Internet QoS. Sistemi per la Codifica e Trasmissione di Segnali Multimediali CdL Ing. TLC (INF) Specialistica

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Internet QoS

Sistemi per la Codifica e Trasmissione di Segnali Multimediali

CdL Ing. TLC (INF) Specialistica

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Internet QoS: il punto di partenza

• Sebbene le dimensioni della rete Internet siano in continua crescita la sua architettura di base è rimasta immutata

• Internet offre un servizio a datagramma

– Ogni datagram è gestito dalla rete indipendentemente dagli altri datagram

– Non è garantito il corretto trasferimento del datagram a destinazione – Non è fornita alcuna garanzia sul ritardo di trasferimento e2e dei

datagram

• Il servizio a datagramma non si presta a supportare applicazioni multimediali

• L’ Internet Engineering Task Force (IETF) ha sviluppato e

standardizzato delle soluzioni per fornire servizi differenziati in Internet

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Proposte dell’IETF

• Integrated Services e Differentiated Services: Tecnologie che affrontano il problema di riservare ed allocare le

risorse necessarie ai flussi che devono essere serviti

• Multiprotocol Label Switching (MPLS): punto di

convergenza tra instradamento a datagramma e a circuito virtuale

• Traffic Engineering: fornisce strumenti per gestire la distribuzione del traffico in rete modo da ottimizzare il trade-off costi-benefici

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Integrated Services (IS)

• Si basa su per-flow resource reservation (riserva delle risorse per ogni singolo flusso)

• Si pone l’obiettivo di fornire meccanismi per la riserva delle risorse per flussi real-time preservando il modello a datagramma delle reti IP

• Utilizza appropriati protocolli per eseguire riserva delle risorse in modo esplicito

• Per ottenere garanzie sulla QoS, ogni applicazione deve eseguire la riserva delle risorse lungo il path utilizzato prima di iniziare il trasferimento dati

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IS: Resource Reservation (1)

Sender Receiver

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IS: Resource Reservation (2)

• Il sender inoltra un descrittore delle caratteristiche del flusso dati e dei requisiti del servizio desiderato

– Peak Rate – Average rate – Burst Size

– Minimum Bandwidth – Delay

– Delay Jitter – Loss Rate

• La rete può accettare il nuovo flusso solo se ci sono risorse sufficienti a soddisfare i requisiti posti

• Se il flusso è accettato, i suoi pacchetti saranno inoltrati lungo il path riservato

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Modello di Riferimento IS (1)

QoS Routing Agent Admission Control

Reservation Setup Agent

Resource Reservation Table

Flow Identification Packet Scheduling Control Plane

Data Plane

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Modello di Riferimento IS (2)

• Control Plane: si occupa della riserva delle risorse

• Data Plane: inoltra i datagram sulla base della

riserva effettuata

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Riserva delle Risorse

• L’applicazione invia alla rete un descrittore del traffico che vuole inoltrare (flow specification)

• Quando un router riceve la richiesta:

– Determina il successivo hop verso il quale inoltrare la richiesta – Determina (Admission Control) se ci sono risorse sufficienti ad

ammettere il nuovo flusso

– Se la richiesta è accettata, le informazioni sulle risorse riservate sono memorizzate nella Resource Reservation Table

– Le informazioni nella Resource Reservation Table sono utilizzate per configurare i moduli Flow Identification e Packet Scheduling

• Quando un datagram è ricevuto

– Il modulo Flow Identification identifica il flusso e memorizza il datagram nella coda opportuna

– Il modulo Packet Scheduler alloca le risorse al flusso

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Admission Control (1)

• Parameter Based: il traffico è caratterizzato da un set di parametri, il processo di ammissione si basa esclusivamente sui parametri dichiarati

dalla sorgente  poco complesso ma il carico attuale potrebbe differire dal carico atteso

dichiarato

• Measurement Based: il processo di ammissione si basa su misurazioni del carico di rete 

consente l’implementazione di strategie basate sulla distribuzione attuale del traffico (es.

soddisfare i requisiti di QoS con una probabilità

del 95%)

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Admission Control (2)

• Simple sum: la somma delle bande richieste non deve eccedere la capacità del link

• Measured sum: si basa sul carico misurato

• Acceptance Region: massimizza i benefici derivanti da un incremento dell’utilizzazione a spese delle perdite di

pacchetti. E’ necessario un modello statistico del traffico.

• Equivalent Bandwidth: Dato un insieme di flussi, la rispettiva banda equivalente C(p) è definita come la banda tale che la banda necessaria per servire il set di flussi sia maggiore di C(p) con probabilità al max pari a p

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Flow Identification

• Si basa su

– IP source Address

– IP Destinatin Address – Protocol ID

– Source Port

– Destination Port

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Guaranteed Service (1)

• Fornisce banda garantita e forti vincoli sul delay e2e

• TSpec, descrive le caratteristiche del traffico con i seguenti parametri:

– Bucket rate (r) – Peak rate (p)

– Bucket Depth (b)

– Minimum policed unit (m): ogni pacchetto più piccolo di m sarà cosiderato ampio m

– Maximum packet size (M)

• RSpec, descrive il servizio richiesto

– Service Rate (R)

– Slack Term (S): quantità extra di delay che un nodo può inserire senza violare le specifiche sul delay e2e

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Guaranteed Service: Delay Calculation

• Assumendo che Sender e Receiver siano interconnessi da un link di capacità R, sia d il massimo delay e2e:

r) R

and (p

,   

 R d b

) R

(r ) ,

(

)

( p

r p

R

R p

d b  







 

R) (p

0, 

 d

R) (

, 



 r d

p (pkt/s)

r (token/s)

b (pkt)

R (pkt/s)

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Controlled Load Service

• Noto anche come better than best-effort

• Corrisponde al servizio che offrirebbe una rete poco carica

– Bassa % pacchetti persi

– Elevata % di pacchetti con delay e2e prossimo al minimo valore possibile

• Non assicura il rispetto di alcun vincolo su banda e delay

• Assicura un’utilizzazione delle risorse di rete più elevata rispetto al Guaranteed Service

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Resource Reservation Protocol (RSVP)

• Simplex Reservation: Le risorse sono riservate in un’unica direzione da sender a receiver. Se l’applicazione è bidirezionale sono

necessarie due simplex reservation

• Receiver Oriented: per supportare il multicasting RSVP è receiver oriented, la riserva delle risorse è inizializzata dai receiver

• Routing Independent: la politica di selezione del path è opaca a RSVP

• Policy Independent: i parametri trasportati da RSVP sono opachi a RSVP

• Soft State: alle informazioni sullo stato delle risorse riservate sono associati opportuni timer che, una volta espirati, rendono possibile l’eliminazione delle stesse

• Reservation Style: sono definiti molteplici stili per gestire la riserva delle risorse

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Messaggi RSVP

• PATH messages: inviati dalle sorgenti di traffico ai ricevitori

– Distribuiscono informazioni sulle sorgenti di traffico ai ricevitori

– Consentono di distribuire le informazioni necessarie a far transitare verso il sender i messaggi di riserva

trasmessi dal receiver

• RESV messages: utilizzati dal receiver per

riservare le risorse

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RSVP: schema di funzionamento

S1

D2

R1 R2

R3 R4

S2

D1

PATH message RESV message

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PATH Message

• Contiene

– Sender template: informazioni che identificano univocamente il flusso che il sender genera distinguendolo dagli altri flussi della medesima sessione di lavoro

– Sender TSpec

– Adspec: elemento opzionale utilizzato per trasportare One Pass With Advertising (OPWA), consente di instaurare una

comunicazione tra hop adiacenti e consente al receiver di monitorare la stato dell’intero path (banda, ritardo minimo, numero di hop che supportano IS, Path MTU)

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RESV Message

• Contiene informazioni su:

– Reservation Style

– Flow Descriptor=flowspec+filterspec

Specifica la QoS desiderata e i

parametri da usare per lo scheduling (classe di servizio)

Definisce il flusso che deve ricevere la QoS specificata fa flowspec

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Reservation Style

• Wild-card (WF) style: una unica riserva è condivisa tra tutti i sender della stessa sessione di lavoro

• Fixed-filter (FF) style: implica una riserva distinta per ogni sender

• Shared Explicit (SE) style: implica riserva condivisa con selezione esplicita dei sender (nella medesima sessione di lavoro) che la condividono

• WF ed SE sono particolarmente utili in quelle

applicazioni in cui è altamente improbabile che molteplici sender trasmettano i dati allo stesso istante  (es.

audioconferenza)

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Differentiated Services (DSs)

• Risponde all’esigenza di avere un metodo semplice ma approssimativo per fornire differenti livelli di servizio

• Il traffico è suddiviso in classi

• Le risorse sono allocate a ciascuna classe (per-class basis)

• Non è necessario che il core della rete sia in grado di distinguere singoli flussi

• La classe cui appartiene il flusso può essere stampate nell’header (forwarding class)

• I core router devono prevedere un apposito trattamento per ogni classe

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DS: framework

Customer Network ISP Network

Boundary Node Interior Node

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DS vs IS

• Allocazione delle risorse per classi di traffico piuttosto che per flussi singoli

• Policing alla frontiera e class-based forwarding nel core

• Ogni forwarding behavior definisce un trattamento e non un servizio

• Non sono assicurati vincoli assoluti sulla banda o sul ritardo

• Focus sul singolo dominio e non sul path e2e

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Per Hop Behavior (PHB) e Servizi

• PHB è rappresentato da un campo di 6-bit nell’header IP (Differentiated Services Codepoint, DSCP)

• PHB specifica un trattamento hop x hop su base relativa o assoluta

• Il servizio descrive come il traffico del customer sia complessivamente trattato dal dominio

• Creare un servizio implica:

– Mapping del traffico nei più opportuni PHB

– Traffing Conditioning alla frontiera del dominio – PHB-based forwarding nel core

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Traffic Classification & Conditioning

Classifier Marker Meter

Remarker

Shaper

Dropper Classification

Conditioning

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Classifier

• Suddivide in molteplici gruppi lo stream di pacchetti in ingresso

• Esistono 2 tipi di classifier:

– Behavior Aggregate (BA): seleziona i pacchetti in base al DSCP, i pacchetti devono essere già stati marcati

– Multifield (MF): utilizza una combinazione di uno o più campi della 5-upla (source address, dest. Address, source port, dest.

Port, protocol ID) per la classificazione

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Traffic Conditioner

• Meter: misura, per ogni forwarding class, le

caratteristiche del traffico generato dal customer e le confronta con quelle pattuite

– I pacchetti in-profile sono inoltrati nella rete

– I pacchetti out-profile subiscono ulteriore condizionamento

• Remarker: marca i pacchetti out-profile in modo da differenziarli da i pacchetti in-profile

• Shaper: rende lo stream di pacchetti out-profile conforme alle specifiche pattuite con il customer

• Dropper: elimina i pacchetti out-profile (è il più semplice shaper)

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Assured Forwarding

• Rappresenta una classe di PHB

• I boundary node marcano i pacchetti out-profile

• Nel core, in caso di congestione, i pacchetti out- profile sono eliminati prima di quelli in- profile  una possibile implementazione prevede l’impiego di algoritmi AQM parametrizzati rispetto al PHB

• Sono introdotte 4 forwarding class, per ognuna

delle quali sono definite 3 drop precedence  12

PHB

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Expedited Forwarding

• Può essere utilizzato per creare servizi con basse perdite e basso delay

• Il traffico EF può limitare le risorse assegnate alle altre classi di traffico

• E’ stato introdotto per emulare l’accodamento

con priorità

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IS over DS

• La rete è vista come una sequenza di link, ognuno dei quali rappresenta un dominio DS

• Alla periferia della rete le richieste IS sono

mappate in modo da poter essere gestite dai

domini DS

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Capacity Overprovisioning (CO) vs Admission Control (AC)

• Per garantire la QoS è necessario evitare il verificarsi di overload

– CO: fornire una banda tale da prevenire gli overload

• Semplice implementazione in un ISP

• Garantisce una facile interoperabilità tra ISP

– AC: limitare il numero di flussi dati per proteggere la rete dagli overload

• Adottato da provider di servizi di TLC per fornire servizi a qualità garantita con la minor banda possibile (vedi reti telefoniche)

• Le cause degli overload sono:

– Normali fluttuazioni del traffico

– Contenuti di elevata popolarità verso cui tutto il traffico converge

– Redirezioni del traffico causati dalla caduta di un link (causa predominante in Internet !!!)

• Negli scenari con singolo hot-spot CO richiede una maggiore banda di AC

• In scenari senza alcun hot spot e supponendo la rete affidabile, CO e AC richiedono la stessa banda

• Per far fronte a malfunzionamenti della rete è necessaria sia per AC sia per CO banda addizionale  in queste condizioni i requisiti in termini di banda di AC e CO sono equivalenti a prescindere dalla presenza di hot spot