La qualità di servizio

(1)

RETI DI CALCOLATORI II

Prof. PIER LUCA MONTESSORO

Facoltà di Ingegneria

Università degli Studi di Udine

Prof. MARIO BALDI

Facoltà di Ingegneria Politecnico di Torino

Prof. PIER LUCA MONTESSORO

Facoltà di Ingegneria

Università degli Studi di Udine

Prof. MARIO BALDI

Facoltà di Ingegneria Politecnico di Torino

(2)

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Nota di Copyright

(3)

La qualità di servizio

nelle reti a pacchetto La qualit La qualit à à di servizio di servizio

nelle reti a pacchetto

(4)

Argomenti della lezione Argomenti della lezione

Î Applicazioni multimediali Î Applicazioni multimediali

Æ Requisiti e impatto sulle reti a pacchetto

Æ Requisiti e impatto sulle reti a pacchetto

Î Tecniche per la qualità

di servizio

Î Tecniche per la qualità di servizio

Æ Accodamento Æ Accodamento

(5)

Applicazioni multimediali nelle reti a pacchetto

Applicazioni multimediali

nelle reti a pacchetto

(6)

Cosa è la multimedialità?

Utilizzo contemporaneo di vari media

Utilizzo contemporaneo Utilizzo contemporaneo

di di vari vari media media

Suoni Suoni

Testo Testo

Immagini Immagini

(7)

Degrado della qualità Degrado della qualità

Campionamento e quantizzazione Campionamento e quantizzazione

La codifica dei media La codifica dei media

Impercettibile Impercettibile

Possibilità di riproduzione senza degrado della qualità

Codifica campioni Codifica campioni

(8)

Î Spaziale Î Spaziale

Î Temporale Î Temporale

Compressione Compressione

Î Eventuale perdita di informazione Î Eventuale perdita di informazione

Æ Degrado della qualità Æ Degrado della qualità

Eliminazione di ridondanza

(9)

Codifica delle immagini Codifica delle immagini

JPEG2000 JPEG2000

JPEGJPEG

GIFGIF TIFFTIFF

(10)

Codifica del video Codifica del video

Æ Bassa qualità Æ Bassa qualità

Æ 1.5 Mb/s Æ 1.5 Mb/s

Æ Alta qualità (DVD) Æ Alta qualità (DVD) Æ 3.6 Mb/s

MPEG2 MPEG2

MPEG1 MPEG1

(11)

Codifica del video Codifica del video

Æ Videoconferenza Æ Videoconferenza

Æ Bassa qualità Æ Bassa qualità

MPEG4 MPEG4

H.261 H.261

Æ Codifica e compressione basata su identificazione di oggetti

Æ Codifica e compressione basata su identificazione di oggetti

Æ Banda limitata Æ Banda limitata

(12)

Codifica della voce Codifica della voce

GSM (13 Kb/s) GSM (13 Kb/s)

PCM (64 Kb/s 56 Kb/s) PCM (64 Kb/s 56 Kb/s)

G.729 (8 Kb/s) G.729 (8 Kb/s)

G723.3 (6.4 Kb/s e 5.3 Kb/s) G723.3 (6.4 Kb/s e 5.3 Kb/s)

(13)

AVIAVI

Codifica audio Codifica audio

Æ 128 Kb/s o 112 Kb/s Æ 128 Kb/s o 112 Kb/s

Æ Qualità tipo CD Æ Qualità tipo CD

MP3 (MPEG layer 3 - audio) MP3 (MPEG layer 3 - audio)

(14)

Codifica audio Codifica audio

Æ Particolarmente robusto Æ Particolarmente robusto

Æ Adatto a Internet Æ Adatto a Internet

MP3MP3

Æ Qualsiasi frammento può essere riprodotto

indipendentemente dagli altri

Æ Qualsiasi frammento può essere riprodotto

indipendentemente dagli altri

(15)

Standard di codifica:

quale scegliere?

Standard di codifica:

quale scegliere?

La scelta della codifica dipende da La scelta della codifica dipende da

Î Capacità elaborative dei terminali Î Capacità elaborative dei terminali Î Disponibilità di risorse di rete

Î Disponibilità di risorse di rete

(16)

Standard di codifica:

quale scegliere?

Standard di codifica:

quale scegliere?

La scelta della codifica dipende da La scelta della codifica dipende da

Î Tipo di applicazione Î Tipo di applicazione

Æ Live (real-time) Æ Live (real-time)

Æ Store&retrieve Æ Store&retrieve

(17)

Î World Wide Web Î World Wide Web

Applicazioni multimediali in rete

Î Distribuzione video Î Distribuzione video

Î Video on Demand Î Video on Demand

Î Telefonia Î Telefonia

Î Radio Î Radio

Î Servizio di jukebox Î Servizio di jukebox

(18)

Î Teleconferenza Î Teleconferenza

Applicazioni multimediali in rete

Î Giochi distribuiti interattivi Î Giochi distribuiti interattivi

Î Apprendimento a distanza (distance learning)

Î Apprendimento a distanza (distance learning)

Î Realtà virtuale Î Realtà virtuale

(19)

Applicazioni multimediali in rete

Caratteristiche diverse dalle applicazioni tradizionali

Anche un solo media, ma …

Anche un solo media, ma …

(20)

Caratteristiche rilevanti:

streaming

Caratteristiche rilevanti:

streaming

Æ Continuous playout Æ Continuous playout

Î Il profilo del flusso generato

deve essere uguale a quello da riprodurre

Î Il profilo del flusso generato

deve essere uguale a quello da riprodurre

Î Flusso continuo di dati Î Flusso continuo di dati

Î Molto diverso dalle applicazioni Î Molto diverso dalle applicazioni

(21)

Caratteristiche rilevanti:

interattività

Caratteristiche rilevanti:

interattività

Î Con un’altra persona Î Con un’altra persona

Î Con un sistema Î Con un sistema

Î Tempi di risposta brevi Î Tempi di risposta brevi

(22)

Caratteristiche rilevanti Caratteristiche rilevanti

Î Larga banda trasmissiva Î Larga banda trasmissiva

Æ Comunicazioni molti a molti Æ Comunicazioni molti a molti

Î Comunicazioni di gruppo (group multicast)

Î Comunicazioni di gruppo (group multicast)

(23)

Requisiti sulla rete

(24)

Î Ritardi costanti Î Ritardi costanti

Æ Molte applicazioni sono relativamente tolleranti alle perdite

Æ Molte applicazioni sono relativamente tolleranti alle perdite

Î Perdite limitate Î Perdite limitate

Streaming

(25)

Æ Dialogo: sotto 100 ~ 150 ms one way

Æ Dialogo: sotto 100 ~ 150 ms one way

Î Ritardi bassi Î Ritardi bassi

Interattività

(26)

Elevata disponibilità di risorse Elevata disponibilità di risorse

Î Capacità trasmissiva

Î Capacità trasmissiva

Î Memoria nei nodi (buffer) Î Memoria nei nodi (buffer)

Î Potenza elaborativa (routing, ecc.) Î Potenza elaborativa (routing, ecc.) Î Commutazione

Î Commutazione

Larga banda trasmissiva

(27)

Æ IP multicasting Æ IP multicasting

Î Servizi di trasmissione multicast Î Servizi di trasmissione multicast

Æ MBone Æ MBone

Î Server con funzionalità di

reflector o multiconference unit Î Server con funzionalità di

reflector o multiconference unit

Comunicazioni di gruppo

(28)

Il ritardo, che problema!!

Le applicazioni multimediali sono dette anche applicazioni

real-time

Le applicazioni multimediali sono dette anche applicazioni

real-time

(29)

Il ritardo, qual è il problema?

Varia a seconda del carico istantaneo sui nodi

(30)

Compensazione delle variazioni di ritardo

Replay buffer Replay buffer

Contromisure nelle stazioni Contromisure nelle stazioni

Dimensione fissa per applicazioni non interattive

Adattativo per applicazioni interattive

(31)

Aumento del ritardo “end-to-end”

L’unico modo per compensare le variazioni è conformare tutti a chi ha subito ritardo massimo

Critico per interattività

(telefonia, conferenza,giochi, realtà virtuale)

Critico per interattività

(telefonia, conferenza,giochi, realtà virtuale)

Contromisure nelle stazioni

(32)

Diminuire traffico generato quando la qualità della sessione diminuisce Diminuire traffico generato quando la qualità della sessione diminuisce

Adattamento alle condizioni della rete Adattamento alle condizioni della rete

A tutto c’è un limite A tutto c’è un limite

Contromisure nelle stazioni

(33)

Strumenti

(34)

Æ RTP - Real-time Transport Protocol Æ RTP - Real-time Transport Protocol

Î Informazioni temporali Î Informazioni temporali

Æ Time stamp

Comunicazione Comunicazione

Æ RTCP - RTP Control Protocol Æ RTCP - RTP Control Protocol

Î Stato della comunicazione Î Stato della comunicazione

(35)

Æ Per esempio RTCP Æ Per esempio RTCP

Î Feedback Î Feedback

Codifica adattativa (adaptive coding) Codifica adattativa (adaptive coding)

Î Granularità di quantizzazione Î Granularità di quantizzazione

Î Parametri della compressione Î Parametri della compressione

(36)

Æ Trasmesso a più alta priorità Æ Trasmesso a più alta priorità

Î Layer base Î Layer base

Codifica a livelli (layered coding) Codifica a livelli (layered coding)

Æ Eventualmente risorse riservate Æ Eventualmente risorse riservate

Æ Trasmessi a bassa priorità Æ Trasmessi a bassa priorità

Î Layer aggiuntivi che aumentano la qualità

Î Layer aggiuntivi che aumentano la qualità

(37)

Î Classificazione del traffico Î Classificazione del traffico

Soluzioni nella rete Soluzioni nella rete

Æ WFQ, RR, WRR, CBQ Æ WFQ, RR, WRR, CBQ

Î Sofisticati algoritmi di accodamento Î Sofisticati algoritmi di accodamento

Æ Shaping/policing Æ Shaping/policing

Î Micro-controllo del traffico

in ingresso alla rete (pacchetto) Î Micro-controllo del traffico

in ingresso alla rete (pacchetto)

(38)

Æ Segnalazione con prenotazione di risorse

Æ Segnalazione con prenotazione di risorse

Î Macro-controllo del traffico in ingresso alla rete (chiamata) Î Macro-controllo del traffico in

ingresso alla rete (chiamata)

Æ RSVP

Resource reSerVation Protocol (IP) Æ RSVP

Resource reSerVation Protocol (IP)

Contromisure nella rete Contromisure nella rete

Æ UNI

User Network Interface (ATM) Æ UNI

User Network Interface (ATM)

(39)

Æ Network engineering Æ Network engineering

Î Macro-controllo a priori Î Macro-controllo a priori

Æ Limite sul numero di utenti

Contromisure nella rete Contromisure nella rete

Æ Traffic engineering Æ Traffic engineering

Æ Dimensionamento della rete rispetto al traffico previsto

Æ Distribuzione controllata del traffico

(40)

Contromisure nella rete

(41)

Æ Anche se un pacchetto corrotto arriva, sarà inutile perché ha

impiegato troppo tempo

Æ Anche se un pacchetto corrotto arriva, sarà inutile perché ha

impiegato troppo tempo

Î I requisiti real-time normalmente sono incompatibili con i tempi di ri-trasmissione del TCP

Î I requisiti real-time normalmente sono incompatibili con i tempi di ri-trasmissione del TCP

Problemi collaterali Problemi collaterali

Î UDP a livello trasporto Î UDP a livello trasporto

RTPRTP RTP UDPUDP UDP

IPIP IP

(42)

Æ Soprattutto quelle che usano TCP, che è “cortese”

Æ Soprattutto quelle che usano TCP, che è “cortese”

Î Applicazioni multimediali possono penalizzare le altre

Î Applicazioni multimediali possono penalizzare le altre

Applicazioni non altruiste Applicazioni non altruiste

Î Segregazione delle applicazioni e policing (bandwidth shaper)

Î Segregazione delle applicazioni e policing (bandwidth shaper)

TCP si adatta alle condizioni di traffico, UDP le ignora TCP si adatta alle condizioni

di traffico, UDP le ignora

(43)

Tecniche per il supporto della qualità di servizio

Accodamento

Tecniche per il supporto della qualità di servizio

Accodamento

(44)

Accodamento semplice FIFO (First In First Out) Accodamento semplice FIFO (First In First Out)

Trasmettitore Trasmettitore CodaCoda

TXTX

(45)

Multiplazione statistica Multiplazione statistica

A C B C A

A A

C C

B SwitchSwitch

(46)

Code multiple e scheduling Code multiple e scheduling

TXTX

(47)

Æ Weighted Round Robin Æ Weighted Round Robin

Î Round Robin Î Round Robin

Î Class Based Queuing (CBQ) Î Class Based Queuing (CBQ)

Î Priority Queuing Î Priority Queuing

Algoritmi di scheduling Algoritmi di scheduling

Î Weighted Fair Queuing (WFQ) Î Weighted Fair Queuing (WFQ)

Î Deadline queuing (non work-conserving)

Î Deadline queuing (non work-conserving)

(48)

Identificazione dei pacchetti cui garantire qualità

In quale coda inserire ogni pacchetto

Classificazione Classificazione

ovvero ovvero

(49)

Basata su varie informazioni nell’intestazione IP (quintupla)Basata su varie informazioni nell’intestazione IP (quintupla)

Indirizzo IP destinazione Indirizzo IP destinazione

Classificazione Classificazione

Indirizzo IP mittente Indirizzo IP mittente

Protocollo di trasporto Protocollo di trasporto

Porta mittente Porta mittente

Porta destinazione Porta destinazione

(50)

ASIC:

Application Specific Integrated CircuitASIC:

Application Specific Integrated Circuit

Classificazione Classificazione

Content Addressable MemoryCAM:CAM:

Content Addressable Memory

Algoritmi complicati Algoritmi complicati

Realizzazioni hardware Realizzazioni hardware

(51)

Non è detto che i pacchetti possano essere commutati appena arrivano Non è detto che i pacchetti possano

essere commutati appena arrivano

Accodamento e commutazione Accodamento e commutazione

La soluzione più “semplice”

Code in uscita (output queuing) Code in uscita (output queuing)

La capacità di commutazione è una risorsa limitata

Però…

(52)

Capacità di commutazione Capacità di commutazione

Æ La switching fabric

(matrice di commutazione) opera a velocità maggiore degli ingressi Æ La switching fabric

(matrice di commutazione) opera a velocità maggiore degli ingressi

Î Commutazione immediata sempre richiede speed-up

Î Commutazione immediata sempre richiede speed-up

Î Particolarmente problematico ad alta velocità

Î Particolarmente problematico ad alta velocità

(53)

Accodamento e commutazione Accodamento e commutazione

Controllo distribuito (complicato) Controllo distribuito (complicato)

Code in ingresso (input queuing) Code in ingresso (input queuing)

Code nella matrice

di commutazione (distributed queuing)

Code nella matrice

di commutazione (distributed queuing)

Virtual output queuing Virtual output queuing

(54)

Siamo a posto?

A

C B C A

A A

C C

B SwitchSwitch Â^BÂ ^C^C^C ^B^BÂ ^C^C^C ÂÂÂ

(55)

Tecniche per il supporto della qualità di servizio

Controllo dell’accesso

Tecniche per il supporto della qualità di servizio

Controllo dell’accesso

(56)

Æ Descrizione traffico generato Æ Descrizione traffico generato

Î Segnalazione Î Segnalazione

Controllo sull’accettazione delle chiamate

Æ Descrizione servizio voluto Æ Descrizione servizio voluto

Æ Esempi: RSVP e UNI ATM Æ Esempi: RSVP e UNI ATM

Call admission control (CAC)

(57)

Æ Informazioni molto dinamiche Æ Informazioni molto dinamiche

Î Protocolli di routing distribuiscono

informazioni sull’occupazione delle risorse in tempo reale

Î Protocolli di routing distribuiscono

informazioni sull’occupazione delle risorse in tempo reale

QoS routing QoS routing

Î Trovare un percorso con le risorse necessarie

Î Trovare un percorso con le risorse necessarie

(58)

Æ Non solo su topologia Æ Non solo su topologia

Î Decisione di routing è basata su informazioni di occupazione

Î Decisione di routing è basata su informazioni di occupazione

QoS routing QoS routing

Î Instabilità con trasferimento dati non connesso

Î Instabilità con trasferimento dati non connesso

Î Esempio: PNNI (private network node interface) in ATM

Î Esempio: PNNI (private network node interface) in ATM

(59)

Æ Statistiche sugli utenti Æ Statistiche sugli utenti

Î Dimensionamento della rete per il caso peggiore (o quasi)

Î Dimensionamento della rete per il caso peggiore (o quasi)

Azioni preventive Azioni preventive

Æ Distribuzione del traffico Æ Distribuzione del traffico

Î Determinazione delle direttrici di traffico

Î Determinazione delle direttrici di traffico

Network engineering Traffic engineering

Network engineering

Traffic engineering

(60)

Network engineering Traffic engineering

Î Continuo controllo dello stato della rete

Î Continuo controllo dello stato della rete

Î Eventuale cambiamento del

dimensionamento e direttrici di traffico

Î Eventuale cambiamento del

dimensionamento e direttrici di traffico

(61)

Network engineering Traffic engineering

Î Bassa efficienza nell’uso delle risorse

Î Bassa efficienza nell’uso delle risorse

Î Semplicità e scalabilità Î Semplicità e scalabilità

(62)

Assicurarsi che il traffico in ingresso alla rete

sia come ci si aspetta Assicurarsi che il traffico

in ingresso alla rete sia come ci si aspetta

Policing e shaping Policing e shaping

Token bucket Token bucket

Leaky Bucket Leaky Bucket

(63)

Î Ritardati Î Ritardati

I pacchetti non conformi sono I pacchetti

non conformi

sono

Î Mandati a bassa priorità

(eventualmente best effort) Î Mandati a bassa priorità

(eventualmente best effort)

Leaky bucket Leaky bucket

Î Scartati Î Scartati

TXTX Token bucket

Token bucket

(64)

Determina aspetti specifici

del funzionamento di un apparatoDetermina aspetti specifici del funzionamento di un apparato

Stabilisce aspetti generali di funzionamento di una rete Stabilisce aspetti generali di funzionamento di una rete

Policy (politica) Policy (politica)

Tipo di accodamento Tipo di accodamento

Regole per accettazione chiamate Regole per accettazione chiamate

(65)

Æ Tipo di traffico Æ Tipo di traffico

Î Una policy può dipendere da Î Una policy può dipendere da

Î Evitare di dover configurare ogni apparato di rete e cambiare la configurazione

Î Evitare di dover configurare ogni apparato di rete e cambiare la configurazione

Flessibilità:

policy management

Flessibilità:

policy management

Æ Ora del giorno Æ Ora del giorno

(66)

Distribuzione automatica di policy Distribuzione automatica di policy

Î Apparati prelevano policy da server Î Apparati prelevano policy da server

Î Server invia policy agli apparati Î Server invia policy agli apparati