Αλγόριθμοι και μηχανισμοί για την παροχή υπηρεσιών με εγγυημένη ποιότητα σε δίκτυα τύπου internet

Abstract

The goal of this Dissertation is to study the performance of existing tools and the introduction of new features to quality of service provisioning models in IP networks as well as the introduction of the business models required for applying these models in an operational environment in ways that the performance is improved. Following the evaluation of mechanisms and architectures for differentiation of service in IP networks, the principles of the DiffServ framework have been adopted. The DiffServ framework specifies the provision of a set of services with qualitative guarantees to traffic aggregates, while keeping complexity at the network edges. The performance and effectiveness of service differentiation mechanisms according to the principles of the DiffServ framework are evaluated according to the following metrics: guaranteed capacity, bounded end-to-end delay, minimization of packet losses and jitter. However, in any QoS model, it is important to ensure the best quality possible by keeping complexity low. Each QoS model is designed to meet the needs of a different traffic type. The two prevailing service models within the DiffServ framework are the maximum priority, maximum quality model and the guaranteed capacity under congestion model. The proposed Gold service falls within the first category above, offering advanced quality to IP traffic aggregates with a set of principles that can easily be applied to operational networks. The proposed Relative service model provides guaranteed capacity under congestion by reducing the complexity and improving fairness among TCP flows. The Gold service preserves scalability and provides strict quality guarantees, incorporating a call admission control mechanism that operates without interfering with the network operations. It introduces a novel feature: differentiation of the guarantees on end-to-end delay provided to traffic flow. It is implemented using LA-EDF scheduling that introduces service differentiation within the same class and supports the call admission control functions, the DBAC algorithm for admission control and flow routing with load balancing for optimizing the use of available resources without compromising in terms of the guaranteed quality. The Relative service achieves high adaptability in transient load conditions, fair differentiation, high quality, increase in the utilization of available resources without demonstrating the same weaknesses as equivalent service models. It is implemented using the TWAM marking mechanism, which is applied at the network ingress and ensures fairness with less overhead than similar mechanisms, and DWRED, the active queue management mechanism that depends upon the TWAM marking and adapts to the varying load levels. The introduction of effective business and pricing models is crucial for the adoption of qualitative service models based on the DiffServ framework in a production network. The definition of Service Level Agreements (SLAs) for networks that provide QoS according to the principles of the DiffServ framework aims at introducing compatibility among the services provided for the provisioning of end-to-end quality guarantees. A template for the implementation for bilateral SLAs between networks that support the maximum priority, maximum quality service model is proposed, together with a methodology for implementing, based on the bilateral SLA, an end-to-end SLA over multiple domains. In an IP network, the introduction of a set of services classes with differing quality guarantees necessitates the application of differentiated pricing models that lead the users to the selection of the appropriate service class in order to maximize their perceived utility. Based on the principles of the DiffServ framework, the utility for each user is determined by the profile of his traffic and the quality of service he perceives. The proposed pricing model appoints the traffic profile as the parameter for negotiation between the user and the provider, after the user assesses the quality guarantees announced by the provider prior to the service provisioning. The innovation here lies in the introduction of externalities to the costs induced as well as the announcement of the actual prices upon which the user will eventually be charged. The externalities are imposed by the nature of the service models implemented according to the DiffServ framework.

Αντικείμενο της παρούσας Διατριβής είναι η μελέτη της απόδοσης και η εισαγωγή νέωνχαρακτηριστικών σε μοντέλα για την παροχή υπηρεσιών με εγγυήσεις ποιότητας στα σύγχρονα IP δίκτυα καθώς και η εισαγωγή των απαραίτητων επιχειρησιακών λειτουργιών για την εφαρμογή των μοντέλων αυτών, με στόχο τη βελτίωση της απόδοσης. Ακολουθώντας μια καταγραφή και αξιολόγηση των μηχανισμών και αρχιτεκτονικών που εισάγουν τη διαφοροποίηση εξυπηρέτησης στα IP δίκτυα, η μελέτη που παρουσιάζεται εδώ ακολουθεί σε όλα της τα στάδιά τις αρχές της αρχιτεκτονικής DiffServ, η οποία επιτρέπει την παροχή ενός συγκεκριμένου εύρους υπηρεσιών με εγγυήσεις ποιότητας σε συναθροίσεις ροών και περιορίζει την πολυπλοκότητα στα όρια του δικτύου. Η απόδοση και η αποτελεσματικότητα των μηχανισμών και λειτουργιών διαφοροποίησης εξυπηρέτησης με βάση την αρχιτεκτονική DiffServ αξιολογούνται με βάση την εξασφάλιση εγγυημένης χωρητικότητας, φραγμένης από-άκρο-σε-άκρο καθυστέρησης, ελαχιστοποιημένων απωλειών πακέτων και φραγμένου jitter. Ωστόσο, σε κάθε μοντέλο υπηρεσίας για την παροχή QoS, τονίζεται η σημασία της εξασφάλισης των καλύτερων δυνατών εγγυήσεων ποιότητας με την ελάχιστη δυνατή πολυπλοκότητα. Τα διαφορετικά μοντέλα υπηρεσιών θέτουν συγκεκριμένους στόχους λαμβάνοντας υπόψη τις ανάγκες των εφαρμογών στις οποίες απευθύνονται. Οι δύο επικρατέστερες κατηγορίες υπηρεσιών στα πλαίσια της αρχιτεκτονικής DiffServ είναι η κατηγορία των υπηρεσιών μέγιστης προτεραιότητας και η κατηγορία των υπηρεσιών εγγυημένης χωρητικότητας σε συνθήκες συμφόρησης. Στην πρώτη κατηγορία, προτείνεται το μοντέλο υπηρεσίας Gold, το οποίο ακολουθεί τις αρχές τις αρχιτεκτονικής DiffServ για να παρέχει βέλτιστη ποιότητα εξυπηρέτησης σε συναθροίσεις IP ροών, ενώ ταυτόχρονα μπορεί να εφαρμοστεί πρακτικά σε δίκτυα παραγωγής. Στη δεύτερη κατηγορία, προτείνεται το μοντέλο υπηρεσίας Relative για την παροχή υπηρεσιών εγγυημένης χωρητικότητας σε συνθήκες συμφόρησης, με βασικά χαρακτηριστικά την μείωση της υπολογιστικής πολυπλοκότητας και την βελτίωση της δικαιοσύνης μεταξύ των εξυπηρετούμενων TCP ροών. Η υπηρεσία Gold διατηρεί την αρχή της επεκτασιμότητας και παρέχει αυστηρές εγγυήσεις ποιότητας αλλά ταυτόχρονα επιτρέπει την εφαρμογή μηχανισμού ελέγχου αποδοχής νέων αιτημάτων χωρίς διακοπή της λειτουργίας του δικτύου. Eισάγει επίσης ένα νέο χαρακτηριστικό σε σχέση με τα υπάρχοντα σχήματα: την διαφοροποίηση ως προς την εγγυημένη μέγιστη καθυστέρηση που παρέχεται στις ροές. Υλοποιείται με τη χρονοδρομολόγηση LA-EDF, που εισάγει την έννοια της διαφοροποιημένης εξυπηρέτησης εντός της ίδιας κλάσης υπηρεσίας και λειτουργεί ως υποστηρικτικός μηχανισμός του ελέγχου αποδοχής κλήσεων, τον αλγόριθμο DBAC για την αποδοχή κλήσεων χωρίς επέμβαση στη λειτουργία του δικτύου και την δρομολόγηση εξισορρόπησης φόρτου για την καλύτερη αξιοποίηση των διαθέσιμων πόρων χωρίς να παραβιάζονται οι εγγυήσεις ποιότητας. Η υπηρεσία Relative επιτυγχάνει προσαρμοστικότητα σε συνθήκες μεταβαλλόμενου φόρτου, δίκαιη διαφοροποίηση, υψηλή απόδοση, αύξηση της χρησιμοποίησης των διαθέσιμων πόρων ενώ αντιμετωπίζει πολλές από τις αδυναμίες που παρουσιάζουν αντίστοιχα μοντέλα. Υλοποιείται με τον μηχανισμό μαρκαρίσματος TWAM ο οποίος εφαρμόζεται στο σημείο εισόδου των ροών στο δίκτυο και αντιμετωπίζει τα θέματα της μη δίκαιης μεταχείρισης TCP ροών με τη μικρότερη δυνατή υπολογιστική επιβάρυνση σε σχέση με υπάρχοντες μηχανισμούς μαρκαρίσματος και τον μηχανισμό DWRED για την ενεργητική διαχείριση του αποθηκευτικού χώρου των ουρών, ο οποίος λειτουργεί με βάση το μαρκάρισμα της κίνησης που επιφέρει ο TWAM και προσαρμόζεται στις μεταβαλλόμενες συνθήκες λειτουργίας. Μεταξύ των καθοριστικών παραγόντων για την ευρεία υιοθέτηση υπηρεσιών βασισμένων στην αρχιτεκτονική DiffServ στα σύγχρονα δίκτυα παραγωγής, αναδεικνύονται η εισαγωγή ευέλικτων επιχειρηματικών μοντέλων για την υλοποίηση των υπηρεσιών αυτών στο εσωτερικό ενός δικτύου καθώς και χρέωσης των παρεχόμενων υπηρεσιών. Ο ορισμός Συμβολαίων Εξασφάλισης Επιπέδου Υπηρεσιών (ΣΕΕΥ) για δίκτυα που υποστηρίζουν την παροχή QoS υπηρεσιών με βάση την αρχιτεκτονική DiffServ έχει ως στόχο την εξασφάλιση της συμβατότητας των παρεχόμενων από διαφορετικά διασυνδεδεμένα δίκτυα υπηρεσιών προκειμένου για την από-άκρο-σε-άκρο εξασφάλιση εγγυήσεων ποιότητας. Προτείνεται ένα πρότυπο για την υλοποίηση διμερών ΣΕΕΥ σε IP δίκτυα που παρέχουν υπηρεσίες μέγιστης προτεραιότητας καθώς και μια μεθοδολογία για την υλοποίηση από-άκρο-σε-άκρο Συμβολαίων πάνω από διασυνδεδεμένα δίκτυα. Σε ένα IP δίκτυο, η εισαγωγή ενός αριθμού κλάσεων υπηρεσιών που διαφοροποιούνται στις παρεχόμενες ποιοτικές εγγυήσεις απαιτεί την εισαγωγή διαφοροποιημένων μοντέλων χρέωσης που επιπρόσθετα οδηγούν τους χρήστες στην επιλογή της κατάλληλης κλάσης υπηρεσίας η οποία μεγιστοποιεί την αντιληπτή χρησιμότητα. Προκειμένου για τη χρέωση υπηρεσιών με βάση την αρχιτεκτονική DiffServ, τα προφίλ κίνησης των χρηστών και οι διαφορές στην αντιληπτή ποιότητα αντιπροσωπεύουν τη χρησιμότητα που αντιλαμβάνεται ο χρήστης. Προτείνεται ένα μοντέλο χρέωσης όπου το προφίλ της κίνησης αποτελεί το αντικείμενο διαπραγμάτευσης του χρήστη με τον πάροχο, αφού ο χρήστης συνυπολογίσει τις εγγυήσεις ποιότητας εξυπηρέτησης που ανακοινώνονται από τον τελευταίο προκαταβολικά. Η καινοτομία του προτεινόμενου μοντέλου συνίσταται στις εξωτερικές συνθήκες (externalities) που υπεισέρχονται στα υφιστάμενα κόστη και προκαλούνται από τη φύση των υπηρεσιών που υλοποιούνται με βάση το μοντέλο DiffServ, καθώς επίσης και στον καθορισμό των πραγματικών τιμών με βάση τις οποίες χρεώνονται οι χρήστες.