ANKARA ÜNİVERSİTESİ FEN BİLİMLERİ ENSTİTÜSÜ YÜKSEK LİSANS TEZİ İNTERNET PROTOKOLÜ SÜRÜM 6 (IPv6) MİMARİSİ ÜZERİNDE SERVİS SINIFLARININ ÖNCELİKLENDİRİLMESİ Muhammet Eşref ERDİN ELEKTRONİK MÜHENDİSLİĞİ ANABİLİM DALI ANKARA 2010 Her hakkı saklıdır
TEZ ONAYI Muhammet Eşref ERDİN tarafından hazırlanan İnternet Protokolü Sürüm 6 (IPv6) Mimarisi Üzerinde Servis Sınıflarının Önceliklendirilmesi konulu tez çalışması 02/02/2010 tarihinde aşağıdaki jüri tarafından oy birliği ile Ankara Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü Elektronik Mühendisliği Anabilim Dalı nda YÜKSEK LİSANS TEZİ olarak kabul edilmiştir. Danışman : Yrd. Doç. Dr. Murat Hüsnü SAZLI Jüri Üyeleri Başkan :Yrd.Doç.Dr. Refik SAMET Ankara Üniversitesi Bilgisayar Mühendisliği Anabilim Dalı Üye :Yrd. Doç. Dr. Fikret ARI Ankara Üniversitesi Elektronik Mühendisliği Anabilim Dalı Üye : Yrd. Doç. Dr. Murat Hüsnü SAZLI Ankara Üniversitesi Elektronik Mühendisliği Anabilim Dalı Yukarıdaki sonucu onaylarım. Prof. Dr. Orhan ATAKOL Enstitü Müdürü
ÖZET Yüksek Lisans Tezi İNTERNET PROTOKOLÜ SÜRÜM 6 (IPV6) MİMARİSİ ÜZERİNDE SERVİS SINIFLARININ ÖNCELİKLENDİRİLMESİ Muhammet Eşref ERDİN Ankara Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü Elektronik Mühendisliği Anabilim Dalı Danışman : Yrd. Doç. Dr. Murat H. SAZLI İnternet in yaygınlaşması ile birlikte yeni servis sınıfları da internet ağı üzerinden sunulmaya başlamıştır. Her yeni servis ile ağ üzerinde daha yüksek bant genişliği ihtiyacı ortaya çıkmıştır. Altyapı yükseltmeleri ve bant genişliği artırım çalışmaları bu ihtiyaçlara cevap vermemeye başlamış ve yoğun kullanım zamanlarında birbirlerinden farklı olan servis sınıflarının birbirlerine göre önceliklendirilmesi, yani kalitelendirilmeleri fikri ortaya çıkmıştır. Bu yöndeki çalışmalar sonucu internet protokolü üzerinde servis kalitesi uygulamaları başlatılmıştır. Bu çalışma kapsamında internet protokol yapıları incelenmiş, bu protokol sürümlerinin birbirlerine göre adresleme ve paket yapıları kıyaslanmıştır. Paket başlıkları ve servis önceliklendirme durumları gözlenmiştir. İnternet Protokolü Sürüm 6 da paket önceliklendirmeler gözlenmiş, yeni protokol ile ne gibi yeniliklerin geleceği incelenmiştir. Bu tez çalışmasında İnternet Protokolü Sürüm 6 da servis sınıflarının önceliklendirilmeleri, önceki sürüm yetersizlikleri, hali hazırda kullanılan yöntemler ve yeni sürüm ile kullanılmaya başlayacak olan yöntemler incelenmiştir. Deneylerde, önem sıralarına göre önceliklendirilmeleri gereken servis sınıfları belirlenmiş ve bu servis sınıflarının birbirlerine göre önceliklendirilmesi gerçekleştirilmiştir. Sadece birbirlerine göre öncelikli olarak iletilip iletilmedikleri kontrol edilmemiş, aynı zamanda öncelikli sınıfların herhangi bir trafik yoğunluğu durumunda kayba ya da gecikmeye uğrayıp uğramadıklarının kontrolü de gerçekleştirilmiştir. Şubat 2010, 79 sayfa Anahtar Kelimeler: Servis Kalitesi, IP (İnternet Protokolü), TCP, Önceliklendirme, Paket Başlığı, IPTV (Internet Protokolü TV),VOD ( Video on Demand = İsteğe Bağlı Yayın Akışı), VoIP (Voice over Internet Protocol = İnternet Protokolü Üzerinden Ses İletimi), HSI (High Speed Internet = Yüksek Hızlı Internet), Bilgisayar Ağları i
ABSTRACT Master Thesis PRIORITIZATION OF SERVICE CLASSES IN IPV6 Muhammet Eşref ERDİN Ankara University Graduate School of Natural and Applied Sciences Department of Electronics Engineering Supervisor : Asst. Prof. Dr. Murat H. SAZLI New service classes are started being served over the Internet as it is becoming widespread. With each new service released, more bandwidth is required. Infrastructure and band with upgrades are not the solution for this situation, and this brought the idea of prioritization of service classes. As a result of these studies, quality of service processes are started to run over Internet Protocol. In this study, Internet Protocol structures are analyzed, the addressing capacity and packet headers of protocol versions are compared. Packet priorities of IPv6, and what improvements it will bring are analyzed. Determination of which service classes has to be prioritized, and prioritisation of the services classes due to their importance are carried out during the experiments. Not only the transmission of the service classes with respect to their priority, but also for the prior classes any loss or delay occuring in a congestion is inspected. Briefly, packet structures of IPv4 and IPv6 are analyzed, differences, pros and cons for each are stated. Service class prioritisation and quality of service properties of IPv6 are determined and explained. February 2010, 79 pages, Key Words : Quality of Service, Internet Protocol, TCP, Prioritization, Packet Header, IPTV, VOD, VoIP, HSI, Computer Networks ii
TEŞEKKÜR Çalışmalarımı yönlendiren, araştırmalarımın her aşamasında bilgi, öneri ve yardımları ile bana destek veren, çalışmalarım sırasında oluşan aksamalarda bile sabırla moral desteğini esirgemeyen danışmanım Yrd. Doç. Dr. Murat H. SAZLI ya (Ankara Üniversitesi Elektronik Mühendisliği), sadece yüksek lisans eğitimimle kalmayıp tüm eğitim hayatım boyunca desteklerini yanımda hissettiğim aileme, iş hayatım süresince yüksek lisans eğitimimi destekleyen Şef Mühendis Sayın Sibel YURDAGÜL e, Evrak ve işlemler konusunda sürekli yardımcı olan Elektronik Mühendisliği Bölüm Sekreteri Halide GÖKSEL e, Tez çalışmalarım süresince bana destek olan arkadaşlarım M.Zahid ÇUFADAR, Ömer SÜNNETÇİOĞLU, Seyit TUNÇ ve Ahmet KÖKSAL a, Moral desteğinin yanında her türlü lojistik desteği de esirgemeyen Sayın Mehmet DALOĞLU na, değerli arkadaşlarım Ahmet BALCI, Fatih DEMİRCİ ve son olarak Muhammed DOĞANGÜN e teşekkürlerimi sunarım. Muhammet Eşref ERDİN Ankara, Şubat 2010 iii
İÇİNDEKİLER ÖZET...iii ABSTRACT...v TEŞEKKÜR...vii SİMGELER DİZİNİ...xi ŞEKİLLER DİZİNİ...xiv ÇİZELGELER DİZİNİ...xv 1. GİRİŞ...1 1.1 Problemin Açıklanması...2 1.2 Önceki Çalışmalar...4 1.3 Çalışmanın Amacı...6 1.4 Çalışma Yöntemi...7 1.5 Çalışmada Kullanılan Program ve Uygulamalar...7 2. BİLGİSAYAR AĞLARI, İNTERNET VE TCP/IP PROTOKOLÜ...8 2.1 Giriş...8 2.2 Internet Protokolü Sürüm 4 Mimarisi...10 2.2.1 IP adreslerinin tanımı ve genel yapısı...10 2.2.2 Adres sınıfları...11 2.2.2.1 A sınıfı adres...12 2.2.2.2 B sınıfı adres...12 2.2.2.3 C sınıfı adres...13 2.3 Alt Ağ Yapma (Subneting)... 13 2.3.1 Alt ağ maskesi...13 2.3.1.1 Özel alt ağ maskesi oluşturmak...14 2.4 IP Sürüm 4 ü Etkin Kullanma Yöntemleri...16 2.4.1 Sınıfsız özel adresleme (CIDR)...16 2.4.2 IP adres atamasının yeniden yapılandırılması...17 2.4.3 Sınıfsız özel adresleme gösterimi...18 2.4.4 Ağ adres dönüştürücüsü (NAT)...19 2.5 İnternet Protokolü Sürüm 6 Mimarisi...19 iv
2.5.1 Yeni protokolün İnternet e getirileri...21 2.5.2 IPv6 Protokolü ne geçiş...22 3. İNTERNET PROTOKOLÜ PAKET YAPILARI... 23 3.1 Tanımlar...23 3.2 Internet Protokolü Sürüm 4 Paket Yapısı...23 3.3 İnternet Protokolü Sürüm 6 Paket Yapısı...27 4. SERVİS KALİTESİ...32 4.1 Tanımlar...32 4.2 Servis Kalitelendirme Yöntemleri...33 4.2.1 Kalite ölçülerinin öznel anlamları...33 4.2.2 Karşılaşılan problemler...35 4.3 Servis Kalitesi Gerektiren Uygulamalar...36 4.4 Servis Kalitesi Mekanizmaları...37 4.5 Bant Genişliği Yönetim Mekanizmaları...39 4.5.1 Token bucket algoritması...40 4.5.2 Leaky bucket algoritması...41 4.5.3 Ağırlıklı adil kuyruklama (WFQ)...42 4.5.4 Sınıf bazlı kuyruklama (Class Based Queueing)(CBQ)...43 4.6 Servis Kalitesi Önceliklendirme Seviyeleri...44 4.7 Servis Kalitesi Problemleri...46 4.8 Trafik Sınıflandırma...47 5.IP SÜRÜM 6 NIN SERVİS KALİTESİNE GETİRİLERİ...50 5.1 IP Sürüm 4 Paket Başlığı...50 5.2 IP Sürüm 4 Servis Kalitesi Yetersizlikleri...51 5.3 IP Sürüm 6 Paket Başlığı...52 5.4 IP Sürüm 6 Servis Kalitesi Yenilikleri...53 6.GÜNCEL ÖNCELİKLENDİRME KULLANIMLARI...55 6.1 ATM Altyapısı Önceliklendirme Kullanımları...55 6.2 IP Altyapısı Önceliklendirme Kullanımları...56 6.3 Bant Genişliği Sınırlandırmaları...59 7. UYGULAMALAR...62 7.1 ATM Servis Sınıfları Önceliklendirme Deneyleri...62 v
7.1.1 Deney-1 : 4 ayrı servis sınıfı ile önceliklendirmelerin gözlenmesi...62 7.1.1 Deney-2 : 2 ayrı servis sınıfı ile önceliklendirmelerin gözlenmesi...64 7.2 IP Sürüm 4 Servis Sınıfları Önceliklendirme Deneyleri...65 7.2.1 Deney-3 : 4 ayrı servis sınıfı ile önceliklendirmelerin gözlenmesi...65 7.2.2 Deney-4 : 3 ayrı servis sınıfı ile önceliklendirmelerin gözlenmesi...66 7.3 Deney-5 : IP Sürüm 6 Önceliklendirme Deneyleri...68 7.4 Sanal Tünellerin Sistem Kaynakları Kullanımı Deneyleri...70 7.4.1 Deney 6 : Çoklu PVC ve VLAN kullanımının SSG üzerindeki etkisi...70 7.4.2 Deney 7 : Tek PVC ve VLAN kullanımının SSG üzerindeki etkisi...71 8. TARTIŞMA ve SONUÇ...74 KAYNAKLAR...77 ÖZGEÇMİŞ...79 vi
SİMGELER DİZİNİ ACK QoS FTP HTTP ICMP IP IPSec Acknowledge Quality Of Service (Servis Kalitesi) File Transfer Protocol (Dosya Aktarım Protokolu) Hypertext Transfer Protocol (Bağlantılı Metin Aktarım Protokolu) Internet Control Message Protocol (İnternet Kontrol Mesajı Protokolü) Internet Protocol (İnternet Protokolü) IP Security (Internet Protokolü Güvenliği) IPv4 IP sürüm 4 IPv6 IP sürüm 6 LAN MAC ATM VLAN PVC VoIP IPTV VOD WAN FIFO Local Area Network (Yerel Alan Ağı) Media Access Controler (Ortam Erişim Kontrol) Asynchronous Transfer Mode ( Senkron Olmayan Aktarma Modu) Virtual Local Area Network (Sanal Yerel Alan Ağı) Permanent Virtual Circuit (Sabit Sanal Devre) Voice Over IP (IP üzerinden Ses) Internet Protocol Television (Internet Protokolü Televizyonu) Video on Demand (İsteğe Bağlı Görüntü Akışı) Wide Area Network (Geniş Alan Ağı) First In First Out (İlk Giren İlk Çıkar) vii
WFQ WRED INTSERV IETF RSVP ToS VPN Ethereal (WireShark) MIT UCLA SRI UCSB NCP Weighted Fair Queuing (Paketlerin Sıralanması ve kuyruklanmasını sağlayan algoritma) Weighted Random Early Detection (Kuyruk düzenleme algoritması) The Integrated Services (Bütünleşik Servisler) Internet Engineering Task Force (Internet Mühendisliği Görev Gücü)( İnternet Protokollerini Geliştiren ve Standartlaştıran, Resmi Statüsü Olmayan Bir Grup.) Resource Reservation Protocol (Bant genişliğinin önceden rezerve edilmesini sağlayan bir protokol) Type of Service (Servis Tipi) Virtual Private Network (Sanal Özel Ağ) Paket Analiz Programı Massachusetts Institute of Technology (Massachusetts Teknoloji Enstitüsü) University of California Los Angeles ( California Los Angeles Üniversitesi) Stanford Research Institute (Stanford Araştırma Enstitüsü) University of California Santa Barbara ( California Santa Barbara Üniversitesi) Network Control Protocol (Ağ Kontrol Protokolü) CIDR Classless Inter-Domain Routing (Adres Sınıfından Bağımsız Yönlendirme) DNS P2P TTL MOS Domain Name System ( Alan Adı Sistemi) Peer-to-Peer (Eşler Arası) Time to Live (Yaşam Zamanı) Mean Opinion Score (Ortalama Görüş Puanı) viii
DiffServ CBQ MPLS UBR VBR-nrt VBR-rt CBR NAT OS SMTP TCP UDP WWW Differentiated Services ( Sınıflandırılmış Servisler) Class Based Queueing (Sınıf Bazlı Kuyruklama) Multiprotocol Label Switching (Çoklu Protokol Etiket Anahtalama) Unspecified Bit Rate ( Belirlenmemiş Bit Hızı) Variable Bit Rate non-real Time (Gerçek Zamanlı Olmayan Değişken Bit Hızı ) Variable Bit Rate Real Time (Gerçek Zamanlı Değişken Bit Hızı) Constant Bit Rate ( Sabit Bit Hızı) Network Address Translation (Ağ Adres Dönüştürme) Operating System (İşletim Sistemi) Simple Mail Transfer Protocol (Basit Posta Aktarım Protokolü) Transmission Control Protocol (İletim Kontrol Protokolü) User Datagram Protocol (Kullanıcı Veri Birimi Protokolü ) World Wide Web (Dünya Geniş Ağı) ix
ŞEKİLLER DİZİNİ Şekil 2.1 Sınıfsız Özel Adresleme Gösterimi...18 Şekil 3.1 İnternet Protokolü Sürüm 4 Paket Yapısı...24 Şekil 3.2 İnternet Protokolü Paketi Servis Tipi Alanı...25 Şekil 3.3 IPv6 Paketi Sabit Başlık Yapısı...28 Şekil 4.1 Sızdıran Kova Modeli...42 Şekil 5.1 IPv4 Paket Başlığı...50 Şekil 5.2 IPv4 Paket Başlığı Servis Tipi Bölümü...51 Şekil 5.3 IPv6 Paket Başlığı...53 Şekil 6.1 ADSL Topolojisi...58 Şekil 6.2 Policing ve Shaping Karşılaştırması...60 Şekil 7.1 Yayın ve Veri Transferi Önceliklendirmesi...69 Şekil 7.2 Genel Kullanım Çoklu PVC - VLAN Kullanımı...70 Şekil 7.3 IPv6 Paket Yapısı Kullanımı ile Tek PVC VLAN Kullanımı...71 x
ÇİZELGELER DİZİNİ Çizelge 2.1 Adres Sınıfları...12 Çizelge 2.2 A Sınıf Adresler İçin Özel Alt Ağ Maskeleri...15 Çizelge 2.3 B SINIF Adresler için Özel Alt Ağ Maskeleri...15 Çizelge 2.4 C SINIF Adresler için Özel Alt Ağ Maskeleri...16 Çizelge 2.5 Sınıfsız Özel Adresleme...17 Çizelge 2.6 IPv6 Paketi Opsiyonel Başlık Yapısı...32 Çizelge 4.1 Servis Önceliklendirme Seviyeleri...46 Çizelge 7.1 Deney 1 Bant Genişliklerine Göre Servislerin Durumları...63 Çizelge 7.2 Deney 2 Bant Genişliklerine Göre Servislerin Durumları...64 Çizelge 7.3 Deney 3 IP Sürüm 4 Bant Genişliklerine Göre Servislerin Durumları...66 Çizelge 7.4 Deney 4 IP Sürüm 4 Bant Genişliklerine Göre Servislerin Durumları...66 xi
1. GİRİŞ İnternet Protokolü (IP), insanlığı bilgi çağına taşıyan Internet ağının temel yapı taşıdır. Internet e bağlı herhangi iki bilgisayar arasındaki iletişim bu protokol aracılığıyla sağlanır. Bu açıdan İnternet Protokolü Internet in ortak lisanı olarak da nitelendirilebilir. İnternet Protokolü, ağ katmanlarına baktığımızda TCP ve UDP gibi taşıma katmanı protokollerinin altında, Ethernet ve ATM gibi bağ katmanı protokollerinin de üzerinde yer alır. Temel görevi, Internet e bağlı bilgisayarların iletişim amacıyla adreslenebilmesi ve gönderilen veri paketlerinin ağ içerisinde yönlendirilmesidir (Postel vd. 1981). Internet Prokolünün yaygınlaşması ile iletişim farklı bir boyut kazanmış dünya üzerinde büyük ağlar kurulmaya başlanmıştır. Bu gelişmelerle birlikte WWW (World Wide Web) şeklinde adlandırılan dünyanın en büyük ağı kurulmuştur. Burada amaç dünya üzerindeki bütün bilgisayarları birbirleri ile iletişime geçirmek ve aynı dili konuşmalarını sağlamaktır. Gelişen iletişim platformları ile İnternet Protokolü sadece veri iletişimini sağlamakla kalmamıştır. Sürekli geliştirilen algoritmalar ile İnternet Protokolü üzerinden TV yayını (IPTV), ses(voip), isteğe bağlı video (VoD) gibi gerçek zamanlı uygulamaların da taşınması mümkün hale gelmiştir. Her geçen gün artan bilgisayar ve internet kullanımı sayesinde bu servisler daha yaygın olarak kullanılmaya başlanmıştır. İlk aşamada bu yeni servisler her ne kadar sorun teşkil etmemiş olsa da kullanıcı sayısı arttıkça altyapı sorunları ortaya çıkmaya başlamıştır. Yüksek bant genişliği gerektiren gerçek zamanlı uygulamalar internet trafiği içerisinde sıkışmalara neden olmaya başlamıştır. Bununla birlikte gerçek zamanlı uygulamaların hataya toleransı bulunmamaktadır. Olası veri kayıplarında, kontrol söz konusu olmadığı için veriler kaynaktan tekrar istenmeyecek ve varış noktasında büyük kayıplar yaşanacaktır. 1
1.1 Problemin Açıklanması İletişim protokollerinin vazgeçilmez olduğu günümüzde her geçen gün yeni bir iletişim türü hayatımıza girmektedir. Her yeni servis son kullanıcıya yeni kolaylıklar sunmakta ancak bu görevi yerine getirirken iletişim ağı üzerine yeni bir yük getirmektedir. Bu yükler zamanla iletişim trafiği üzerinde sıkışmalara neden olmakta, bilgi kayıpları, bilgi iletiminde gecikmeler, iletilen veride bozulmalar gibi sorunların ortaya çıkmasında rol oynamaktadır. Gerçek zamanlı olmayan uygulamalarda bu gecikmeler hissedilmediği gibi veri kayıpları ve bozulmalar, kontrol mekanizmaları sayesinde kaynaktan tekrar istenerek düzeltilmekte ve sıkışmalar hissedilir bir sorun haline gelmemektedir. Ancak günümüz gerçek zamanlı uygulamalarının herhangi bir bozulma ya da gecikmeye toleransı sıfıra yakındır. Bu nedenle herhangi bir gecikme ya da bozulma söz konusu olmamalıdır. Bu problemler ortaya çıktığında önceden planlanmış olan bant genişlikleri artırılmış, sistemler güncellenmiş ve yeni yedek sistemler kurulmuştur. Ancak zaman zaman karşılaşılacak olan trafik sıkışmaları için, bu şekilde altyapı yükseltmeleri hem gereksiz hem de masraflı olacaktır. Sonuç olarak ağ üzerinde paket kaybı problemlerinin önüne geçmek için son kullanıcıya sunulan servislerin sınıflandırılması ve önemli olan servislerin önceliklendirilmesi gerekmektedir. 1980 lerin sonuna kadar internet halen akademik bir çalışma olarak kullanılıyor olduğundan sınırlı sayıda kullanıcı kitlesine sunulmuştur. Zamanla internetin daha geniş kitlelere yayılmasıyla birbirinden bağımsız ağlar birleşmiştir. Bu durum aslında internetin esnekliğini ve kullanılabilirliğini artırmış olsa da farklı hız ve bant genişliklerinin aynı yapı içerisinde kullanılıyor olması tıkanıklıklar yaşanmasına neden olmaya başlamıştır. Bu tıkanıklık problemi internetin yeni gelişim zamanları olan 1980 yılının ortalarında John Nagle tarafından belirtilmiştir (Vegesna vd. 2001). 2
Zamanla yaygınlaşan internet ve yeni servisler ile bu tarihlerden sonra belirtilen bu sorunların çözümüne yönelik çalışmalara başlanmıştır. Öncelikle Servis Tipi (ToS = Type of Service) olarak adlandırılan servis sınıflandırma işlemine başlanmıştır. Servis Tipinin belirlenmesi tek başına bir çözüm sunamamıştır. Servis Tipi ile birbirinden ayrılan servis sınıflarının belirli bir sıra içerisinde trafiğe girmesi beklenmiştir. Bu aşamadan sonra son kullanıcılara taahhüt edilen servis kalitesinin sağlanabilmesi için Servis Kalitesi (QoS = Quality of Service) olarak adlandırılan protokoller geliştirilmiştir (Kent vd. 1998). İlk QoS fonksiyonu Internet Sunucuları üzerine uygulanmak üzere geliştirilmiştir. Karşılaşılan ilk problem, telnet, rlogin gibi programların küçük TCP paketlerinin Geniş Alan Ağ (WAN = Wide Area Network) bağlantıları üzerinde aşırı ek yük oluşturması olmuştur. Nagle Algoritması ile bu sorunu çözülmüştür. Bu algoritma şu an bütün IP tabanlı sunucularda uygulanmaktadır. Nagle Algoritması IP tabanlı uygulamalarda Servis Kalitesi nin başlangıcı olarak kabul edilmektedir (Vegesna vd. 2001). Bu tez çalışmasında servis kalitesi belirleme yöntemlerinden servis sınıflarının İnternet Protokolü 6 mimarisi üzerinde önceliklendirilmesi için yaklaşımlar araştırılmış, farklı kalite belirleme yöntemleri ile kıyaslanmış, bu yöntemler birbirlerine göre kıyaslanmış ve yapılan deneyler ile hangi yöntemin daha etkin olduğu konusunda bir tez ortaya konulmuştur. 1.2 Önceki Çalışmalar İnternet Protokolü üzerine Servis Kalitesi çalışmaları internetin genel kullanıma açıldığı 1980 li yıllarda başlamıştır. Bunun nedeni yoğun olarak kullanılmayan ağlarda sıkışma ya da bant genişliği sorunlarıyla karşılaşılmamış olmasıdır. Akademik çalışmalardan sonra genel kullanıma açılan internetle birlikte kullanıcı sayısının hızla artması farklı bant genişliğine sahip ağlar arası iletişimde sorunları da beraberinde getirmiştir. Farklı ağ alanlarına geçişlerde meydana gelen tıkanıklıklar ve çözümü 1980 yılının ortalarında John Nagle tarafından belirtilmiştir. Kendi ismiyle anılan Nagle Algoritması ile istemci 3
yazılımlarının yük oluşturan TCP paketleri geniş alan ağ bağlantıları içerisinde kontrol altına alınmıştır (Vegesna vd. 2001). 1986 yılında, Van Jacobson Internet QoS araçlarının bir sonraki adımını geliştirmiştir. Ağ sonlandırıcı sistemler üzerinde çalışan bu mekanizmalar ile trafik sıkışmalarının önüne geçilmiştir. Bu mekanizmalara günümüzde TCP (Transmission Control Protocol) uygulamarında ihtiyaç duyulmaktadır. Öncelikli olarak sıkışma ve paket kayıp sinyallerinin TCP tarafından algılanmasını sağlayan bu mekanizmalar ile günümüz internet trafiğinde büyük faydalar sağlanmıştır. Bunlara ek olarak hızlı tekrar gönderme ve hızlı onarma algoritmaları da 1990 yılında kullanılmaya başlanmıştır. Böylece paket kayıplarına karşı en iyi performans sağlanmış olmaktadır. Zaman içerisinde ağların sonlanma noktalarında belirtilen QoS mekanizmaları vazgeçilmez hale gelmiştir. Ancak bu mekanizmalar uçtan uca Servis Kalitesi yapamadığı için tam manasıyla servis kalitesi yönlendirici (router) lerin de bu algoritmalara uyumlu hale gelmesiyle sağlanmış olacaktır. 1990 yılları civarında servis kalitesi konusunda yönlendiriciler üzerine odaklanılmıştır. O dönemde yönlendiriciler sadece ilk giren ilk çıkar (FIFO = First in First Out) mantığıyla çalışmıştır. Ayırdetme ya da önceliklendirme gibi algoritmalara sahip olmamışlardır. İlk giren ilk çıkar uygulamalarıyla da trafik sıkışmalarında kuyruk (tail) diye adlandırılan paketlerin son kısımlarında kayıplar yaşanmıştır. Bu boşluğu doldurmak için WFQ (Weighted Fair Queuing = Paketlerin Sıralanması ve kuyruklanmasını sağlayan bir algoritma) ve WRED (Weighted Random Early Detection = Tampon Bellek (Buffer) dolmadan önce belirlenmiş olan paketlerin düşürülmesi işlemi) algoritmaları geliştirilmiş ve genel manada Internet Omurgasındaki bu boşluğu doldurmak üzere kabul görmüşlerdir. Internet Servis Kalitesi gelişimi standartlaşma çabalarıyla devam etmiş, uçtan uca servis kalitesinin korunabilmesi için çalışmalar yapılmıştır. INTSERV (The Integrated Services) ve IETF (Internet Engineering Task Force) çalışma grubu bir uçtan diğer uca yönlendiriciler (router) ve alt ağ (subnet) teknolojileri de dahil olacak şekilde, geliştirilen bu mekanizmaların desteklenmesini hedefleyen çalışmalar gerçekleştirmişlerdir. Bu amaçla gerekli bant genişliğinin önceden ayrılmasını sağlayan 4
bir protokol (RSVP = Resource Reservation Protocol) geliştirilmiş ve gecikme toleransı olmayan gerçek zamanlı uygulamalar için başarılı sonuçlar elde edilmiştir. Yine bunlara ek olarak geliştirilen Servis Sınıfı (ToS =Type of Service) işlemleri ile önceliklendirme yapılacak olan servis sınıflarının belirlenmesi amaçlanmaktadır. Geçtiğimiz yıllarda çok fazla kullanılmamakla birlikte Servis Kalitesinin öneminin hızla arttığı günümüzde, ToS byte ı olarak bilinen, IP paketleri içerisindeki servis sınıfı byte dizisi servis kalitesinin belirlenmesinde büyük rol oynamaktadır. Daha sonra Sanal Özel Ağ (VPN = Virtual Private Network) üzerinde çoklu sınıf servis kalitesi üzerine çalışmalarda bulunulmuştur. Servis kalitesi parametreleri, IPv6 ile, 4 bitlik başlık bitleri kullanılarak ayırdedilmiş öncelikler tanımlanmıştır. Sanal Özel Ağ aktif edilmiş bir IP yönlendirici (router), çıkış tarafında iki paralel önceliklendirme olacak şekilde modellenmiştir. Yüksek öncelikli kuyruk, gecikme duyarlı trafiği taşırken, düşük öncelikli kuyruk da gecikmenin sorun oluşturmayacağı trafiği taşıyacak şekilde konfigüre edilmiştir. Ayrıca her kuyruğa çoklu eşik değerleri uygulanarak paket kayıplarının kontrolü de sağlanmıştır. Sıvı akış teknikleri kullanılarak performans analizleri gerçekleştirilmiştir. Sayısal sonuçlar incelendiğinde IPv6 mimarisi kullanılarak, çoklu servis hizmetleri ile servis sınıflandırma ve önceliklendirme işlevinin yeterli derecede desteklendiği görülmüştür(liren vd. 2000). Ek olarak İnternet Protokolü Sürüm 6 ile Servis Kalitesi mekanizmalarının çalışması da incelenmiştir. Servis sınıflarının ayrıştırılması mantığına dayanan DiffServ mimarisi ile gerçek zamanlı uygulamalar tarafından üretilen paketlerin öncelikleri gözlenmiştir. Testler önce 6NET isimli geniş ölçekli IPv6 ağında, daha sonra ilave testler de yerel test ortamlarında gerçekleştirilmiştir. Farklı senaryolar ile gerçekleştirilen testlerde OpenH323 (C++ ile yazılan bir VoIP (İnternet Protokolü üzerinden ses iletimi) yazılımı) uygulamalarına odaklanılmıştır. Ayrıca yeni IPv6 paket başlıkları da bu testler kapsamında gözlenmiştir. Yapılan testlerde gerçek zamanlı uygulamalar ile birlikte kullanılan servis kalitesi parametrelerinin paket kayıplarında büyük düşüş sağladığı, gecikmeleri azalttığı, hedef noktasında alınan veri kalitesinde artışlar olduğu gözlenmiştir (Bouras vd. 2005). 5
Sonrasında gerçek zamanlı ve gerçek zamanlı olmayan uygulamalar için ortak İnternet Protokolü Sürüm 6 paket başlıkları üzerine çalışmalarda bulunulmuştur. IPV6 başlıklarına, hangi servis sınıfında olduğundan bağımsız olacak şekilde, uzantı paket başlıkları eklenmiştir. Bu başlıkların, paketleri en yakın ağ düğümüne yönlendireceği ve iletime esneklik kazandıracağı düşünülmüştür. Sunucu seçimleriyle yük dağılımının dengeleneceği ve servis kalitesinin artacağı da belirtilmiştir. Standart IPv6 başlıklarının amacının yönlendirme olduğu ve başlık uzantılarının bu yeni özellikleri sağlayacağı, yeni değişik yönlendirme mekanizmaları ile donatılabileceği ve uygulanabilir olacağı belirtilmiştir (Ching Yu Lin vd. 2006) 1.3 Çalışmanın Amacı Bu çalışmanın amacı İnternet Protokolü Sürüm 6 üzerinde farklı sınıftaki servislerin sınıflandırılması ve önceliklendirilmesinin incelenerek, 4. Sürüm ile kıyaslanması ve birbirlerine göre üstünlükleri konusunda bir tez ortaya koyulmasıdır. Buna ek olarak amaç, farklı yöntemlerle belirlenen servis kalitelerinin karşılaştırılması, hali hazırda kullanılan önceliklendirme yöntemlerinden farklı yöntemler kullanılarak ağ cihazları üzerindeki yükün hafifleyeceğinin açıklanmasıdır. 1.4 Çalışma Yöntemi Bu çalışmada İnternet Protokolü Sürüm 4 ve Sürüm 6 mimarisi karşılaştırılmış, sürüme göre farklılık gösteren paket yapıları incelenmiş, paket başlıklarındaki farklılıklar kıyaslanmıştır. Bu farklılıklar sonrası İnternet Protokolü Sürüm 4 üzerinde yapılan önceliklendirmeler ile Sürüm 6 önceliklendirmeleri karşılaştırılmıştır. Farklı algoritmalarla yapılmış olan önceliklendirmeler ve servis kalitesi parametreleri incelenmiştir. Birbirlerine göre avantaj ve dezavantajları yorumlanmıştır. Yapılan deney ve testler ile önceliklendirme sonrası iletim ve trafik durumları incelenmiş hangi yöntemlerin kullanılması gerektiğinin tespit edilmesine çalışılmıştır. Bu deney ve gözlem sonuçlarına göre, İnternet Protokolünün 4. Sürümü ile 6. Sürümü arasındaki önceliklendirme ve servis kalitesi farkları belirlenmiş, kullanım açısından ne gibi avantaj ve dezavantaj olacağı konusunda bir tez ortaya konulmuştur. 6
1.5 Çalışmada Kullanılan Program ve Uygulamalar Çalışmada sınıflandırılan ve önceliklendirilen paketlerin görülebilmesi için Ethereal (WireShark) Paket Analiz adlı program, trafik ve bant genişliklerinin durumlarının görüntülenmesi için Du Meter adlı program, boş kalan bant genişliklerinin doldurulması için TfGen adlı trafik oluşturucu program, karşılıklı dosya transferleri gerçekleştirmek için FileZilla adlı program kullanılmıştır. 7
2. BİLGİSAYAR AĞLARI, İNTERNET VE TCP/IP PROTOKOLÜ Servis sınıflarının önceliklendirilmesi ve belirlenen kalitede iletim sağlanması için internet mimarisi, bu mimaride kullanılan protokoller ve paket yapıları bilinmelidir. Bu nedenle iletişim protokolleri, paket yapıları, gelişimleri ve birbirlerine göre avantaj ve dezavantajları bu bölümde incelenmiştir. 2.1 Giriş 1960 yılında ABD Savunma Bakanlığı ABD ye yapılacak bir saldırıda eyaletler arasında iletişimin kesilmeden devam etmesini sağlayacak bir proje üzerinde çalışmaya başlamıştır. 1961 yılında Massachusetts Institute of Technology de (MIT) Leonard Kleinrock (1961) paket anahtarlama teorisi ile ilgili ilk makaleyi yayınlamıştır. O güne kadar tüm iletişim teknolojileri devre anahtarlama mantığı ile çalışmaktadır. Kleinrock bu çalışmasında verilerin paketler ile taşınabileceğini ve her paketin ulaşacağı yere farklı bağlantı noktalarından geçerek ulaşabileceğini öngörmektedir. Bu yaklaşım günümüz veri iletişiminin temelini oluşturmuştur. 1962 yılında J.C.R. Licklider in MIT de tartışmaya açtığı "Galaktik Ağ" fikri internet kavramının ortaya çıkmasını sağlamıştır. Licklider dünyadaki tüm bilgisayarların birbirleri ile konuşabileceklerini ve bilgi alışverişi yapabileceğini öngörmüştür. 1965 yılında MIT de çalışan Lawrence Roberts ile Thomas Merrill ilk kez birbirlerinden fiziksel olarak uzak iki bilgisayarın iletişimini sağladılar. Roberts 1969 yılında DARPA da çalışmaya başlamış ve günümüz internetinin çekirdeğini oluşturan "ARPANET" isimli proje önerisinde bulunmuştur. Bu proje kapsamında aynı yıl içerisinde ABD nin dört farklı yerleşkesinde bulunan bilgisayarların bir birleri ile iletişimi sağlanmıştır. ARPANET in temelini oluşturan bu dört yerleşke University of California at Los Angeles (UCLA), Stanford Research Institute (SRI), University of Utah ve University of California at Santa Barbara (UCSB) dır. Bu ağa birçok katılım olmuş ve 1971 yılında ağın çalışmasını sağlayan ağ kontrol protokolü (NCP) geliştirilmiştir. 1973 yılında Xerox firmasında çalışmaya başlayan Robert Metcalf ağa bağlı bilgisayarların ortak bir yazıcıyı kullanmasına olanak tanıyan ağ kartı tasarımı ile Ethernet in keşfini başlatmıştır. Bu süreç İletişim Kontrol 8
Protokolü / İnternet Protokolünün (TCP/IP) ARPANET in 1983 yılında ana protokolü kabul edilmesine kadar sürmüştür (Postel vd. 1981). İnternet Protokolü (IP), insanlığı bilgi çağına taşıyan Internet ağının temel yapı taşıdır. Internet e bağlı herhangi iki bilgisayar arasındaki iletişim bu protokol aracılığıyla sağlanır. Bu açıdan İnternet Protokolünü Internet in ortak lisanı olarak da nitelendirilebilir. İnternet Protokolü, ağ katmanlarına baktığımızda TCP ve UDP gibi taşıma katmanı protokollerinin altında, Ethernet ve ATM gibi bağ katmanı protokollerinin de üzerinde yer alır. Temel görevi, Internet e bağlı bilgisayarların iletişim amacıyla adreslenebilmesi ve gönderilen veri paketlerinin ağ içerisinde yönlendirilmesidir. İnternet Protokolü bundan yaklaşık 50 yıl önce geliştirilmiş bir teknolojidir. İlk amacı çok daha kısıtlı bir boyutta (askeri iletişim amaçlı) kullanım olmasına rağmen, geçtiğimiz 30 yıl zarfında bu teknoloji dünya çapında kullanıma açılmıştır. Özel sektörün bu altyapıyı bir toplu iletişim aracı olarak kullanmaya başlaması ve WWW (World Wide Web) in gelişmesi İnternet Protokolünün hızla yaygınlaşmasını sağlayan faktörler olmuştur. Bu popülerliğin bir yan etkisi de bu eski protokolün limitlerine ulaşması ve böylesine ağır bir yükün altından kalkamayacak duruma gelmesidir. Günümüz Internet i, IP protokolünün 4. sürümü (IPv4) üzerine kurulmuştur. Bilgisayarların iletişim sırasında uçtan uca adreslenebilmesini sağlayan IPv4 adresleri sadece 32 bitten ibarettir. 32 bitlik adres alanı teoride 4,294,967,296 tane adres içerse de, verimsiz adres atama mekanizmalarından dolayı etkin adres sayısı bu noktaya hiçbir zaman ulaşamaz. WWW in hızla gelişmesinin yanı sıra son zamanlarda kablosuz erişimin de yaygınlaşmasıyla 32 bitlik adres alanı varolan ihtiyacı karşılamakta yetersiz kalmaya başlamıştır. Bu sebeple yeni uygulamalarda daha çok cihazın internete bağlanabilmesi amacıyla İnternet Protokolünün yeni sürümü olan IP sürüm 6 mimarisi geliştirilmiştir. Sonuç olarak internete bağlı olan bilgisayar ve cihaz sayısının artırılabilmesi ve adres yetersizliğinin ortadan kaldırılması, yeni uygulamalara altyapı hazırlanabilmesi 9