Dept. Computer Science and Engineering Kwangju University. Jun-Hyun Moon imp@bravo.kwangju.ac.kr

1. Differentiated Service 제공을 위한 CBQ 기반의 패킷 전송 기법에 관한 연구A Study on Packet Transmission Mechanism based on CBQ for Providing the Differentiated Service Dept. Computer Science and Engineering Kwangju University. Jun-Hyun Moon imp@bravo.kwangju.ac.kr

2. 목 차 • 서론 • 인터넷 QoS 모델 • Differentiated Service Model • Class Based Queuing • CBQ를 이용한 Packet Forwading 기법 • 결론

3. 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

4. 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 현상, 인터넷 주소 고갈문제, 보안문제 등

5. 인터넷에 대한 요구사항 • Service Providers 측면 • Scalability • 간단한 Implementation과 관리 • 서비스에 대한 차등화된 과금체계 • Users 측면 • Better than best effort service • Bandwidth grarantee • Low Delay & Jitter & Loss

6. 최근 인터넷 기술 개발 추세 지연 및 처리용량을 중심으로메커니즘 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

7. 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

8. QoS 보장 기술의 구조 Reservation service model 서비스별 요구 자원의 사전 Reservation and Assignment 망에 유입된 Traffic 중 Reservation Traffic에 대해서만 해당 Resource 할당 서비스 품질별 처리를 위한 Admission control, 큐잉 Mechanism 필요 Non reservation service model 사전 예약 없이 Traffic을 몇 가지 Level로 구분 Edge node에서 Traffic 전달 Priority를 결정 각 Hop 별 차별 처리 Mechanism 필요

9. 인터넷 서비스 모델 Internet services model extension 현재의 Best-effort 서비스의 문제점 보완 새로운 Service 요구사항 수용 IETF에서 제안한 Integrated Service Model IntServ, RSVP 등 새로운 Differentiated Service Model Best-effort Service Differentiated Service QoS Guaranteed Service 현재의 인터넷 서비스 중간 단계 최종 단계

10. Differentiated Service Model Differentiated Service 망의 Edge Node와 관리 경계 점에서 IP헤더의 특정영역 설정 DS 영역 특정 영역의 값(DSCP)에 따라서 입력된 Packet을 어떻게 Forwarding 할 것인지를 결정 Per-Hop Behavior 각 서비스 규칙에 맞추어 요구사항에 일치하는 방법으로 처리 Traffic Conditioner

11. Differentiated Service의 장점 • Scalability Service differentiation • IP Packet 헤더 내의 DSCP영역을 사용 • Traffic Classification State를 줄일 수 있음 • Traffic aggregation • Micro-flow state를 유지할 필요가 없음 • 복잡한 작업을 망의 edge 노드에서만 수행 • 내부라우터의 기능 간소화 • Software Upgrade만으로 기존의 Router장비를 사용 가능

12. Differentiated Service 특징 • 하나의 IP Packet 흐름, 즉 Flow별로 서로 다른 QoS를 제공하는 것이 아니라, Flow의 각 집합(Aggregation)별로 서로 다른 Packet 전달 품질을 제공함 • End to End 신호를 사용하지 않고 Per-Hop Behavior(PHB)방식을 채택 • 여러 개의 ISP가 연결된 인터넷 망에 적용 가능한 확장성이 있음 • 다양한 서비스 처리 및 제공 정책 수용 • 서비스 형태 : 사용중인 특정 응용과 독립성 유지

13. Differentiated Service 특징(cont.) • Traffic 조절 기능/서비스 제공 기능 • Forwarding 처리와는 분리 • Hop간 응용 Signal 없이 운용 가능 • Core Network Router : 단순한 DSCP에 따른 고속 Forwarding • Edge Router : Flow Aggregation, 정책 반영, Traffic 분류, DSCP 할당, Traffic 측정 • Domain간 : SLA를 통한 협상(어떤 클래스, 얼마나 많은 Traffic, 기대되는 성능을 결정)

14. DSCP (6bits) CU (2bits) Behavior Name Code Point Default(DE) 000000 Expedited Forwarding(EF) 000010 Differentiated Service PHB • DiffServ WG에서 정의한 IPv4 의 TOS Field의 DS영역 • DSCP : Differentiated Service Codepoint • CU : Currently Unused • Predefined Code point

15. 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 Packet이 Buffer Management와 Scheduling에서 High Service Priority를 갖도록 설정 • 서비스 계약을 어길 경우, Packet 을 Drop시키거나 새롭게 Remark, 또는 Delay된다.

16. 구 분 Class 1 Class 2 Class 3 Class 4 Low Drop Prec. 001010 010010 011010 100010 001100 010100 011100 100100 Medium Drop Prec. High Drop Prec. 001110 010110 011110 100110 AF Service의 DCSP 할당 예 Differentiated Service PHB(cont.) • AF(Assured Forwarding) • 네 개의 서로 다른 서비스 클래스와 세 개의 Drop Precedence를 사용하여 보장된 서비스를 제공함

17. Differentiated Service PHB(cont.) • Forwarding Path • 망 내의 각 홉에서 해당 DSCP값에 따라 Packet을 처리 • PHB Mechanism • PHB의 Behavior Characteristics만을 정의하고 있으며 실제 알고리즘이나 Mechanism은 Router Vendor에 따라서 구현 가능 • Buffer Management와 Packet Scheduling Mechanism에 의해서 구현 • Packet을 제어하기 위해서 다양한 Parameter를 Router에서 사용할 수 있음

18. DS domain DS Edge node Non-DS domain Egress node Flow Interior node Ingress node DS domain DS Region Differentiated Service 구성요소

19. Differentiated Service 구성요소(cont.) • DS Domain • 공통의 서비스 제공 정책과 PHB 정의를 사용하는 DS 노드들의 집합 • 같은 관리를 받는 여러 network들 • DS Region • DS domain 들의 집합 • DS domain들을 통하여 차등서비스를 제공할 수 있는 인접 DS domain들의 집합 • DS Edge Node • DS domain의 경계, DS Ingress Node & Egress Node • Traffic conditioning 기능 수행

20. Differentiated Service 구성요소(cont.) • PHB(Per-Hop Behavior) • DSCP에 따른 Packet의 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 Shaping, Packet의 이전 등) • Policy agent • Domain내의 Policy를 적용 • 다른 Domain의 Policy Agent와 통신 기능(SLA) • Service Access 권한 확인 및 부여 • Traffic Control 기능 구성 결정

21. Traffic Conditioner Meter Classifier Marker Shaper/ Dropper Edge Router : Traffic Conditioner • Classifier • 서로 다른 Flow에게 각기 다른 종류의 서비스를 제공하기 위해 여러 Packet Stream으로부터 특정 해당 Flow를 식별하는 기능을 수행

22. Edge Router : Traffic Conditioner(cont’) • Traffic Meter • Packet Stream의 일시적인 특성 측정(In-Out-of-Profile판단) • TCA(Traffic Conditioning Agreement)의 범위를 초과하는 지를 측정하는 기능을 함 • Packet Marker • Domain간의 협정에 의한 Code Point 값 설정 • Out-of-Profile Packet 대한 Marking • Shaper • Traffic Profile에 따라 Stream 일부 또는 전체 Packet Delay • Dropper • Traffic Profile을 제공하기 위해 Stream의 일부 또는 전체 Drop

23. Traffic Conditioner TCA(Traffic Conditioning Agreement) In-of-Profile Packet Control 정의 Traffic Profile 정의 Actions on In-Profile Packet Traffic Actions On Out-of-Profile Packet 정의 Traffic Profile 측정 Out-of-Profile Packet Control Edge Router : Traffic Conditioner(cont’)

24. Non-DS-capable Node와의 연동 • Non-DS-capable Node • Packet의 DS Field를 해석 할 수 없음 • 표준 PHB가 구현되어 있지 않음 • Traffic이 Non-DS-capable Node를 지나게 될 경우 Service 품질 보장이 어렵다. • DS Domain 내에 Non-DS-capable Node가 있는 경우 • Node를 지나가는 Traffic의 Delay 및 Loss를 낮출 수 없음 • DS Domain이 precedence 호환 PHB만 사용하도록 제한이 되거나, 특정 precedence가 전달 기능을 제공한다고 가정할 경우 일반 node도 DS Domain 내에서 사용 가능함.

25. Non-DS-capable Node와의 연동(cont’) • Traffic이 Non-DS Domain을 지날 경우 • Domain Edge Node에 Traffic Conditioning 기능이 없음 • Negotiation with DS Domain and Non-DS Domain • DS domain으로부터 Non-DS Domain으로 Traffic이 전달되기 전에 미리 Remaking한다. • Non-DS domain이 Traffic 관리 기능이 있을 경우 IPv4 Precedence값으로 Remaking 한다 • Non-DS Domain이 Traffic 관리 기능이 없는 경우 Best Effort Service로 전달되도록 0으로 Remaking 한다.

26. Input Queue Output Queue 10 9 5 8 Input Interface 4 Output Interface Packet Memory 7 3 6 1 2 FIFO Queuing • FIFO Queuing Model

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

28. Input Queue Output Queue 9 8 4 7 Input Interface 3 Output Interface Packet Memory 6 11 5 1 2 Normal priority packet High priority packet Priority Queuing • Priority Queuing Model

29. Priority Queuing (cont.) • 하나의 단일 큐를 사용 • 전송하는 메시지마다 우선순위 부여 • Low Priority packet보다 High Priority packet을 먼저 처리 • High Priority packet이 너무 많을 경우 상대적으로 낮은 Priority를 가진 packet이 계속 stravation현상을 가지게됨 • 나머지 packet들이 손해를 보게 됨

30. Class-based Output Queue Input Queue Input Interface Output Interface Packet Memory First Business Economy Class Based Queuing • Class Based Queuing Model

31. Class Based Queuing(cont.) • 각각의 클래스에 따른 큐를 가짐 • Priority Queuing기법의 변형 • Priority에 따라 각각의 class 별로 Queue를 두어서 packet 처리 • High priority packet의 과다로 인한 Low priority packet의 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

32. EF PHB PFIFO/EF GRED/AF1 BA Classfiler AF PHB GRED/AF2 OUT GRED/AF3 Scheduler GRED/AF4 Best Effort Default PHB RED/BE CBQ를 적용한 패킷 전송 기법 • CBQ를 적용한 패킷 전송 기법 Model

33. CBQ를 적용한 패킷 전송 기법 • RED(Random Early Detection) • 버퍼의 평균 큐 길이가 일정 수준(minimum threshold)를 넘어서면 버퍼가 꽉 차지 않더라도 패킷을 drop시킴 • 버퍼의 평균 큐 길이가 또 다른 수준(maximum threshold)를 넘어서면 새로 유입되는 모든 패킷을 drop시킴 • 장점 • 평균 큐 길이와 ramdom drop을 사용함으로써 bursty한 플로우들이 불공평하게 더 높은 drop확률을 경험하는 현상을 완하시킴 • 단점 • 적절한 임계값 설정이 어려움 • TCP이외의 traffic이 TCP 플로우에게 영향을 줄 수 있음

34. CBQ를 적용한 패킷 전송 기법 • DE PHB • RED를 사용 망 부하시 좀 더 유연하게 Packet drop시킴 • AF PHB • GRED(Generalized RED)를 이용 • 각각의 drop precedence의 우선순위에 따라서 망의 부하시에 패킷을 drop 시킴 • EF PHB • Highest Priority FIFO를 사용 • 어떠한 망의 부하시에도 Low Delay, Jitter, 패킷 손실 등을 최소화해야 함

35. CBQ를 적용한 패킷 전송 기법 • CBQ에서 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

36. CBQ를 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 weight를 주어 서비스함 • 각 큐의 weight는 스케쥴링 라운드 동안 큐가 전송가능한 패킷양 • 전송할 패킷이 weight보다 크고 현재 클래스가 underlimit된 경우 다음번 라운드에 할당된 큐의 weight를 빌려와서 패킷 전송 가능

37. CBQ를 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 overlimit된 패킷을 drop시키거나 다른 서비스 클래스로 재정의함

38. Conclusion • 현재의 인터넷의 문제를 해결하기 위한 연구 필요 • 인터넷 서비스 모델의 확장 • Differentiated Service • CBQ를 이용한 패킷 전송 기법 • GPS(Generalized Packet Scheduler) • 링크 공유 스케쥴러