Η συνεχής εξέλιξη των δικτύων που βασίζονται στο ΙΡ πρωτόκολλο και η ευρύτατη διάδοση και χρήση τους τα τελευταία χρόνια σε ολόκληρο τον κόσμο καθοδηγεί την ανάγκη για την ανάπτυξη νέων τεχνολογιών και την αναβάθμιση των υπαρχόντων, προκειμένου να καλυφθούν οι συνεχώς μεταβαλλόμενες τάσεις και ανάγκες. Δύο από τις βασικότερες εξελίξεις που σχετίζονται με το επίπεδο του ΙΡ πρωτοκόλλου είναι η δυνατότητα για την παροχή εγγυήσεων ποιότητας (Quality of Service) σε τμήμα της συνολικής κίνησης που διακινείται μέσα από τα ΙΡ δίκτυα, καθώς και η ανάγκη αναβάθμισης του IPv4 πρωτοκόλλου προκειμένου (κυρίως) να εξαλειφθεί το πρόβλημα της φειδωλής διάθεσης μοναδικών και οικουμενικά δρομολογήσιμων διευθύνσεων, καθώς και να βελτιωθούν άλλες δευτερεύουσες ατέλειες του IPv4. Κεντρικό αντικείμενο αυτής της Διδακτορικής Διατριβής αποτελεί η μελέτη των τεχνολογιών για παροχή Quality of Service καθώς και 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, οι οποίες μελετώνται στην εργασία αυτή, ενώ προτείνονται αλγόριθμοι και μηχανισμοί για τη βελτίωση της λειτουργίας και της απόδοσής τους. Επίσης, από το RFC 2638 της IETF έχει οριστεί η μονάδα του Bandwidth Broker που διαχειρίζεται συνολικά υπηρεσίες QoS σε ένα domain. 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 διδακτορικής αυτής διατριβής μελετήθηκε η αρχιτεκτονική DiffServ σε επίπεδο μηχανισμών χρησιμοποιώντας εργαλεία εξομοίωσης (NS-2 simulator) καθώς και πραγματικό δίκτυο ευρείας κλίμακας. Το IPv4 πρωτόκολλο έχει τη δυνατότητα υλοποίησης μηχανισμών QoS στο επίπεδο δικτύου με τη χρήση του πεδίου TOS (Type Of Service). 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. Το αποτέλεσμα ήταν ο σχεδιασμός μιας ομάδας υπηρεσιών QoS (απόλυτης προτεραιότητας σε IP κίνηση, εγγυημένου εύρους ζώνης για L2 συνδέσεις μέσω ιδεατών δικτύων καθώς και κίνησης χαμηλής προτεραιότητας). Ο σχεδιασμός αυτός ολοκληρώθηκε με την υλοποίηση μιας πλήρους εφαρμογής bandwidth broker (κεντρικοποιημένη αρχιτεκτονική) που εκτελεί τις ακόλουθες εργασίες: μοντελοποίηση δικτύου, εφαρμογή του μοντέλου διαστασιολόγησης στην τρέχουσα κατάσταση, αποδοχή κλήσης QoS αιτημάτων, παραγωγή παραμέτρων ρύθμισης για τις δικτυακές συσκευές, παρακολούθηση λειτουργίας QoS στο δίκτυο, επικοινωνία με αντίστοιχους bandwidth brokers σε γειτονικά domains και πλήρη διαχείριση των αιτημάτων QoS. Επιπλέον, δεδομένου ότι οι ανάγκες των εφαρμογών για QoS αυξάνονται, πρέπει να δίνεται μεγαλύτερη ευελιξία μια QoS σηματοδοσία. Για το λόγο αυτό μελετήθηκε και υλοποιήθηκε μια εφαρμογή αυτόματης σηματοδοσίας χρησιμοποιώντας το ευρέως γνωστό πρωτόκολλο δρομολόγησης BGP. Το αποτέλεσμα είναι να επιτυγχάνεται δυναμική σηματοδοσία για QoS σε ένα δίκτυο μέσω μιας διεπαφής που βασίζεται σε Web service ή σε μια Βάση Δεδομένων. Το σύνολο της εργασίας αυτής δοκιμάστηκε και εφαρμόστηκε στο Εθνικό Δίκτυο Έρευνας & Τεχνολογίας και είναι διαθέσιμο σε αντίστοιχα ερευνητικά εθνικά δίκτυα. Επιπλέον, μια 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. Ο υλοποιημένος bandwidth broker επεκτάθηκε ώστε μέσω Web service διεπαφών να «συνομιλεί» με αντίστοιχους άλλων domains. Παράλληλα, στα πλαίσια της εργασίας αυτής ασχοληθήκαμε επίσης με κατανεμημένες αρχιτεκτονικές bandwidth broker όπου έγιναν υλοποιήσεις σε επίπεδο εξομοίωσης. Αρχικά υλοποιήθηκαν ή επεκτάθηκαν οι υλοποιήσεις των μηχανισμών QoS στον εξομοιωτή και δημιουργήθηκε και δοκιμάστηκαν QoS σενάρια. Στη συνέχεια υλοποιήθηκαν παραλλαγές bandwidth broker που ακολουθούσαν κεντρικοποιημένες και κατανεμημένες αρχιτεκτονικές. Στόχος της μελέτης ήταν να μελετηθεί το trade-off στη λειτουργία τους και να συσχετιστεί με τις εκάστοτε δικτυακές συνθήκες. Στην κατανεμημένη λειτουργία εξαρτάται σημαντικά από την τοπολογία του δικτύου, από την διαμόρφωση του bandwidth broker πάνω στη τοπολογία και από την κατανομή QoS αιτημάτων. Για το τελευταίο μελετήθηκε ένας αλγόριθμος προσαρμογής ενός κατανεμημένου bandwidth broker ώστε να επιλέγεται η βέλτιστη διαμόρφωσή του στο δίκτυο (με βάση τις συνθήκες δικτύου) με στόχο την ταχύτερη απόκριση. Τέλος, στα πλαίσια της εργασίας αυτής διερευνήθηκε το θέμα της «inter domain» δρομολόγησης σε μια πλήρη τοπολογία ανεξάρτητων – αυτόνομων domains για την εξεύρεση του βέλτιστου μονοπατιού που ικανοποιεί τις QoS απαιτήσεις. Ειδικότερα , μελετήθηκαν διάφορα μοντέλα και δοκιμάστηκαν πειραματικά σε επίπεδο εξομοίωσης, δίνοντας έμφαση σε θέματα αυτονομίας διαχείρισης στο εσωτερικό κάθε ανεξάρτητου domain και στην τήρηση των SLAs μεταξύ γειτονικών domains. / The main goal of this dissertation is the study of the provisioning of Quality of Service guarantees to part of the total traffic traversing ΙΡ networks. The study is focused on both IPv4 and IPv6 protocol, as IPv6 overcome the limitation that IPv4 has introduced. Also goal of this dissertation is the development of mechanisms and algorithms for the effective administration of resources, the best possible fairness in distributing the quality of service, and the possibility of cooperation and interoperability between different domains in an automated way (without the need for human intervention in most cases). For this reason, a number of approaches have been proposed related to Bandwidth Brokers. These approaches are studied in this dissertation, while new algorithms and mechanisms are proposed for the improvement of their operation and performance. IPv4 was capable of supporting QoS mechanisms at the network layer using the TOS field (Type of Service). IPv6 advances and improves on this idea, by supplying two new fields in the standard header, called Traffic Class and Flow Label, which can be used for this purpose. The usage of these fields, as well as the usage of IPv6 is still at an early stage. However, while IPv6 comes to the foreground and becomes mature enough to replace the dominant IPv4, it is especially interesting to investigate the way that IPv6 QoS capabilities are practically going to be exploited. An important parameter for supporting end-to-end QoS mechanisms is the interaction between multiple domains so that the designated traffic is subjected to preferential treatment along the whole path. The negotiation of this interaction clearly has to be as much automated as possible, if such services are to be widely supported. For this reason, RFC 2638 from IETF has defined the Bandwidth Broker entity. According to the RFC definition, it controls the network load by accepting or rejecting requests for specific bandwidth with QoS guarantees. Bandwidth Brokers only need to establish relationships of limited trust with their peers in adjacent domains, unlike schemes that require the setting of flow specifications in routers throughout an end-to-end path. In practical technical terms, the Bandwidth Broker architecture makes it possible to keep state on an administrative domain basis, rather than at every router and the service definitions of Premium and Assured service make it possible to confine per flow state to just the leaf routers. In the framework of this dissertation we studied a full QoS framework, including priority and assured bandwidth services for Greek Research and Technology Network. In addition, we studied and implemented a bandwidth broker that manages these services in the above network and it also communicate with adjacent domains (like Geant, the Pan-European Academic Network), providing end-to-end provisioning. The implemented bandwidth broker is based on open source tools and belongs to Grnet’s production services portfolio. Finally, it is available for use to other Research networks as well as the experience from the development. Additionally, we studied distributed architectures of bandwidth brokers using simulation tools. We implemented some enhancements on NS-2 simulator in order to have all the necessary tools for QoS tests and measurements. Next, we simulated and compared distributed and centralized models, focusing on the trade-off in their operation related to the network conditions. In distributed architectures, the operation is highly affected by topology and the distribution of service’s requests. Therefore, we studied an algorithm that adapts the distributed bandwidth broker according to several conditions, by changing the location of the main base station and the overall configuration. Finally, we studied several models for the inter-domain routing in a topology with many independent autonomous systems, aiming at investigate the best routing path that provides the QoS guarantees while the autonomous systems keeps the privacy and the SLAs in their domains.