Universiteit Gent Faculteit Toegepaste Wetenschappen Vakgroep Informatietechnologie (INTEC) Voorzitter : Prof. Dr. Ir. P. Lagasse Dimensionering van ATM/IP netwerken op basis van trafiekgegevens door Adelbert Groebbens Promotor: Prof. Dr. Ir. P. Demeester Co-promotor: Prof. Dr. Ir. M. Pickavet Thesisbegeleiders: Ir. F. De Turck en Ir. M. Gryseels SCRIPTIE ingediend tot het behalen van de academische graad van burgerlijk ingenieur in de computerwetenschappen Academiejaar 1999-2000
Voorwoord De auteur houdt eraan op deze plaats zijn dank te betuigen aan zijn promotor, Prof. Dr. Ir. P. Demeester, aan zijn co-promotor Prof. Dr. Ir. M. Pickavet en aan zijn thesisbegeleiders, Ir. F. De Turck en Ir. M. Gryseels voor de verstrekte hulp en leiding. We verontschuldigen ons voor eventuele spellingsfouten, tijpfouten en typografische fouten, het tijdsbestek liet ons niet toe deze voldoende weg te werken. Qua benamingen en termen is er zowal gekozen voor het Nederlands als het Engels : door elkaar gebruikt! Dit levert het voordeel dat (meestal) zowel de Engelse als de Nederlandse term aan bod komt en bovendien dat er bovendien niet moet gelet worden op consistentie. Wat betreft de notaties, hebben we de meeste termen wanneer ze voor het eerst verschijnen en concepten die aandacht vragen in cursief gezet of tussen aanhalingstekens geplaatst. Afkortingen worden in de volgende stijl genoteerd : mbt, tem, ivm, etc,... Toelating tot bruikleen "De auteur geeft de toelating deze SCRIPTIE voor consultatie beschikbaar te stellen en delen van de SCRIPTIE te kopiëren voor persoonlijk gebruik. Elk ander gebruik valt onder de beperkingen van het auteursrecht, in het bijzonder met betrekking tot de verplichting de bron uitdrukkelijk te vermelden bij het aanhalen van resultaten uit deze SCRIPTIE."
Overzicht Dimensionering van ATM/IP netwerken op basis van door Adelbert Groebbens SCRIPTIE ingediend tot het behalen van de academische graad van burgerlijk ingenieur in de computerwetenschappen Academiejaar 1999-2000 Promotor: Prof. Dr. Ir. P. Demeester Co-promotor: Prof. Dr. Ir. M. Pickavet Thesisbegeleiders: Ir. F. De Turck en Ir. M. Gryseels Universiteit Gent Faculteit Toegepaste Wetenschappen Vakgroep Informatietechnologie (INTEC) Voorzitter : Prof. Dr. Ir. P. Lagasse Samenvatting : Concreet gaat deze scriptie over : Planning van capaciteitsexpansie van een internet access provider met behulp van trafiekmetingen en voorspellingstechnieken. We houden ons bezig met planning (dimensionering), meerbepaald met capaciteitsexpansie (=uitbreiden van de resources van het netwerk). Bovendien hebben we ons geconcentreerd op internet access netwerken. Het was de bedoeling deze dimensionering te doen aan de hand van trafiekmetingen. Vermits planning steeds een vorm van anticiperen op de toekomst is, bestuderen en gebruiken we ook voorspellingstechnieken. Het uitgangspunt van deze thesis was immers dat de planning van internet (access) netwerken totaal iets anders is dan deze van telefonienetwerken. De demand (of maw het internetverkeer) is onzeker, grillig en zelfs chaotisch. Dit maak de planning zeker niet eenvoudig. Er is een studie gedaan van internet access netwerken, een studie gedaan van zaken ivm capacity planning, een studie gedaan over forecasting technieken. Met behulp van ANALOG en MATLAB werden access logs verwerkt. Er werd een eenvoudige trafiekgenerator gebouwd en een eenvoudige beslisser voor capaciteitsexpansie geïmplementeerd. De figuren, berekeningen en implementatie van de algoritmen en technieken werden gedaan met MATLAB 5.3.1.29215a (R11.1). Als besluit kunnen we stellen dat capacity planning een complex domein is, we hebben slechts de basis gelegd voor verder onderzoek. Real-world conclusies zijn er weinig of niet, dit is te wijten aan het feit dat echte trafiekmetingen niet vlot en/of openbaar beschikbaar waren, aan het feit dat er geen beschrijvingen van access netwerken van commerciële providers voorhanden waren, aan het feit dat de (vrijwel vereiste) ervaring in the field niet mogelijk was, aan het feit dat we in een breed toepassingsgebied zitten mede door het aansnijden van statistische methodes en tenslotte aan het feit dat de resultaten sterk afhangen af van de juistheid van de parameters in de modellen, een praktisch bruikbare toepassing vereist dus voldoende en correcte kennis en modellering van de effecten die zich in de realiteit in internet access netwerken kunnen afspelen. Trefwoorden : capacity planning, forecasting, ADSL, dial-up, internet access, access logs
Inhoud 1 Inleiding, probleemstelling en overzicht...1 1.1 Algemeen overzicht...1 1.2 Inleiding en probleemstelling : access netwerken, Dial-up en ADSL...1 2 Capacity planning...4 2.1 Betekenis en belang van capacity planning :...4 2.2 Definitie van adequate capaciteit...4 2.3 A capacity planning methodology...4 2.3.1 understanding the environment...4 2.3.2 workload characterization, workload model validation...4 2.3.3 workload forecasting...5 2.3.4 perfomance model development, validation, calibration and prediction...5 2.3.5 cost model development, cost prediction...5 2.3.6 cost versus performance analysis...6 3 Internet accesnetwerken...7 3.1 Typisch Dial-up Access netwerk...7 3.1.1 Structuur van een POP (en het netwerk er rond)...7 3.1.2 Uitleg bij Dial-up access...7 3.2 Tussendoor : informatie ivm planningsaspecten...9 3.3 Typisch ADSL Access netwerk...12 3.3.1 Structuur van een POP (en het netwerk er rond)...12 3.3.2 Uitleg bij ADSL access...13 3.3.3 Verder informatie ivm planning en vergelijking van Dial-up en ADSL...14 3.4 Configuraties...14 3.4.1 Zestal verschillende Dial access architecturen op een rijtje...14 3.4.2 Meer details over locale architecturen in de POP zelf...18 3.4.3 Viertal verschillende ADSL access architecturen op een rijtje...19 3.4.4 Besluit over de architecturen...21 3.5 Apparatuur...22 3.5.1 Terminologie en algemene informatie...22 3.5.2 Dial equipment...23 3.5.3 ADSL equipment...26 4 Trafiek en trafiekgenerator(en)...29 4.1 Netwerktrafiek...29 4.2 Trafiekmetingen bekomen...30 4.3 Access logs...30 4.3.1 Wat zijn access logs?...31 4.3.2 Waarvoor kunnen access logs gebruikt worden?...31 4.3.3 Generatie van grafieken : logfile analyzer...32 4.4 Voorbeelden access logs...34 4.4.1 Atlantis WWW server...35 4.4.2 ClarkNet WWW server...39 4.4.3 Nasa WWW server...43 4.4.4 Speciaal : Atlantis firewall...46 4.4.5 WWW server van de University of Calgary (CS Department)...51 4.4.6 WWW server van de University of Saskatchewan...52 4.5 Implementatie van de trafiekgenerator...53 4.5.1 Elementen in onze trafiek generator...53 4.5.2 Voorbeeld, statistieken en vergelijking met access logs...54 5 Forecasting technieken...57 5.1 Achtergrond informatie...57 5.1.1 Basisconcepten...57 5.1.2 Stappen en strategieën bij forecasting...58 5.2 Technieken en modellen...59 5.2.1 stationary forecasting models...59 5.2.2 forecasting time series that exhibit...61 5.2.3 time series with trend, seasonal and cyclical variation : multiplicatief model...62 5.2.4 time series with trend, seasonal and cyclical variation : additief model...65 5.2.5 Andere voorspellingstechnieken en verdere informatie...65
5.2.6 Time series forecasting in een breder kader geplaatst...65 5.3 Performantie-evaluatie methoden...66 5.3.1 Evaluatie van de performantie van forecasting technieken :...66 5.3.2 Optimalisatie van de parameters :...67 5.4 Implementatie van de technieken en performantie-evaluatie methoden, toepassing op een voorbeeld...67 5.4.1 exponential smoothing...68 5.4.2 moving average...69 5.4.3 exponential smoothing with linear trend...70 5.4.4 exponential smoothing with linear trend and seasonal factors (Holt Winter s multiplicative method)...71 6 Capacity planning : capaciteitsexpansie...75 6.1 Capaciteitsexpansiemodel...75 6.1.1 Berekening van overbelasting...75 6.1.2 Gekozen upgrade-regel...76 6.1.3 Gekozen kost model...77 6.1.4 Files met implementatie...78 6.1.5 Mogelijke andere modellen/uitbreidingen...79 6.2 Resultaten op de logfiles...79 6.2.1 Berekening van aantal minuten per dag boven een aanvaardbare belasting...79 6.2.2 Toepassen van capaciteitsexpansie model...85 6.2.3 Bepalen van optimale parameters in model...94 6.2.4 Andere logfiles...96 6.3 Resultaten op eigen gemaakte trafiek generator...96 6.3.1 Berekening van aantal minuten per dag boven aanvaardbare belas...96 6.3.2 Toepassen van capaciteitsexpansie model...97 6.3.3 Bepalen van optimale parameters in model...106 7 Conclusies, verder werk en uitbreidingen...109 7.1 Conclusies...109 7.2 Verder werk en uitbreidingen...110 8 Appendix A : andere formules ivm forecasting...111 9 Appendix B : extra uitleg bij CD-ROM...112 10 Appendix C : bandbreedtes/link-types...113 11 Appendix D : details en specificaties van internet access equipment...114 11.1 Cisco AS5x00 Series...114 11.1.1 Cisco AS5800 Universal Access Server...114 11.1.2 Cis co AS5300 Universal Access Server...115 11.1.3 Cisco AS5200 Universal Access Server...116 11.2 Nortel CVX 1800...116 11.3 Ascend MAX TNT...117 11.4 Cisco 36x0 Series...119 11.4.1 Cisco 3620 router...119 11.4.2 Cisco 3640 router...119 11.4.3 Cisco 3660 router...119 11.4.4 NETWERK MODULES/WAN INTERFACE CARDS :...119 11.5 Cisco 75xx Series...121 11.5.1 Cisco 7513...122 11.5.2 Cisco 7507...122 11.5.3 Cisco 7505...122 11.5.4 Cisco 7576 ( uitbreiding van de 7513)...122 11.5.5 Opsomming van de Interface Processors in deze routers...122 11.5.6 Mogelijke route switch processors in deze routers...123 11.5.7 Verdere componenten in deze routers...123 12 Referenties...124 12.1 Boeken...124 12.2 Artikelen,documenten en papers...124 12.3 Tutorials en documentatie...124 12.4 Online webpages...124 12.4.1 Webpage artikelen van Datacomm Magazine (http://www.data.com)...124 12.4.2 Telecom-equipment...125
1 Inleiding, probleemstelling en overzicht 1.1 Algemeen overzicht De titel van de thesis was oorspronkelijk vrij algemeen gehouden en omvat een nog veel groter domein dan wat er werkelijk in deze thesis behandeld is. De titel had misschien preciezer als volgt kunnen gekozen worden : Planning van capaciteitsexpansie van een internet access provider met behulp van trafiekmetingen en voorspellingstechnieken. Dit houdt dus in dat we ons bezig houden met planning (dimensionering), meerbepaald met capaciteitsexpansie (=uitbreiden van de resources van het netwerk). Bovendien hebben we ons geconcentreerd op internet access netwerken. Het was de bedoeling deze dimensionering te doen aan de hand van trafiekmetingen. Vermits planning steeds een vorm van anticiperen op de toekomst is, bestuderen en gebruiken we ook voorspellingstechnieken. Het uitgangspunt van deze thesis was immers dat de planning van internet (access) netwerken totaal iets anders dan deze van telefonienetwerken. De vraag (of maw het internetverkeer) is onzeker, grillig en zelfs chaotisch. Dit maak de planning zeker niet eenvoudig. Wat wordt er behandeld in de volgende hoofdstukken? De probleemstelling wordt verder geconcretiseerd in 1.2. Nadien gaan we dieper in op het begip capacity planning. Vervolgens geven we informatie over internet access netwerken. Daarna bespreken we onze (noodgedwongen) aanpak ivm trafiek(metingen). Nadien komen de voorspellingstechnieken aan bod. Om uiteindelijk alles toe te passen in ons model voor capaciteitsexpansie. We ronden af met conclusies, verder werk en uitbreidingen. Ook in de appendices staat nog informatie die niet uit het oog verloren mag worden. De figuren, berekeningen en implementatie van de algoritmen en technieken werden gedaan met MATLAB 5.3.1.29215a (R11.1). We vermelden alvast dat er een CD-ROM voorhanden is met de gemaakte implementaties (.m files) (hiervoor is MATLAB vereist) en met bijkomende informatie (zie Appendix B : extra uitleg bij CD-ROM). 1.2 Inleiding en probleemstelling : access netwerken, Dial-up en ADSL Access netwerken zijn de eerste delen van netwerken die de gewone gebruikers tegenkomen. Deze gebruikers zijn mensen thuis of zijn werknemers in een remote office. De plaats waar zij zich bevinden wordt meestal met de term suscriber premise aangeduid. Deze netwerken leveren toegang tot services, aangeboden door apparatuur (en/of software) die we servers noemen. Deze services zijn bijvoorbeeld internet services zoals e-mail, webspace, geleverd door de Internet Service Provider (ISP) maar ook bijvoorbeeld toegang tot het private netwerk van een bedrijf, waarbij het bedrijf zelf meestal voor een deel van de access infrastructuur zorgt (=corporate LAN). Hieronder volgt een figuur (Figuur 1.1) die een eerste beeld geeft van wat access netwerken zijn. We zien dat de suscriber premise verbonden wordt met een netwerkwolkje dat een soort concentratorfunctie uitoefent. Deze verbinding gaat meestal via een publiek netwerk zoals het PSTN of het ISDN netwerk (tegenwoordig zijn deze samengesmolten). Van de concentrator gaan we via een reeks data netwerken (routers, layer 2 netwerken zoals ATM, ) naar de ISP of naar de corporate LAN. De details van het concentratorwolkje en de mogelijkheden binnen het edge/backbone-wolkje worden later uitgelegd. Welke instantie de verschillende delen (zichtbare en niet zichtbare op de figuur) van dit netwerk uitbaat ligt tegenwoordig niet zo duidelijk meer. We kunnen stellen dat de trend is dat de conctratorfunctie en de verbinding naar de servers door een soort Network Service Provider (NSP) wordt verzorgd. Dit is bvb. een grote ISP van vroeger, een telecom of carrier operator (vb. Belgacom), De services zelf Adelbert Groebbens 1
worden dan eventueel door kleinere ISP s verzorgd. En de bedrijven kopen van de NSP dan toegang tot hun eigen netwerk af (dit wordt wel eens outsourcing van access genoemd). INTERNET Suscriber Premise : PC small LAN... SERVERS SERVER Internet Service Provider (ISP) edge, backbone Concentrator : Dial Gateway ISDN Gateway ADSL rack... Suscriber Premise : PC small LAN... Corporate LAN INTERNET Concentrator : Dial Gateway ISDN Gateway ADSL rack... Suscriber Premise : PC small LAN... Figuur 1.1 : access netwerk Wanneer we in het standpunt van zo n operator die access levert gaan staan, dan zien we dat hij verschillende soorten apparatuur installeert. Deze hebben elk een eindige capaciteit hebben (bvb. maximaal aantal gebruikers, maximale throughput van bandbreedte, maximale CPU snelheid of geheugenruimte). Het komt er voor hem dus op aan de gepaste apparatuur op het gepaste tijdstip (en zelfs op de gepaste plaats) te installeren. Hij kan bijvoorbeeld uitbreiden met nieuwe apparatuur (bvb. interfacekaarten van een router) omdat de capaciteit ervan overbelast is. Hij kan bijvoorbeeld oudere en minder performante apparatuur vervangen door nieuwe. Dit vereist een zekere planning. De operator moet er in ieder geval voor zorgen dat zijn klanten (gebruikers) service krijgen voor hun geld (de soort service dat ze krijgen staat bijvoorbeeld beschreven in Service Level Agreements (SLA s)). Wanneer we de gebruikersgroep (subscribers) bekijken, dan zien we dat de karakteristieken van door hun gegenereerd datatrafiek (PC met 56k modem of zelfs al een ADSL connectie (1 Mbit/s nu in praktijk)) zodanig is dat de traditionele (voice) capacity planning die gebruikelijk zijn bij telefonieoperatoren niet meer gelden. (Traditioneel werd bvb. verondersteld dat gebruikers enkele keren per dag bellen voor een korte periode.) De klanten benutten immers steeds meer de beschikbare bandbreedte ten volle en dit voor langere tijden. Bovendien is het datagedrag van deze gebruikers nogal chaotisch : welke websites ze bezoeken is onvoorspelbaar, de hoeveelheid informatie die ze downloaden per tijdseenheid is bursty (bvb. lange tijd e-mails lezen betekent weinig transfer, een mp3 bestand downloaden vergt dan weer veel meer capaciteit gedurende een korte periode). Ook is het voor operatoren die verschillende ISP s bedienen (wholesalers van access, modem wholesaling) niet eenvoudig om te dimensioneren op de grootte van de connecties die zij met de verschillende ISP s voorzien : op elk tijdstip hebben ze immers een niet te voorspellen mengeling van opmerking : wholesale : meerdere ISP s en bedrijven kopen een deel van de wholesale access server (deze wordt uitgebaat door een network service provider) Adelbert Groebbens 2
Het gevolg is dat de capacity planning van internet access netwerken niet zo eenvoudig is en het misschien interessant is om op basis van trafiekmetingen (en stochastische technieken) eens te gaan kijken welke nuttige planningsmethoden er kunnen toegepast worden. Trafiek of workload metingen zijn hierbij metingen van de belasting van de verschillende resources : zoals de hoeveelheid bandbreedte op één van links die de verschillende netwerkelementen verbinden, zoals het aantal hits op een webpagina van een webserver, zoals het aantal pakketten dat door een router of een switch moet passeren, Er kunnen immens veel metingen zijn zodat er nood is aan datareductie en stochastische technieken. Bovendien vergt capacity planning steeds dat we vooruitkijken op de toekomst. Zodat het de bedoeling is uit de metingen (die bvb. op regelmatige tijdstippen gebeuren) voorspellingen te maken. Hierop zit er steeds een zekere fout en kunnen statistische technieken nuttig zijn om deze in te schatten. Adelbert Groebbens 3
2 Capacity planning Het domein van deze thesis is dus capacity planning (als een onderdeel van dimensionering). We geven wat commentaar rond het begrip capacity planning. Deze is gebaseerd op het boek [1]. 2.1 Betekenis en belang van capacity planning : Capacity planning heeft tot doel de aanwezige capaciteit (resources, dwz apparatuur,...) zo goed mogelijk te gebruiken of nieuwe capaciteit optimaal aan te schaffen. Het essentieel nuttig element van capacity planning is voorspellen (forecasting, prediction, planning ahead!). De redenen hiervoor zijn : bvb. omdat capaciteitsproblemen niet onmiddellijk opgelost kunnen worden wegens tijd nodig voor bvb. de installatie of aanschaf van apparatuur bvb. om te kijken wat de voor- en nadelen zijn van alternatieven vooraleer er één in werkelijkheid uit te proberen... 2.2 Definitie van adequate capaciteit Wanneer is de capaciteit nu voldoende of optimaal gebruikt? We nemen daarvoor volgende formulering (uit [1]) : een systeem heeft ADEQUATE CAPACITY indien de service level agreements tussen user en managers steeds voldaan zijn, eventueel met bepaalde gespecifieerde (om bvb. andere redenen dan performantie en dus niet te kiezen) technologie (vb. Win NT) en standaarden (vb. TCP/IP), en dit allemaal onder gegeven kost beperkingen (vb. startup cost, operating cost, amortization cost (=afschrijvingen)) Hierbij zijn service level agreements (SLA s) overeenkomsten tussen de gebruiker en de aanbieder van de dienst (service) : bvb. Turboline ADSL levert verschillende internet access diensten, elk met verschillen qua minimum gegarandeerde bandbreedte, download limiet per maand,... 2.3 A capacity planning methodology We sommen de verschillende stappen op die een mogelijke methode voor capacity planning vormen : 2.3.1 understanding the environment We citeren : The initial phase of methodology consists of learning what kind of hardware, software, network connectivity and protocols, are present in the environment. It also involves the identification of peak usage periods, management structures, and service-level agreements. Opmerking : management structures = aankoopproces, uitgave limieten, We zullen ons in hoofdstuk 3 richten op internet access netwerken als een van de vele concrete toepassingdomeinen van capacity planning. 2.3.2 workload characterization, workload model validation and calibration Een systeem staat onder een zekere belasting : vb. er zijn per seconde zoveel gebruikers van een webserver van een bedrijf, vb. er worden per seconde zoveel modems bezet in een modemgateway van een internet access provider. Daarentegen heeft een systeem een zekere performantie : vb. de gebruikers moeten een bepaalde tijd wachten vooraleer hun HTTP requests door de web server wordt beantwoord, vb. de gebruikers stellen een bepaalde (gemiddelde) effectieve bandbreedte vast op hun modemlijn. De belasting heeft uiteraard invloed op de performantie : hoe meer belast, hoe minder het systeem zal presteren en hoe meer de SLA s met de gebruikers in het gedrang komen. Het is dus zeker nodig de belasting (workload) te begrijpen, te karakteriseren (met validatie). Adelbert Groebbens 4
Het is aanbevolen de globale belasting te verdelen in componenten en deze verder weer op te splitsen in subcomponenten. Deze laatste kunnen zijn dan meestal volledig door - de workloadintensiteit : de mate waarin er werk van het systeem wordt gevraagd (wanneer, hoe frequent) (= vb. arrival rates) - de service demand : het hoeveelheid werk er wordt gevraagd (wat) (= vb. document size, CPU time,..) Beide voorgaande parameters kunnen gemeten of berekend worden). Voorbeelden van workloadintensiteit : aantal transacties per seconde per user aantal users Voorbeelden van service demand : CPU utilization grootte van transactie Deze parameters worden gebruik om een model voor de belasting van het systeem op te stellen : in het algemeen zijn factors that have a direct influence on the performance de aangewezen parameters om een workload model op te stellen. Het doel workload model is een compactere, representatieve, reproduceerbare voorstelling geven van de echte workload van een systeem (vgl. benchmark van enkele programma s ipv miljoenen lopen). Workload model is accuraat metingen van de reële performantie bij een gegeven workload gelijk zijn aan de performantiemetingen berekend aan de hand van een performantiemodel (zie later) op basis van het workloadmodel bij diezelfde workload (en dit voor alle workloads). 2.3.3 workload forecasting Workload forecasting mag uiteraard niet ontbreken, namelijk we herhalen wat we hierboven gezegd hebben : het essentieel nut van capacity planning is voorspellen en op voorhand plannen. In dit eindwerk wordt hieraan de meeste aandacht besteed. 2.3.4 perfomance model development, validation, calibration and prediction We proberen een model (met parameters) voor de performantie van een systeem te bepalen en daaruit het performantieresultaat (=vb. response time, throughput, resource utilization, ) af te leiden : systeem parameters (vb. mirror, protocol, aantal connecties, aantal threads, ) resource parameters (vb. seek time, cpu speed, latency, transfer rate, bandwidth, ) workload parameters : workloadintensiteit (vb. hits per day, requests per sec, number of clients, ) service demand (= totale hoeveelheid van service time nodig voor een gegeven basis component in een gegeven resource) Mogelijkheden voor een performance prediction model zijn simulatie modellen and analytische modellen. Bij het opstellen van het model komen we volgende afweging tegen : model met grote correctheid impliceert veel data verzamelen, dit kan soms lastig zijn en niet de moeite lonen en daarom wordt er meestal gesteld dat een correctheid van binnen de 10% à 30% aanvaardbaar is. Uit het performantiemodel kan dan de performantie bepaald worden bij een gegeven workload. 2.3.5 cost model development, cost prediction Uiteraard mag een cost model niet ontbreken in capacity planning, het is namelijk een restrictie op de mogelijkheden. Er zijn 2 types van kost : startup cost (hardware, software, infrastructure, installation) operating costs (per tijdseenheid) (maintenance, upgrade, personeel, training, telco, ) Adelbert Groebbens 5
2.3.6 cost versus performance analysis Uiteindelijk kan je al de bekomen resultaten combineren en afwegen : cost versus performantie. Hieruit volgt dan de verdere planning (configuratie, investeringen, personeelsbeleid, ) Adelbert Groebbens 6
3 Internet accesnetwerken Dit deel heeft als bedoeling inzicht en achtergrondinformatie te geven in internet accessnetwerken : één van de (mogelijke) toepassingsdomein voor dimensionering op basis van trafiekmetingen en meerbepaald dimensionering met gebruik van voorspellingstechnieken. In het vorige deel werd immers vermeld dat het belangrijk is de we de omgeving begrijpen, meerbepaald de apparatuur, architectuur, configuraties,... 3.1 Typisch Dial-up Access netwerk Dial-up access betekent dat de gebruikers inbellen via een modem of via een ISDN kaart. 3.1.1 Structuur van een POP (en het netwerk er rond) We noemen een Point of Presence (POP) de plaats waar de binnenkomende oproepen van de gebruikers getermineerd worden en waar de routering of switching gebeurt naar de achterliggende core data netwerken (het internet). Zie Figuur 3.1. SERVER POP 4 Core data network 1 1 3 PSTN Dial Gateway Core data network 2 1 Access Router 1 3... ISDN DIal Gateway Core data network N SERVER 4 2 2 PSTN ISDN V.x modem... ISDN ISDN V.x modem modem/ card modem/ card... 3.1.2 Uitleg bij Dial-up access We bespreken Figuur 3.1. Figuur 3.1 : typisch dial access netwerk De gebruikers bereiken via een V.x modem of via ISDN modem het telco netwerk (=PSTN of ISDN). De access provider huurt van de telco operator één of meerdere (access) lijnen (zie (2) op de figuur) die aangesloten worden op de interface kaart(en) in de PSTN dial of ISDN gateways, merk op dat op zo één lijn er verschillende calls (oproepen) kunnen gemultiplexeerd (TDM) zijn, (deze laten dus toe om bvb. 30 gebruikers access te geven via slechts 1 access lijn), voorbeeld van zulke interfaces (die meestal WAN interfaces genoemd worden) is bvb. channelized E1/PRI, dwz. dertig 64 kbit/s calls die elke afzonderlijk demultiplexeerbaar ( channelized ). Adelbert Groebbens 7
De PSTN dial gateway is een soort modembank die uit de WAN lijnen de afzonderlijke calls filtert, hij biedt niet mogelijkheid om twee calls met elkaar door te verbinden, dit kan pas gebeuren in de access router. We beschrijven kort de weg die deze afzonderlijke calls doorliepen om tot aan de gateway te geraken : digitale data wordt gemoduleerd via een PC modem bij de gebruiker voor transmissie via de analoge telefoonlijn naar de centrale in de centrale wordt deze analoge data naar een 64 kbit/s digitale stream omgezet vanaf dan gebeurt de switching en transmissie over het publieke netwerk naar de WAN lijnen van de POP volledig digitaal en via gemultiplexeerde lijnen (vb. E1 trunks) in de PSTN dial gateway zijn er dan twee mogelijkheden : o vroeger : werd de digitale stream naar analoge signalen omgezet, deze analoge signalen werden dan gedemoduleerd naar digitale data o nu : wordt de omzetting naar analoog overgeslaan en haalt men direct de oorspronkelijke digitale data eruit en spreken we van digitale modems in de gateway ( all digital ) Merk het volgende voordeel van digitale modems op : de technologie zit volledig in software en kan dus geupgrade worden naar nieuwere modem technologieën (vb. door het downloaden van softwarepatches naar de gateway). Voor een carrier-class gateway zitten we momenteel in de orde van 300 à 400 modempoorten per shelf. De oorspronkelijke digitale data van de gebruiker bevat meestal IP pakketten geëncapsuleerd in PPP pakketten, deze worden door de concentrator-gateway naar de access router gestuurd (zie (3) op figuur), dit wordt meestal gerealiseerd door een LAN verbinding (Ethernet) maar kan eventueel een (andere) layer 2 technologie (ATM, FR, PPP) zijn (of zelfs een layer 1 technologie) waarover dan (eventueel) Ethernet gestuurd wordt De access router is mogelijks ver verwijderd van de gateway, zodat een WAN verbinding en/of een layer 2 switching network nodig is om de connectie tussen de gateway en de access router te verwezenlijken In de access router wordt de payload van de PPP pakketten (=IP pakketten) afgesplitst en deze IP pakketten kunnen dan verder gerouteerd worden langs heen de achterliggende core data netwerken (dit gebeurt via de links genummerd met (1) op figuur) (merk bovendien op dat 1 lijn op de figuur eventueel staat voor meerdere links) Waarom zijn er meerdere core data netwerken? Een mogelijke reden is dat de POP kan uitgebaat kan worden door een modem wholesaler die access diensten levert aan verschillende ISP s met elk hun eigen data netwerk, afhankelijk van de gebruiker die inbelt zullen zijn IP pakketten naar de gepaste core data netwerken moeten gerouteerd worden. Een andere mogelijke reden is dat de access provider onderscheid wil gaan maken tussen verschillende types klanten bvb. premium users en gewone gebruikers, de premium users zullen dan gerouteerd worden naar een sneller core data netwerk. Nog een andere mogelijke reden is dat de access provider access levert aan bedrijven die extra security wensen, in dit geval zouden sommige core data netwerken met extra firewalls beschermd kunnen worden, deze core data netwerken zijn dan bvb. enkel toegankelijk voor de werknemers van een bedrijf. De overige gebruikers gaan dan via de goedkopere maar onveiligere core data netwerken. Noteer dat er in de dial gateway nagekeken wordt welke identiteit de gebruiker heeft en tot welk netwerk hij toegang moet of mag krijgen, deze gegevens worden bijvoorbeeld bijgehouden in een server (security server). De gateway maakt dus eerst nog een connectie met deze security server (via de access router) om de gegevens van de gebruiker op te halen (vb. ook gegevens ivm met accouting (=billing)) vooraleer hij de gebruiker verder doorgang verleent. Zo belanden we bij (4) op de figuur : de servers zijn afkomstig van de individuele ISP s of van bedrijven, maar eventueel ook van de access provider (=eigenaar van POP), ze leveren o.a. de volgende functies : AAA (triple A functies) : Adelbert Groebbens 8
o Accounting : de tijdsduur van een connectie of de hoeveelheid verzonden data tijdens een connectie per gebruiker bijhouden om hem hierop te kunnen factureren o Authenticatie : de identiteit van de gebruiker bepalen en verifiëren o Authorisatie : de toegang tot bepaalde services verbieden afhankelijk de identiteit van de gebruiker (bvb. enkel toegang tot extranet van een bedrijf voor onbekenden, toegang tot mainframe van een bedrijf voor werknemers, ) CACHING : o door bvb. nabij de access router een proxyserver te installeren kan er bespaard worden op de vereiste bandbreedte van de links naar de core data netwerken (zie later bij de bespreking van enkele types van architecturen) o verdere voordelen caching : gebruikers krijgen sneller antwoord, netwerktraffiek wordt beperkt, de belasting van de echte server wordt beperkt, de availability wordt verbeterd wegens verspreid zijn over verschillende caches MIRRORING : o door een webserver te verdubbelen en de belasting over beiden te verdelen (bvb. minst belaste krijgt nieuwe aanvraag te verwerken) kan je de capaciteit van je webservices uitbreiden o concreter : andere hosts bewaren een replicaat van de site en er wordt regelmatig vanuit die hosts geupdate, bovendien vertalen DNS servers de URL naar het IP adres van de minst druk bezette of de dichtst bijzijnde mirror SERVICES : zoals de webserver van de ISP, zoals portaalsites, e-mailservices, 3.2 Tussendoor : informatie ivm planningsaspecten Belangrijke doelstellingen voor een uitbater van een POP zijn (ISP of NSP) : scalability van de POP s, dwz we moeten eenvoudig (en vlug!) de volledige capaciteit van onze POP bvb. kunnen verdubbelen consolidating (van equipment of van inkomende WAN lijnen), dwz we proberen zoveel mogelijk bijeen te stoppen zodat we een beter centraal beheer, een compactere opstelling en beter gebruik van de infrastructuur krijgen Een andere belangrijke vraag is : waar plaatsen we onze POP tov het PSTN en/of ISDN network? en ook : voor hoeveel gebruikers voorzien we capaciteit in onze POP? In Figuur 3.2 : staat de POP in voor alle gebruikers (nationaal). De POP moet dus qua capaciteit groot zijn en moet ook zeer betrouwbaar zijn. Deze plaatsing heeft als voordeel dat er maar één of enkele locaties met apparatuur te beheren zijn. Het kan toegepast worden indien er nog niet zoveel gebruikers zijn of verwacht worden. Het heeft als nadeel dat voor alle gebruikers het volledige publieke netwerk doorkruist moet worden en dit zelfs ook voor connecties tussen twee gebruikers A en B die naburig zijn (eventueel zou B ook een server kunnen zijn en dan moet er een WAN link van de pop access router naar de server van B geïnstalleerd worden) National Exchange POP Regional Exchange Local Exchange............ A B Figuur 3.2 : POP op bovenste niveau telefonienetwerk Adelbert Groebbens 9
Bij Figuur 3.3 en Figuur 3.4 : wanneer het gebruikersaantal van de provider stijgt migreren we de POP dichter tot bij de gebruikers, we zullen dan uiteraard meer POP s moeten voorzien. National Exchange Regional Exchange Local Exchange POP POP POP POP............ Figuur 3.3 : POP op regionaal niveau in het telefonienetwerk National Exchange Regional Exchange POP POP Local Exchange............ Figuur 3.4 : POP op lokaal niveau in het telefonienetwerk Figuur 3.5 geeft aan dat als we de POP s dichter bij de gebruikers plaatsen er meer flexibiliteit mogelijk is qua dimensionering op het aantal gebruikers. connectie capaciteit voor 30 gebruikers POP connectie capaciteit voor 30 gebruikers Local Exchange Local Exchange 10 gebruikers willen inbellen... overloop van 30 gebruikers via interconnectie van Local Exchanges 50 gebruikers willen inbellen Figuur 3.5 : flexibiliteit in het geval van POPs op lager niveau in het voice-netwerk... Adelbert Groebbens 10
Eveneens is het belangrijk te weten wat de capaciteit van het equipment moet zijn : hoeveel en welke type kaarten (vb. Ethernet of Fast Ethernet voor de verbinding van de gateway met de access router)? de huidige mentaliteit is : select a large chassis and upgrade it with cards as you grow hoeveel poorten (vb. Ethernet poorten) nodig in een chassis (=rack) nodig? welke bandbreedte en hoeveel links hebben we nodig (zie (1), (2) en (3) op Figuur 3.1)? hoeveel vrije slots moeten we in onze stukken equipment voorzien voor latere uitbreiding? hoe moet een server gedimensioneerd zijn? o aantal en snelheid processors o aantal en snelheid en capaciteit van de opslagmedia (disks) o type van het operating system (OS) o de hoeveelheid geheugen o de netwerkbandbreedte naar de server (!) o De antwoorden hierop hangen ook af van management issues : bvb. hoeveel modems installeren we als we wensen dat de kans dat een klant niet bediend kan worden (=busy modem pool) < 5%?. Deze kans is afhankelijk van : het aantal modems, het aantal gebruikers, de tijd dat een gebruiker geconnecteerd is tijdens een sessie, het aantal sessie per dag bij een gebruiker, Elementen en onbekende parameters die capacity planning niet triviaal maken zijn : het aantal actieve gebruikers die inbellen of wensen in te bellen op een bepaald tijdstip naar welk netwerk de gebruikers bellen (vb. core data network 1 = Belgacom, core data network 2 = Online,...) en dus welke bandbreedte er op de links naar het core data network verbruikt wordt bij welke server de gebruikers zoal informatie opvragen en hoe groot de hoeveelheid opgevraagde informatie is (vb. e-mail versus videofilmpje) per tijdseenheid in welke mate de gebruikers migreren van klassieke V.x modems naar ISDN modems... Adelbert Groebbens 11
3.3 Typisch ADSL Access netwerk ADSL access betekent dat de gebruikers thuis een ADSL modem hebben en een rechtstreekse verbinding naar de ADSL Access Multiplexer (DSLAM), waar hun lijn getermineerd wordt op een ADSL kaart (hierin zit eveneens een ADSL modem). Zie hiervoor naar Figuur 3.6. Het gewone telefonieverkeer van de gebruiker wordt zowel thuis als in de DSLAM afgesplitst (POTS splitter) en wordt verder getransporteerd via het klassieke telefonienetwerk. Het dataverkeer van de gebruiker wordt (langsheen de ADSL Access Multiplexer) naar de ATM switch getransporteerd in de vorm van ATM cellen. Merk op dat er in de DSLAM dus totaal geen intelligentie zit : het hoofddoel is het concentreren van trafiek naar 1 lijn. Deze lijn gaat dan naar de switch. In de omgekeerde richting is de functie van de DSLAM : het verdelen en uitsorteren van de trafiek die van de switch komt naar de verschillende gebruikers toe. Figuur 3.6 : een mogelijk ADSL access netwerk 3.3.1 Structuur van een POP (en het netwerk er rond) De Point of Presence (POP) is hier de plaats waar de binnenkomende ADSL lijnen van de gebruikers getermineerd worden en waar de concentratie gebeurt naar de switch (ATM). Deze zorgt voor de layer 2 connectie naar de backbone router (die zowat dezelfde functie vervult als de access router in het geval van dial access). Zie hiervoor naar Figuur 3.7. Adelbert Groebbens 12
SERVER Core data network 1 Core data network 2... BACKBONE ROUTER Core data network N POP ATM switch ATM netwerk ADSL rack ATM switch ADSL RACK ADSL netwerk... PSTN... ADSL netwerk ADSL suscriber ADSL suscriber Telephone splitter ANT (adsl modem) Terminal ADSL suscriber... ADSL suscriber... ADSL suscriber 3.3.2 Uitleg bij ADSL access Figuur 3.7 : de POP in een ADSL access netwerk We bespreken Figuur 3.7. De ADSL suscriber heeft ATM network termination equipment (ANT) zoals bvb. een ADSL modem, het telefonie verkeer wordt afsgeplitst (zowel thuis als in ADSL rack in de POP) en verloopt via het klassieke PSTN (=public switched telefony network) en kan in feite als volledig gescheiden worden beschouwd, de lijn die dus van de gebruiker naar het rack in de POP loopt is dus twisted pair. Het ADSL netwerk is in feite gewoon een reeks remote DSLAM s verbonden met bvb. DS-3 s (zie 3.5.3.1) De lijnen van de gebruikers komen tesamen in het ADSL rack, deze wordt ook Digital Suscriber Line Access Multiplexer (DSLAM) genoemd. In de DSLAM (= ADSL rack ) staan de splitters en de ADSL line termination boards (ADSL LT s), in dit rack wordt het verkeer van alle ADSL LT s gemultiplexeerd naar een interface, deze interface is meestal STM-1 (=OC-3c) of DS-3 (of E3) (in ieder geval van de orde 34 of 44 of 155 Mbit/s), en deze interface leidt naar een ATM switch. Het ATM netwerk bestaat uit ATM switches. Merk op dat pas in de switches de mogelijjkheid bestaat om connecties tussen verschillende gebruikers te verwezenlijken. De connectie tussen het ATM netwerk en de backbone router gebeurt bvb. over STM-1 links (155 Mbit/s). Uiteindelijk bereiken we dus de backbone router. Noteer dat pas hier authenticatie,... kan geïmplementeerd worden. Dee router stuurt bijvoorbeeld eerst boodschap (vb. CHAP ivm PPP protocol) naar een authenticatie server (vb. RADIUS). Over de ganse lijn we dus een ATM connectie tussen de ADSL modem van de gebruiker en de backbone router, en passeren we een DSLAM en ATM switches. Vanaf die plek geldt dezelfde uitleg als in het geval van dial access netwerken. Adelbert Groebbens 13
3.3.3 Verder informatie ivm planning en vergelijking van Dial-up en ADSL Ivm dimensionering van de ATM switch in een ADSL access netwerk hebben kunnen we bvb. rekening houden met : typically 20% of the access customers will be active at the same time. We sommen enkele verschilpunten op tussen Dial-up en ADSL access : bij ADSL heeft elke gebruiker een dedicated lijn van bij hem tot aan het rack, bij Dial gebeurt de connectie van de gebruiker naar de dial gateway via het PSTN of ISDN netwerk de connectie tussen gebruiker en ADSL rack is min of meer permanent (enkel bij aan- en afschakelen ADSL modem wordt de connectie onderbroken), de connectie tussen gebruiker en dial gateway wordt slechts opgezet voor korte tijd en dit meerdere keren per dag bvb. het gevolg is dat de planning van het ADSL rack versus de dial gateway duidelijk verschillend is : het aantal modempoorten kan statistisch gezien minder zijn, het aantal gebruikers die verbonden zijn op een bepaald tijdstip is immers lager qua service bieden ATM netwerken verschillende soorten verkeer aan en verschillende soorten quality of service (QOS), dit is nog niet zo bij IP netwerken (maar wordt wel in de toekomst verwacht), het gevolg is dat ADSL access meer dan louter access tot data netwerken kan aanbieden (bvb. er zijn plannen om via ADSL een zestal telefoonlijnen aan te bieden), dit is mogelijk dankzij het feit dat ADSL via ATM werkt 3.4 Configuraties 3.4.1 Zestal verschillende Dial access architecturen op een rijtje 3.4.1.1 architectuur 1 Deze is de architectuur hierboven reeds gegeven in Figuur 3.1 en werd reeds besproken. 3.4.1.2 architectuur 2 Ipv één of meerder centrale severs te gebruiker, is het eveneens mogelijk een server te installeren lokaal nabij de access router. Een server betekent concreet : webserver, proxy, mirror, Dit is bijvoorbeeld het geval indien een ISP in plaats van één centrale server, nu in elke POP die access tot hem levert een eigen server laat installeren. Zie Figuur 3.8. Zulke lokale servers kunnen de moeite lonen indien het aantal gebruikers dat normaal van de oorspronkelijke server gebruik maakte toeneemt. Core data network 1 Core data network 2... Core data network N POP Access Router LOCAL SERVER PSTN Dial Gateway ISDN DIal Gateway PSTN ISDN V.x modem... V.x modem ISDN modem/ card... Figuur 3.8 : 2e architectuur voor dial access ISDN modem/ card voordelen De links naar de verschillende ISP s (naar de core data netwerken dus) worden minder belast indien we bijvoorbeeld lokaal een cache inhouden. Adelbert Groebbens 14