDS domain

Non-DS domain

DS Edge node

Ingress node

Interior node

Egress node Flow

DS RegionDS Region

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DS Domain 공통의 서비스 제공 정책과 PHB 정의를 사용하는 DS

노드들의 집합 같은 관리를 받는 여러 network 들

DS Region DS domain 들의 집합 DS domain 들을 통하여 차등서비스를 제공할 수 있는

인접 DS domain 들의 집합 DS Edge Node

DS domain 의 경계 , DS Ingress Node & Egress Node Traffic conditioning 기능 수행

Differentiated Service 구성요소 (cont.)

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Differentiated Service 구성요소 (cont.)

PHB(Per-Hop Behavior) DSCP 에 따른 Packet 의 Forwarding 처리 규정 Packet Scheduler 및 큐 관리자에 의해 제공

Traffic Conditioner 망 경계에서 Service 규칙을 적용 Classifier, Meter, Maker, Shaper, Dropper Traffic Aggregation, DSCP 설정 , Traffic 측정 , 정책에 따른 Traffic Shapin

g, Packet 의 이전 등 ) Policy agent

Domain 내의 Policy 를 적용 다른 Domain 의 Policy Agent 와 통신 기능 (SLA) Service Access 권한 확인 및 부여 Traffic Control 기능 구성 결정

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Edge Router : Traffic Conditioner

Meter

Classifier Marker Shaper/Dropper

Traffic Conditioner

Classifier 서로 다른 Flow 에게 각기 다른 종류의 서비스를 제공하기 위해 여러 Packet Stream 으로부터 특정 해당 Flow 를 식별하는 기능을 수행

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Edge Router : Traffic Conditioner(cont’)

Traffic Meter Packet Stream 의 일시적인 특성 측정 (In-Out-of-Profile 판단 ) TCA(Traffic Conditioning Agreement) 의 범위를 초과하는 지를 측정하는 기능을 함

Packet Marker Domain 간의 협정에 의한 Code Point 값 설정 Out-of-Profile Packet 대한 Marking

Shaper Traffic Profile 에 따라 Stream 일부 또는 전체 Packet Delay

Dropper Traffic Profile 을 제공하기 위해 Stream 의 일부 또는 전체 Drop

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Edge Router : Traffic Conditioner(cont’)

Traffic ConditionerTraffic ConditionerTCA(Traffic Conditioning Agreement)TCA(Traffic Conditioning Agreement)

Traffic Profile

Actions on In-Profile Packet

Actions On Out-of-Profile Packet

정의정의

정의Traffic

In-of-Profile Packet Control

Out-of-Profile Packet ControlTraffic Profile 측정

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Non-DS-capable Node 와의 연동 Non-DS-capable Node

Packet 의 DS Field 를 해석 할 수 없음 표준 PHB 가 구현되어 있지 않음

Traffic 이 Non-DS-capable Node 를 지나게 될 경우 Service 품질 보장이 어렵다 .

DS Domain 내에 Non-DS-capable Node 가 있는 경우 Node 를 지나가는 Traffic 의 Delay 및 Loss 를 낮출 수 없음 DS Domain 이 precedence 호환 PHB 만 사용하도록 제한이 되거나 , 특정 precedence 가 전달 기능을 제공한다고 가정할 경우 일반 node 도 DS Domain 내에서 사용 가능함 .

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Non-DS-capable Node 와의 연동 (cont’)

Traffic 이 Non-DS Domain 을 지날 경우 Domain Edge Node 에 Traffic Conditioning 기능이 없음

Negotiation with DS Domain and Non-DS Domain DS domain 으로부터 Non-DS Domain 으로 Traffic 이

전달되기 전에 미리 Remaking 한다 . Non-DS domain 이 Traffic 관리 기능이 있을 경우 IPv4 Precedenc

e 값으로 Remaking 한다 Non-DS Domain 이 Traffic 관리 기능이 없는 경우 Best Effort Ser

vice 로 전달되도록 0으로 Remaking 한다 .

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FIFO Queuing FIFO Queuing Model

10 9

8

7

6

Input QueueInput Queue

InputInputInterfaceInterface

1

OutputOutputInterfaceInterface

Output QueueOutput Queue

Packet Packet MemoryMemory

5

4

3

2

27

FIFO Queuing (cont.) 하나의 단일 큐를 사용 수신된 것과 동일한 순서로 데이터를 전송 하는

방식 대부분의 메시지 전송 시스템에서 사용 모든 패킷을 똑같이 처리함 네트워크 부하시에 Drop Tail 발생

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Priority Queuing Priority Queuing Model

9 8

7

6

5



1


Output QueueOutput Queue


4

3

11

2Normal priority packetNormal priority packet

High priority packetHigh priority packet

29

Priority Queuing (cont.) 하나의 단일 큐를 사용 전송하는 메시지마다 우선순위 부여 Low Priority packet 보다 High Priority packet 을 먼저

처리 High Priority packet 이 너무 많을 경우 상대적으로 낮은 Priority 를 가진 packet 이 계속 stravation현상을 가지게됨

나머지 packet 들이 손해를 보게 됨

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Class Based Queuing Class Based Queuing Model



FirstFirst

BusinessBusinessEconomyEconomy


Class-basedClass-basedOutput QueueOutput Queue


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Class Based Queuing(cont.) 각각의 클래스에 따른 큐를 가짐 Priority Queuing 기법의 변형 Priority 에 따라 각각의 class 별로 Queue 를 두어서 packet 처리

High priority packet 의 과다로 인한 Low priority packet 의 stravation 현상을 줄일 수 있음

자원 공유와 향상된 서비스를 지원할 수 있는 스케쥴링 기법

현재 packet-by-packet round robin 과 weighted round robin 스케쥴링 기법을 지원함

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CBQ 를 적용한 패킷 전송 기법 CBQ 를 적용한 패킷 전송 기법 Model

BAClassfiler

GRED/AF1

GRED/AF2

GRED/AF3

GRED/AF4

PFIFO/EF

RED/BE

EFPHB

Best EffortDefault PHB

AFPHB OUT

Scheduler

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CBQ 를 적용한 패킷 전송 기법 RED(Random Early Detection)

버퍼의 평균 큐 길이가 일정 수준 (minimum threshold) 를 넘어서면 버퍼가 꽉 차지 않더라도 패킷을 drop 시킴

버퍼의 평균 큐 길이가 또 다른 수준 (maximum threshold) 를 넘어서면 새로 유입되는 모든 패킷을 drop 시킴

장점 평균 큐 길이와 ramdom drop 을 사용함으로써 bursty 한

플로우들이 불공평하게 더 높은 drop확률을 경험하는 현상을 완하시킴

단점 적절한 임계값 설정이 어려움 TCP 이외의 traffic 이 TCP 플로우에게 영향을 줄 수 있음

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CBQ 를 적용한 패킷 전송 기법 DE PHB

RED 를 사용 망 부하시 좀 더 유연하게 Packet drop 시킴 AF PHB

GRED(Generalized RED) 를 이용 각각의 drop precedence 의 우선순위에 따라서 망의 부하시에 패킷을 drop 시킴

EF PHB Highest Priority FIFO 를 사용 어떠한 망의 부하시에도 Low Delay, Jitter, 패킷 손실

등을 최소화해야 함

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CBQ 를 적용한 패킷 전송 기법 CBQ 에서 사용하는 스케쥴링 기법

GPS(Generalized Packet Scheduler) PRR 패킷 스케쥴러와 WRR 패킷 스케쥴러

일반적인 패킷 스케쥴링 방법 적은 지연과 지터 , 데이터 손실 등과 같은 응용들의

요구사항에 기초하여 패킷들 사이에서 서비스 차별화를 하는데 사용됨

링크 공유 스케 쥴러 탑 - 레벨 링크 - 공유 스케쥴러

링크 공유 구조에서 링크 공유 조건을 유지하기 위해서 사용됨

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CBQ 를 적용한 패킷 전송 기법 PRR 패킷 스케쥴러와 WRR 패킷 스케쥴러

PRR 패킷 스케쥴러 단순한 round robin 스케쥴링 방법 각각의 서비스 클래스가 자신의 스케쥴링 라운드동안 패킷단위로

서비스 WRR 패킷 스케쥴러

서비스 클래스에 할당된 대역폭의 비에 따라서 각 서비스 큐에 weight 를 주어 서비스함

각 큐의 weight 는 스케쥴링 라운드 동안 큐가 전송가능한 패킷양 전송할 패킷이 weight 보다 크고 현재 클래스가 underlimit 된

경우 다음번 라운드에 할당된 큐의 weight 를 빌려와서 패킷 전송 가능

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CBQ 를 적용한 패킷 전송 기법 탑 - 레벨 링크 - 공유 스케쥴러

서비스 클래스마다 자신의 사용한계값 지정 한계값에 도달하지 않았고 , 클래스 계층 구조에서 상위

레벨의 사용 한계값에 여유가 있는 경우에만 규제되지 않는 패킷을 발생시킴

만약 어느 한 서비스 클래스가 사용한계값을 위배한 경우는 서비스 클래스 사용 한계값을 유지하기 위해 overlimit 된 패킷을 drop 시키거나 다른 서비스 클래스로 재정의함

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Conclusion 현재의 인터넷의 문제를 해결하기 위한 연구 필요 인터넷 서비스 모델의 확장 Differentiated Service CBQ 를 이용한 패킷 전송 기법

GPS(Generalized Packet Scheduler) 링크 공유 스케쥴러

dept. computer science and engineering kwangju university. jun-hyun moon [email protected]

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