Controllo di congestione e di traffico in ATM. W. Stallings, High-Speed Networks and Internets, Cap. 13

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1 Controllo di congestione e di traffico in ATM W. Stallings, High-Speed Networks and Internets, Cap. 13

2 Effetti latenza/velocità L elevata velocità di ATM è tale che il feedback è troppo lento perché possa essere utilizzato per il controllo della congestione. Il tempo di trasmissione di una cella è drasticamente più basso del tempo di propagazione: T trasm << T prop Ad esempio, a 150 Mbps, Il tempo di trasmissione di una cella è: T trasm = (53x8 bit)/(150x10 6 bps) 2.8x10-6 sec Il ritardo di propagazione round-trip (assumendo propagazione alla velocità della luce e T switch = 0) da una sponda all'altra degli Stati Uniti è: RTT = 2T prop 48x10-3 sec Prima che il sender possa reagire ad una indicazione di congestione implicita, sono state trasmesse ben N = RTT/T trasm = 48x10-3 sec/2.8x10-6 sec/cella = 1.7x10 4 celle (= 7.2x10 6 bit)

3 Approcci alla congestione in ATM In CBR, rt-vbr, e nrt-vbr, non c'è feedback concernente la congestione. Il feedback sarebbe troppo lento per queste applicazioni Invece di reagire alla congestione, si evita che si formi La rete reagisce da sé (scarto o tagging di celle non conforming). Controllo a loop aperto Al contrario, in ABR si usa il feedback per evitare perdite di celle e per distribuire equamente la capacità Controllo a loop chiuso In UBR, invece, si usa il feedback implicito alla maniera del TCP Best effort

4 AAL CDV - Cell Delay Variation Il contributo della rete alla variazione del ritardo in ATM è molto basso. La variazione del ritardo si ha essenzialmente alla UNI : - Interleaving di celle di differenti connessioni (ritardo della quantità di overlap delle celle) - Interleaving di celle OAM - Operations, Administration, and Maintenance - Inserimento di bit di overhead a livello fisico 48 Ottetti, X Mbps 48 Ottetti, Y Mbps tempo (Connessione A, X Mbps) (Connessione B, Y Mbps) ATM Layer SAP Overlap di celle di connessioni differenti ATM Layer OAM F5 Overlap con celle OAM Physical Layer OAM F4 Physical layer SAP Physical layer overhead

5 δ = 1/ R = intervalli dei tempi di inserimento e di consegna delle celle t 0 t 1 t 2 t 3 t 4 CBR Tempo D(0) V(0) D(1) D(2) V(1) V(2) Cella arrivata tardi: scartarla Celle successive Pendenza = R cells/s = 1/δ D(3) D(4) V(4) Non c è informazione di time-stamp per cui non è noto il ritardo D(i) è impossibile tenere i clock source e dest perfettamente sincronizzati V(0) è una stima della variazione del ritardo di celle che questa applicazione può tollerare Se V(i) è negativa, la cella è scartata Time Reassembly di celle CBR

6 Parametri di traffico Caratterizzazione della configurazione di traffico di un flusso di celle su una connessione ATM Due differenti prospettive: la natura intrinseca del traffico generato dalla sorgente e sottomesso alla rete attraverso l interfaccia user-network (UNI) (Descrittore di traffico sorgente) le modifiche subite dal flusso di celle all interno della rete, lungo la connessione ATM, per la variabilità dei ritardi e per il trattamento di celle che non si conformano alle caratteristiche del traffico sorgente (Descrittore di traffico di connessione) Il descrittore di traffico di connessione include il descrittore di traffico sorgente

7 Descrittore di traffico di connessione Descrittore di traffico sorgente - Peak cell rate (PCR) = 1/T (T = separazione minima tra le celle) CBR VBR ABR, GFR - Sustainable cell rate (SCR) VBR limite superiore alla velocità media di una connessione ATM, calcolato su una scala temporale grande rispetto a T - Maximum burst size (MBS) VBR massimo numero di celle che possono essere inviate a PCR - Minimum cell rate (MCR) ABR, GFR (PCR MCR) rappresenta una componente elastica del data flow, per la quale la rete provvede soltanto l'assicurazione che questa capacità sarà distribuita equamente tra i flussi ABR o GFR Cell delay variation tolerance (CDVT) Rappresenta un limite a CDV Conformance definition. (GCRA) Specifica in modo non ambiguo un test per determinare se una data cella su questa connessione è conforme al descrittore di traffico sorgente CBR VBR CBR VBR

8 Parametri di QoS - Peak-to-peak cell delay variation (CDV) CBR rt-vbr - Maximum cell transfer delay (max CTD) CBR rt-vbr - Cell loss ratio (CLR) CBR rt-vbr - Behavior class selector (BCS) UBR - Fornisce supporto DS a connessioni UBR - Minimum desired cell rate (MDCR) UBR - Capacità minima a connessioni UBR Densità di probabilità Maximum cell transfer delay (max CTD) Fixed delay Peak-to-peak cell delay variation (CDV) Cells lost or delivered too late Cell transfer delay

9 Funzioni di controllo del traffico e della congestione Tempo Le di funzioni rispostadi controllo Funzioni del traffico di ATM controllo si riferiscono del all'insieme Funzioni di azioni controllo intraprese dalla rete per evitare traffico condizioni, o minimizzare della effetti, congestione di A lungo termine Gestione di risorse usando i virtual path Durata della connessione Round Trip Time Tempo di inserimento della cella Connection Admission Control (CAC) Gestione di risorse rapida Controllo dei parametri di uso (UPC) Controllo di priorità Traffic shaping Explicit Forward Congestion Indication (EFCI) Controllo di flusso ABR Scarto selettivo di celle Scarto di frame

10 Gestione di risorse usando i virtual path Tempo di risposta: A lungo termine Separare i flussi di traffico secondo le caratteristiche di servizio: VPC fornisce un mezzo conveniente di raggruppare VCC con caratteristiche simili. La rete fornisce capacità e caratteristiche di prestazioni aggregate al virtual path, e queste sono condivise dalle connessioni virtuali User-to-user: la rete non ha conoscenza delle QoS delle VCC individuali all'interno di una VPC User-to-network e Network-to-network: la rete è consapevole La rete ha due modi di allocare capacità: Domanda di picco aggregata: la rete assegna alla VPC una capacità uguale al totale delle velocità di picco di tutte le VCC entro la VPC Statistical multiplexing: la rete assegna alla VPC una capacità maggiore o uguale alla somma delle velocità medie di tutte le VCC, ma minore della domanda di picco aggregata in questo caso, le VCC sperimentano maggiori CDV, CTD e, a seconda delle dimensioni dei buffer, maggiori CLR

11 Connection Admission Control (CAC) Tempo di risposta: Durata della connessione Quando l utente richiede una nuova connessione, deve specificare (implicitamente o esplicitamente) il servizio richiesto in entrambe le direzioni: - Categoria di servizio (CBR, rt-vbr, nrt-vbr, ABR, UBR) - Descrittore di traffico di connessione, consistente di - Descrittore di traffico sorgente (PCR, SCR, MBS, MCR) - CDVT - Definizione di conformance ai requisiti - Valore di ciascun parametro di QoS (peak-to-peak CDV, maxctd, CLR) Connection Admission Control (CAC): - La rete accetta la connessione se ha le risorse necessarie per il servizio richiesto, senza abbassare la QoS delle connessioni esistenti - Equivale a formare un contratto di traffico tra la rete e l utente Per una data connessione, i parametri del contratto di traffico possono essere specificati in diversi modi

12 Procedure per specificare i parametri del contratto di traffico Parametri specificati esplicitamente Parametri specificati implicitamente Valori dei parametri fissati al setup della connessione Richiesti da utente/nms (Network Management System) Valori dei parametri specificati al momento della sottoscrizione Assegnati dall operatore di rete SVC Segnalazione Mediante sottoscrizione Valori dei parametri fissati usando regole di default Assegnati dall operatore di rete Regole di default dell operatore di rete PVC NMS Mediante sottoscrizione Regole di default dell operatore di rete

13 Controllo dei parametri d uso (UPC) Tempo di risposta: Tempo di inserimento della cella GCRA (I,L) Generic cell rate algorithm E usato: sia per il controllo di PCR che per quello di SCR. Gli argomenti sono: l'incremento I ed il limite L Per il controllo di PCR: I = 1/PCR = tempo T di interarrivo fra le celle, se non ci fosse CDVT L = CDVT Controllo di PCR

14 Celle back-to-back = T trasm il tempo di inserimento delle celle, T = 1/PCR = il tempo di interarrivo fra le celle se non ci fosse CDVT, = CDVT Più grande èpiù celle conforming possono essere emesse consecutivamente a velocità maggiore di PCR, e quindi con tempi intercella inferiori a T (clamping = accumulazione) Il numero massimo N di celle conforming che possono essere emesse consecutivamente back-to-back, cioè con tempi di intercella uguali al tempo di inserimento = T trasm, si ha quando T-. In tal caso, le celle vengono emesse a velocità 1/ sfruttando, cioè, l intera capacità del canale. Numero massimo di celle back-to-back conforming: N = 1+ /(T-)

15 Arrivo di celle ideale ( = 0.5) = tempo di inserimento delle celle T = 4.5 = L = CDVT TAT Arrivo di celle possibile ( = 1.5) TAT Arrivo di celle possibile ( = 3.5) Per T-, il massimo numero N di celle back-to-back conforming è N = 1+ /(T-) Non è possibile costruire crediti Arrivo di celle possibile ( = 7) TAT- TAT

16 Algoritmo SCR Algoritmo Sustainable Cell Rate E' usato lo stesso algoritmo GCRA (I,L) che si specializza in GCRA (Τ s, τ s ) Il valore di τ s (Burst tolerance) non è dato ma è derivato da MBS MBS = 1 + τ s /(T s T) min τ s = (MBS 1)(T s T) = (MBS 1)(1/SCR 1/PCR) Ricordare: N = 1+ /(T-) in cui può essere inteso il tempo minimo invalicabile intercella, T il tempo minimo intercella stabilito per contratto, la tolleranza con cui possono essere accettate celle con un tempo intercella minore di T come conforming, e N come il massimo numero di celle che possono essere inviate a velocità 1/. Con l algoritmo SCR, si ha che: T prende il ruolo di, T s quello di T, s quello di e MBS quello di N.

17 GCRA (I,L) I= Incremento L= Limite t a (k)= Tempo di arrivo di una cella TAT = tempo di arrivo teorico Arrivo della cella k al tempo t a (k) TAT<t a (k)? Sì Per il controllo di PCR: I = 1/PCR = T L = CDVT Per il controllo di SCR: I = 1/SCR = T s L = (MBS 1) (1/SCR 1/PCR) Al tempo di arrivo t a (1) della prima cella della connessione, TAT= t a (1) No TATt a (k) Cella non coforming Sì TAT>t a (k)+l? No TATTAT+I Cella conforming

18 Gestione del traffico ABR In CBR, rt-vbr, e nrt-vbr, non c'è feedback concernente la congestione. La rete reagisce da sé poiché il feedback sarebbe troppo lento per queste applicazioni (scarto o tagging di celle non conforming = controllo a loop aperto) Al contrario, in ABR si usa il feedback per evitare perdite di celle e per distribuire equamente la capacità Le connessioni ABR hanno accesso alla capacità istantanea non usata da connessioni CBR/VBR. ABR può aumentare l'utilizzazione della rete senza pesare sulla QoS di CBR/VBR La condivisione della capacità disponibile è dinamica

19 Feedback in ABR I ritardi nei feedback implicano l'uso di buffer di grosse dimensioni che portano a loro volta a ritardi di celle. ABR è adatto ad applicazioni che possono tollerare ciò e subire variazioni in velocità di trasmissione Le sorgenti ABR che adattano la loro velocità di trasmissione hanno garantito un basso CLR Il feedback è fornito periodicamente sotto forma di una sequenza di celle RM (Resource Management) Una cella RM contiene tre campi: CI Congestion Indication NI No Increase ER Explicit cell Rate

20 if CI=1 riduci ACR di una quantità proporzionale al valore corrente di ACR ma non meno di MCR else if NI=0 aumenta ACR di una quantità proporzionale a PCR ma non più di PCR if ACR > ER poni ACR max [ER, MCR] ACR = Allowed cell rate MCR = Minimum cell rate PCR = Peak cell rate ICR = Initial ACR Si ha crescita lineare ( aumenta ACR di una quantità proporzionale a PCR ), decrescita esponenziale ( riduci ACR di una quantità proporzionale al valore corrente di ACR ) o adeguamento a ER NI CI Azione 0 0 ACR max [MCR, min [ER, PCR, ACR+RIFxPCR]] 0 1 ACR max [MCR, min [ER, ACR(1-RDF)]] 1 0 ACR max [MCR, min [ER, ACR]] 1 1 ACR max [MCR, min [ER, ACR(1-RDF)]] RIF = rate increase factor RDF = rate decrease factor CI = Congestion Indication NI = No Increase ER = Explicit cell Rate Controllo della velocità

21 Variazioni in Allowed Cell Rate (ACR) Quando CI=1 nella cella RM ricevuta, la sorgente deve diminuire la sua ACR di RDFxACR sino ad un minimo di MCR if CI=1 riduci ACR di una quantità proporzionale al valore corrente di ACR ma non meno di MCR else if NI=0 aumenta ACR di una quantità proporzionale a PCR ma non più di PCR if ACR > ER poni ACR max [ER, MCR] NI CI Azione 0 0 ACR max [MCR, min [ER, PCR, ACR+RIFxPCR]] 0 1 ACR max [MCR, min [ER, ACR(1-RDF)]] 1 0 ACR max [MCR, min [ER, ACR]] 1 1 ACR max [MCR, min [ER, ACR(1-RDF)]] (in arrivi di celle RM) Quando una cella RM con (CI=NI=0) è ricevuta, la sorgente può aumentare la sua ACR di RIFxPCR, sino a PCR Se ACR è maggiore della ER presente nella cella RM ricevuta, la sorgente deve diminuire la sua ACR sino a max (MCR,ER)

22 - Explicit rate marking (ER) in celle RM - Relative rate marking (CI O NI) in celle RM - EFCI (Explicit Forward Congestion Indication) marking in celle dati. (Il 2 bit del campo PT (Payload Type) indica se c'è stata congestione, per celle 'user' ( che hanno il 1 bit di PT uguale a 0)) Cell transm. rate=acr Trasm. di una cella RM ogni (Nrm-1) celle dati Punto di congestione: set EFCI di una cella dati o ER, CI o NI di una cella RM Riinvia al sender la RM. Se congest., riduci ER. Se EFCI è set, set CI FRM Forward RM Data cell BRM Backward RM Modifica ACR in base a CI, NI, ed ER Punto di congestione: riduci ER o set CI o NI Flusso di celle dati e celle RM Il feedback può essere generato sia da uno switch intermedio sia dalla destinazione. In TCP il controllo è di crediti e non di velocità ed è solo dalla destinazione

23 PT=110 per una cella RM ATM Header Protocol identifier Message type Expl cell rate (ER) Curr cell rate (CCR) Min cell rate (MCR) Queue length Sequence number ID=1 per ABR Direction (DIR) BECN cell (BN) CI NI Request/ACK reserved FRM (DIR=0) o BRM (DIR=1) Cella generata inizialmente dalla sorgente (BN = 0) o da uno switch o dalla destinazione (BN = 1) Reserved Valori iniziali di campi nella cella RM CRC-10 Codice di rilevazione di errore di 10 bit che copre il payload RM Formato di cella RM

24 Binary Feedback Singola coda FIFO - singola soglia - due soglie Si marca EFCI in ogni cella dati, o si imposta CI o NI in ogni cella RM in transito, a partire dal momento in cui l'occupazione dei buffer supera la soglia (o la soglia più alta) sino a quando l'occupazione scende al di sotto della soglia (o della soglia più bassa) Le connessioni che passano attraverso più switch, a parità di traffico, sono penalizzate Code separate Solo le code più lunghe hanno una notifica, cattivi comportamenti di una connessione non influiscono su altre, diverse QoS

25 Explicit Rate Feedback EPRCA Enhanced Proportional Rate Control Algorithm Stima del carico medio: I-esima FRM in arrivo MACR(I) = (1-α) x MACR(I-1) + α x CCR(I) Mean Allowed Cell Rate Current Cell Rate Quando la lunghezza di coda ad una porta di output eccede la soglia, tutte le RM per connessioni che passano per quella porta sono così aggiornate: ER min [ER, DPF x MACR] (DPF = Down Pressure Factor)

26 Guaranteed Frame Rate (GFR) Ottimizzare il trattamento di traffico IP basato su frame che passa da una Ethernet LAN attraverso un router in una rete backbone ATM Elementi di rete consapevoli dei confini di frame o pacchetti Quando la congestione richiede lo scarto di celle, gli elementi di rete debbono scartare tutte le celle che comprendono un singolo frame Tutte le celle di un frame debbono avere lo stesso valore di CLP I frame con CLP = 1 sono trasmessi come best effort I frame con CLP = 0, su di un VC GFR in cui si sia riservata una certa capacità, hanno assicurata al minimo tale capacità Servizio semplice dal punto di vista degli end system Il trattamento della congestione è lasciato ai livelli superiori, coerentemente con TCP/IP

27 I componenti fondamentali di GFR UPC F-GCRA Buffer management Scheduler Frame tagging Frame eligibility Frame dropping Service conformance mechanism (limite superiore) QoS eligibility test mechanism (limite inferiore) Frame forwarding mechanism

28 Service conformance, UPC Funzione UPC, con scarto o tagging delle celle di frame non conforming Un frame è conforming se tutte le sue celle sono conforming Una cella è conforming se supera GCRA(1/PCR, CDVT), con PCR definito per lo stream di celle con CLP = Tutte le celle di un frame debbono avere lo stesso valore di CLP. Così, il bit CLP della cella corrente deve avere lo stesso valore del bit CLP della prima cella del frame Il numero di celle di un frame deve soddisfare la condizione che deve essere minore di MFS (maximum frame size)

29 QoS eligibility test, F-GCRA Frame non conforming: le celle sono tagged o scartate Frame conforming ma non eleggibile: le celle ricevono un servizio best effort Frame conforming ed eleggibile: le celle ricevono una garanzia di consegna Frame-based GCRA: L'eleggibilità viene determinata applicando una versione modificata di GCRA: F-GCRA(T,L) = F-GCRA(1/MCR, BT + CDVT) Burst tolerance (BT): BT MFS/MCR, cioè BT deve essere grande abbastanza da accomodare un frame di MFS (maximum frame size) celle trasmesse a velocità MCR (minimum cell rate)

30 TAT=Theoretical arrival time Al tempo di arrivo t a (1) della prima cella della connessione, TAT= t a (1) Arrivo della cella k al tempo t a (k) I = Incremento L = limite t a (k) = tempo di arrivo di una cella Sì Prima cella del frame? No TAT> ta(k)+l OR la cella ha CLP=1 Sì Cella non eleggibile No Prima cella eleggibile? No Sì TAT MAX[t a (k),tat] + T cella eleggibile