Kajian Manajemen Antrian pada Jaringan Multiprotocol Label Switching

Transkripsi

1 1 Kajian Manajemen Antrian pada Jaringan Multiprotocol Label Switching Timotius Witono Dosen S1 Teknik Informatika Fakultas Teknologi Informasi, Universitas Kristen Maranatha Jl. Surya Sumantri 65, Bandung timotius@itmaranatha.org Abstrak - Salah satu cara optimasi shared-network adalah dengan implementasi Quality of Service (QoS). Teknik manajemen antrian (queue management) merupakan salah satu faktor penting yang ada pada mekanisme QoS. Dalam penelitian ini dilakukan pengujian terhadap beberapa teknik manajemen antrian pada lingkungan tertentu dalam lingkungan simulasi. Perangkat lunak yang digunakan untuk simulasi manajemen antrian pada adalah Network Simulator 2 (NS2). Berbagai usulan rekomendasi untuk pemilihan teknik manajemen antrian pada lingkungan dan traffic tertentu, diharapkan menjadi kontribusi yang berarti dari penelitian ini. Dengan adanya rekomendasi yang tepat, implementasi teknik manajemen antrian pada jaringan pada kasus nyata akan menjadi maksimal. Kata kunci - manajemen antrian,, QoS, NS2 I. PENDAHULUAN Penggunaan jaringan secara bersama (shared-network) kerap ditemukan di dalam lingkup Local Area Network (LAN) maupun Wide Area Network (WAN). Salah satu cara optimasi shared-network adalah dengan implementasi Quality of Service (QoS). QoS merupakan end-to-end system architecture yang disediakan oleh Network Service Provider (NSP) untuk menentukan tingkatan Service Level Agreements (SLA) bagi kelompok traffic yang berbeda melalui jaringan multi-service. Efektivitas QoS akan menentukan kepuasan pengguna serta meningkatkan nilai SLA bagi NSP. Salah satu jaringan multi-service yang melakukan implementasi QoS adalah jaringan Multiprotocol Label Switching (). Teknik manajemen antrian (mewakili queue management dan queue scheduler) merupakan salah satu faktor penting yang ada pada mekanisme QoS. Manajemen antrian merupakan teknik yang digunakan pada perangkat jaringan (seperti router) untuk menangani, mengurangi atapun menghindari kemacetan data. Data-data yang melewati perangkat jaringan akan diatur dalam susunan antrian tertentu, untuk kemudian dikirim kembali berdasarkan penjadwalan tertentu. Setiap manajemen antrian akan memiliki cara pengantrian dan pengiriman data yang berbeda pada lingkungan IP ataupun, akibatnya kinerja setiap manajemen antrian terhadap lingkungan jaringan maupun data tertentu akan berbeda-beda. Jika dapat diketahui manakah manajemen antrian yang terbaik untuk setiap lingkungan jaringan ataupun data yang spesifik, maka implementasi jaringan IP ataupun yang optimal dapat terwujud. Untuk menentukan jenis manajemen antrian yang tepat tentu saja membutuhkan percobaan berbagai manajemen antrian dalam berbagai lingkungan dan traffic. Percobaan dapat dilakukan secara nyata, menggunakan perangkat fisik, ataupun secara simulasi menggunakan perangkat lunak (simulator) untuk penghematan biaya dibandingkan dengan implementasi fisik. Salah satu perangkat lunak yang dapat melakukan simulasi manajemen antrian pada adalah Network Simulator 2 (NS2). Ada cukup banyak teknik manajemen antrian yang didukung pada lingkungan simulasi NS2, antara lain Stochastic Fairness Queueing (SFQ), Deficit Round Robin (DRR) dan Random Early Detection (RED). Dalam penelitian ini akan dilakukan berbagai pengujian terhadap beberapa teknik manajemen antrian yang akan diuji pada lingkungan tertentu menggunakan simulator. Setiap kasus uji akan menghasilkan keluaran tertentu yang dapat diolah dan menjadi bahan perbandingan dengan hasil uji lainnya. Data hasil olahan dan perbandingan, kemudian menjadi acuan untuk implementasi pada jaringan yang sesungguhnya. Berbagai usulan rekomendasi untuk pemilihan teknik manajemen antrian pada lingkungan dan traffic tertentu, diharapkan menjadi kontribusi yang berarti dari penelitian ini. Dengan adanya rekomendasi yang tepat, implementasi teknik manajemen antrian pada jaringan pada kasus nyata akan menjadi maksimal. II. TINJAUAN PUSTAKA A. Multiprotocol Label Switching () Standar memperkenalkan mekanisme baru dalam hal forwarding (atau lebih tepatnya switching) paket data, yaitu dengan menggunakan sebuah label pendek berukuran tetap pada header paket. diaplikasikan pada jaringan IP menjadi IP/, apabila mengacu pada model referensi OSI Layer posisi ada di antara Datalink layer dan Network layer. memperkenalkan konsep connection oriented pada jaringan IP yang pada dasarnya connectionless. Proses

2 2 switching data pada menggunakan label yang ditambahkan pada paket data. Label dapat digunakan setelah sebelumnya dilakukan proses distribusi pada setiap node dalam Domain [1]. Gambar-1 menggambarkan berbagai node beserta nama masing-masing pada Domain. Ingress Core Edge Gambar-1. Domain Egress ATM (Asynchronous Transfer Mode) melakukan pemecahan pada setiap paket IP, sedangkan hanya melakukan enkapsulasi pada paket IP dengan cara menambahkan header. Header berupa 32 bit data, termasuk 20 bit label, 2 bit eksperimen, 1 bit identifikasi stack dan 8 bit TTL(Time to live). Label merupakan bagian dari header dan memiliki panjang yang tetap serta menjadi satu-satunya tanda identifikasi paket. Label dapat digunakan untuk proses switching ataupun traffic engineering [2]. Gambaran enkapsulasi dapat dilihat pada Gambar-2. B. Quality of Service (QoS) Meningkatnya kompetisi antara Network Service Provider dan kepentingan aplikasi berbasis IP pada operasional bisnis telah meningkatkan permintaan layanan IP dengan SLA yang lebih ketat dan terdefinisi dengan baik. Definisi pada SLA adalah wakil dari karakteristik layanan kualitas IP yang ditetapkan. Layanan lalu-lintas IP diukur menggunakan kualitas metric, metric-metric yang paling penting untuk mendefinisikan kinerja layanan IP adalah: [4] 1. Delay (Network Delay) 2. Jitter (Delay Jitter) 3. Loss (Packet Loss) 4. Throughput (Bandwidth) 5. Availability 6. Per flow sequence preservation QoS menyiratkan komitmen kontrak (SLA) untuk kualitas metric, kontrak ini dapat didefinisikan secara eksplisit ataupun implisit [4]. Permintaan pengguna dan aplikasi dalam jaringan komunikasi terus meningkat, untuk memenuhi kebutuhan ini dapat dilakukan beberapa cara. Cara pertama adalah dengan cara menyediakan bandwidth yang melebihi permintaan dan tersedia router yang memastikan ketersediaan kapasitas. Cara kedua dengan menggunakan traffic engineering untuk menghindari kemacetan. Cara terakhir adalah dengan menggunakan mekanisme antrian tertentu ketika terjadi kemacetan, cara ini membutuhkan mekanisme QoS [5]. Gambar-3 menunjukkan 4 cara mekanisme QoS, yaitu: classification (digunakan untuk identifikasi paket), conditioning (digunakan untuk traffic shaping), queue management (digunakan untuk mengatur panjang antrian) dan queue scheduling (digunakan untuk penjadwalan paket). Gambar-2. Enkapsulasi [2] Setiap LSR (Label Switch Router) pada Domain memiliki tabel yang disebut Label-switching Table. Tabel ini berisi data pemetaan label masuk dan keluar serta link ke LSR selanjutnya. Setiap LSR yang menerima paket akan membaca label dan kemudian diganti dengan label keluar untuk dikirimkan ke LSR berikutnya [2]. Pada, transmisi data terjadi pada Label-Switched Paths (LSPs). LSPs adalah urutan label pada setiap node sepanjang jalur dari sumber ke tujuan. LSPs dibangun sebelum pengiriman data (control-driven) ataupun berdasarkan deteksi terhadap aliran data (data-driven). Terdapat dua protokol distribusi label, yaitu Resource Reservation Protocol (RSVP) dan Label Distribution Protocol (LDP). Setiap paket data dibungkus dan membawa label sepanjang Domain. Proses switching dengan kecepatan tinggi dimungkinkan karena label disisipkan pada awal paket dan dapat digunakan oleh node untuk melakukan switching terhadap setiap paket dengan cepat antar link [3]. Gambar-3 Mekanisme QoS [5] First-In First-Out (FIFO) adalah mekanisme antrian tradisional yang tidak menyediakan pembedaan layanan dan dapat mengakibatkan permasalahan kinerja, seperti meningkatnya delay, jitter dan packet loss. QoS mensyaratkan agar router mendukung manajemen antrian dan penjadwalan yang dapat memprioritaskan paket keluar dan mengatur antrian untuk meminimalkan kemacetan. Teknik utama yang digunakan dalam manajemen antrian adalah Random Early Detection (RED) [5]. Kehadiran RED diharapkan dapat meningkatkan kinerja dibandingkan mekanisme Tail Drop yang ada pada FIFO.

3 3 C. Simulasi Jaringan Simulasi adalah proses membentuk sebuah model dari sistem nyata dan melakukan percobaan menggunakan model tersebut, dengan tujuan memahami perilaku sistem dan melakukan evaluasi terhadap berbagai strategi operasi sistem [6]. Struktur komponen dari sebuah simulasi terdiri dari: [6] 1. Entitas (entities) 2. Sumber daya (resources) 3. Aktivitas dan kejadian (activities and events) 4. Penjadwal (scheduler) 5. Variabel Global (Global Variables) 6. Penghasil Angka Acak (Random Number Generator) 7. Pengumpul Statistik (Statistics Gatherer) D. Network Simulator 2 (NS2) Network Simulator (versi 2), atau lebih dikenal dengan NS2, adalah alat simulasi event-driven yang sudah terbukti berguna untuk mempelajari komunikasi pada jaringan. Simulasi jaringan kabel, wireless dan protokol (misalnya algoritma routing) dapat dilakukan menggunakan NS2. Jadi pada dasarnya NS2 memampukan pengguna untuk menentukan protokol jaringan dan melakukan simulasi terkait. Atas dasar sifat fleksibel dan modular, NS2 sudah mendapatkan popularitas secara konstan dalam komunitas riset jaringan sejak kelahirannya tahun Sejak itu, beberapa perubahan dan perbaikan menandai kematangan NS2 [6]. A. Desain Topologi III. ANALISIS DAN DESAIN Untuk kepentingan simulasi, perlu dibuat rancangan topologi jaringan yang terdiri dari kelompok pengirim, kelompok penerima, serta jaringan penghubung. Simulasi membutuhkan beberapa jenis data yang berbeda beserta manajemen antrian yang berbeda, agar dapat diukur nilai kinerja setiap manajemen antrian untuk traffic tertentu. Seluruh node dalam topologi dibagi menjadi 3 kelompok, yaitu Source pada satu sisi, Destination pada sisi yang lain serta Domain yang menghubungkan antara Source dan Destination. Untuk kebutuhan simulasi, ada beberapa persyaratan yang harus dipenuhi oleh topologi, yaitu: 1. Penyusunan node dalam Domain harus menggambarkan terjadinya pengiriman data melalui LSPs yang terbentuk, berarti membutuhkan setidaknya satu LSR yang menghubungkan dua LER (masingmasing LER akan melayani Source dan Destination). LSR yang akan melakukan switching data menggunakan LSPs yang sudah terbentuk. 2. Karena dibutuhkan dua data untuk proses pembandingan, maka pada Source dan Destination diperlukan dua node dengan traffic masing-masing. 3. Link antara Source dengan LER ataupun Destination dengan LER adalah access-link yang memiliki bandwidth lebih kecil dari link antar node pada Domain (distribution-link dan core-link). 4. Topologi juga harus memungkinkan terjadinya penumpukan data pada setiap node dalam Domain, agar kinerja manajemen antrian dapat diuji. Karena itu selain data antara Source dan Destination, antar node dalam Domain juga saling mengirimkan data untuk menjadi background traffic. Background traffic ini mensimulasikan data lain yang melewati distribution-link dan core-link, karena Domain biasanya diterapkan untuk melayani banyak titik link-access secara bersamaan. 5. Adanya redundansi jalur (redundant link) antar node agar dapat disimulasikan proses perpindahan jalur ketika node penghubung utama mengalami gangguan. Gambar-4 adalah hasil desain topologi yang sesuai dengan persyaratan yang dibutuhkan, dengan dua node pada masingmasing kelompok Source dan Destination serta lima node dalam Domain dengan empat node LER dan satu node LSR. Source CE1 Source CE2 Source Non- Non- Jaringan Simulasi PE1 (LER) 2Mbps PE2 (LER) Domain 2Mbps P (LSR) 2Mbps PE4 (LER) 2Mbps PE3 (LER) Gambar-4. Topologi simulasi Non- Non- Destination CE4 Destination CE3 Destination Simulasi akan dilakukan dengan menggunakan perangkat lunak NS2, berikut keterangan jaringan simulasi: 1. Traffic yang akan dievaluasi: TCP () dan UDP () 2. Parameter penilaian QoS : delay, jitter, loss dan throughput NS2 memiliki beberapa cara manajemen antrian, dalam simulasi ini akan dipakai empat teknik manajemen antrian ataupun algoritma penjadwalan (untuk selanjutnya keduanya disebut sebagai manajemen antrian), yaitu: 1. DropTail / FIFO 2. RED 3. SFQ 4. DRR Simulasi akan difokuskan pada perbandingan kinerja manajemen antrian yang dapat diukur dengan faktor delay, jitter, packet loss dan throughput. Tabel-1 menggambarkan skenario pengujian yang dilakukan. Tabel-1. Tabel skenario pengujian

4 4 No Traffic Lingkungan Simulasi Routing Manajemen Antrian Faktor Penilaian Control- Dynamic FIFO - Throughput - Driven Distance (DropTail) - Delay 2 (Background - Data-Vector RED - Jitter 3 Traffic) Driven SFQ - Packet Loss 4 - Non- DRR B. Desain Skenario Simulasi Desain skenario dibuat untuk menguji perbedaan lingkungan antara proses pembangunan LSPs menggunakan controldriven dan data-driven, karena itu perlu dibuat skenario dimana ada kesempatan pembangunan LSPs ulang yaitu dengan cara mematikan node tertentu agar perpindahan jalur terjadi. Karena skenario yang digunakan spesifik dan tidak mewakili seluruh faktor pada lingkungan jaringan, maka hasil akhir simulasi akan spesifik terhadap skenario dan tidak dapat berlaku umum untuk skenario lain. Skenario untuk simulasi harus memenuhi persyaratan sebagai berikut: 1. Penentuan waktu mulai dan selesai dari setiap node yang mengirimkan paket data (baik, ataupun background traffic) 2. Penentuan waktu untuk node yang akan dimatikan, agar proses perpindahan jalur dapat terjadi 3. Durasi waktu yang cukup untuk setiap link dapat digunakan secara maksimal (dalam hal ini diberikan waktu 5 second untuk setiap jalur routing) Dengan persyaratan-persyaratan yang harus dipenuhi, skenario simulasi dilakukan dengan durasi 20 second dengan detail pada Tabel-2 berikut: Tabel-2. Tabel skenario simulasi Waktu (s) Event 0.1 Background traffic antar router PE dimulai 1 Traffic dan antar router CE dimulai 6 Router P dimatikan, pembangunan routing baru terjadi agar link cadangan bisa digunakan 11 Router P dihidupkan kembali, routing utama kembali digunakan 16 Traffic dan dihentikan 20 Simulasi selesai IV. IMPLEMENTASI Gambar-5 memperlihatkan topologi hasil implementasi yang digambarkan oleh NAM. Ada 4 buah Router CE (Customer Edge) yang memiliki node-id 0,1,2 dan 3. Router PE (Provider Edge) juga ada empat buah pada node-id 4 sampai 7. Sedangkan Router P hanya ada satu dengan node-id 8. Seluruh Router CE beraktivitas mengirim ataupun menerima data. Sementara Router PE dan Router P, selain melewatkan data antar Router CE, juga mengirim serta menerima data background traffic. Router CE1 dan CE3 berpasangan, dengan CE1 bertugas mengirim data dengan besaran 1064 Bytes per packet, sedangkan CE3 menerima data sekaligus mengirimkan acknoledgement sebesar 40 Bytes kepada CE1. CE2 dan CE4 berpasangan untuk mengirim dan menerima packet. Packet dijalankan secara dua arah dari CE2 maupun CE4 dengan besaran data 160 Bytes per packet, disertai faktor random terhadap waktu konstan dari CBR. Gambar-5. Router CE saling mengirim data Dalam skenario simulasi, Router P dirancang untuk down pada waktu 6 second dan hidup kembali pada waktu 11 second. Jadi ada durasi waktu sekitar 5 second saat Router P down, Router PE akan mencari routing baru menuju tujuan akhir pengiriman data. Sesaat setelah Router P down maka pengiriman data akan terganggu, namun setelah routing baru terbentuk maka proses pengiriman data kembali lancar. Hanya saja link antar Router PE lebih kecil dibandingkan link utama, yaitu hanya dibandingkan 2Mbps dari link utama. Dengan background traffic terus berjalan sebesar 512Kbps yang dikirim dan diterima oleh setiap Router PE, maka akan terjadi antrian data pada link antar PE. Jika antrian sudah melebihi batas, maka sebagian data akan dibuang dari antrian, dalam simulasi ini jumlah maksimal antrian data pada sebuah node dibatasi hanya 10 paket data. Gambar-6 menggambarkan terjadinya antrian dan pembuangan data berlebih pada antrian. Gambar-6. Node P down

5 5 Pada detik ke-11 Router P akan kembali dihidupkan dan seluruh rute pengiriman data akan kembali seperti semula melalui jalur utama. V. HASIL SIMULASI A. Penilaian Kinerja Rata-rata Manajemen Antrian Tabel-3 memperlihatkan bahwa untuk traffic, manajemen antrian yang nilai rata-ratanya paling baik adalah SFQ. Sedangkan untuk traffic nilai rata-rata terbaik dimiliki oleh DRR. RED menjadi manajeman antrian terburuk untuk, DropTail menemani RED menjadi manajemen antrian terburuk untuk traffic. -Control Driven untuk traffic, tapi sebaliknya optimal di -Data Driven untuk traffic. RED optimal di -Data Driven untuk traffic maupun. Sedangkan SFQ optimal di -Control Driven baik untuk maupun. Tabel-5. Lingkungan simulasi terbaik Data Faktor penilaian Lingkungan terbaik untuk tiap manajemen antrian DropTail DRR RED SFQ Throughput[kbps] -Control -Control Non- -Control Avg.Delay[ms] -Control -Control -Data -Control Avg.Jitter[ms] -Control -Control -Data -Control Packet Loss[%] -Control -Control -Data -Control Tabel-3. Nilai rata-rata setiap manajemen antrian Nilai rata-rata tiap manajemen antrian Data Faktor penilaian DropTail DRR RED SFQ Throughput[kbps] Throughput[kbps] -Control Non- -Data Non- Avg.Delay[ms] -Data -Data -Data -Control Avg.Jitter[ms] -Data -Data -Data -Data Packet Loss[%] -Data -Control -Data -Control Avg.Delay[ms] Avg.Jitter[ms] Packet Loss[%] Throughput[kbps] Avg.Delay[ms] Avg.Jitter[ms] Packet Loss[%] B. Penilaian Kinerja Rata-rata Lingkungan Simulasi Tabel-4 memperlihatkan nilai rata-rata seluruh manajemen antrian pada setiap lingkungan simulasi. Dari tabel ini terlihat jelas bahwa lingkungan simulasi -Control Driven memberikan kinerja terbaik untuk, sedangkan sangat optimal di -Data Driven. Tabel-4. Nilai rata-rata seluruh manajemen antrian Data Faktor penilaian Throughput[kbps] Avg.Delay[ms] Avg.Jitter[ms] Packet Loss[%] Throughput[kbps] Avg.Delay[ms] Avg.Jitter[ms] Packet Loss[%] Nilai rata-rata setiap Lingkungan -Control -Data Non C. Penilaian Lingkungan Simulasi Terbaik Tabel-5 memperlihatkan bahwa DropTail dan DRR optimal di D. Penilaian Manajemen Antrian Terbaik Manajemen antrian terbaik dari Tabel-6 pada -Control Driven adalah SFQ untuk traffic, dan SFQ serta DRR untuk traffic. Pada -Data Driven, RED optimal untuk dan RED serta DropTail optimal untuk. Lingkungan Non- memberikan nilai tertinggi terhadap SFQ untuk traffic, dan DRR untuk traffic. Data Faktor penilaian Tabel-6. Manajemen antrian terbaik Manajemen antrian terbaik -Control -Data Non- Throughput[kbps] SFQ RED SFQ Avg.Delay[ms] DropTail RED RED Avg.Jitter[ms] SFQ SFQ SFQ Packet Loss[%] DRR RED DRR Throughput[kbps] DRR,SFQ RED DRR Avg.Delay[ms] DropTail DropTail DRR Avg.Jitter[ms] RED DropTail RED Packet Loss[%] DRR,SFQ RED DRR,SFQ Reliabilitas hasil simulasi pada penelitian ini tidak dibandingkan dengan hasil penelitian pada jaringan sebenarnya, sehingga hasil simulasi pada penelitian ini bisa saja tidak seluruhnya sesuai dengan kondisi nyata. VI. KESIMPULAN Setelah melakukan percobaan terhadap skenario (Tabel-2) dan topologi spesifik (Gambar-4) dengan traffic dan pada manajemen antrian yang berbeda, maka didapatkan beberapa kesimpulan dan saran yang akan dijelaskan berikut

6 6 ini. Kesimpulan yang dihasilkan akan berlaku secara spesifik terhadap skenario dan topologi yang sudah dirancang pada Bagian-III(Analisis dan Desain), dengan tingkat penggunaan background traffic maksimal 50% dari bandwidth link pada Domain yang tersedia, sehingga tidak dapat berlaku umum untuk skenario dan topologi serta tingkat background traffic yang berbeda. Berikut kesimpulan yang dihasilkan, diharapkan dapat menjadi kontribusi yang berarti: 1. Secara umum SFQ dan DRR terbukti memiliki kinerja di atas RED dan DropTail. 2. Perbedaan teknik manajemen antrian berpengaruh besar terhadap nilai delay, jitter, packet loss, maupun throughput. 3. Seluruh traffic akan dipengaruhi dengan jenis manajemen antrian, terutama jika ukuran data yang dikirim berukuran besar. 4. -Control Driven optimal untuk traffic dan -Data driven optimal untuk traffic. REFERENSI [1] Irfan, M., & Syafa'ah, L. (2004). Desain dan Implementasi Pembebanan Trafik Self-Similar Pada Simulator Jaringan di Lab.T.Elektro UMM. Jurnal Teknologi, 198. [2] Wastuwibowo, K. (2003, November). Whitepaper : Jaringan. [3] Radcom. (n.d.).. Retrieved June 20, 2010, from Protocols: [4] Evans, J., & Filsfils, C. (2007). Deploying IP And QoS For Multiservice Networks. San Fransisco: Morgan Kaufmann. [5] Goleniewski, L. (2007). Telecommunications Essentials, the Complete Global Source, 2/e. Delhi: Dorling Kindersley. [6] Issariyakul, T., & Hossain, E. (2009). Introduction to Network Simulator NS2. New York: Springer Science+Business Media, LLC.