henke - quality of service auf ip-dvb satellitenlinks · spacecom. remote sensing technology ....

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SpaceCom . Remote Sensing Technology . Media Broadcasting Solutions

© VCS Aktiengesellschaft

QUALITY OF SERVICE AUF IP/DVB SATELLITENLINKSDLR Workshop "Satellitenkommunikation in Deutschland" Köln, 28.03.2003

Michael Henke VCS Aktiengesellschaft


2© VCS Aktiengesellschaft

28.0

3.20

03Übersicht

4Projekt-Team und -Struktur4QoS - Definition und Status Quo4DiffServ - Modell und Implementierung4Dynamische Service Level Agreements4Software-Architektur4Test-Ergebnisse4Zusammenfassung und Ausblick



28.0

3.20

03Projekt-TeamR. Donadio (PM)F. Zeppenfeldt

Ulli Leibnitz

Contract Manager

U. Sterzl(IMT-CAO)Contract Manager

Michael Henke (PM)Katja DohmPatrick HalkeMilva Natcheva

B. Collini-Nocker (PM)P. MaurutschekZ. HuskicK. Wagner

G. Quadros (PM)A. AlvesM. PessoaF. BoavidaA. MugaA. Pena



28.0

3.20

03Projekt ÜbersichtWP 1

NetworkModelling

WP 2Advanced Traffic

ManagementAlgorithm

Assessment

WP 3Simulations

WP 4Software Design

WP 5Implementation, Testing and Acceptance

WP 0Management

WP1: Ausarbeitung eines Netzwerk-Modells und einesSchemas für Service Level Agreements

WP2: Analyse von aktuellenAlgorithmen für Traffic Management

WP3: Simulation verschiedener Traffic Management Mechanismen

WP4: Definition von Requirements für Demonstrator, Architectural & Detailed Design

WP5: Implementierung, Test und Vorführung des Demonstrator Systems



28.0

3.20

03

Ausgangs-Szenario

4Service Level Agreements:– Content Provider ó Network Service Provider– Network Service Provider ó Space Link Provider

Uplink

IRD

Content Server

QoSModules

Content Receiver

Network Service Provider

Content Provider Space Link Provider

IP/DVBGateway

Multiplexer



28.0

3.20

03QoS-Definition

4Tequila Group (Internet Draft draft-tequila-sls-01)

– Durchsatz Σ (Paket-Größen) / Zeit-Intervall

– Paketverlust verworfene Pakete / eingespeiste Pakete – Latenzzeit Paket-Austrittszeit - Paket-Eintrittszeit– Jitter (IPDV) |(tEintritt (n+1)- tAustritt (n+1)) - (tEintritt (n)- tAustritt (n)) |– Verfügbarkeit MTBF / (MTBF+MTTR)



28.0

3.20

03QoS in IP Netzen - Status Quo4Nutzung unterschiedlicher Service-Klassen

– nicht sehr verbreitet

4Service Level Agreements– “auf Papier”– Laufzeiten 1-3 Jahre– Bandbreite– Verfügbarkeit– (Paketverluste)– (durchschnittliche max. Latenzzeit)



28.0

3.20

03Wie kann QoS gewährleistet werden ?

4 Überdimensionierung– “Wo kein Mangel, da kein Murren”

4 Auf Basis von Microflows– z.B. ATM, IntServ– erfordert Reservierungs-Mechanismen– resourcen-intensiv– fein granuliert

4 Auf Basis von aggregierten Flows – z.B. MPLS, DiffServ– jedes Packet enthält Information über seine Priorität– resourcen-schonend– grobere Granulierung



28.0

3.20

03DiffServ Charakteristika4 Standardisiert von der IETF DiffServ WG

4 Einteilung aller Pakete in Service-Klassen (“Behaviour Aggregates” ;BA) 4 Markierung von Paketen über den DiffServ Code Point (DSCP)4 Spezifizierung von “Per-Hop Behaviours” (PHBs), die auf BAs angewandt

werden

R F C N o . S t a t u s T i t l e

R F C 2 4 7 4 P r o p o s e d S t a n d a r d D e f i n i t i o n o f t h e D i f f e r e n t i a t e d S e r v i c e s F i e l d ( D S

F i e l d ) i n t h e I P v 4 a n d I P v 6 H e a d e r s

R F C 2 4 7 5 I n f o r m a t i o n a l A n A r c h i t e c t u r e f o r D i f f e r e n t i a t e d S e r v i c e s

R F C 2 5 9 8 P r o p o s e d S t a n d a r d A n E x p e d i t e d F o r w a r d i n g P H B

R F C 2 5 9 7 P r o p o s e d S t a n d a r d A s s u r e d F o r w a r d i n g P H B G r o u p

R F C 2 9 8 3 I n f o r m a t i o n a l D i f f e r e n t i a t e d S e r v i c e s a n d T u n n e l s

R F C 3 0 8 6 I n f o r m a t i o n a l D e f i n i t i o n o f D i f f e r e n t i a t e d S e r v i c e s P e r D o m a i n

B e h a v i o r s a n d R u l e s f o r t h e i r S p e c i f i c a t i o n

R F C 3 1 4 0 P r o p o s e d S t a n d a r d P e r H o p B e h a v i o r I d e n t i f i c a t i o n C o d e s



28.0

3.20

03DiffServ Modell

DS Domain A

DS Domain B

IngressNode

EgressNode

InteriorNode Interior

Node

Inter DomainPeer-to-Peer SLA

Packet

DSCP

PHB (BA,domain A)

implements

implem

ents

imp

lem

ents

impl

emen

ts

definesis treated according



28.0

3.20

03DSCP und PHBs

4 Identifizierung über den DiffServ Code Point (DSCP)4Abbildung des DSCP über

– IPv4: Type of Service (TOS) field– IPv6: Traffic Class Octet

4Standardisierte PHBs– Expedited Forwarding (EF)– Assured Forwarding (AFxx)

– Best Effort (BE)



28.0

3.20

03Implikationen von DVB-S4Long Fat Network (eLeFaNt)

– (Latenzzeit * Bandbreite) sehr groß – TCP Acknowledgement Mechanismen

4DVB Enkapsulierungs-Overhead4Berücksichtigung von IP Multicasting4Verschlüsselung (IPSec) und Tunnelling

TCP Header DatenIP Header

Sou

rce

Des

tinat

ion

DS

CP

Seq

uenc

eC

ount

Sou

rce

Des

tinat

ion

DS

CP

verschlüsseltes Original-Paket

Original Paket

nach IPSecVerschlüsselung



28.0

3.20

03Dynamische Service Level Agreements (1)

Kunde Link Provider

weitere Kunden

dynamische Service Level Agreements

geringere Kosten

Kapazität für weitere Kunden

zusätzlicher Umsatz

bess

ere

Tra

nspo

nder

-Aus

last

ung

geringere Link-Kostengeringere Link-Kosten



28.0

3.20

03

Dynamische Service Level Agreements (2)4SLA Rahmen-Vertrag

– definiert globale Parameter (Verfügbarkeit, etc.)– definiert 4 verschiedene Service-Klassen

• “Streaming” (= EF PHB)• “Gold” (= AF1x PHB)• “Silver” (= AF2x PHB)• “Best Effort” (= BE PHB)

– definiert für jede Service-Klasse die Parameter• Maximale, durchschnittliche Latenzzeit• Maximale IP Packet Drop Ratio

– Kunde definiert je Service-Klasse• minimale Bandbreite• maximale Bandbreite



28.0

3.20

03Dynamische Service Level Agreements (3)4Automatisierte, dynamische Aushandlung von

Bandbreite / Service-Klasse

4 “Gambling”– Provider kann mehr Bandbreite anbieten als verfügbar

4Charge-Back– Wenn SLAs vom Provider temporär nicht erfüllt werden können,

tritt ein Chargeback-Mechanismus in Kraft

"Request for Quotation" (Bandbreite, Klasse)

"Offer" (Basispreis , Excess-Preis)

"Subscription Update" (Annahme Angebot, Annahme Excess-Preis)

SLA Trader (Kunde) SLA Trader (Link Provider)



28.0

3.20

03

0

200

400

600

800

1000

1200

1400

1600

1800

Zeit

Ban

db

reit

e[k

bit/

s]

Uplink BW

BW Summe

Kunde1 BW vereinbart

Kunde1 BW genutzt

Kunde2 BW vereinbart

Kunde2 BW genutzt

Beispiel Verkehrs-Profil

Überschreitung durch

Kunde 1

Überschreitung durch

Kunde 2 Überschreitung durch

Kunde 2

Überbuchung durch

Link Provider



28.0

3.20

03Software-Architektur

CustomerEgress Node

Customer SLATrader Node

IP/DVBGatewayAccess Node Ingress Node Egress Node DVB Modulator

SLA Trader Node

RFQs, Subscriptions

Offers, Notifications, Reports

Metering InformationActive Metering Traffic Notifications Notifications Notifications

Subscriptions Subscriptions Subscriptions

Admission Control Traffic Class Based ShapingExcess Dropping

Subscription Based ShapingExcess Dropping

IP/DVB Encapsulation



28.0

3.20

03Implementierung

4Betriebssystem– Linux

4Programmiersprachen– C++ – PHP– Perl

4Traffic Management: – Traffic Management Mechanismen des Linux Kernels



28.0

3.20

03Protokolle4 COPS-PR für PBN

Entscheidungen und System-Überwachung– Keine Benutzung von Keep-alive

und Sicherheits-Mechanismen– Selbst-definierte PIB

4 IOTP für SLA-Aushandlung – Implementiert unter

Benutzung von:• IOTP V1.0 “Purchase

Transaction”• Zusätzliche Message Typen

für QoS Reporting

– Protokoll für e-commerce basierend auf XML

slaPib (8)

slaPrcGeneralDataTable (1)

slaPrcAddrPairsTable (3)

slaPrcTrafficClassTable (2)

slaPrcGeneralData (1)

slaClientName (2)

slaPrcIPv4AddrPairsTableEntry (1)

slaSourceAddr (1)

slaSourceAddrPrefixLength (2)

slaPrcTrafficClassData (1)

slaTrafficClassCodepoint (4)

slaTrafficClassActualSubscription (5)

slaTrafficClassActualSubscPrice (6)

slaTrafficClassExcessPrice (7)

slaIngressNodeAddr (3)

slaDestinationAddr (3)

slaDestinationAddrPrefixLength (4)

slaIdentifier (1)

slaIdentifier (1)

slaTrafficClassIdentifier (2)

slaTrafficClassAgreementVersion (3)

slaMonitoringPrcTable (4)

slaMonitoringPrcTableEntry (1)

slaMonitoredIncomingByteCount (4)

slaMonitoredOutgoingByteCount (5)

slaIdentifier (1)

slaTrafficClassIdentifier (2)

slaTrafficClassAgreementVersion (3)

slaMonitoredIncomingPacketCount (7)

slaMonitoredOutgoingPacketCount (8)

slaMonitoredDroppedByteCount (6)

slaMonitoredDroppedPacketCount (9)

slaMonitoredExcessTrafficVolume (10)



28.0

3.20

03Test Ansatz

4Selbst entwickelte Simulatoren for PDP and PEP während Entwicklung und Integration

47 Scenarios für End-to-End Tests– Nominale Last entsprechend der Reservierungen– Unbezahlte Überlast– Bezahlte Überlast– Uplink-Überbuchung– Dynamische Änderung der Reservierung– Grenzlast (nahe an Uplink-Überbuchung)– Kleine Packet-Größen

4Video Streaming mit zusätzlicher Störlast



28.0

3.20

03Benutzte Test Software

4Last-Generierung– tg– iperf

4Link Simulator– nistnet

4Netzwerk-Analyse– tcpdump– Ethereal

4Visualisierung– gnuplot– Analyse-Scripts

4Streaming Server– Helix Basic

4Streaming Client– RealOne Player



28.0

3.20

03Test Setup - Simulierter Satelliten-Link

Ingress Node

eth000:02:1B:F0:17:21

192.168.1.2

eth100:06:5B:74:15:F4

192.168.2.3

Access Node

eth000:E0:7D:C5:1A:D1192.168.11.5

eth100:E0:7D:C5:8C:62192.168.1.1

Sources /Sinks

eth000:04:76:51:83:A

B

192.168.11.1

Egress Node

eth000:00:B4:93:41:4F

192.168.2.4

eth100:50:BA:E0:1E:B2

192.168.3.1192.168.1.5

SLA Trader Node

eth0192.168.11.7192.168.21.7

Space LinkSimulator

eth0192.168.3.5

eth1192.168.5.4

eth1192.168.1.7

Acceptance Test Configuration (ESTEC)

VCS ContributionUniSal ContributionCSW ContributionESA Contribution

1 2 3 4 5 6

7 8 9 10 1 11 2

AB

1 2 x

6 x

8 x

2 x

9 x

3 x

1 0x

4 x

11 x

5 x

7x

1x

Eth

ern

et

A

12 x

6 x

8 x

2 x

9 x

3 x

10 x

4 x

1 1 x

5 x

7 x

1 x

C

1 2 3 4 5 6

7 8 9 1 01 1 12

AB

1 2x

6 x

8x

2x

9 x

3 x

10 x

4 x

1 1 x

5 x

7 x

1 x

Ethe

rne

t

A

1 2 x

6x

8 x

2 x

9 x

3 x

1 0 x

4 x

1 1x

5 x

7 x

1 x

C

CustomerSLA TraderSimulator

eth0

192.168.11.6192.168.21.6

eth100:04:76:51:83:AB

192.168.5.1(192.168.3.4)



28.0

3.20

03Test Setup - Satelliten-Link

Ingress Node

eth000:02:1B:F0:17:21192.168.1.2

eth100:06:5B:74:15:F4192.168.2.3

Access Node

eth000:E0:7D:C5:1A:D1

192.168.11.5

eth100:E0:7D:C5:8C:62

192.168.1.1

Sources

eth000:04:76:51:83:AB

192.168.11.1

Egress Node

eth000:00:B4:93:41:4F192.168.2.4

eth100:50:BA:E0:1E:B2

192.168.3.1192.168.1.5

SLA Trader Node

eth0192.168.11.7192.168.21.7

eth1192.168.1.7

DVB UplinkInfrastructure

eth0192.168.3.5



1 234 56

7 89101112

AB

12x

6x

8x

2x

9x

3x

10x

4x

11x

5x

7x

1x

Et

her

net

A

12x

6x

8x

2x

9x

3x

10x

4x

11x

5x

7x

1x

C

1234 56

789101112

AB

12x

6x

8x

2x

9x

3x

10x

4x

11x

5x

7x

1x

Eth

ern

et

A

12x

6x

8x

2x

9x

3x

10x

4x

11x

5x

7x

1x

C


eth0

192.168.11.6192.168.21.6

eth100:04:76:51:83:AB

192.168.5.1(192.168.3.4) DVB Downlink

Infrastructure

eth0192.168.5.4

Sesat



28.0

3.20

03Test Setup - Video Streaming Test

StreamingClient

Ingress Node

eth000:02:1B:F0:17:21

192.168.1.2

eth100:06:5B:74:15:F4

192.168.2.3

Access Node

eth000:E0:7D:C5:1A:D1

192.168.11.5

eth100:E0:7D:C5:8C:62

192.168.1.1

StreamingServer

eth000:04:76:51:83:AB

192.168.11.2

Egress Node

eth000:00:B4:93:41:4F

192.168.2.4

eth100:50:BA:E0:1E:B2

192.168.3.1192.168.1.5

SLA Trader Node

eth0192.168.11.7192.168.21.7

eth1192.168.1.7

DVB UplinkInfrastructure

eth0192.168.3.5



1 2 3 4 5 6

7 8 91 0 1 11 2

AB

1 2 x

6 x

8 x

2 x

9 x

3 x

1 0 x

4 x

1 1 x

5 x

7 x

1 x

Eth

ern

et

A

1 2 x

6 x

8 x

2 x

9 x

3 x

10 x

4 x

1 1 x

5 x

7x

1x

C

1 2 3 4 5 6

7 8 9 10 1 11 2

AB

1 2 x

6 x

8 x

2 x

9 x

3 x

10 x

4 x

1 1 x

5x

7 x

1 x

Eth

ern

et

A

1 2 x

6 x

8 x

2 x

9 x

3 x

10 x

4 x

1 1 x

5 x

7x

1x

C


eth0

192.168.11.6192.168.21.6

eth000:04:76:51:83:AB

192.168.5.2

DVB DownlinkInfrastructure

eth0192.168.5.4

Sesat



28.0

3.20

03Test Resultate (Auszug)Eingespeiste Bandbreite Empfangene Bandbreite

t0: Reservierung 200 kbit/s, keine Bezahlung von “Excess Traffic”

t0+5s: Einspeisung innerhalb der vereinbarten Rate beginnt

t0+30s: Eingespeiste Bandbreite wächst an auf 1Mbit/s, “Excess Traffic” wird verworfen

t0+60s: Reservierung wird erhöht auf 750 kbit/s

t0+90s: Reservierung wird geändert, “Excess Traffic” wird jetzt bezahlt

t0+120s: Eingespeiste Bandbreite geht zurück auf 100 kbit/s



28.0

3.20

03Test Resultate Video-Streaming

Ungestörter Video Stream

1450 kbit/s durchschnittliche Bandbreite

2000 kbit/s Uplink Bandbreite

Gestörter Video Stream

1450 kbit/s durchschnittliche Bandbreite

2000 kbit/s zusätzliche Störlast niedrigerer Priorität

2000 kbit/s Uplink Bandbreite



28.0

3.20

03Zusammenfassung4DiffServ

– ist auch auf DVB-S links ein probates Mittel, um QoS zugewährleisten

4Dynamische SLAs – Ansatz zur Optimierung der Transponder Auslastung

4QoS ist und bleibt eine Ende-zu-Ende Angelegenheit– DVB Enkapsulierungs-Overhead muß berücksichtigt werden– QoS-Funktionalität muß entlang des kompletten Datenpfades

implementiert sein



28.0

3.20

03Perspektiven4Weitere Forschungs-Felder

– QoS im DVB-RCS Rück-Kanal– Integration von IP- und DVB-basierten QoS-Mechanismen– DVB Enkapsulierungs-Overhead: Reduktion und

Vorhersagbarkeit– Optimierung der Genauigkeit von Queuing Algorithmen

4Mögliche Anwendungen– Telelearning– e-cinema



28.0

3.20

03Voraussetzungen für Operationellen Einsatz

4Standardisierung von• “Elektronischen” SLAs• Protokollen für SLA-Aushandlung

4Gemeinsamer Wille auf Seiten von – Kunden und– Link Providern



28.0

3.20

03Kontakte4Roberto Donadio (ESA/ESTEC)

[email protected]

4Michael Henke (VCS Aktiengesellschaft)[email protected]

4Bernhard Collini-Nocker (University of Salzburg)[email protected]

4Goncalo Quadros (Critical Software SA)[email protected]

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