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Modelli per il supporto della QoS nelle reti IP

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  1. Modelli per il supporto della QoS nelle reti IP Alfio Lombardo (testo di riferimento: Tofoni)

  2. trasferimento di piccole quantità di dati in tempi limitati robustezza e flessibilità dei path efficienza nell'uso delle risorse di rete processamento durante il trasferimento dei dati necessità di controllo del traffico offerto dalla sorgente Internet oggi offre solo servizi best effort Servizi di Rete Connectionless

  3. QoS in una rete a pacchetto • Affidabilita’: basata sugli esiti della trasmissione di pacchetti • Pacchetto trasferito correttamente • Pacchetto errato • Pacchetto perso • Pacchetto inserito per errore

  4. 2 Buffer 1 1 2 0 3 0 3 Misure di affidabilità (perdita) • Cause di Perdita di pacchetti nella rete: • Errori di trasmissione • Eccessivo ritardo end-to-end • Congestione Tasso di perdita:

  5. QoS in una rete a pacchetto • Ritardo • Componenti fisse • Componenti variabili Il ritardo è una variabile aleatoria descritta da una pdf

  6. 1-  Ritardo Fisso Ritardo Variazione del ritardo Massimo ritardo Misure di ritardo • Distribuzione della densità di probabilità del ritardo ritardo medio deviazione standard

  7. Modelli per la stima del ritardo nelle reti a pacchetto • Es.: M/M/1 Frequenza media di interarrivo pacchetti l Tempi di servizio distribuiti esponenzialmente Con valor medio 1/m Distribuzione prob ritardo F(t)= 1-exp[-(m-l)t], t> =0 Ritardo medio E(t)=1/m-l

  8. Target reti IP IP come unica piattaforma su cui far transitare: Voce Video Dati ……. Ma: Impossibilitàdi ingegnerizzare il traffico Impossibilità di supportare QoS Impossibilità di differenziare Servizi

  9. TE: Ingegneria del Traffico Tecniche per il controllo e distribuzione dei flussi di traffico in rete Qualita’ del servizio Costi per le risorse di rete Massimizzazione dei ricavi • Ingegneria del Traffico • Dimensionamento delle Risorse • Valutazionedelle Prestazioni • Gestione del Traffico

  10.  Input Traffic > Output Capacity fT(rit.)  1 -  ritardo Ritardo Fisso jitter Ritardo max TE : obiettivi di Qualità del Servizio Con controllo della Congestione Throughput Congestione Traffico Offerto Senza controllo della Congestione Zona di “grave Congestione” Affidabilità Ritardo

  11. QoS nelle reti IP • Concetto end-to-end garantito “probabilisticamente: • Il Gestore si impegna a rispettare quanto concordato con • il Cliente in termini di QoS fintanto che il traffico generato da • Questi e’ conforme a quanto dichiarato nel contratto • Gestore/Cliente (Service Level Agreement) SLA: - Valori minimi di qualita’ garantiti - Modalita’ di misura dei parametri di qualita’ - Penali da corrispondere al cliente in caso di violazione

  12. SLA example

  13. Differenziazione dei Servizi • Esigenze diverse in termini di QoS • Varie tipologie di traffico (trasferimento dati, real-time, …) • Varie tipologie di utenti • Differenziazione dei Servizi offerti • Possibilità di servire un’utenza eterogenea • Differenziazione dei costi

  14. Meccanismi di QoS nelle reti IP • Classificazione • Controllo del traffico d’utente (metering, • marking, shaping, dropping) • Scheduling • Queue Management (controllo della congestione) QoS Model: Diff Serv + Ingegneria del traffico: allocazione del traffico sui percorsi di rete al fine di utilizzare al meglio le risorse disponibili MPLS

  15. Meccanismi di QoS nelle reti IP Classificazione (es. class. BA) Classificazione (es. class. MF) Traffico Queue Man.+ Scheduling Controllo Traffico

  16. Classificazione • Il traffico in ingresso ad una rete può essere classificato: • A livello di singola sessione d’utente (micro-flusso) • - A livello di aggregato di micro-flussi aventi le stesse • Caratteristiche (flusso) Ai fini della classificazione viene utilizzata una porzione dell’intestazione del pacchetto IP e/o del segmento TCP/UDP; ad esempio: - classificazione in base ad una parte del campo TOS - classificazione in base a Indirizzo IP sorgente e destinazione, indirizzo di porta sorgente e destinazione tipo di protocollo trasportato

  17. Tipologie di classificazione • Classificazione Behavior Aggergate: • classificazione in base ad una parte del campo TOS • Usata nei nodi interni alla rete • Classificazione Multi Field: • classificazione in base a Indirizzo IP sorgente e destinazione, indirizzo di porta sorgente e destinazione tipo di protocollo trasportato • usata nei nodi di accesso alla rete

  18. Controllo del traffico d’utente: Profilo di traffico • descrive le proprietà temporali di un flusso di traffico attraverso parametri quali ad es. • rate di arrivo dei pacchetti (rate medio, rate di picco) • burst size La funzione di metering deve controllare se i parametri - sono nel range concordato (pacchetti in profile) - non lo sono (pacchetti out of profile)

  19. b Controllo del traffico d’utente(metering+marking):Token Bucket (Leaky Bucket) Token rate: r Ampiezza del Bucket: b Gettoni r Bucket Crediti Sufficienti ? Nuovi Pacchetti Si: Pacchetto Conforme NO: Pacchetto non conforme b+rT= numero massimo di byte che possono essere spediti in un tempo T

  20. Pacchetti non conformi Vengono inviati al “Policer” che “tratta” i pacchetti in accordo alla politica di policing implementata: - scarto dei pacchetti - declassamento dei pacchetti - shaping

  21. b = 1000 byte Esempio 1/2 Valore iniziale di token = 1000 Gettoni r = 1000 byte/sec Bucket Crediti Sufficienti ? Pacchetto (450 byte) Si: Pacchetto Conforme Valore finale di token = 550

  22. b = 1000 byte Esempio 2/2 … dopo 250 msec Valore iniziale di token = (550 + 250) byte Gettoni r = 1000 byte/sec Bucket Crediti Sufficienti ? Pacchetto (900 byte) NO: Pacchetto non conforme Valore finale di token = 800

  23. Controllo del traffico d’utente:Single Rate TCM trabocco CIR tokens/s C E EBS CBS Tc Te L byte No: Rosso No L  Tc ? L  Te ? Si:Verde Tc  Tc - L Si:Giallo Te  Te - L

  24. srTCM Policing example Scartati Best effort Con priorità

  25. Esempio 1/4 trabocco CIR=8kb/sec C E EBS=1000 bytes CBS=1000bytes Tc Te L=450 byte L  Tc ? L  Te ? Si:Verde Tc  Tc – 450=550

  26. Esempio 2/4250 msec dopo…. trabocco CIR =8kb/s C E EBS CBS Tc=550+250 Te=1000 L= 900 byte No L  Tc ? L  Te ? Si:Giallo Te  Te – L= 100

  27. Esempio 3/4 400 msec dopo… trabocco CIR = 8kb/sec C E EBS CBS Tc=800+200 Te= 100+200 L = 1000byte L  Tc ? L  Te ? Si:Verde Tc  Tc – L= 0

  28. Esempio 4/4200 msec dopo… trabocco CIR = 8 kb/sec C E EBS CBS Tc=0+200 Te=300 L=400 byte No: Rosso No L  Tc ? L  Te ?

  29. Two Rate TCM Peak Information Rate (PIR): rate di picco massimo consentito; Committed Information Rate (CIR): rate massimo per il quale si garantisce la consegna dei pacchetti con alta probabilità; Peak Burst Size (PBS): massima dimensione che può avere un burst di pacchett perché si tenti di offrirgli risorse disponibili e non si proceda allo scarto; Committed Burst Size (CBS): massima dimensione che può avere un burst di pacchetti per avere la garanzia di consegna a destinazione con elevata probabilità; si misurano in ed include l’header IP ma non l’header di livello 2.

  30. Two Rate TCM: rule 1

  31. Two Rate TCM: rule 2

  32. Scheduling Flusso1 C l a s s i f i c. Flusso2 1 1 1 1 . . . scheduler N 2 2 1 1 1 2 2 2 ……. N FlussoN Code FIFO (FCFS) Priority Queueing WFQ

  33. Legge della conservazione Se uno scheduler e’ work-conserving (inattivo solo se coda vuota) Dove N ei il num di flussi di traffico e W e’ il tempo medio di attesa nel buffer

  34. FIFO Flusso1 C l a s s i f i c. Flusso2 . . . 1 2 scheduler 1 2 N 2 1 1 N 2 1 1 FlussoN No QoS management (best effort)

  35. PQ Flusso1 C l a s s i f i c. Flusso2 1 1 1 1 . . . 1 2 scheduler 1 1 1 2 2 2 2 2 ……. N FlussoN Code Queue Starvation

  36. WFQ weight: 0,5 Flusso1 0,2 C l a s s i f i c. 0,3 Flusso2 1 1 1 1 . . . scheduler N 2 1 1 1 2 2 2 2 C = 1 Mbit/s ……. N FlussoN Equivale a: C = 300 Kbit/s C = 200 Kbit/s C = 500 Kbit/s

  37. Controllo della congestione • Drop tail • RED • WRED • AQV • altri…..

  38. Drop Tail soglia Coda FCFS Pacchetti in arrivo Scarto

  39. RED: Drop with prob P Drop all No drop 1 Probabilitàdi Scarto 0 Occupazione del buffer (stima) THmin THmax

  40. RED Stima dell’occupazione del buffer THmax THmin Decisione Pacchetti in arrivo Coda FCFS Scarto Regione di possibile scarto Stima dell’occupazione del buffer (EWMA: Exponentially Weighted Moving Average) TH(n+1)=(1-a)TH(n)+aL(n+1); a = 0,02

  41. 1 Probabilitàdi Scarto Profilo di servizio Standard Profilo di servizio Premium 0 Lunghezza media della Coda WRED

  42. AVQ Algorithm g =desired link utilization. a = smooting parameter l= arrival rate

  43. Modelli emergenti di QoS Integrated Services Differentiated Services Tecniche conformi ai modelli MPLS

  44. “Servizio” • DEFINIZIONE: Un “servizio” definisce le caratteristiche significative della trasmissione di un pacchetto in una certa direzione attraverso l’insieme di uno o più percorsi interni di una rete. • 2 Modi per esprimere tali caratteristiche: • In termini assoluti • Thoughtput, Ritardo, Jitter, Perdite • In termini relativi • Classi di traffico, Priorità relativa di accesso alle risorse

  45. Classi di servizio in Integr Serv. • Guaranteed Service: garantisce un limite superiore al ritardo e nessuna perdita • Controlled load Service: garanzie migliori del Best Effort • Best Effort Assegnazione delle risorse a ciascun microflusso!!

  46. Int Serv • Specifica dei parametri che identificano • il microflusso • Il profilo di traffico • la classe di servizio • Prenotazione di banda + Classificazione, CAC, Policing, Scheduling RSVP

  47. Int Sev • Problemi: • Stati di prenotazione della banda (Soft State) per ciascun microflusso Non scalabile in reti di ampie dimensioni

  48. Integrated Services: RSVP (rfc2205) Path state Reserv. state Messaggi PATH (Tspec) Messaggi RESV (Flow spec e Filter spec) Ricevitori Trasmettitore Nota: RSVP utili zza i protocolli d routing IP

  49. Sessione. definisce la destinazione di un flusso di dati ed è identificata dalla tripletta: <indirizzo IP dest.; porta TCP o UDP dest.; identificativo di protocollo> PATH: Tspec, specifies parameters available for the flow TokenBucketRate, TokenBucketSize, PeakRate • RSVP : • Flow spec: specifica la QoS desiderata. utilizzato per definire scheduler e allocare i relativi buffer • Classe di Servizio: è un identificatore del tipo di servizio richiesto; • RSpec: definisce l’ammontare della banda da prenotare; • TSpec: definisce il profilo di traffico della sessione • Filter spec: definisce il sottoinsieme di pacchetti per i quali è stata prenotata la banda.

  50. Classe di Servizia • RSpec: definisce la banda richiesta /prenotata; • TSpec: profilo di traffico della sessione Pacchetti che passano il Filtro Scheduler Flowspec: Policing, indirizzamento verso le risorse riservate (IP sorg.;Porta sorg.) Trattamento QoS Filterspec: classificazione Trattamento Best-effort Pacchetti di una Sessione (IP dest.;Porta dest.; Prot. ID) Altri pacchetti Flow spec specifica la QoS desiderata: viene utilizzato per definire una classe di flussi nello scheduler e allocare i relativi buffer. In generale un Flow spec contiene i seguenti elementi: Classe di Servizio: è un identificatore del tipo di servizio richiesto; RSpec: definisce l’ammontare della banda da prenotare; TSpec: definisce il profilo di traffico della sessione. Il Filter spec specifica un arbitrario sottoinsieme dei pacchetti di una sessione (classif. multifield).