Quality of service networking with MPLS

Abstract

Neue Anwendungen im Internet und ein starker Anstieg in der Zahl der Benutzer mit verschiedenen Anforderungen erfordern die Entwicklung von Technologien, mit denen man IP Backbone-Netze effizient managen kann. Viele heutige Anwendungen benötigen eine uneingeschränkte Zurverfügungstellung von QoS-Garantien, wodurch sich wieder neue Herausforderungen ergeben. Bisher wurden mehrere Mechanismen und Technologien vorgestellt, um QoS in IP-Netzen zu ermöglichen. Das Schlagwort MPLS wird bisweilen mit QoS gleichgesetzt, ist jedoch eigentlich eine Technologie, um QoS zu erreichen, indem die Datenströme der Anwendungen in verbindungsorientierte Pfade geleitet werden, entlang derer Mechanismen des Traffic Engineering und Bandbreitengarantien umgesetzt werden können.<br />Die vorliegende Arbeit analysiert verschiedene Aspekte und Probleme in der Umsetzung von QoS durch MPLS. Die Problembehandlung setzt in der Datenebene mit der Evaluierung verschiedener Scheduling-Algorithmen zur Dienstgüte-bereitstellung auf Knotenebene an. Danach wird ein Ende-zu-Ende MPLS-Modell vorgeschlagen, sowie eine Analyse des Zusammenwirkens mit ATM und Frame Relay durchgeführt. MPLS ermöglicht die Einführung komplexer Steuermechanismen in IP-Netzen, da es eine effiziente Kontrolle der ausgehenden Verbindung durch eindeutige Label Switching Paths (LSPs) unterstützt. Diese Eigenschaft führt dazu, dass VPN-Lösungen und Traffic Engineering Anforderungen durch MPLS besser umgesetzt werden können. Eine der Herausforderungen im Online-MPLS-Provisioning liegt in der Festlegung eines günstigen Kommunikationspfades zwischen Eingangs- und Ausgangsknoten, wobei zudem eine gewisse Anzahl von Einschränkungen in Betracht gezogen werden muss, die von den Verkehrsanforderungen der Nutzer abhängen.<br />Um quantitative Garantien und eine optimale Nutzung der Übertragungs-ressourcen zu gewährleisten, sollten DiffServ-Mechanismen durch effiziente MPLS Traffic Engineering-Mechanismen ergänzt werden, die auf einer aggregierten Basis über alle Serviceklassen funktionieren. Für ein Ende-zu-Ende-Management sind Ende-zu-Ende- Überwachung (Monitoring) und -Zurverfügungstellung (Provisioning) wichtig.<br />Durch offline-Provisioning kann die Leistung verschiedener Anwendungen getestet und gegebenenfalls verbessert werden. Die Schleife, die in unserer Testumgebung für die Kommunikation zwischen dem MPLS-Netz und dem Managementsystem verwendet wird, ermöglicht die Abbildung der Verkehrsflüsse auf die physikalische Topologie des Netzes und die Zuteilung von Ressourcen zu den einzelnen Verkehrsflüssen. Dadurch gewinnt der Provider ein mächtiges Werkzeug, um Netzressourcen besser einsetzen und managen zu können.<br />

The new Internet applications and a steep increase in the number of users with different requirements have forced the development of technologies that enable IP backbone networks to be engineered efficiently. Many applications require the implicit provisioning of QoS guarantees, and this again emphasizes several challenging issues. Several mechanisms and technologies have been introduced for realizing QoS in IP networks. MPLS is sometimes used synonymously with QoS, but more accurately, it is a QoS enabling technology that forces application flows into connection-oriented paths and provides mechanisms for traffic engineering and bandwidth guarantees along these paths.<br />This thesis analyses several issues and problems in providing QoS with MPLS. The problem treatment begins from the data plane by the evaluation of different scheduling algorithms for supporting QoS in the node level. In the following, an end-to-end MPLS model is proposed, and an analysis of interworking with ATM and Frame Relay is given. MPLS allows sophisticated control to be introduced in IP networks. These capabilities are based on the fact that MPLS efficiently supports origination connection control through explicit label switched paths (LSPs). This property makes MPLS more powerful for providing MPLS VPN solutions and supporting traffic engineering requirements. How to determine a feasible communication path between ingress and an egress node that satisfies a set of constraints based on customer's traffic demands is a challenge of MPLS online provisioning.<br />In order to provide quantitative guarantees and optimization of transmission resources, DiffServ mechanisms should be complimented with efficient MPLS traffic engineering mechanisms, which operate on an aggregate basis across all service classes. End-to-end monitoring and provisioning are important for an end-to-end management of a system. Offline provisioning gives the possibility to test and to improve the performance of different applications. The closed loop that is used on our testbed solution for the communication between MPLS network and its management system gives the possibility for mapping traffic flows onto the physical topology of a network and potentially allocating resources to the flows. In this manner, the provider has a powerful tool to better utilize and manage the network resources.