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Aula Anterior. Diferentes tipos de Aplicações Aplicações Elásticas ( ftp, email etc... ) Aplicações Tempo Real Aplicações de Tempo Real Aplicações multimedia (audio, vídeo, etc...) Aplicações ponto-ponto/multi-ponto Dois tipos de Aplicações T.R. : Adaptativas vs Rígidas

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aula anterior
Aula Anterior
  • Diferentes tipos de Aplicações
    • Aplicações Elásticas (ftp, email etc...)
    • Aplicações Tempo Real
  • Aplicações de Tempo Real
    • Aplicações multimedia (audio, vídeo, etc...)
    • Aplicações ponto-ponto/multi-ponto
    • Dois tipos de Aplicações T.R. : Adaptativas vs Rígidas
  • Suportes Protocolares
    • Sobre cenários best-effort inadequação do TCP e UDP
    • Necessidade de procedimentos adaptativos
    • Protocolo RTP (Real Time Protocol)

Sistemas Telemáticos - Aplicações Adaptativas/Rígidas e Reservas de Recursos na Internet

aula anterior cont
Aula Anterior (cont.)
  • Protocolo RTP
    • unicast/multicast
    • Canais RTP + RTCP (informação de controlo)
  • Mecanismos de Controlo adoptados pelas Aplicações
    • atrasos
    • variação dos atrasos (jitter)
    • Buffers de amortecimento
    • Estratégias de reprodução de informação
    • Adaptação às perdas de pacotes
    • Algoritmos para cenários multicast (ponderação de estados)
    • Sincronização dados sobre canais RTP

Sistemas Telemáticos - Aplicações Adaptativas/Rígidas e Reservas de Recursos na Internet

requisitos das aplica es
Requisitos das Aplicações
  • Aplicações Elásticas (ftp, email, etc...)
    • Largura de banda ++
    • Para algumas limites nos atrasos
  • Aplicações Tempo-Real (Adaptativas)
    • Proliferam cada vez mais nos ambientes computacionais (IP)
    • Audio, Vídeo, Vídeo-Conferência - aplicações usuais para os utilizadores finais
    • Largura de banda (apesar das compressões, adaptações,...)
    • Limites aceitáveis para atrasos, variações de atrasos, etc.

isto porque....

Sistemas Telemáticos - Aplicações Adaptativas/Rígidas e Reservas de Recursos na Internet

requisitos das aplica es1
Requisitos das Aplicações
  • Processos adaptativos são limitados
  • Em situações de saturação da infra-estrutura torna-se impossível a utilização deste tipo de aplicações
  • Existem aplicações não se enquadram na perspectiva adaptativa e tolerante
  • Redes IP - Infra-estrutura inicialmente concebida para a comutação de pacotes e que agora enfrenta o desafio dos requisitos das novas aplicações.
  • Necessidade de introduzir novas funcionalidades que satisfaçam as aplicações/utilizadores

Sistemas Telemáticos - Aplicações Adaptativas/Rígidas e Reservas de Recursos na Internet

qualidade de servi o qos
Qualidade de Serviço (QoS)
  • QoS - conjunto de parâmetros segundo os quais a aplicação poderá ter um desempenho aceitável.
    • Largura de Banda ( X Kbytes/seg)
    • Atraso máximo fim-a-fim
    • Variação de atrasos limitada (jitter limitado)
    • etc...
  • A aplicação quer uma Qualidade de Serviço Guarantida pela infra-estrutura de comunicação utilizada.
  • Protocolos adequados à garantia de QoS requerida pelas aplicações

Sistemas Telemáticos - Aplicações Adaptativas/Rígidas e Reservas de Recursos na Internet

redes ip tradicionais
Redes IP Tradicionais
  • Adequadas à comutação de dados
  • Não foram projectadas para serem utilizadas massivamente por aplicações com requisitos estritos de QoS
  • Protocolo IP não estava projectado objectivamente para esses requisitos
  • Comutadores utilizados (routers) não tinham preocupações com requisitos de QoS orientados às aplicações
  • Em termos gerais um infra-estrutura best-effort

Sistemas Telemáticos - Aplicações Adaptativas/Rígidas e Reservas de Recursos na Internet

infra estrutura best effort
Infra-estrutura best-effort
  • Cenário muito simplificado:

L4

Router

IP

fila de espera

L1

L3

L2

  • Capacidade de processamento
  • Memória, buffers internos
  • Técnicas de gestão dos buffers

Características:

Sistemas Telemáticos - Aplicações Adaptativas/Rígidas e Reservas de Recursos na Internet

infra estrutura best effort1
Infra-estrutura best-effort
  • Num cenário IP best-effort
    • Comutadores não atendem às necessidades particulares de cada aplicação (stream de pacotes IP)
    • Tratamento é igual para todos os pacotes IP (salvo algumas excepções implementadas pelos fabricantes e previstas nos protocolos..., protocolos prioritários..., mecanismos de priorização de tráfego etc...)
    • Em situações de congestão os pacotes são eliminados independentemente do tipo de dados que transportam.
    • Aplicações elásticas podem recuperar através de protocolos fiáveis (TCP)
    • Aplicações de Tempo Real perdem informação que dificilmente poderá ser útil após recuperação.

Sistemas Telemáticos - Aplicações Adaptativas/Rígidas e Reservas de Recursos na Internet

situa es de congest o
Situações de Congestão

Router

buffer cheio

L1

L3

Pacotes de aplic. T.R.

Pacotes gerados por ftp

L2

  • Situação de congestão: capacidade de output de pacotes não acompanha os ritmos de chegada ao router.
  • Proceder à eliminação de pacotes que chegam ao router (independentemente...)

Como conseguir tratamento

diferenciado de tráfego na infra-

-estrutura e diferentes níveis de

QoS ?

Sistemas Telemáticos - Aplicações Adaptativas/Rígidas e Reservas de Recursos na Internet

qos garantido
QoS Garantido
  • Protocolos de setup da infra-estrutura
    • Definem o tipo de QoS desejado pelas aplicações
    • Comunicam o tipo de tráfego e o QoS aos elementos de comutação da infra-estrutura
    • IP - RSVP (Resource Reservation Protocol)
  • Elementos de comutação habilitados a cumprir esses requisitos
    • Técnicas de processamento de pacotes que guarantam um determinado nível de serviço para determinados pacotes
    • Domínio da matemática, estatística, e de diversos métodos de gestão de tráfego

Sistemas Telemáticos - Aplicações Adaptativas/Rígidas e Reservas de Recursos na Internet

qos garantido1
QoS Garantido
  • Exemplo simplificado (router) com múltiplas filas de espera:

Router

R1

R2

L3

Data

L1

Pacotes de aplic. T.R.

Pacotes gerados por ftp

L2

  • Priorizar pacotes de tempo-real para as filas de espera
  • Garantir que se processa x pacotes/tempo numa dada fila de espera

Sistemas Telemáticos - Aplicações Adaptativas/Rígidas e Reservas de Recursos na Internet

rsvp resource reservation protocol
RSVP (Resource Reservation Protocol)
  • Protocolos de sinalização de reserva de recursos projectado para as redes IP
    • Informar os elementos (routers) da infra-estrutura de um determinado QoS garantido aos pacotes gerados por uma determinada aplicação
    • Apto para comunicações unicast ou multicast
    • Processo iniciado pelos receptores de informação
    • Engloba uma série de mensagens emitidas pelos emissores e pelos receptores
    • Processo de reservas é independente do processo de routing
    • Soft State - poderão existir alterações dinâmicas às reservas efectuadas (mensagens de actualização, time-outs, etc...)

Sistemas Telemáticos - Aplicações Adaptativas/Rígidas e Reservas de Recursos na Internet

modelo de servi o rsvp
Modelo de serviço RSVP
  • Fazer reservas para fluxos de dados simplex.
  • O recpetor decide quando fazer reservas
    • Mensagens de controlo em datagramas IP (proto #46).
  • Mensagens PATH/RESV enviadas para refrescarem o estado periodicamente.
  • Um passo:
    • Pedidos não satisfeitos devolvem uma mensagem de erro- O Rx deve tentar de novo
    • Não há confirmação fim a fim para sucesso.

Sistemas Telemáticos - Aplicações Adaptativas/Rígidas e Reservas de Recursos na Internet

soft state
Soft State
  • Os encaminhadores mantêm o estado de reserva.
    • Mensagens refrescam o estado
    • Estados não refrescados são removidos automaticamente
  • Alternativa: Hard state
    • Não há mensagens periódicas de refrescamento.
    • Há garantia que o estado é mantido até ser explicitamente removido.
    • Porque pode ser um problema?

Sistemas Telemáticos - Aplicações Adaptativas/Rígidas e Reservas de Recursos na Internet

soft state cont
Soft State (cont)
  • Propriedades
    • Adapta-se a mudanças em rotas, emissores e recpetores.
    • Recupera de falhas
  • Filosofia: a reserva é uma optimização.

Sistemas Telemáticos - Aplicações Adaptativas/Rígidas e Reservas de Recursos na Internet

rsvp cont
RSVP (cont.)
  • Duas mensagens fundamentais:
    • Path- Descreve o tráfego que vai ser gerado pelo emissor; gerada pelo emissor; transmitida até aos receptores (passando pelos routers e armazenando o end. nó anterior)
    • Resv- Geradas pelos receptores; especifica o QoS pretendido para um conjunto de pacotes gerados pelo emissor; terá que passar por todos os routers no caminho entre o emissor e receptor
      • endereço do emissor
      • endereço do destino (por exemplo um grupo multicast)
      • parâmetros de QoS pretendidos (atrasos, variações, perdas...)
      • filter - indica o tipo de dados a que se pretende atribuir o QoS especificado (protocolos, portas,...)

Sistemas Telemáticos - Aplicações Adaptativas/Rígidas e Reservas de Recursos na Internet

arquitectura do rsvp router
Arquitectura do RSVP (router)

Policy

Control

Routing

Protocol

RSVP

Daemon

Admission

Control

Data

Packet

Classifier

Packet

Scheduler

  • Antes de se efectuar a reserva o RSVPD comunica com 2 módulos:
    • Admission Control - Verifica se o router tem recursos suficientes para satisfazer o pedido
    • Policy Control - determina se a entidade responsável pelo pedido está ou não autorizada a fazê-lo
    • Se algum destes módulos não autorizar - mensagem de erro
  • Se estes dois módulos autorizarem

Sistemas Telemáticos - Aplicações Adaptativas/Rígidas e Reservas de Recursos na Internet

arquitectura do rsvp cont
Arquitectura do RSVP (cont.)
  • Actualização de parâmetros nos módulos:
    • packet classifier - classifica o pacote para um determinado processamento; calcula a rota; QoS necessário etc...
    • packet scheduler - processo de forwarding do pacote; alocar tempo de CPU, buffers, etc.
  • Ambientes multicast
    • Conjunto de routers que reservam recursos para pedidos de n receptores
    • Em alguns pontos da árvore multicast os routers poderão fazer o merging de pedidos feitos por diferentes receptores
    • Actualização de estado consoante entrada/abandono dos receptores no grupo multicast

Sistemas Telemáticos - Aplicações Adaptativas/Rígidas e Reservas de Recursos na Internet

rsvp multicast
RSVP (multicast)

Mensagens RSVP

E

E

path

resv

resv

path

resv

path

resv

resv

path

path

necessário

guardar o caminho inverso

R

R

R

R

R

R

E - Emissor

R - Receptor

ponto de junção de pedidos

mensagens path

mensagens Resv para o emissor E

Sistemas Telemáticos - Aplicações Adaptativas/Rígidas e Reservas de Recursos na Internet

estilos de reserva
Estilos de Reserva
  • 3 Estilos
    • Wildcard/Sem filtro – Não especifica um emissor particular no grupo
    • Filtro fixo – o emissor é especificado para a reserva.
      • Conferência Video
    • Filtro dinâmico – emisores válidos podem variar com o tempo.
      • Conferência Audio

Sistemas Telemáticos - Aplicações Adaptativas/Rígidas e Reservas de Recursos na Internet

estilos de reservas cont
Estilos de Reservas (cont.)
  • Um pedido de reservas inclui uma série de opções:
    • Identificação de emissores:
      • wildcard - pedido de reserva para aplicar a todos os emissores
      • explicit - pedido de reservas para aplicar a uma determinada lista de emissores
    • Forma processamento de reservas entre os emissores:
      • distinct - reserva independente para cada emissor
      • shared - reserva partilhada entre todos os emissores

Sistemas Telemáticos - Aplicações Adaptativas/Rígidas e Reservas de Recursos na Internet

slide22

Estilos de Reservas (cont.)

Reservation

Distinct Shared

Sender Selection

Fixed-Filter (FF)

Explicit

Shared-Explicit (SE)

Wildcard-Filter (WF)

(not defined)

Wildcard

  • Exemplo de Vídeo-Conferência, que tipos de reservas ?
    • SE ou WF para o canal audio (2*débito da codificação)
    • FF para o canal vídeo (n*débito da codificação)

Sistemas Telemáticos - Aplicações Adaptativas/Rígidas e Reservas de Recursos na Internet

exemplos de reservas
Exemplos de Reservas

(a)

(c)

(S1)

(R1)

Router

(b)

(d)

(R2)

(S2,S3)

(R3)

Exemplo de Reserva do tipo WF

SEND

RESERVE

RECEIVE

WF( * {4B}) <(a)

(c)

* {4B})

(c) < WF( * {4B})

* {3B})

(d) < WF( * {3B})

< WF( * {2B})

WF( * {4B}) <(b)

(d)

Sistemas Telemáticos - Aplicações Adaptativas/Rígidas e Reservas de Recursos na Internet

exemplos de reservas cont
Exemplos de Reservas (cont.)

(a)

(c)

(S1)

(R1)

Router

(b)

(d)

(R2)

(S2,S3)

(R3)

Exemplo de Reserva do tipo FF

SEND

RESERVE

RECEIVE

FF(S1{4B}) <(a)

(c)

S1{4B})

(c) < FF(S1{4B},S2{5B})

S2{5B})

(d)

S1{3B})

(d) < FF(S1{3B},S3{B})

< FF(S1{B})

FF(S2{5B},S3{B}) <(b)

S3{B})

Sistemas Telemáticos - Aplicações Adaptativas/Rígidas e Reservas de Recursos na Internet

anomalias no rsvp
Anomalias no RSVP
  • Designadas por Killer reservation problems
  • P1 (KR-I)
    • Existe uma reserva Q0
    • Tentativa de uma segunda reserva Q1> Q0
    • Rejeição em encaminhador intermédio
      • Não deve resultar no bloquear de Q0
    • Solução: manter as reservas anteriores, quando o módulo de admissão negar determinada reserva.

Sistemas Telemáticos - Aplicações Adaptativas/Rígidas e Reservas de Recursos na Internet

anomalias no rsvp1
Anomalias no RSVP
  • P2 (KR-II)
    • Tentativa de reserva persistente Q1 é negada
      • Persistência: apesar de negado, o receptor persiste na tentativa de a obter.
    • Se houver novo pedido Q0 não deve ser negado (se houver recursos)
      • Não deve ser feita junção
    • Solução: A mensagem de erro ResErr estabelece um novo estado nos encaminhadores por onde passou o pedido. Este estado altera o procedimento de junção, permitindo que reservas inferiores possam ser aceites.
    • A Reserva Q1 permanece em estado bloqueado

Sistemas Telemáticos - Aplicações Adaptativas/Rígidas e Reservas de Recursos na Internet

anomalias no rsvp2
Anomalias no RSVP
  • Uma reserva negada num nó de comutação
    • Origina um estado de bloqueado nesse nó mas as reservas dos nós inferiores continuam activas
      • Não será desnecessário?
      • O rx está interessado em descobrir a disponibilidade de recursos ao longo uma rota ou no máximo nº de nós nessa rota
      • Poder-se-ia prejudicar a resposta em situações transitórias

Sistemas Telemáticos - Aplicações Adaptativas/Rígidas e Reservas de Recursos na Internet

api para o rsvp
API para o RSVP
  • Os mecanismos de reservas de recursos alteram alguns conceitos inerentes à programação em rede (sockets, etc.)
  • Necessidade de elaborar librarias que incorporem os mecanismos definidos pelo RSVP
  • Permitir ao programador manipular pedidos de QoS aos routers da infra-estrutura.

Host

Router

libraria rsvp

cliente

aplicação

Servidor

Rsvp

Servidor

Rsvp

User

mensagens rsvp

Kernel

pipe unix

dados

dados

dados

classifier

scheduler

classifier

scheduler

Sistemas Telemáticos - Aplicações Adaptativas/Rígidas e Reservas de Recursos na Internet

reserva de recursos
Reserva de Recursos
  • Não é consensual !!!
    • Vantagens/Desvantagens (elevada informação de estado nos nós)
    • Altera o cenário normal de distribuição de recursos pelos utilizadores/aplicações
    • Se levada a extermos poderá bloquear acessos ao serviços de rede por parte das aplicações
    • Dúvidas quanto ao tipo de utilização desta técnica (usar em interligação de infra-estruturas de redes, extender a tecnologia até ao utilizador)
    • Reservar/pagar ?
    • Técnicas intermédias de diferenciação de tráfego
      • prioridades
      • codificação hierárquica
      • .....

Sistemas Telemáticos - Aplicações Adaptativas/Rígidas e Reservas de Recursos na Internet

diverg ncias
Divergências
  • É possível construir aplicações inteligentes que se adaptam às condições da rede (playout buffers, codificações adaptativas, codificação hierárquica, mecanismos de prioridades, etc.)
  • No entanto, em qq uma delas não se tem à priori a certeza de que tipo de condições elas vão enfrentar. Para tal é necessário garantias de QoS
  • Devemos garantir QoS num futuro próximo na infra-estrutura da Internet
  • Esta filosofia é desnecessária e devemos unicamente fornecer + largura de banda e continuar a desenvolver aplicações adaptativas, e alguns mecanismos de diferenciação do tráfego.

Sistemas Telemáticos - Aplicações Adaptativas/Rígidas e Reservas de Recursos na Internet

mecanismos alternativos ao rsvp
Mecanismos alternativos (ao rsvp)
  • Atribuir diferentes prioridade de processamento a diferentes protocolos, portas protocolares, etc...
  • Utilizar codificações hierárquicas da informação a transmitir
  • Apostar nas técnicas de codificação/compressão de informação
  • Utilizar informação do cabeçalho IP para o router dar um tratamento preferêncial a determinados pacotes.
    • flow label do IPv6
    • TOS (type of Service IPv4 e análogo do IPv6)
    • Differentiated Services - Grupo IETF que tenta normalizar a interpretação do TOS (IPv4) e Traffic Class (IPv6) por forma aos routers realizarem um tratamento diferenciado para diferentes pacotes IP

Sistemas Telemáticos - Aplicações Adaptativas/Rígidas e Reservas de Recursos na Internet

codifica o hier rquica
Codificação Hierárquica
  • Por exemplo: O emissor envia em grupos multicast distintos diferentes codificações dos media
      • vantagens: dados de uma codificação só chegam a uma determinada rede se existir alguem interessado
      • desvantagens: condições da infraestrutura afectam por igual todas as sessões; período probatório poderá prejudicar outros receptores

alta qualidade

média qualidade

R

E

qualidade básica

R

grupos multicast

diferentes

R

Sistemas Telemáticos - Aplicações Adaptativas/Rígidas e Reservas de Recursos na Internet

cod hier rquica prioridades
Cod. Hierárquica + Prioridades
  • Por exemplo: Dados são emitidos na mesma sessão indicando quais os mais/menos prioritários (opções do IP). Em caso de congestão routers eliminam os menos prioritários
      • vantagens:
        • Em caso de congestão a informação básica terá + hipóteses de alcançar os receptores
        • Permite à aplicação definir quais as codificações +/- importantes em termos de serviço básico/médio/alta qualidade, etc....
        • Em situações de congestão os pacotes - prioritários são eliminados não prejud. assim a informação básica
      • desvantagens:
        • Existem situações em que existe informação redundante na infra-estrutura
        • <próximo acetato>

Sistemas Telemáticos - Aplicações Adaptativas/Rígidas e Reservas de Recursos na Internet

prioriza o de tr fego
Priorização de Tráfego
  • Por vezes é necessário algum feedback para não estar a ser desperdiçada largura de banda.

ligação de alto débito

ligação débito médio

X

ligação baixo débito

alta

média

baixa

média

baixa

baixa

E

R

Y

  • Camadas alta e média são redundantes e prejudicam outo tráfego
  • Necessidade de alguma comunicação fim-a-fim entre E/R para optimizar o processo

Sistemas Telemáticos - Aplicações Adaptativas/Rígidas e Reservas de Recursos na Internet