Internet QoS Technique Jun-Hyun, Moon Computer Communications LAB., Kwangwoon University imp@kw.ac.kr

개요 인터넷의 확산 QoS 관리 기술 필요 IP 기술의 단순성에 근거 대부분의 지능을 Network 종단이 가짐 Network 내부에서는 Destination Address를 바탕으로 단순하게 정보를 전달함 Router Resource 여부에 따라 Data의 Delay 혹은 Loss 발생 Simple Best-effort Service 사용자의 수의 폭발적인 증가와 다변화된 응용 및 Service 요구 대용량의 Bandwidth 엄격한 시간적인 전달 요구 사항 일대다/다대다의 전달 요구 사항 QoS 관리 기술 필요

Network 응용 분류표 (출처: iBand2 백서) 최선형 통제형 보장형 다방향 (many-to-many bidirectional) Asynchronous Burst News Session announcement Interactive Stream Distance learning Multi-Player games Interactive Burst Chat (IRC) Resource discovery Shared editing Isochronous Stream A/V Conferencing Distributed simulation Real-time modeling Mission-Critical Stream Distributed process Mission-Critical Burst Auction 양방향 (one-to-one bidirectional) Thin client X-windows Web browsing Resource sharing Database access POS transactions Remote login Chat (text-based) Telephone Isochronous Burst Database updates Telemedicine Remote control - Financial X-actions 단방향 (one-to-one or one-to-many unidirectional) E-mail File Transfer Push Media Synchronous Stream Streaming media Data collection Push media Process monitoring

QoS 정의 QoS Service 제어성 주소/이름 인식성 자원 이용 효율성 홉 레벨 품질 종단 레벨 품질 이용/제어 품질 표현/체감 품질 • Traffic Engineering & Policy • Resource Management • Hop-level QoS • End-to-End-level QoS • Interactivity • Latency Time

QoS 기술 Network 전 계층(응용~물리)에서의 보장 기술 Network 종단간 QoS 보장 기술 응용 라우터나 스위치 성능에 맞는 설계 및 Network Service 품질의 차이를 활용할 수 있는 Interface 및 Link 기능 지원 라우터나 스위치 Traffic의 특성에 맞는 Resource Management and Scheduling Network 종단간 QoS 보장 기술 QoS 요소 변수들을 제어할 수 있는 Network Service 측면의 제어 Mechanism이 필요 망 장치에서의 Delay Throughput Loss 특성 Reservation, Queuing, Monitoring QoS Management, Security, Traffic 측정, 분석 및 과금 기능

QoS 관리 기술 분류 QoS 보장 기술 QoS monitoring 기술 Network 장비에서 제공되어야 할 Traffic 관리 기술 Network 전사적인 QoS 보장 기술 Policy기반의 QoS 관리 기술 QoS monitoring 기술 Protocol monitoring Network monitoring End-to-End QoS monitoring

특정 장비별 QoS 보장 기술 : Traffic Management Queue management FIFO, Priority Queuing, CBQ, WFQ Traffic shaping Leaky-Bucket, Token-Bucket, 복합방식 Admission control Policing Congestion control RED, WRED, ERED, GRED

Queue management FIFO Queuing Priority Queuing Store-and-forward 방식 High bandwidth, Switching/Forwarding 성능이 뛰어난 Bust Traffic 처리에 적합 Overflow가 발생할 경우 Service의 종류와 무관하게 Drop이 발생 차별적인 Service 제공이 어려움 Priority Queuing 특정유형의 Traffic을 구분하여 출력 Queue의 앞부분으로 보내 먼저 처리되도록 하는 방식 가장 초보적인 Service 차별화가 가능 Service 차별화 단계가 많을수록 처리 부담 가중, Packet Forwarding 성능 저하 낮은 우선 순위의 Loss율이 높고, Delay에 민감한 응용에는 비적합, 확장성이 좋지 못함

Queue management (cont.) Class-based Queuing (CBQ) Priority Queuing 방식의 단점인 Starvation 현상을 방지 하나의 출력 Queue 대신 여러 개의 출력 Queue를 Class 별로 두어서 Priority를 정하고 각 Queue별로 Service되는 Traffic의 양을 조절 특정 Class의 Traffic이 전체 System Resource를 독점하는 것을 방지 각 Class별로 정해진 양의 Bandwidth을 완전 보장하지는 못함 Class별로 자원이 완전 고갈되는 것을 막으면서도 각 Class별로 적절한 Service를 제공 할 수 있는 방식 복잡한 Queue 관리에 소요되는 계산 부담 때문에 고속의 Network의 경우에는 Scalability 문제가 있음

Queue management (cont.) Weighted Fair Queuing (WFQ) 소량의 Traffic이 대량이 Traffic에 의해 피해를 보지 않게 함 Flow별로 Traffic을 조절하는 공정성 측면 특정 기준에 따라 가중치(Weight)를 둠 같은 양의 Traffic을 가진 Flow 간에도 차별을 두는 Weight 측면을 복합적으로 적용한 Queuing 방식 Weight를 결정하는 방식 구현 방식 의존적 예) IP Header의 TOS 필드 중 IP precedence bit를 사용하는 경우 고속의 Network 환경에서 Scalability 문제 Traffic Flow 간을 차별화 할 수 있는 Mechanism 부재로 인한 granularity 부족이 이 방식의 최대 단점

Traffic Shaping Network 내부로 유입되고 유출되는 Traffic의 양과 유출되는 Traffic의 속도를 조절하는 Mechanism Leaky-Bucket 방식 일정하지 않은 Traffic을 일정하게 유지시켜 전송시키는 방식 ATM Network에서 Cell Traffic의 속도를 조절하기 위해 제안 Packet Network의 제 3계층에서도 사용됨 Network로 전송되는 Traffic을 아주 단순히 제어하고 조절 가능 구현이 쉽고 Network 내의 한 종류의 Traffic 양을 조절하는 임의의 임계치(threshold)로 사용가능 여러 종류의 Traffic 속도를 지원해야 하는 경우에는 비효율적 Leak late이 고정된 값을 가지므로 Network 자원의 여유가 많은 때에도 충분히 활용할 수 있는 적응성이 부족함

Traffic Shaping (cont.) Token-Bucket 방식 Bucket 자체를 FIFO Queue로 사용하지 않고 Traffic을 제어하기 위한 Control Token을 관리하는 용도로 사용 Traffic은 Token의 유무에 따라 Flow Control을 받게 됨 항상 정해진 일정양만 통과하도록 되어있는 Leaky-Bucket과 달리 Traffic이 Bust한 경우에도 일정한 한계치 범위 내에서 통과 가능 Network의 Resource 활용을 보다 효율적으로 할 수 있음 다수 개의 Token을 허용하는 변형된 방식으로 발전 서로 다른 Class Traffic의 개별적인 조절이 가능함 복합 방식 Token-Bucket으로 Traffic 양의 Bust를 허용하면서 조절한 후, Leaky-Bucket을 이용 특정 한계치 값만큼 일정하게 Traffic 전송 다수의 Token-Bucket이 가질 수 있는 특정 Class의 자원 독점 혹은 경쟁 방지, Traffic Class의 차별화 구현 용이

Admission Control 특정한 Traffic을 Network로 받아 들일 것인가의 여부를 결정하는 정책 근본적인 QoS 보장이 불가능해짐 QoS 제공을 위한 필수적인 요소 Admission Control의 종류 Leaky-Bucket 혹은 Token-Bucket을 이용하는 단순한 방법 복잡한 QoS 변수를 적용하여 Admission Control을 하는 통합 Service Model Resource의 유무와 별도로 Network 자체의 Policy에 따른 Admission Control 방법

Congestion Control Random Early Detection (RED) Queue 길이를 측정하여 관리자가 설정한 한계치 값에 접근하면 임의로 특정 Flow를 선택하여 Packet을 Drop시킴으로써 Sender 측에서 송신 속도를 늦출 수 있도록 함 글로벌 동기화 현상을 방지할 수 있음 FIFO Queuing 방식의 단점인 Packet 순서 조정 및 Queue 관리에 소요되는 계산 부담없이 Congestion Control를 할 수 있음 혼잡 발생 시 임의의 Flow를 선택하여 Drop 시키기 때문에 Service의 차별화를 두어야 하는 환경에서는 공정성을 유지하기 어려움 Weighted Random Early Detection (WRED) RED의 단점을 보완, Service의 차별성을 유지하면서도 Congestion Control을 할 수 있는 방법 혼잡발생 시 탈락시킬 Flow를 특정 기준(Policy)에 준하는 값에 따라 Priority를 두고 선택하도록 하는 방법

Network 전사적 QoS 보장 기술 End-to-End per-flow Resource Reservation-Integrated Service 각 Flow 별로 응용 종단간에 필요한 Resource을 예약하고 사용 구성 요소 Admission Control QoS 요구사항을 Node가 만족할 수 있는지를 판단하여 연결 여부 결정 Classifier 수신된 Packet의 Header 정보(수신자 정보, Protocol Type, Port번호) 식별 Scheduler Service될 Class 결정 Resource Reservation Signaling Protocol ReSource reserVation Protocol (RSVP) 가장 정확하게 개별 Flow별로 원하는 QoS 보장 가능 기술 문제점 RSVP가 Soft-state Protocol임으로 인해 발생되는 Scalability 문제

Network 전사적 QoS 보장 기술 (cont.) Integrated Service over Differentiated Service Service Code Point (DSCP) 필드에 의해 Service 수를 제한 Packet Classifier, Marking, Policing, Shaping 등을 망의 Edge Node에서 수행 Core Node에서는 Behavior Aggregate (BA) Classifier만 수행하여 Scalability 문제 해결 세가지 Service 유형 Best-effort Service 일반적인 최선형 Service Assured Forwarding (AF) Service 망이 혼잡할 때 일정수준의 Service 품질을 보장하는 Service SLA 준수 여부에 따라 Traffic을 in 또는 out Profile로 분류 Assured Queue에 넣고 RED 또는 RED with In and Out (RIO)로 스케쥴링 Expedited Forwarding (EF) Service Low Jitter와 Delay 보장, Premium Service

Network 전사적 QoS 보장 기술 (cont.) Integrated Service over Differentiated Service (cont.) SLA를 초과하는 Traffic은 Drop Egress Router는 SLA에 따라 Shaping 기능 수행 Integrated Service (IS)의 단점을 보완하기 위해서 제안됨 Back-bone : DiffServ를 사용함으로 확장성 보장 User Network : IntServ를 사용함으로써 확실한 QoS 보장 가능 단점 DiffServ Network을 Black-Box로 취급하고 내부의 Resource Status를 알 수 없기 때문에 User Network의 Edge Node에서 정확한 Admission Control이 어려움 DS Network내에서 Congestion을 Edge Node가 알 수 없음 해결책 Bandwidth Broker (BB)를 이용 해결 가능

Network 전사적 QoS 보장 기술 (cont.) Integrated Service over Differentiated Service (cont.) Bandwidth Broker (BB) Internet에서 QoS를 제공함에 있어서 Policy 기반 QoS 관리 기능 중에서 자원사용량에 기반한 QoS 관리를 수행하는 System Domain에 하나씩 존재 Inter-domain 이웃 Domain의 BB와 SLA 체결 유지하는 기능 Intra-domain User나 응용으로부터의 QoS Requirement를 받아서 Domain 내의 Resource 사용 Policy에 따라 Resource를 할당하는 기능 수행 이웃 Domain과 협상된 SLA에 기반하여 Border Router의 Resource 구성 정보를 제공

Network 전사적 QoS 보장 기술 (cont.) Statically Assigned Trunk Reservation based on DiffServ 여러 개의 Per-Flow를 하나의 Aggregate-Flow로 묶어서 처리하는 방식 Static한 Aggregate Flow 설정 Network 구조는 IntServ over DiffServ와 동일하지만 resource reservation을 각 Per-Flow가 아니라 Aggregate-Flow로 처리하는 차이가 있음 Scalability 문제 해결 가능 하지만 여전히 IntServ over DiffServ 방식의 문제점 계승 표준화된 Admission Control 방식의 부재 Admission Control을 어디서 할건지? DS Network의 Ingress or Egress…… Resource 설정 범위 Global Network or 각각의 Aggregate Path…...

Network 전사적 QoS 보장 기술 (cont.) Dynamic Trunk Reservation with Aggregated RSVP 통합 Flow인 Trunk를 Dynamic하게 Setup하는 방식 Truck의 Dynamic Setup을 위한 Dynamic Signal Protocol Aggregated RSVP 이동성이 강한 Network나 Over-Provisioning이 허용될 수 없는 Network에서는 이 Protocol 만으로는 해결될 수 없는 문제점이 있음 Aggregated RSVP는 RSVP의 확장 버전이기 때문에 RSVP의 문제점인 수신자 기반, 단방향성 및 관련 Node수에 비례한 Resource Status Management 등을 가짐 따라서 보다 강력한 Dynamic Signal Protocol이 필요함

Policy-based QoS Management End-to-End QoS 보장을 위해 Network 내부 또는 외부 전체의 Network 요소 내부의 Traffic 관리 기능 제어 및 Resource를 종합하여 관리 하는 System Policy-based QoS Management의 구성 Policy 편집 Network와 User의 Policy을 생성 Policy 충돌 방지 기존의 Policy과 새롭게 생성된 Policy과의 충돌을 감지하고 관리 Policy 생성 Network 장비가 이해할 수 있는 형태로 Policy을 변경 생성 변경 생성된 Policy 정보는 Network 장비에 분배되고 각 장비는 분배된 Policy를 적용하여 Traffic을 제어함 Policy 진화 가능 이미 분배된 Policy은 Network의 Status나 특정 일시 등과 같은 영향으로 변경을 요하는데 이것을 감지하고 관리하는 기능

Policy-based QoS Management Architecture LDAP Directory Combined PDP and PEP Policy Definition Policy Tools (including Validation & Conflict Detection Logic) Network QoS PDP #1 Security Proxy 1 … Proxy 2 Policy Decision Points Policy Enforcement Points

Policy-based QoS Management Architecture (cont.) Policy Tools including Validation & Conflict Detection Logic LDAP Directory System Policy Store and Search Policy Decision Points (PDP) 생성된 Policy를 Network 장비가 이해할 수 있는 형태로 변환하여 전달하고 이에 대한 응답을 받아 처리하는 기능을 수행 Policy Enforcement Points (PEP) Policy를 받아서 각 장비가 이해하는 명령어로 변환하여 수행하는 역할 Policy Proxy 장비에 PEP 기능이 없을 경우 이 기능을 대신해 주는 요소

Policy-based QoS Management Architecture (cont.) Common Open Policy Service (COPS) PDP와 PEP 사이의 Policy 정보 전달 Protocol Light Weight Directory Access Protocol (LDAP) PDP와 PEP가 Policy 정보를 저장, 검색, 획득하는데 사용되는 Protocol

Policy-based QoS Management Protocol Policy Protocol의 정의 각 Routing System에서 User Data 전달 요구를 수신하였을 때 User가 적용할 수 있는 Policy에 따라 User를 받아들이거나 거절하는 기능을 수행하기 위하여 Router와 Server간에 동작하는 Protocol Policy Protocol에 대한 요구사항 신뢰성 적은 지연 Opaque objects 전송 기능 PEP-initiated, Two-way Transactions 기능 Asynchronous notification 기능 Multicast group 처리 기능 QoS Specification 기능

Policy-based QoS Management Protocol (cont.) 기존의 Policy Protocol RADIUS LDAP Simple Network Management Protocol (SNMP) COPS Resource Allocation Protocol 그룹에서 제안 용도 Outsouring : COPS-RSVP IntServ Domain에서 DiffServ Domain으로 Resource Reservation을 할 때 DiffServ Border Router에서 요청된 RSVP 예약 신청을 승낙할 것인지의 여부를 Policy Server의 결정에 따르는 경우 Provisioning : COPS-PR Server에서 직접 Policy를 Network 장비에 설치를 요청할 경우에 사용 BB의 기능 중 Domain 내부 Resource Reservation 기능

QoS Monitoring 기술 QoS Monitoring 기술의 분류 Monitoring 범위에 따른 분류 Traffic Measurement Traffic Analysis Traffic Presentation Monitoring 범위에 따른 분류 Protocol Monitoring Network Monitoring End-to-End QoS Monitoring Monitoring 방식에 따른 분류 Passive 방식 Protocol Monitoring or Network Monitoring Active 방식

QoS Monitoring 기술 (cont.) Protocol Monitoring 특정 QoS 구조를 가지는 Network Domain에서 사용되고 있는 Protocol이 제대로 작동되고 있는 지를 점검하는 기술 특정 QoS 관리 구조의 완결성을 확인할 수 있는 좋은 기준임 예) RSVP Protocol Monitoring Tool – RSVP Diagnostics Tool Network Monitoring Network Resource의 가용정도 및 소비정도를 측정하여 전반적인 Status를 Monitoring함으로써 Network Engineering과 관리에 도움을 줌 기존의 SNMP 기반의 Network 관리 Tool을 활용하여 QoS 보장 관련 기술용 MIB을 구현함으로써 Monitoring 가능 예) Real-time Traffic Flow Measurement (RTFM) 구조 Tool

QoS Monitoring 기술 (cont.) End-to-End QoS Monitoring 이질적인 QoS 관리 구조를 가지는 Network Domain간의 QoS 보장의 제공 여부를 점검하는 데 중요한 기능을 함 원하는 Traffic 생성을 원하는 시점에 원하는 양 만큼을 할 수 있는 Tool 과 그 결과를 Monitoring할 수 있는 Tool이 필요 정확한 Timing, 다양한 종류의 Test Traffic으로 정확한 Monitoring이 상당한 어려움으로 신중한 사전 설계와 구조의 정의가 요구됨

기타 기술 Traffic Engineering Network Resource의 효율성 극대화 및 신뢰성 향상 기술 QoS를 보장하면서 동시에 Network Resource를 효율적으로 사용하기 위한 기술 주요 Traffic Engineering 기술 Destination Path Calculation and Signaling Traffic Distribution Alternative Path Routing and Problem Path Recovery 대표적인 예 MPLS (Multi Protocol Label Switching)