Το Internet, σήμερα, παρέχει μόνο την κλάση ποιότητας υπηρεσίας Best Effort σε όλες τις ροές κίνησης που εξυπηρετεί. Σύμφωνα με αυτή δεν παρέχονται εγγυήσεις όσον αφορά την ποιότητα υπηρεσίας που θα έχει η κυκλοφορία. Ολοένα, όμως, αυξάνονται οι εφαρμογές που έχουν συγκεκριμένες απαιτήσεις για παροχή ποιότητας υπηρεσίας που σε συνδυασμό με το διαρκώς αυξανόμενο πλήθος των χρηστών κάνουν επιτακτική την ανάγκη παροχής εγγυήσεων υπηρεσίας στο Internet, αλλά και τον έλεγχο εισαγωγής της κυκλοφορίας σ' αυτό. Επίσης, πρέπει να ορισθούν αλγόριθμοι διαπραγμάτευσης των συμβολαίων κίνησης, προκειμένου να εξυπηρετούνται οι πολιτικές του παροχέα του δικτύου, αλλά και τα συμφέροντα των χρηστών. Τα παραπάνω πρέπει να γίνουν με λύσεις που να αξιοποιούν την υπάρχουσα υποδομή του σημερινού Internet, να μην απαιτούν σημαντικές αλλαγές στη φύση και λειτουργία του, και να είναι υλοποιήσιμες και επεκτάσιμες χωρίς μεγάλο κόστος σε ολόκληρο το Internet. Καμιά από τις προτεινόμενες λύσεις για παροχή ποιότητας υπηρεσίας στο Internet (RSVP, DiffServ, RSVP/DiffServ, RSVP/MPLS, MPLS, Bandwidth Brokers), δεν ικανοποιεί εξ' ολοκλήρου αυτές τις προδιαγραφές. Στην παρούσα εργασία, ορίζομε υλοποιούμε και μελετάμε ένα περιβάλλον ελέγχου και διαπραγμάτευσης κατά την εισαγωγή της κίνησης σε ένα διαχειριζόμενο περιβάλλον δικτύου που παρέχει διαφοροποιημένες υπηρεσίες στους χρήστες του. Χρησιμοποιούμε για διαφοροποιημένες κλάσεις υπηρεσιών στο δίκτυο την αρχιτεκτονική DiffServ, λόγω της απλότητας υλοποίησής της και της επεκτασιμότητας που παρέχει. Η κίνηση που εισάγεται σε αυτό το δίκτυο κατηγοριοποιείται στις κλάσεις ποιότητας υπηρεσίας του μέσω ενός περιβάλλοντος ελέγχου και σύμφωνα με τα αποτελέσματα του αλγορίθμου διαπραγμάτευσης. Το περιβάλλον ελέγχου αποτελείται από έναν εξυπηρετητή πολιτικών (Policy Server, PS), από τους δρομολογητές εισόδου του δικτύου και από τις λειτουργίες του λειτουργικού συστήματος Windows 2000 για παροχή ποιότητας υπηρεσίας. Οι αιτήσεις για παροχή ποιότητας υπηρεσίας σε νέες ροές κίνησης γίνονται μέσω του πρωτοκόλλου RSVP με έναν τρόπο σαφή αλλά και αυστηρά ελεγχόμενο από το δίκτυο. Ο PS ενεργεί ως αντιπρόσωπος του δικτύου και σε αυτόν στέλνονται όλες οι αιτήσεις για παροχή ποιότητας υπηρεσίας σε νέες ροές κίνησης από τους δρομολογητές εισόδου του δικτύου μέσω του πρωτοκόλλου COPS. O PS διαπραγματεύεται με τον προσωπικό αντιπρόσωπο (User Agent, UA) του χρήστη την αποδοτική επιλογή συμβολαίου (Service Level Agreement, SLA) για μια νέα ροή κίνησης του χρήστη, δηλαδή την κατηγοριοποίηση της κυκλοφορίας μιας νέας ροής κίνησης ενός χρήστη σε μια κλάση υπηρεσίας του δικτύου με αποδοτικό τρόπο. Ο UA ενεργεί ως "ευφυής" αντιπρόσωπος του χρήστη, ο οποίος εξυπηρετεί τα συμφέροντά του στη διαδικασία επιλογής του SLA. Στη διαδικασία διαπραγμάτευσης που έχουμε ορίσει, ο UA επιλέγει το SLA για μια νέα ροή κίνησης μεγιστοποιώντας το καθαρό όφελος του χρήστη που αντιπροσωπεύει. Για το σκοπό αυτό, ορίζομε ένα κατάλληλο μοντέλο ωφελιμότητας του χρήστη που εκφράζει τις προτιμήσεις του με έναν απλό αλλά σαφή και λογικό τρόπο. Επίσης, αν και η ανωτέρω προσέγγιση είναι εφαρμόσιμη γενικότερα, θεωρούμε ότι ο PS χρεώνει τις υπηρεσίες του ανάλογα με το ισοδύναμο εύρος ζώνης κάθε ροής, προκειμένου να δώσει τα σωστά κίνητρα στο χρήστη όσον αφορά στη χρήση του δικτύου. Διατηρούμε τη δωρεάν χρήση της κλάσης ποιότητας υπηρεσίας Best Effort, όπως ισχύει στο σημερινό Internet. Ένα σημαντικό πλεονέκτημα της προσέγγισής μας είναι κατανομή της πληροφορίας που κάνει δυνατή την αποδοτική επιλογή SLA. Σύμφωνα με αυτή, κάθε συστατικό μέρος της αρχιτεκτονικής κατέχει μόνο την πληροφορία την οποία έχει κίνητρο να αποθηκεύει. Ένα άλλο σημαντικό πλεονέκτημα είναι η απλότητα της διαδικασίας του χρήστη για την επιλογή των βέλτιστων παραμέτρων του Service Level Specification (SLS). Όσον αφορά στην πιο αποδοτική δυνατή διαχείριση των διαθεσίμων πόρων του δικτύου υιοθετούμε το πρωτόκολλο MPLS για την υλοποίηση του δικτύου. Το MPLS παρέχει δυνατότητες για διαχείριση κυκλοφορίας (traffic engineering) μέσω δρομολόγησης βάσει κινήτρων. Περιγράφουμε πώς σε αυτό το περιβάλλον ο παροχέας του δικτύου είναι δυνατόν να εφαρμόσει πολιτικές διαχείρισης του δικτύου του μέσω της κατάλληλης χρέωσης για την κατηγοριοποίηση της κυκλοφορίας μιας νέας ροής κίνησης στις κλάσεις ποιότητας υπηρεσίας. Στο περιβάλλον ελέγχου και διαπραγμάτευσης εισόδου κυκλοφορίας στο δίκτυο που έχουμε ορίσει μπορούμε να εφαρμόσουμε οποιαδήποτε διαδικασία διαπραγμάτευσης. Εφαρμόζοντας αυτή που έχουμε ορίσει πραγματοποιούμε ατομική βελτιστοποίηση, μεγιστοποιώντας το καθαρό όφελος του κάθε χρήστη, και βελτιώνουμε την οικονομική αποδοτικότητα του συστήματος. Επιπροσθέτως, πειραματικά αποτελέσματα δείχνουν ότι παρέχονται τα σωστά κίνητρα στους χρήστες κατά τη διαδικασία επιλογής SLA, δηλαδή ότι η κοινωνική ευημερία που προκύπτει είναι καλύτερη απ' ό,τι όταν οι χρήστες μοιράζονται εξίσου το ίδιο σύνολο δικτυακών πόρων. Το σύστημα αυτό υλοποιήθηκε σε ένα πραγματικό περιβάλλον δικτύου DiffServ/MPLS, καταδεικνύοντας έτσι την εφαρμοσιμότητά του, και εξετάσθηκε η απόδοσή του από πλευράς επιδόσεων. Τέλος, μελετήθηκαν οι δυνατές επεκτάσεις της προσέγγισής μας.
(EL)
Today's Internet provides only Best Effort service. Traffic is served as quickly as possible, while there is no guarantee as to timeliness or actual delivery. However, new applications that are demanding in terms of QoS emerge rapidly. This fact in conjunction with the continuously increasing amount of Internet users necessitates the provision of class guarantees as well as the control of the traffic inserted in Internet. Also, certain algorithms for the negotiation of the traffic contracts have to be introduced, in order both specific policies for network management and the interests of the end-users to be served. To accomplish the above, certain solutions are needed that use the current Internet framework. Such solutions should not modify in principle the network operation and nature, and they should be feasible and scaleable in the whole Internet, without inducing great overhead costs. None of the proposed solutions for QoS provision in Internet (RSVP, DiffServ, RSVP/DiffServ, RSVP/MPLS, MPLS, Bandwidth Brokers) serves all of these goals so far. In the present thesis, we define, implement, and analyze an architecture for the control and negotiation of the traffic to be inserted in an administrative network domain that provides differentiated services in its users. We have employed the Differentiated Services (DiffServ) architecture for the QoS provision, due to simplicity in its implementation and the scaleability it provides. The traffic inserted in this network is categorized in the various network QoS classes by means of a control environment according to the results of the negotiation algorithm. The control environment consists of a Policy Server (PS), the ingress routers of the network and the QoS functionalities of the Windows 2000 operating system. We use the RSVP signaling for the communication of the QoS provision requests for new traffic flows of the end-users to the network provider in a clear and controlled way. The PS functions as the network provider's representative, and thus all QoS provision requests for new traffic flows are sent to the PS by the ingress routers of the network using the COPS protocol. The PS negotiates with the User Agent (UA) of a user in order to select efficiently the Service Level Agreement (SLA) for a new traffic flow of the user, i.e. the categorization of the traffic flow in a QoS class in an efficient way. The UA functions as an "intelligent" user representative that serves the interests of the user in the SLA selection process. In this process, under our approach,a UA selects the SLA for a new traffic flow by maximizing the net benefit of the user that represents. For the purposes of negotiation, we develop an appropriate utility model that expresses user preferences in a simple yet informative way. Although our approach is more generally applicable, we assume that the PS charges proportional to the effective bandwidth of the traffic flows, thus providing the user with the right incentives for SLA selection. We retain free usage of Best Effort service, as in today's Internet. An important feature of our approach is the distribution of information enabling the efficient SLA selection. According to this distribution, each of the components involved only possesses those peieces of information for which it has an incentive to store. Another important feature of our approach is the simplicity of user's procedure for selecting optimal Service Level Specification (SLS) parameters. In order to achieve efficient resource management in the network, we employ Multi-Protocol Label Switching (MPLS) protocol for the implementation of the network. MPLS has such routing features that facilitate the traffic engineering procedures. We describe how, using our approach, the network provider can employ network management policies (in conjuction with appropriate charging) for traffic categorization into QoS classes. In the SLA control and negotiation environment that we have developed any specific negotiation process can be used. Using our SLA selection process we achieve individual optimization, by maximizing the net benefit of the user, and at the same time we attain improved economic efficiency. In particular, experimental results indicate that users are provided with the right incentives in SLA selection process. Having implemented our system in a real DiffServ/MPLS network environment, we proved its feasibility, and assessed its efficiency in terms of performance. Last, we studied possible extensions of our approach.
(EN)
