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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
SpaceCom . Remote Sensing Technology . Media Broadcasting Solutions
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28.0
3.20
03Übersicht
4Projekt-Team und -Struktur4QoS - Definition und Status Quo4DiffServ - Modell und Implementierung4Dynamische Service Level Agreements4Software-Architektur4Test-Ergebnisse4Zusammenfassung und Ausblick
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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
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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
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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
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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)
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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)
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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
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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
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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
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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)
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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
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13© VCS Aktiengesellschaft
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
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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
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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)
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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
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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
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28.0
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03Implementierung
4Betriebssystem– Linux
4Programmiersprachen– C++ – PHP– Perl
4Traffic Management: – Traffic Management Mechanismen des Linux Kernels
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19© VCS Aktiengesellschaft
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)
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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
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21© VCS Aktiengesellschaft
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
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22© VCS Aktiengesellschaft
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)
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28.0
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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
Acceptance Test Configuration (ESTEC)
VCS ContributionUniSal ContributionCSW ContributionESA Contribution
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
CustomerSLA TraderSimulator
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
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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
Acceptance Test Configuration (ESTEC)
VCS ContributionUniSal ContributionCSW ContributionESA Contribution
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
CustomerSLA TraderSimulator
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
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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
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26© VCS Aktiengesellschaft
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
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27© VCS Aktiengesellschaft
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
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28© VCS Aktiengesellschaft
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
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29© VCS Aktiengesellschaft
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
SpaceCom . Remote Sensing Technology . Media Broadcasting Solutions
30© VCS Aktiengesellschaft
28.0
3.20
03Kontakte4Roberto Donadio (ESA/ESTEC)
4Michael Henke (VCS Aktiengesellschaft)[email protected]
4Bernhard Collini-Nocker (University of Salzburg)[email protected]
4Goncalo Quadros (Critical Software SA)[email protected]