Ποιότητα υπηρεσίας σε δίκτυα επόμενης γενιάς
Authors: Στάμος Κωνσταντίνος 
Published: August 2021

Κεντρικό αντικείμενο αυτής της Διδακτορικής Διατριβής αποτελεί η μελέτη του συνδυασμού δύο εκ των βασικότερων εξελίξεων που σχετίζονται με το επίπεδο του IP πρωτοκόλλου στο Internet: της δυνατότητας για την παροχή εγγυήσεων ποιότητας (Quality of Service) σε τμήμα της συνολικής κίνησης που διακινείται μέσα από τα IP δίκτυα, καθώς και της ανάγκης αναβάθμισης του IPv4 πρωτοκόλλου στο IPv6. Επίσης αντικείμενο της παρούσας εργασίας είναι η ανάπτυξη μηχανισμών και αλγορίθμων για την αποδοτική διαχείριση των πόρων, τον όσο το δυνατόν δίκαιο καταμερισμό της ποιότητας υπηρεσίας, καθώς και τη δυνατότητα συνεργασίας και διαλειτουργικότητας μεταξύ διαφορετικών αυτόνομων δικτυακών τμημάτων με αυτοματοποιημένο τρόπο (χωρίς δηλαδή να χρειάζεται η παρέμβαση ενός ανθρώπου διαχειριστή στις περισσότερες περιπτώσεις). Για το σκοπό αυτό έχουν προταθεί διάφορες προσεγγίσεις όσον αφορά μεσίτες εύρους ζώνης, οι οποίες μελετώνται στην εργασία αυτή, ενώ προτείνονται αλγόριθμοι και μηχανισμοί για τη βελτίωση της λειτουργίας και της απόδοσής τους. Το IPv4 είχε τη δυνατότητα υλοποίησης μηχανισμών QoS στο επίπεδο δικτύου με τη χρήση του πεδίου TOS (Type Of Service). Στην πράξη όμως το πεδίο αυτό έμεινε σε μεγάλο βαθμό ανεκμετάλλευτο. Το IPv6 επεκτείνει και βελτιώνει την ιδέα αυτή, παρέχοντας δύο νέα πεδία στην στάνταρ επικεφαλίδα, τα Traffic Class και Flow Label, τα οποία μπορούν να χρησιμοποιηθούν προς αυτήν την κατεύθυνση. Η χρήση των πεδίων αυτών, όπως και γενικότερα η χρήση του IPv6 βρίσκονται ακόμα σε πειραματικό επίπεδο. Καθώς όμως το IPv6 περνάει σιγά-σιγά στο προσκήνιο και ετοιμάζεται να υποκαταστήσει το κυρίαρχο έως τώρα IPv4, παρουσιάζει ιδιαίτερο ενδιαφέρον η διερεύνηση του τρόπου με τον οποίο θα αξιοποιηθούν πρακτικά οι QoS δυνατότητες που προσφέρει το IPv6. Μία σημαντική παράμετρος της υποστήριξης QoS Μηχανισμών από άκρο σε άκρο είναι η συνεργασία μεταξύ διαφορετικών αυτόνομων τμημάτων (domains) που απαιτείται προκειμένου η κίνηση να υφίσταται προνομιακή μεταχείριση καθ’ όλη τη διαδρομή της και να της παρέχονται οι αναγκαίες εγγυήσεις ποιότητας. Η διαπραγμάτευση της συνεργασίας αυτής είναι σαφές ότι πρέπει να είναι όσο το δυνατόν αυτοματοποιημένη για να μπορούν τέτοιου είδους υπηρεσίες να γνωρίσουν ευρύτερη διάδοση. Για το σκοπό αυτό έχει από το RFC 2638 της IETF οριστεί η μονάδα του Bandwidth Broker (μεσίτης εύρους ζώνης). Ελέγχει το δικτυακό φόρτο αποδεχόμενη ή απορρίπτοντας αιτήματα για συγκεκριμένο bandwidth με εγγυήσεις QoS. Οι Bandwidth Brokers χρειάζεται να εγκαθιδρύσουν σχέσεις περιορισμένης εμπιστοσύνης με τις αντίστοιχες μονάδες στα γειτονικά domains, αντίθετα με άλλες αρχιτεκτονικές που απαιτούν τον καθορισμό των χαρακτηριστικών μιας ροής στους δρομολογητές κατά μήκος του από άκρο σε άκρο μονοπατιού. Επομένως η αρχιτεκτονική του Bandwidth Broker δίνει τη δυνατότητα να κρατηθεί η πληροφορία στο επίπεδο του διαχειριστικού domain, αντί να πρέπει να κρατηθεί σε κάθε δρομολογητή, και η DiffServ αρχιτεκτονική δίνει τη δυνατότητα να περιοριστεί η πληροφορία αυτή μόνο για τους ακραίους δρομολογητές κάθε domain. Στα πλαίσια της εργασίας αυτής ασχοληθήκαμε επίσης με τη μονάδα ελέγχου αποδοχής ενός Bandwidth Broker. Προτείνεται και αξιολογείται ένας προσαρμοστικός αλγόριθμος για αιτήματα κράτησης πόρων που καταφτάνουν νωρίτερα από τον καθορισμένο χρόνο έναρξης της κράτησης. Το γεγονός αυτό επιτρέπει στον αλγόριθμο να συγκεντρώνει ένα σύνολο από πολλαπλά αιτήματα και να κάνει καλύτερη αξιοποίηση του δικτύου, χρησιμοποιώντας την υπάρχουσα βιβλιογραφία για προβλήματα χρονοδρομολόγησης. Η σημασία της παρακολούθησης και της προσαρμογής της υπολογιστικής επιβάρυνσης για τον Bandwidth Broker φαίνεται σαφέστερα όταν υπάρχει μεγάλος ρυθμός άφιξης αιτημάτων, ενώ το ζητούμενο bandwidth για κάθε κράτηση είναι μικρό, όπως στην περίπτωση πολλαπλών VoIP αιτημάτων σε μία σύνδεση υψηλού bandwidth.