802.1p - priorytety w

Ethernecie

Dokumentacja

Paweł Smogorzewski

802.1p – Priorytety

Strona 2

Spis treści

Wstęp ...................................................................................................................................................... 3

Cel priorytetów ........................................................................................................................................ 3

Budowa ramki.......................................................................................................................................... 3

Zasady działania....................................................................................................................................... 4

Rodzaje priorytetów ............................................................................................................................ 4

Kolejkowanie ....................................................................................................................................... 5

Przesyłanie ramek ............................................................................................................................... 6

Mapowanie .......................................................................................................................................... 7

DiffServ .................................................................................................................................................... 8

Priorytety w Q-in-Q (802.1ad) ................................................................................................................. 9

CoS a QoS .............................................................................................................................................. 10

Uzupełnienie i podsumowanie .............................................................................................................. 11

Bibliografia ............................................................................................................................................. 11

802.1p – Priorytety

Strona 3

Wstęp

Odkąd Ethernet stał się najpopularniejszą technologią dostępu do sieci LAN coraz większe znaczenie

zyskiwało zarządzanie ruchem w celu uzyskania jego jak najlepszej jakości. W latach 1995-1998 IEEE

opracowało standard 802.1p, w którym opisano priorytetyzowanie ruchu. Opracowanie

tego standardu było ważne w kontekście ekspansji Ethernetu na profesjonalne sieci.

Na początku należy wyjaśnić pewne zależności pomiędzy standardami. Standard 802.1p dotyczący

priorytetów do ich działania wykorzystuje ramkę ethernetową, której struktura jest identyczna

z ramką używaną w standardzie 802.1q czyli w wirtualnych sieciach lokalnych (vlan). Te dwa

standardy są od siebie niezależne i w mogą istnieć samodzielnie. W praktyce jednak sprzęt sieciowy

najczęściej posiada wsparcie dla obydwu bądź dla żadnego z nich. Standardy te są częścią 802.1d

(2004r.), który opisuje działanie protokołu drzewa rozpinającego (STP).

Cel priorytetów

Głównym celem priorytetów jest poprawa jakości usług w warstwie drugiej modelu OSI.

Ich przydatność jest szczególnie przydatna przy tworzeniu się zatorów w sieci. Dzięki temu ważniejszy

ruch będzie miał pierwszeństwo przed ruchem mniej ważnym.

Budowa ramki

Na poniższym rysunku została przedstawiona struktura ramki wykorzystującej priorytety (Rysunek 1

Ramka 802.1 p/q).

Rysunek 1 Ramka 802.1 p/q

802.1p – Priorytety

Strona 4

Jest to ramka używana w VLANach, która została zaadoptowana do przenoszenia priorytetów.

W porównaniu do standardowej ramki ethernetowej o długości d 1518 bajtów, ta posiada

dodatkowo 4 bajty:

•

TPID (Tag Protocol Identifier)- dwubajtowe pole, które definiuje typ ramki i jest wartością

szesnastkową. W tym przypadku ma wartość równą 0x8100 mówiącą o tym, że jest to ramka

802.1q/p.

•

TCI (Tag Control Identifier)

o

User Prioryty - pole składające się z trzech bitów, które może przyjąć 8 wartości.

Używane do oznaczenia priorytetu ramki. Możliwe jest zatem zdefiniowanie 8

priorytetów. W standardzie 802.1q te 3 bity nie mają zdefiniowanego zastosowania.

o

CFI (Canonical Format Indicator) – jednobitowy identyfikator, który mówi o tym,

w jakiej technologii została utworzona sieć LAN. Dla sieci w technologii Ethernet jest

ustawiona na wartość zero, natomiast dla Token Ring ma wartość 1. Pole to zostało

wydzielone w celu zachowania kompatybilności z polem TYP w Ethernecie i Token

Ring. Jeżeli ramka odebrana na porcie Ethernet ma bit CFI równy jeden, nie powinna

być przekazywana, ponieważ jest to nieoznaczony port.

o

VID (VLAN ID) – 12-bitowe pole określające, do której sieci VLAN należy ramka.

Wartość zero oznacza, że ramka nie należy do żadnej wirtualnej sieci, wartość jeden

jest wykorzystywana dla mostów, a wartość 0xFFF jest zarezerwowana do innych

celów. Pozostałe 4093 wartości mogą być użyte do oznaczenia poszczególnych sieci

VLAN. Urządzenie działające w standardzie 802.1Q po otrzymaniu takiej ramki

odczytuje VLAN ID i kieruje ramkę do odpowiedniej sieci wirtualnej.

Zasady działania

Rodzaje priorytetów

Priorytet

Typ ruchu

Rekomendowane zastosowanie

7

Network Control

Ruch krytyczny związany z zarządzaniem sieci – np. OSPF

6

Voice

Wrażliwość na opóźnienia - do 10 ms

5

Video

Wrażliwość na opóźnienia - do 100 ms

4

Controlled Load

Aplikacje wykorzystujące z góry określone pasmo - media
strumieniowe

3

Excellent Effort

Najlepsze dostarczanie dla ważnych danych (aplikacji)

0

Best Effort

Klasa domyślna

2

Spare

Ruch mało ważny

1

Background

Ruch masowy, gry, transmisje ftp, itp.

Tabela 1 Priorytety i typy ruchu

802.1p – Priorytety

Strona 5

W powyższej tabeli (1) zostały opisane wszystkie możliwe priorytety używane w Ethernecie a każdy

z nich definiuje jakąś klasę ruchu.

Kilka słów wyjaśnień wymaga uporządkowanie priorytetów w tabeli. Ostatnie trzy klasy ruchu zostały

umieszczone w sposób sugerujący, iż ramka o priorytecie 0 (best effort) jest ważniejsza od ramki

z priorytetem 1 lub 2. Takie przedstawienie wynika z przyjętego podziału na klasy ruchu, gdzie nazwa

Background kojarzy się jako ruch mniej ważny od ruchu Best Effort. Jeżeli jednak ruch zostanie

oznaczony jako Background (priorytet o wartości 1) to będzie on ważniejszy od Best Effort (priorytet

o wartości 0) tylko teoretycznie, ponieważ priorytety służą do nadawania klasy ruchu. O kolejności

wysyłania ramek decyduje mechanizm kolejkowania.

W wypadku mapowania (patrz Tabela 3 Mapowanie priorytetów) widać wyraźnie, że priorytet

dla ruchu Best Effort ,o ile to możliwe, jest odwzorowywany tak, że ma on wtedy większy priorytet

o ruchu typu Spare i Background.

Kolejkowanie

W tabeli 2 zostały przedstawione wszystkie możliwe kombinacje kolejek. Powyższą tabelę należy

czytać następująco: nawiasy klamrowe oznaczają jedną kolejkę a ich zawartość mówi o tym, jakie

klasy ruchu może przechowywać dana kolejka. Dla danej liczby kolejek te, które są umieszczone niżej

(oznaczone dalszą literą alfabetu) zawierają ramki o wyższym priorytecie niż te, które są umieszczone

nad nimi (oznaczone wcześniejszymi literami alfabetu).

Liczba

kolejek

Typ ruchu w danej kolejce

1

A {Background, Best Effort, Excellent effort, Controlled Load, Video, Voice, Network Control}

2

A {Background, Best Effort, Excellent effort }

B {Controlled Load, Video, Voice, Network Control}

3

A {Background , Best Effort, Excellent effort }

B {Controlled Load, Video}

C {Voice, Network Control}

4

A {Background}

B {Best Effort, Excellent effort}

C {Controlled Load, Video}

B {Voice, Network Control}

5

A {Background}

B {Best Effort, Excellent effort}

C {Controlled Load}

D {Video}

E {Voice, Network Control}

802.1p – Priorytety

Strona 6

6

A {Background}

B {Best Effort

C {Excellent effort}

D {Controlled Load}

E {Video}

F {Voice, Network Control}

7

A {Background}

B {Best Effort}

C {Excellent effort}

D {Controlled Load}

E {Video}

F {Voice}

G {Network Control}

Tabela 2 Kolejkowanie

W praktyce każdy port urządzenia warstwy drugiej (np. przełącznika) implementującego standard

802.1p posiada swoje kolejki. Ich ilość określa producent urządzenia.

Bardzo ważną rzeczą jest mechanizm opróżniania kolejek. Używany jest tu algorytm typu round robin.

W pierwszej kolejności wysyłane są ramki z kolejki o najwyższym priorytecie. Ramki z kolejki

o niższym priorytecie będą wysyłane dopiero, gdy kolejki o wyższych priorytetach będą puste.

Po wysłaniu ramki z kolejki o nie najwyższym priorytecie, sprawdzane są kolejki o wyższych

priorytetach. Jeżeli są puste to obsługujemy aktualną kolejkę, jeśli nie, aktualną kolejką zostaje

ta „najważniejsza”.

Przesyłanie ramek

Schemat priorytetyzacji ramek został przedstawione na Rysunek 2 Przesyłanie ramek z różnymi

priorytetami - różne warianty kolejek. Widzimy na nim trzy hosty podłączone do tego samego

przełącznika. Każdy z nich generuje ruch różnych klas.

Rysunek 2 Przesyłanie ramek z różnymi priorytetami - różne warianty kolejek

802.1p – Priorytety

Strona 7

W celu zrozumienia działania priorytetów należy przeanalizować Rysunek 2 Przesyłanie ramek z

różnymi priorytetami - różne warianty kolejekwykorzystując wiedzę o działaniu kolejek. W chwilach t

1

przychodzą ramki {7A i 5C}, t

2

=> {3A, 4B, 0C}, t

3

=> {0A, 6B, 7C}, t

4

=> {5A, 3B, 5C}. Przyjmijmy

dla ułatwienia, że przełącznik kolejkuje ramki z czasów t

1

, t

2

, t

3

i t

4

i dopiero po czasie t

4

rozpoczyna

ich wysyłanie. Na porcie wyjściowym ramki zostaną wysłane w kolejności:

•

7A, 5C, 3A, 4B, 0C, 0A, 6B, 7C, 5A, 3B, 5C dla 1 kolejki

•

7A, 5C, 4B, 6B, 7C, 5A, 5C, 3A, 0C, 0A, 3B dla 2 kolejek, ponieważ:

o

w pierwszej (ważniejszej) kolejce ustawią się ramki: 7A, 5C, 4B, 6B, 7C, 5A, 5C

o

w drugiej kolejce ustawią się ramki:

•

7A , 6B, 7C, 5C, 4B, 5A, 5C, 3A , 0C, 0A, 3B dla 4 kolejek, ponieważ:

o

w pierwszej kolejce (najważniejszej) ustawią się ramki: 7A, 6B, 7C

o

w drugiej kolejce ustawią się ramki: 5C, 4B, 5A, 5C

o

w trzeciej kolejce ustawią się ramki: 3A , 0C, 0A, 3B

o

w czwartej kolejce ustawią się ramki: (pusta – brak ramek)

Warto zauważyć, że jeżeli urządzenie posiada tylko 1 kolejkę na każdym porcie to ramki są wysyłane

tak samo jak na urządzeniu nieobsługującego standardu 802.1p.

Mapowanie

Mechanizm mapowania stosuje, aby dane przesyłane są pomiędzy różnymi technologiami nie utraciły

informacji o swojej klasie ruchu. Struktura ramki w każdej technologii jest najczęściej różna.

Należy rozpatrzeć dwa przypadki mapowania priorytetów. Pierwszym z nich będzie sytuacja, w której

ilość dostępnych klas ruchu będzie mniejsza niż ta obecna w Ethernecie (8 klas). Wtedy urządzenie

warstwy drugiej musi odpowiednio odwzorować priorytety. Wykorzystuje do tego tablicę mapowania

priorytetów (patrz Tabela 3 Mapowanie priorytetów).

Liczba dostępnych klas ruchu

1

2

3

4

5

6

7

8

Priorytet

0

0

0

0

1

1

1

1

2

1

0

0

0

0

0

0

0

0

2

0

0

0

0

0

0

0

1

3

0

0

0

1

1

2

2

3

4

0

1

1

2

2

3

3

4

5

0

1

1

2

3

4

4

5

6

0

1

2

3

4

5

5

6

7

0

1

2

3

4

5

6

7

Tabela 3 Mapowanie priorytetów

802.1p – Priorytety

Strona 8

Dobrym przykładem ilustrującym działanie mechanizmu mapowania jest zestawienie sieci

wykorzystującej technologię Ethernet i HomePlug (sieć przez gniazdko). W HomePlugu możliwe są

do zdefiniowania 4 klasy ruchu. Rysunek 3 Mapowanie priorytetów Ethernet-HomePlug-

Ethernetprzedstawia trzy ramki które dotarły do adaptera w chwilach t

1

, t

2

i t

3

. Po przejściu ramek

do technologii HomePlug ich klasy ruchu zostały odpowiednio zmapowane (6=>3, 0=>1, 5=>2).

Rysunek 3 Mapowanie priorytetów Ethernet-HomePlug-Ethernet

Drugą sytuacją odwzorowywania jest moment, w którym dane będą przemieszczać się z HomePluga

do Ethernetu. Adapter będzie musiał zmapować z 4 klas ruchu do 8. W tym wypadku priorytety

zostaną pomnożone przez 2. Skutkuje to oczywiście pewną stratą informacji np. ruch typu Video

wysłany z hosta PC 1 docierając do hosta PC 2 będzie rozpoznawany jako klasa ruchu Controlled Load.

Pomimo tych niewielkich strat mechanizm klasyfikowania przesyłanych danych działa od chwili

wysłania informacji do chwili jej odbioru.

Mapowanie jest bardzo istotnym mechanizmem w 802.1p. Szczególnie, jeśli pod uwagę weźmie się

połączenia różnych technologii jak np. Ethernet z ATM (4 klasy ruchu). Ta druga jest używana głównie

w sieciach szkieletowych. Biorąc ten fakt pod uwagę zauważymy, że odwzorowywanie pozwala

zachować priorytety nie tylko w obrębie lokalnej sieci, ale także w sieci rozległej (o ile urządzenia

występujące na danej trasie mają zaimplementowany standard 802.1p).

DiffServ

Celem architektury usług zróżnicowanych jest wyróżnienie pewnej liczby klas ruchu, które mają

za zadanie agregować strumienie o podobnych charakterystykach i wymaganiach. DiffServ realizuje

się w warstwie trzeciej modelu OSI. Wykorzystuje się do tego np. pola ToS (Type of Service)

w nagłówku pakietu IPv4 albo TC (Traffic Class) w IPv6. Oba są 8-bitowe. Diffserv zdefiniował w tych

bajtach pole składające się z sześciu bitów DSCP oraz dwóch bitów CU rezerwy (niewykorzystywane).

Pierwsze 3 bity DSCP stanowią kod selektora klas.

802.1p – Priorytety

Strona 9

Rysunek 4 Struktura pola DS w DiffServ

Źródło 1

http://routing-bits.com

Pole Kodu Selektora Klasy (CSC) jest trzybitowe i określa klasę ruchu. Dla priorytetów w Ethernecie

ma ono spore znaczenie, ponieważ urządzenia ładując pakiet do ramki potrafią odczytać klasę ruchu

z warstwy wyższej i wysyłać ramkę z priorytetem adekwatnym do zawartej w niej informacji.

Priorytety w Q-in-Q (802.1ad)

Podczas rozwoju Ethernetu i częstym korzystaniu z VLANów pojawił się problem ograniczenia

do 4094 sieci wirtualnych. Pojawiło się zapotrzebowanie na ich większą ilość. Po przeanalizowaniu

struktury ramki ethernetowej postanowiono dodać kolejne 4 bajty za już istniejącymi polami

dotyczącymi VLANu.

W ten sposób można budować VLANy wewnątrz VLANu. Pozwala to na skonfigurowanie 4094 x 4094

wirtualnych sieci lokalnych (w sumie 16 760 836). Technologia ta została opracowana głównie z myślą

o ISP, którzy chcieli tworzyć VLANy wewnątrz swoich sieci, ale jednocześnie nie chcieli pozbawiać

tej funkcjonalności swoich klientów.

Rysunek 5 Budowa ramki Q-in-Q

802.1p – Priorytety

Strona 10

W standardzie Q-in-Q priorytety występują w dwóch miejscach: w polu user priority VLANu

zewnętrznego oraz wewnętrznego. Priorytety te mogą być różne. Oznacza to także, że ramki mogą

być zupełnie inaczej zarządzane w wewnętrznym VLANie a zupełnie inaczej w zewnętrznym. Jeżeli

w wirtualnej sieci lokalnej 1 (patrz Rysunek 6 Przykład Q-in-Q) ramka o klasie ruchu 7 będzie

przesyłana pomiędzy hostem A1 i A2 to będzie miała ona pierwszeństwo (załóżmy, że każda klasa

ruchu ma swoją kolejkę). Jeśli jednak np. ISP (właściciel VLAN A) zawarł umowę z właścicielem VLAN 2

stanowiącą, że jego ruch będzie miał zawsze priorytet równy 7, to każda ramka wychodząca z VLAN 2

do internetu będzie miała najwyższą klasę ruchu. Nawet pomimo faktu, że w wewnątrz wirtualnej

sieci lokalnej 2 miała najniższy priorytet.

Rysunek 6 Przykład Q-in-Q

CoS a QoS

Standard 802.1p służy do klasyfikowania ruchu (Class of Service). Powstaje zatem pytanie, jaki wpływ

mają priorytety na jakość usług (Quality of Service). Aby zapewnić QoS, stosowane są następujące

mechanizmy:

•

kształtowanie i ograniczane przepustowości

•

zapewnienie sprawiedliwego dostępu do zasobów

•

nadawanie odpowiednich priorytetów poszczególnym pakietom wędrującym przez sieć

•

zarządzanie opóźnieniami w przesyłaniu danych

•

zarządzanie buforowaniem nadmiarowych pakietów

•

określenie charakterystyki gubienia pakietów

•

unikanie przeciążeń

Mechanizm priorytetów w warstwie drugiej służy tylko do segregowania ruchu, co pozwala jedne

ramki przesłać przed innymi. W konsekwencji zmniejsza to opóźnienie dla wrażliwych danych

jak np. głos, video. Priorytety wpływają na zwiększenie QoS, ale jej nie zapewniają. Nie gwarantują

minimalnych warunków dla ruchu.

802.1p – Priorytety

Strona 11

Uzupełnienie i podsumowanie

Priorytety mogą być ustawione zgodnie z polityką przyjętą w danym przedsiębiorstwie (organizacji)

na komputerze użytkownika, bezpośrednio przez aplikację lub inne inteligentne oprogramowanie

albo mogą one być ustawione w przełącznikach w sieci LAN. Podane we wcześniejszych rozdziałach

tabele dotyczące kolejkowania i mapowania są zalecanymi przez IEEE, chociaż oczywiście istnieje

możliwość samodzielnej ich konfiguracji na urządzeniach sieciowych.

Warto pamiętać, aby wszystkie urządzenia w sieci obsługiwały standard 802.1p. Jeżeli chociaż jeden

przełącznik nie będzie go implementował to każda ramka przechodząca przez to urządzenie będzie

traciła swój priorytet. Przykładem urządzenia obsługującego ten standard jest Cisco Switch

10/100/1000 Mbit/s 48-port 4xminiGBIC- SRW2048-K9.

Poprawianie jakości usług już na poziomie drugim modelu OSI jest niewątpliwą zaletą 802.1p

szczególnie, że nie wymaga dużej mocy obliczeniowej od urządzeń sieciowych.

Bibliografia

[1]

Ek, N. (1999, 04 24). www.tml.tkk.fi/Opinnot/Tik-

110.551/1999/papers/08IEEE802.1QosInMAC/qos.html. Pobrano z lokalizacji www.tml.tkk.fi.

[2]

IEEE. (2004). http://standards.ieee.org/getieee802/download/802.1D-2004.pdf. Pobrano z

lokalizacji http://standards.ieee.org/.

[3]

Krysiak, K. (2005). Sieci Komputerowe. Kompendium. Helion.

[4]

NetWorld. (1999, 11 1).

www.networld.pl/artykuly/5404/Odwzorowanie.uslug.CoS.sieci.Ethernet.na.QoS.sieci.ATM.ht

ml. Pobrano z lokalizacji www.networld.pl.

[5]

tech-portal. (brak daty). www.tech-portal.pl/content/view/38/38/. Pobrano z lokalizacji

www.tech-portal.pl.