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									                                            IPTEL2000 Workshop


                             IP-Telefonie über Differentiated Services
                                              U.Thürmann, M.Zitterbart
                             Institut für Betriebssysteme und Rechnerverbund
                                                  TU Braunschweig
                                            {thuerman,zit}@ibr.cs.tu-bs.de




                                  Szenario
                                  DiffServ-Architektur
                                  Simulationsmodell
                                  Simulationsergebnisse
                                  Zusammenfassung und Ausblick




IP-Telefonie über Differentiated Services                         U. Thürmann, M. Zitterbart – IBR, TU Braunschweig
                    IP-Telefonie über Differentiated Services




                                            IP Backbone
                  LAN                       - Differentiated                     LAN
                                              Services -


Szenario
    Endgeräte für IP-Telefonie in LANs
    Verbindung der LANs durch IP-Backbone (Internet, Intranet)
Problem
    Hohe Last im Backbone (Paketverluste, Verzögerung)
Ansatz
    Differentiated Services im IP-Backbone
    Ende-zu-Ende Dienstgüte für Telefonieverkehr
 Analyse von Scheduling im DiffServ-Netz
IP-Telefonie über Differentiated Services                      U. Thürmann, M. Zitterbart – IBR, TU Braunschweig
                       Basisarchitektur Differentiated Services



            Bandwidth                                                      Aggregated
             Broker                         IP-Backbone                    Reservation




                           Boundary
                            Router                                   DiffServ
                                                                     Domain
Boundary Router
    Zugangskontrolle, Klassifikation und Markierung mit DiffServ Codepoint (DSCP)
Innere Router
    Auswahl eines Per-Hop-Behaviors (PHB) zur Weiterleitung anhand des DSCP
Bandwidth Broker
    Aushandlung von Reservierungen

IP-Telefonie über Differentiated Services             U. Thürmann, M. Zitterbart – IBR, TU Braunschweig
                                  Aufbau der DiffServ-Router


                                   EF                            15%
                                                   FIFO

                                   AF1                           40%
                                            TC     RIO
                    Classifier                                               CBQ
                                   AF2
                                            TC     RIO           30%

                                   BE
                                                   RED           5%



   Komponenten der DiffServ Router
   Classifier:
          Multifield (MF): IP-Adressen, Port-Nummern
          Behavior Aggregate (BA): DiffServ-Codepoint (DSCP)
   Traffic Conditioner (TC): Meter, Marker & Shaper
   Warteschlangen, Scheduling-Algorithmen

IP-Telefonie über Differentiated Services                 U. Thürmann, M. Zitterbart – IBR, TU Braunschweig
           Analyse von Differentiated Services für IP-Telefonie




Betrachtung von
    Verschiedenen Verkehrsmustern (Sprache, Hintergrundverkehr)
    Derzeit diskutierten DiffServ Services (Best Effort, Assured Service, Premium Service)
    Warteschlangenalgorithmen (RED, RIO, CBQ, WFQ, ...)


 Simulative Untersuchungen mit ns-2


Ziel
    Bewertung verschiedener DiffServ-Mechanismen
     für den Transport von Sprachverkehr über IP-Netze




IP-Telefonie über Differentiated Services             U. Thürmann, M. Zitterbart – IBR, TU Braunschweig
                                            Simulationsmodell

                                                       Endsysteme im LAN
                    LAN       LAN
                                                                                            LAN   LAN
                                                       Border Router

                                                       Interior Router

                                                       First-Hop Router            DS
                                         DS                                      Domain 3
                                       Domain 1




                                    Sprachverbindung


                                            LAN                                   LAN
                                                                                            LAN   LAN
                       LAN       LAN
                                            LAN                                   LAN

                                                        DS Domain 2

    Simulative Untersuchung von IP-Telefonie über DiffServ
           Klassifikation, Zugangskontrolle,und Markierung im First-hop Routers
           Verschiedene DiffServ Per-Hop-Behaviors (PHBs) für Sprachverkehr
           Mehrere Warteschlangenverfahren zur Implementierung von Differentiated Services
           CBR-, LiveLan- und NetMeeting-Verkehr

IP-Telefonie über Differentiated Services                                 U. Thürmann, M. Zitterbart – IBR, TU Braunschweig
                                     Verkehrscharakteristika




    LiveLan-Verkehr (Messungen der TU München)
           48 Verbindungen, jede passiert 2 DiffServ Domänen
           512 Bytes Paketgröße, 50-80 ms/Paket, 70 kbit/s mittlere Datenrate
    Hintergrundverkehr
           480 Pareto-verteilte Quellen: 240 Best-Effort, 120 AF1, 120 AF2
           1000 Bytes Paketgröße, 100 kbit/s mittlere Datenrate
           je 800 kbit/s AF1- bzw. AF2-in-profile-Hintergrundverkehr pro LAN, 200 kbit/s out-of-profile
    Höchste Verkehrskonzentration zwischen innerem Router und Boundary Router
           16 Sprachverbindungen, 1.1 Mbit/s: EF, AF1, BE
           120 Hintergrundquellen: 3.2 Mbits/s in-profie, 0.8 Mbit/s out-of-profile für AF1 und AF2




IP-Telefonie über Differentiated Services                      U. Thürmann, M. Zitterbart – IBR, TU Braunschweig
                                            RED und CBQ




                                                 FIFO
                  RED
                                     Random early drop


                                    EF           FIFO       15%

                                                            40%
                                    AF1          RIO
                  CBQ                                                  CBQ
                                    AF2          RIO        30%


                                    BE           RED        5%




   Bei CBQ besitzt jede Klasse eine eigene, unabhängige Warteschlange
   In der Summe mehr Puffer für Pakete im Router

IP-Telefonie über Differentiated Services                U. Thürmann, M. Zitterbart – IBR, TU Braunschweig
                                                LiveLan-Verkehr mit Best Effort


                                          100
                  End-to-end delay [ms]
                                          80

                                          60

                                          40

                                          20

                                           0
                                                0   5   10   15     20     25      30      35       40
                                                                  Time [s]
   Best Effort                                                                         Paketverluste         60%
          hohe Paketverlustrate
                                                                                      mittl. Verzögerung     82.0ms
          hohe Verzögerung und Jitter
                                                                                      min. Verzögerung       52.8ms
   Ergebnis: ungeeignet für Sprachverkehr über IP                                    max. Verzögerung       90.7ms

IP-Telefonie über Differentiated Services                               U. Thürmann, M. Zitterbart – IBR, TU Braunschweig
                                                LiveLan-Verkehr mit RED


                                      100
              End-to-end delay [ms]
                                      80

                                      60

                                      40

                                      20

                                       0
                                            0   5   10   15     20     25       30       35          40
                                                              Time [s]

                                                                                     Paketverluste         22%
   Best Effort mit RED-Warteschlangen
                                                                                  mittl. Verzögerung      29.7ms
          Verbesserung von Verlustrate, Verzögerung und Jitter
                                                                                  min. Verzögerung        16.0ms
   Ergebnis: ungeeignet für Sprachverkehr über IP                                max. Verzögerung        45.1ms

IP-Telefonie über Differentiated Services                           U. Thürmann, M. Zitterbart – IBR, TU Braunschweig
                                       LiveLan-Verkehr über Assured Service


                                      100
              End-to-end delay [ms]
                                      80

                                      60

                                      40

                                      20

                                       0
                                            0   5   10   15     20     25        30       35        40
                                                              Time [s]
   Assured Service mit CBQ
                                                                                    Paketverluste         0.4%
          Verbesserte Paketverlustrate
                                                                                  mittl. Verzögerung     62.3ms
          Aber größere Verzögerung und Jitter als mit RED
                                                                                  min. Verzögerung       21.9ms
   Ergebnis: nur bedingt geeignet für Telefonie über IP
                                                                                  max. Verzögerung       87.3ms

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                                            RED und CBQ




                                                 FIFO
                  RED
                                     Random early drop


                                    EF           FIFO       15%

                                                            40%
                                    AF1          RIO
                  CBQ                                                  CBQ
                                    AF2          RIO        30%


                                    BE           RED        5%




   Bei CBQ besitzt jede Klasse eine eigene, unabhängige Warteschlange
   In der Summe mehr Puffer für Pakete im Router

IP-Telefonie über Differentiated Services                U. Thürmann, M. Zitterbart – IBR, TU Braunschweig
                                        LiveLan-Verkehr über Premium Service


           End-to-end delay [ms]   30
                                   25
                                   20
                                   15
                                   10
                                   5
                                   0
                                        0   5    10   15     20     25      30       35        40
                                                           Time [s]
   Premium Service mit CBQ
                                                                                   Paketverluste          0%
             Niedrige Verzögerung und Jitter durch hohe Priorität
                                                                                 mittl. Verzögerung     14.1ms
             keine Paketverluste
                                                                                 min. Verzögerung       10.6ms
   Gut geeignet für voice over IP
                                                                                 max. Verzögerung       20.2ms

IP-Telefonie über Differentiated Services                          U. Thürmann, M. Zitterbart – IBR, TU Braunschweig
                                               LiveLan-Verkehr mit WFQ


                                      30
              End-to-end delay [ms]
                                      25
                                      20
                                      15
                                      10
                                      5
                                      0
                                           0   5   10   15     20     25       30        35         40
                                                             Time [s]
                                                                                    Paketverluste         0.6%
   Assured Service mit WFQ
                                                                                  mittl. Verzögerung     13.6ms
          Out-of-profile-Verkehr wird als Best-Effort remarkiert
                                                                                  min. Verzögerung       10.6ms
          Dadurch Reihenfolgevertauschung möglich
                                                                                  max. Verzögerung       20.8ms

IP-Telefonie über Differentiated Services                           U. Thürmann, M. Zitterbart – IBR, TU Braunschweig
                                               LiveLan-Verkehr mit WFQ


                                      30
              End-to-end delay [ms]
                                      25
                                      20
                                      15
                                      10
                                      5
                                      0
                                           0   5   10   15     20     25       30        35       40
                                                             Time [s]
                                                                                     Paketverluste          0%
   Premium Service mit WFQ Warteschlangenverfahren
                                                                                  mittl. Verzögerung      14.8ms
          keine Priorität für Premium Service
                                                                                   min. Verzögerung       10.7ms
          höherer Jitter als mit Assured Service
                                                                                  max. Verzögerung        27.3ms

IP-Telefonie über Differentiated Services                           U. Thürmann, M. Zitterbart – IBR, TU Braunschweig
                                        Verzögerung mit WFQ



                                  EF         FIFO           15%

                                                            40%
                                  AF1        FIFO
                                                                       WFQ
                                  AF2        FIFO           30%


                                  BE         FIFO           5%



   keine Prioritäten
   Pakete in Klassen mit niedriger Bandbreite erfahren höhere Verzögerung
          finish-time = size / (link-bandwidth * weight)
   keine inneren Warteschlangen mit eigenem Algorithmus (z.B. RED, RIO)
   gemeinsamer Puffer für alle flows, schlechtere Trennung von Ressourcen
   Ohne Modifikationen nicht gut geeignet für DiffServ

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                              Zusammenfassung und Ausblick



Zusammenfassung
   Deutliche Verbesserung der Dienstgüte für IP-Telefonie durch Einsatz von Differentiated
    Services Mechanismen gegenüber Best Effort
   Assured Service nur bedingt geeignet
          gute Paketverlustrate aber große Verzögerungen
   WFQ allein schlecht geeignet
          keine Prioritäten für Premium Service
          keine getrennten Warteschlangen (abhängig von der Implementierung)
   Gute Ergebnisse mit CBQ
Weitere Arbeiten
   Weitere Simulationen
   Implementierung eines Demonstrators auf Basis von Linux
   Design eines DiffServ Bandwidth Brokers


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