A system-oriented approach to efficiency and quality of service for internet service providers [Elektronische Ressource] / von Oliver Heckmann

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• Publié par: technischen_universitat_darmstadt
• Publié le: 01 janvier 2005
• Nombre de lectures: 24
• Langue: Deutsch
• Poids de l'ouvrage: 3 Mo

Extrait

A System-oriented Approach to
Efficiency and Quality of Service
for Internet Service Providers
Dissertationsschrift
in englischer Sprache
vorgelegt und genehmigt
am Fachbereich Informatik
der Technischen Universitat Darmstadt von¨
Dipl.-Wirtsch.-Ing. Oliver Heckmann
geboren am 7.3.1974 in Darmstadt
zur Erlangung des Grades eines
Doktor-Ingenieur (Dr.-Ing.)
Darmstadt 2004
Hochschulkennziffer D17
Vorsitz: Prof. Dr.rer.nat. Claudia Eckert
Erstreferent: Prof. Dr.-Ing. Ralf Steinmetz
Korreferent: Prof. Jon Crowcroft (Ph.D.)
Tag der Einreichung: 18.10.2004
Tag der Disputation: 14.12.2004Kurzfassung (Deutsch)
Hohe Effizienz – definiert als das Verhaltnis zwischen dem transportierten Verkehr und den¨
dafur¨ anfallenden Kosten – undeine wohldefinierteDienstgut¨ e (Quality of Service)sindzwei
sehr wichtige Ziele fur IP Netzwerke. Hieraus ergibt sich die dieser Dissertation zugrunde¨
liegende Fragestellung, wie man die Effizienz und Dienstgu¨te aus Sicht eines IP Netzwerkbe-
treibers (Internet Service Provider) optimieren kann.
Wie diese Arbeit zeigt, hangt die Dienstgute und Effizienz stark von der Netzwerkar-¨ ¨
chitektur, den Verkehrs- und Netzwerkanpassungsmaßnahmen (Traffic Engineering und Net-
work Engineering), sowie der Anbindung an andere Netzwerke (Interconnections)ab.Aus
diesem Grund verfolgt diese Arbeit einen systemorientierten Ansatz, mit dem die genannten
Bereiche bezuglich EffizienzundDienstgute untersucht,optimiert undihre gegenseitigen Ab-¨ ¨
han¨ gigkeiten beruc¨ ksichtigt werden.
Im Bereich der Netzwerkarchitekturen liegt der Fokus der Untersuchung auf Methoden
zur Dienstgu¨teerbringung. In dieser Arbeit werden analytische Modelle zur Bestimmung und
¨Untersuchung des Uberdimensionierungsfaktors von reinen Best-Effort Netzwerken im Ver-
gleich zu Netzwerken, die eine explizite Dienstdifferenzierung erlauben, hergeleitet. Darub¨ er
hinaus werden die verschiedenen Dienstgu¨tearchitekturen der IETF in einer umfangreichen
experimentellen Untersuchung evaluiert und verglichen. In diesem Rahmen wird auch ein
Bandbreitenbroker fur¨ Differentiated Services Netzwerke entwickelt, der starke Dienstgu¨te-
¨garantien geben kann und gleichzeitig uber ein Uberbuchungssystem Effizienzsteigerungen¨
ermoglic¨ ht.
Neben der Netzwerkarchitektur wird die Effizienz und Dienstgute eines Netzwerkes auch¨
von der Interconnection-Struktur beeinflußt – also durch die Art und den Umfang der An-
bindung an andere Netzwerke. In dieser Dissertation werden mehrere Ansatze zur Opti-¨
mierungderEffizienz,Zuverl¨assigkeitundDienstgut¨ ederInterconnection-Strukturaufgestellt
undevaluiert. Eswirdgezeigt, daßsichmitdenentwickeltenStrategieneinedeutlicheKosten-
ersparnis und Dienstguteverbesserung erzielen laßt.¨ ¨
WiesichdiemitderNetzwerkarchitekturunddenInterconnections erreichbareDienstgut¨ e
bzw. Effizienz mit Hilfe von Verkehrsanpassungsmaßnahmen (Traffic Engineering) weiter
verbessern laßt,¨ wird in dieser Arbeit ebenfalls untersucht. Schw¨achen existierender Ansatze¨
werden aufgezeigt und behoben.
Wegen des stan¨ dig wachsenden Verkehrsvolumens sind Kapazitats¨ erweiterungen die
wichtigste Netzwerkanpassungsmaßnahme (Network Engineering) eines Netzwerkbetreibers.
Daher werden in dieser Arbeit Kapazit¨atserweiterungsstrategien entworfen und evaluiert,
die unter anderem auch den Einfluß der verschiedenen Netzwerkarchitekturen und die
Verkehrsanpassungsmaßnahmen des Betreibers beru¨cksichtigen.
iiiAbstract (English)
A high efficiency (i.e., the ratio between the transported traffic and the costs for transporting
the traffic) and a well-defined quality of service are twovery importantgoals for IPnetworks.
From this follows the central question of this dissertation: How can an Internet service
provider optimise the efficiency and quality of service of its network?
This thesis shows that efficiency and quality of service strongly depend on the network
architecture, traffic engineering, network engineering, and the interconnections. Therefore, a
system-oriented approach is employed. With this approach, all previously mentioned areas
are analysed and optimised, considering their mutual influences.
In the context of network architectures, the focus of the research lies on methods for
providing quality of service. Within this thesis, analytical models are developed in order to
determine and analyse the overprovisioning factor of a plain best-effort network compared
to networks that support explicit service differentiation. Furthermore, the different IETF
quality of service architectures are evaluated and compared in an experimental study. In
this context, a bandwidth broker for Differentiated Services networks is developed. It offers
strong quality of service guarantees and a high efficiency by overbooking.
Besides the network architecture, the interconnection structure (i.e., the connections to
other networks) also influences the efficiency and the quality of service of a network. In this
dissertation, different approaches to optimise the efficiency, reliability, and quality of service
of the interconnection structure are developed and evaluated. The dissertation shows that
with these approaches, significant cost savings and quality of service improvements can be
realised.
How the efficiency respectively the quality of service obtained with the network archi-
tecture and interconnections can be further improved by traffic engineering is also analysed
within this dissertation. Weaknesses of existing approaches are identified and corrected.
Due to the steadily increasing traffic volumes, capacity expansion is the most important
network engineering task of a provider. Therefore, capacity expansion strategies are elabo-
rated andevaluated inthis dissertation. Theyalso consider theinfluenceof differentnetwork
architectures and traffic engineering.
ivAcknowledgements
There are numerous people who have helped and supported me working on this thesis. First
of all, I would like to thank my supervisor Prof. Ralf Steinmetz for his support, advice, and
for running the Multimedia Communications Lab which proved to be a valuable and pro-
ductive work environment. I would also like to thank my co-supervisor Prof. Jon Crowcroft
for his advice, help, and for getting me into contact with the ISP industry. A special thank
you goes to Prof. Jens Schmitt from whom I learned so much during our fruitful cooper-
ation! Furthermore, I would like to thank all my current and past colleagues at KOM –
especially Kalli, Nico, Andreas, Vasilios, Krishna, Ivan, Rainer, Hannes, Michael, Utz, Ivica,
and Matthias – Frau Kolb and the administrative staff! And further thanks to my students,
especially Martin, Ian, Enis, Nikola, and Axel.
Bibiana, thank you very much for your invaluable help, support, and understanding!! I
am especially grateful to my father and mother, Klaus, Berit, my grandparents, and the rest
of my family for their constant support and encouragement.
Further, I would like to thank John Souter, CEO of LINX (London Internet Exchange),
Eike Jessen, director of DFN e.V. (German research network), Arnold Nipper, chief technical
officer of DE-CIX, Gerhard Hasslinger from T-Systems (Deutsche Telekom), Raza Rizvi,
technical manager of the UK ISP REDNET (www.red.net), Frank Kelly, Richard Gibbens,
Damon Wischik, and Gaurav Raina – all from the Cambridge University – for their valuable
input and fruitful discussions.
Last but not least, I would also like to thank open source software. And, I have to thank
Jerry, George, Kramer and Elaine for cheering me up whenever necessary ;-)
vContents
1 Introduction 1
1.1Motivation..................................... 1
1.2Approach...................................... 2
1.2.1 InternetNetworkServiceProvider.................... 2
1.2.2 NetworkEfficiency............................. 2
1.2.3 NetworkQualityofService........................ 3
1.2.4 Trade-off between Efficiency and Quality of Service . . . . . . . . . . . 3
1.2.5 System-orientedApproach......................... 5
1.3Contribution.................................... 6
1.4 Related Approaches . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
1.5Outline....................................... 9
I Network Architecture 12
2 State of the Art 13
2.1Introduction..................................... 13
2.2 Quality of Service Architectures . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
2.2.1 Components of a Quality of Service System . . . . . . . . . . . . . . . 15
2.2.2 The Integrated Services Architecture . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
2.2.3 Stateless Core Architectures . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
2.2.4 The Diffserv Architecture . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
2.2.5 Tuned Best-Effort Architectures . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34
2.2.6 Other Architectures . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
2.2.7 Classification of Quality of Service Architectures . . . . . . . . . . . . 41
2.3 Data Forwarding Architecture . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42
2.3.1 IPRouting................................. 42
2.3.2 LabelSwitching.............................. 47
2.4 Signalling Archite