encaminhamento com qos n.
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Encaminhamento com QoS. Sistemas Telemáticos LESI Grupo de Comunicações por Computador. Materiais utilizados. Tema ainda objecto de I&D (2 doutoramentos nessa área no DI) Artigo “Survey of QoS” de Pragyansmita Paul and S. V. Raghavan

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- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - E N D - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -
Presentation Transcript
encaminhamento com qos

Encaminhamento com QoS

Sistemas Telemáticos

LESI

Grupo de Comunicações por Computador

materiais utilizados
Materiais utilizados
  • Tema ainda objecto de I&D (2 doutoramentos nessa área no DI)
  • Artigo “Survey of QoS” de Pragyansmita Paul and S. V. Raghavan
  • Adaptação e simplificação de apresentação dos mesmos autores
sum rio
Sumário
  • Vantagens da Qualidade de Serviço (QoS)
  • QoS Fim-a-Fim
  • Encaminhamento com QoS
  • Questões em aberto no Encaminhamento com QoS
  • Algoritmos propostos (classificados com métricas)
slide4
QoS
  • A um conjunto de métricas e restrições que são usadas para especificar os requisitos das aplicações e que devem ser satisfeitas pela rede de suporte durante a transmissão de dados.
  • As métricas de QoS são:
    • Largura de Banda
    • Atrasos
    • Variação nos atrasos (Jitter)
    • Perda de Pacotes (Fiabilidade)
    • Número de saltos, Qualidade Áudio/Vídeo, etc.
qos fim a fim
QoS Fim-a-Fim
  • É necessária para:
    • Disponibilizar garantias sólidas necesárias pelas actuais aplicações com temporização crítica e com necessidades intensivas de largura de banda.
    • Prevenir a deterioração do desempenho da rede devido a aplicações mal comportadas.
  • Para optimizar o desempenho todas as camadas da pilha de protocolos devem suportar o QoS a disponibilizar à aplicação de rede a ser executada.
sequ ncia de ac es para disponibilizar a qos fim a fim

Pedido de QoS

por um host

Tradução e negociação

do QoS

Não

Não

Sequência de acções para disponibilizar a QoS fim-a-fim

A

Selecção do Percurso e

transferência dos dados

(Encaminhamento com QoS)

Fim da

Transferência dos

dados?

Pedido

aceite?

Sim

A

Sim

Fim da transferência

dos dados

encaminhamento com qos1

B

Controlo de Admissão

Busca na tabela de

encaminhamento

Actualização da informação

de estado

Gestão de Recursos

Reserva de Recursos

(opcional)

Não

C

C

Armazenamento e

Escalonamento de pacotes

Encaminhamento com QoS

Fim da

Transferência dos

dados?

Sim

Fim da

Transferência de Dados

B

negocia o de qos e controlo de admiss o
Negociação de QoS e Controlo de Admissão
  • A negociação começa quando o sistema final envia o seu pedido de QoS
  • O módulo de controlo de admissão verifica se o pedido deve ser aceite ou rejeitado
    • Factores de decisão: LB residual, Nº Tx em curso
    • Se a aceitação levar à degradação de desempenho , o pedido é rejeitado
  • Alternativa: reencaminhamento das aplicações existentes
    • Renegociação do QoS
negocia o de qos e controlo de admiss o 2
Negociação de QoS e Controlo de Admissão(2)
  • O sistema final (end-host) pode fazer o controlo de admissão
    • Faz o probe do nível de congestão
    • Admite o fluxo se o nível for baixo
  • Experiências:
    • Menor degradação de desempenho se o controlo de admissão pelos sistemas finais em alternativa a ser feito pelos encaminhadores
reserva de recursos
Reserva de Recursos
  • Uma vez aceite o pedido
    • é escolhido o percurso para transmissão de dados com base em uma ou mais métricas
  • Necessária para satisfazer restrições de QoS da aplicação
  • Duas alternativas
    • Fazer parte do estabelecimento do percurso
    • Ser um processo separado
armazenamento e escalonamento dos pacotes
Armazenamento e Escalonamento dos Pacotes
  • Pacote recém-chegado ao encaminhador
    • É transferido para a interface de saída e armazenado num buffer
    • É descartado
  • Objectivo:Minimizar o descarte de pacotes
      • Algoritmos de gestão de filas
      • Algoritmos de escalonamento de pacotes
algoritmos de escalonamento
Algoritmos de Escalonamento
  • Fair Queueing (FQ)
    • 1 fila por fluxo (informação de estado por fluxo)
  • Stochastic Fair Queueing (SFQ)
    • Menor nº de filas que FQ, uso de função de hash
  • Core Stateless Fair Queueing (CSFQ)
    • 2 classes de encaminhadores:
      • De fonteira
        • mantêm informação de estado por fluxo
        • Estimam débito de chegada por fluxo (passam aos interiores)
      • Interiores
          • Em situação de congestão, descartam pacotes aleatóriamente com base nessa estimação
algoritmos de gest o de filas
Algoritmos de Gestão de Filas
  • RED (Random Early Detection) & RIO
  • CHOKe (CHOose and Keep for responsive flows)
    • Considerar o buffer como uma amostra estatística do tráfego
    • Em situação de congestão, na chegada de pacote
      • Escolhe um pacote do buffer aleatoriamente
        • Se for do mesmo fluxo, descarta os dois
        • Senão: o do buffer fica intacto e o chegado é aceite em função do nível de congestão
lookup da tabela de encaminhamento
Lookup da Tabela de Encaminhamento
  • Maior gargalo do processo de expedição dos pacotes
    • Mais crítica com tecnologias de alta velocidade
    • Unificação simples (tries)
    • Unificação mais longa (PATRICIA)
  • Multi-Protocol Label Switching (MPLS)
    • Etiqueta de comprimento fixo
    • Cada pacote tem uma etiqueta
    • Etiqueta usada para busca na tabela
gest o de recursos
Gestão de Recursos
  • Necessária para gerir a dinâmica das conexões estabelecidas
  • Reserva estática de recursos
    • GR necessária para verificar utilização eficiente de recursos
  • Reserva dinâmica??
  • Quando não há reserva de recursos
    • Assegurar uma partilha adequada entre as conexões e que as exigências de cada fluxo é limitado
    • Quando cada serviço recipiente recebe o mínimo de QoS, considera-se adequada
fluxos be num qos router
Fluxos BE num QoS Router
  • Para além dos fluxos com QoS, as aplicações BE devem ser geridas de forma apropriada.
  • Exemplo de trabalho nesse sentido
    • Restrição de LB para fluxos com QoS
      • Usa informação imprecisa para o estado de fluxos
    • MaxMin Fair Routing para fluxos BE
      • Maximiza a LB para fluxos que recebem menor LB entre todos
    • Escalonamento hierárquico com WFQ para alocação de LB
selec o do percurso m tricas e restri es

Aditiva

Multiplicativa

Côncava

w1

w = w1 + w2 + w3

w = w1 . w2 . w3

w = max{w1 , w2 , w3}

Selecção do Percurso – Métricas e Restrições

Métrica

w2

w3

Percurso P

selec o do percurso m tricas e restri es1
Selecção do Percurso – Métricas e Restrições

Simples

Métricas

Dual

Múltiplas

  • Simples: Custo, Largura de Banda, Atraso
  • Dual: Custo e Atraso;LB e Atraso; LB e Custo
  • Múltiplas: ...
selec o do percurso m tricas e restri es2
Selecção do Percurso – Métricas e Restrições
  • Como transformar uma métrica multiplicativa em aditiva?
    • w1.w2.w3 => log(w1)+log(w2)+log(w3)
  • Como transformar uma métrica dual (míltipla) numa métrica simples?
    • (w1,w2) => w´= w1+k w2
  • Como transformar uma métrica com valor real ou inteiro não limitado numa com valor inteiro limitado?
    • w < c => w’= w* x/c
selec o de percurso me vs qos

Percurso escolhido

min. salto/custo

[3,7]

1

A

A

B

1

B

[1,2]

1

[1,4]

F

F

[3,1]

1

[1,4]

[1,1]

1

1

1

[4,1]

C

C

E

E

1

1

[2,2]

D

D

[1,2]

Selecção de Percurso – ME vs. QoS

Percurso

Escolhido ?

selec o de percurso me vs qos1
Selecção de Percurso – ME vs. QoS
  • Em contextos BE é mais fácil descobrir o PMC
  • Em contextos com QoS
    • É necessário considerar um conjunto de métricas
      • cada aresta do grafo tem mais que uma métrica associada
    • A escolha do PMC depende de
      • Regra de composição de métricas
      • Prioridade/Peso atribuídos a cada métrica
selec o de percurso no encaminhamento com qos
Selecção de Percurso no Encaminhamento com QOS
  • Wang e Crowcroft provaram que encontrar um percurso sujeito a duas ou mais restrições independentes (aditivas e/ou multiplicativas) é um problema NP-Completo.
selec o de percurso no encaminhamento com qos resultados interessantes
Selecção de Percurso no encaminhamento com QoS – Resultados interessantes
  • Quando o número de métricas consideradas é infinito, é suficiente calcular o percurso de menor número de saltos, sem se ter que considerar distribuição dos pesos das métricas independentes. (resultado com interesse teórico)
  • Podem existir classes de grafos nos quais o encaminhamento com QoS não é NP-Completo. (Referência: P. Van Mieghem, F. A. Kuipers, “On the Complexity of QoS Routing”, na Computer Communications.).
classifica o de algoritmos protocolos

Multicast

Unicast

  • Custo +Atraso
  • Bandwidth
  • Múltiplas
  • Custo
  • Custo + Atraso
  • Múltipla
  • Largura de banda + atraso
  • Atraso
  • Delay
  • Atraso + Jitter
  • Métrica não aditiva
  • Qq 2 métricas aditivas

Simples

Dual

Múltiplo

Dual

Múltiplo

Simples

Classificação de Algoritmos/Protocolos
  • Largura de banda
  • Atraso
encaminhamento unicast restri o de largura de banda

N1

N1

N1

N1

-log (0.1)

0.1

0.1

0.2

0.2

N1

N1

N1

N1

1

1

4

4

4

N2

N2

N2

N2

N5

N5

N5

N2

N2

N2

N2

0.2

0.2

N5

N5

N5

N5

3

3

3

5

5

5

-log (0.1)

0.1

0.1

N5

2

2

3

3

3

N4

N3

N4

N4

N4

N3

N3

N3

N4

N4

N4

N4

N3

N3

N3

N3

Problema aditivo

Encaminhamento unicast Restrição de Largura de Banda

Algoritmo de Guerin Orda

Filtragem da Topologia

LB > 2

Maximizar Probablidade

(LB Residual > 2)

classifica o de algoritmos protocolos1

LB

  • Atraso

Multicast

Unicast

  • Múltiplas
  • Custo
  • Custo + Atraso
  • Múltipla
  • Atraso
  • Atraso + Jitter
  • Métrica não aditiva

Simples

Dual

Múltiplo

Dual

Múltiplo

Simples

Classificação de Algoritmos/Protocolos
  • Custo+Atraso
  • LB + Atraso
  • Qualquer 2 métricas aditivas
encaminhamento unicast com qos restri es de atraso e largura de banda

N1

N1

N1

N1

1

1

4

4

4

4

N2

N2

N2

N5

N5

N5

N2

N5

3

3

3

5

5

5

3

5

2

2

3

3

3

3

N4

N4

N4

N3

N3

N3

N4

N3

Encaminhamento Unicast com QoSRestrições de Atraso e Largura de Banda
  • Eliminatodas as ligações com largura de banda inferior à requerida.
  • A seguir, encontrao percurso mais curto relativamente ao atrasono grafo modificado usando o algoritmo de Djikstra.

Algoritmo de Wang Crowcroft

LB > 2

percurso mais curto com o algoritmo de djikstra

7

7

2

3

2

3

5

5

3

8

3

8

1

1

1

4

1

4

10

10

2

2

5

5

6

6

6

5

6

5

7

7

Percurso mais curto com o Algoritmo de Djikstra

Dado um grafo ponderado G=(V,E), e um par de vértices vs e vdÎ V qual é o percurso mais curto de vs para vd? Isto é qual é o percurso com a mínima soma dos pesos das arestas?

abordagem b sica

B

F

C

E

G

D

Abordagem básica

A B E F H 15

A B E G H 14

A C E F H 16

A C E G H 15

A D E F H 26

A D E G H 25

PMC de A para H = PMC de A para E + PMC de E para H

PMC de A para H = PMC de A para B + SP from B to H.

PMC de A para H = PMC de A para C + SP from C to H.

PMC de A para H = PMC de A para vi+ SP from vi to H; "vi.

1

2

5

7

1

3

A

H

5

6

6

8

algoritmo de dijkstra para pmcs
Algoritmo de Dijkstra para PMCs
  • Síntese:
      • Manter uma estrutura de dados com a lista de nós e pesos dos percursos para esses nós
      • Usar infinito para representar um no conjunto S de nós para os quais não tenha sido calculado um percurso
      • Em cada iteração, encontrar um nó em S, calcular o percurso para esse nó e apagá-lo de S
algoritmo de dijkstra para pmcs1
Algoritmo de Dijkstra para PMCs
  • Síntese:
      • Manter uma estrutura de dados com a lista de nós e pesos dos percursos para esses nós
      • Usar infinito para representar um no conjunto S de nós para os quais não tenha sido calculado um percurso
      • Em cada iteração, encontrar um nó em S, calcular o percurso para esse nó e apagá-lo de S
algoritmo de dijkstra para pmcs2
Algoritmo de Dijkstra para PMCs

S = {0} /* Actual MST */

for i = 0 to n

D[i] = M[0][i] /* Shortest path length from 0 to i */

end for

for i = 1 to n-1

find the smallest D[v] such that v  S

S = S  {v}

for all vertices u  S

if (D[u] > D[v] + M[v][u]) then

D[u] = D[v] + M[v][u]

end if

end for

end for

algoritmo de dijkstra

B

F

C

E

H

G

D

A

A

B

B

C

C

D

D

E

E

F

F

G

G

H

H

--

2

1

6

?

?

?

?

B

F

E

H

--

2

1

6

4

?

?

?

G

D

Algoritmo de Dijkstra

Custo do Percurso mais curto de A para vi atavés de S

1

2

5

7

1

3

A

5

6

6

8

S = {A}

1

2

5

7

1

3

A

C

5

6

6

8

S = {A,C}

algoritmo de dijkstra 2

F

E

H

G

D

F

H

G

D

Algoritmo de Dijkstra(2)

Custo do Percurso mais curto de A para vi atavés de S

B

1

2

5

A

B

C

D

E

F

G

H

7

1

3

A

C

--

2

1

6

3

?

?

?

5

6

6

8

S = {A,C,B}

B

1

2

5

7

A

B

C

D

E

F

G

H

1

3

A

C

E

--

2

1

6

3

10

8

?

5

6

6

8

S = {A,C,B,E}

algoritmo de dijkstra 3

F

H

F

H

Algoritmo de Dijkstra(3)

Custo do Percurso mais curto de A para vi atavés de S

B

1

2

5

7

A

B

C

D

E

F

G

H

1

3

A

C

E

--

2

1

6

3

10

8

?

5

6

6

8

G

S = {A,C,B,E,D}

D

B

1

2

5

A

B

C

D

E

F

G

H

7

1

3

A

C

E

--

2

1

6

3

10

8

14

5

6

6

8

G

S = {A,C,B,E,D,G}

D

algoritmo de dijkstra 4

H

Algoritmo de Dijkstra (4)

Custo do Percurso mais curto de A para vi atavés de S

B

1

2

F

5

A

B

C

D

E

F

G

H

7

1

3

A

C

E

--

2

1

6

3

10

8

14

5

6

6

8

G

S = {A,C,B,E,D,G,F}

D

B

1

2

F

5

A

B

C

D

E

F

G

H

7

1

3

A

C

E

H

--

2

1

6

3

10

8

14

5

6

6

8

G

S = {A,C,B,E,D,G,F,H}

D

algoritmo de dijkstra exemplo

1

2

3

4

5

6

--

3

?

?

?

5

1

2

3

4

5

6

--

3

10

?

?

5

7

2

3

5

1

2

3

4

5

6

3

8

1

--

3

10

7

12

5

1

4

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2

5

6

1

2

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4

5

6

6

5

7

--

3

10

7

12

5

1

2

3

4

5

6

--

3

10

7

11

5

1

2

3

4

5

6

--

3

10

7

11

5

Algoritmo de Dijkstra: Exemplo
classifica o de algoritmos protocolos2

LB

  • Atraso

Multicast

Unicast

  • Múltiplas
  • Custo
  • Custo + Atraso
  • Múltiplas
  • Atraso
  • Atraso + Jitter
  • Métrica não aditiva

Simples

Dual

Múltiplo

Dual

Múltiplo

Simples

Classificação de Algoritmos/Protocolos
  • Custo +Atraso
  • LB + Atraso
  • Quaisquer 2 métricas aditivas
encaminhamento unicast com qos restri es de quaisquer duas m tricas aditivas

N1

[w1,15,w2,15]

w15

w12

[w1,54,w2,54]

N2

N5

[w1,24,w2,24]

N1

w53

w24

[w1,53,w2,53]

w54

w23

[w1,54,w2,54]

[w1,23,w2,23]

N2

N5

N4

N3

N4

N3

Encaminhamento Unicast com QoSRestrições de quaisquer duas métricas aditivas
  • Combinação de métricas ponderadas de Jaffe propõe a minimização duma combinação linear de pesos de 2 ligações w1 + dw2 onde d=1 ou d=(c1/c2). A última obtém melhores resultados que a primeira.
  • Foi proposta uma estratégia de procura binária para escolher o peso.

w = w1 + d w2

classifica o de algoritmos protocolos3

LB

  • Atraso

Multicast

Unicast

  • Múltiplas
  • Custo + Atraso
  • Múltiplas
  • Atraso + Jitter

Simples

Dual

Múltiplo

Dual

Múltiplo

Simples

Classificação de Algoritmos/Protocolos
  • Custo +Atraso
  • Custo
  • LB + Atraso
  • Atraso
  • Quaisquer 2 métricas aditivas
  • Métrica não aditiva
problema de steiner
Problema de Steiner

Seja G=(V, E) um grafo indirecto com um número finito de vértices V e um conjunto de arestas E, e uma função de custo que atribui a cada aresta um valor de custo real e positivo. Dado um subconjunto S dos vértices de V, o problema de Steiner é encontrar um subgrafo G´ de G, G' =(V', E'), que contém todos os vértices em S, de tal forma que o custo de todas arestas em E' é mínimo. Os vértices em S são designados por especiais.

encaminhamento multicast com qos restri es de custo

N1

1

1

N2

N5

3

4

2

1

N4

N3

Encaminhamento Multicast com QoS Restrições de custo
  • Uma árvore que alcansa todos membros do grupo e minimiza o custo total da árvore partilhada. Encontrar essa árvore é um problema NP-Completo.

Algoritmo de Kou, Markowsky e Berman (KMB)

  • Criar um grafo conexo onde as arestas sejam as distâncias mais curtas entre os membros do grupo.
  • O algoritmo de Prim calcula a a árvore de menor custo deste grafo conexo.
  • As arestas do grafo conexo são posteriormente substituídas pelos percursos mais curtos originais para obter a árvore de Steiner.
abordagens para qos
Abordagem com informação de estado, com informação por fluxo.

Abordagem sem informação de estado e portanto mais escalável

Abordagens para QoS

Serviço fim-a-fim grantido por fluxo. Necessidade de reserva de recursos.

Diferenciação de serviço mais grossa. Nós de fronteira classificam os pacotes enquanto os nós interiores os processam de acordo com a classificação.

efic cia do encaminhamento com qos
Eficácia do Encaminhamento com QoS
  • Embora o encaminhamento com QoS aumente a computação em cada nó, armazenamento de estado e custo de comunicação, tem a vantagem de aumentar a utilidade da rede e permitir uma degração graciosa do desempenho.
  • A presença de mecanismos com QoS assegura que mesmo as aplicações mais convencionais e cujo QoS sempre foi esquecido obtenham um melhor desempenho do serviço de rede..
  • O encaminhamento com QoS é mais eficaz quando há desajustamento entre o tráfego e a capacidade da rede e existem rotas alternativas com menor carga.

.

quest es em aberto
Questões em aberto
  • Necessidade de protocolos para encaminhamento com QoS e técnicas de negociação de QoS normalizados
  • Mecanismos eficientes para evitar percursos com congestão, atrasos altos de propagação e instabilidade no processo de selecção de percursos.

(Contd …)

quest es em aberto 2
Questões em aberto(2)
  • A imprecisão na informação de estado precisa de ser manipulada de forma apropriada.
  • Ao mesmo tempo que se maximiza o número de fluxos com QoS, deve-se procurar optimizar o desempenho e tempo de resposta ao tráfego best-effort.
  • Necessidade dum algoritmo/protocolo de QoS genérico que use por exemplo uma única métrica representativa de todas as outras com um mínimo de perda de informação..
resumo da aula
Resumo da Aula
  • Encaminhamento com QoS
    • Algoritmos e protocolos propostos para encaminhamento com QoS em ambientes unicast e multicast.
  • Benefícios de desenvolvimento de encaminhamento com QoS routing na interligação de redes actualmente.
  • Questões em aberto no encaminhamento com QoS