La qualità di servizio nelle reti a pacchetto

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1 La qualità di servizio nelle reti a pacchetto Mario Baldi Politecnico di Torino mario.baldi[at]polito.it staff.polito.it/mario.baldi Multimedia&QoS_i - 1 M. Baldi: see page 2

2 Nota di Copyright Questo insieme di trasparenze (detto nel seguito slide) è protetto dalle leggi sul copyright e dalle disposizioni dei trattati internazionali. Il titolo ed i copyright relativi alle slide (ivi inclusi, ma non limitatamente, ogni immagine, fotografia, animazione, video, audio, musica e testo) sono di proprietà degli autori indicati a pag. 1. Le slide possono essere riprodotte ed utilizzate liberamente dagli istituti di ricerca, scolastici ed universitari afferenti al Ministero dell Istruzione, dell Università e della Ricerca, per scopi istituzionali, non a fine di lucro. In tal caso non è richiesta alcuna autorizzazione. Ogni altra utilizzazione o riproduzione (ivi incluse, ma non limitatamente, le riproduzioni su supporti magnetici, su reti di calcolatori e stampate) in toto o in parte è vietata, se non esplicitamente autorizzata per iscritto, a priori, da parte degli autori. L informazione contenuta in queste slide è ritenuta essere accurata alla data della pubblicazione. Essa è fornita per scopi meramente didattici e non per essere utilizzata in progetti di impianti, prodotti, reti, ecc. In ogni caso essa è soggetta a cambiamenti senza preavviso. Gli autori non assumono alcuna responsabilità per il contenuto di queste slide (ivi incluse, ma non limitatamente, la correttezza, completezza, applicabilità, aggiornamento dell informazione). In ogni caso non può essere dichiarata conformità all informazione contenuta in queste slide. In ogni caso questa nota di copyright non deve mai essere rimossa e deve essere riportata anche in utilizzi parziali. Multimedia&QoS_i - 2 M. Baldi: see page 2

3 Sommario Applicazioni multimediali Requisiti e impatto sulle reti a pacchetto Tecniche per la qualità di servizio Accodamento Controllo dell accesso Multimedia&QoS_i - 3 M. Baldi: see page 2

4 Applicazioni multimediali nelle reti a pacchetto Multimedia&QoS_i - 4 M. Baldi: see page 2

5 Cosa è la multimedialità? Utilizzo contemporaneo di vari media Testo Suoni Immagini Video Multimedia&QoS_i - 5 M. Baldi: see page 2

6 La codifica dei media Campionamento e quantizzazione Degrado della qualità Impercettibile Codifica campioni Possibilità di riproduzione senza degrado della qualità Multimedia&QoS_i - 6 M. Baldi: see page 2

7 Compressione Eliminazione di ridondanza Spaziale Temporale Eventuale perdita di informazione Degrado della qualità Multimedia&QoS_i - 7 M. Baldi: see page 2

8 Codifica delle immagini JPEG JPEG2000 GIF TIFF Multimedia&QoS_i - 8 M. Baldi: see page 2

9 Codifica del video MPEG1 Bassa qualità 1.5 Mb/s MPEG2 Alta qualità (DVD) 3.6 Mb/s Multimedia&QoS_i - 9 M. Baldi: see page 2

10 Codifica del video MPEG4 Codifica e compressione basata su identificazione di oggetti H.261 Videoconferenza Bassa qualità Banda limitata Multimedia&QoS_i - 10 M. Baldi: see page 2

11 Codifica della voce PCM (64 Kb/s 56 Kb/s) GSM (13 Kb/s) G.729 (8 Kb/s) G723.3 (6.4 Kb/s e 5.3 Kb/s) Multimedia&QoS_i - 11 M. Baldi: see page 2

12 Codifica audio AVI MP3 (MPEG layer 3 - audio) 128 Kb/s o 112 Kb/s Qualità tipo CD Multimedia&QoS_i - 12 M. Baldi: see page 2

13 Codifica audio MP3 Particolarmente robusto Qualsiasi frammento può essere riprodotto indipendentemente dagli altri Adatto a Internet Multimedia&QoS_i - 13 M. Baldi: see page 2

14 Standard di codifica: quale scegliere? La scelta della codifica dipende da Capacità elaborative dei terminali Disponibilità di risorse di rete Multimedia&QoS_i - 14 M. Baldi: see page 2

15 Standard di codifica: quale scegliere? La scelta della codifica dipende da Tipo di applicazione Live (real-time) Store&retrieve Multimedia&QoS_i - 15 M. Baldi: see page 2

16 Applicazioni multimediali in rete World Wide Web Distribuzione video Video on Demand Telefonia Radio Servizio di jukebox Multimedia&QoS_i - 16 M. Baldi: see page 2

17 Applicazioni multimediali in rete Teleconferenza Giochi distribuiti interattivi Apprendimento a distanza (distance learning) Realtà virtuale Multimedia&QoS_i - 17 M. Baldi: see page 2

18 Applicazioni multimediali in rete Anche un solo media, ma Caratteristiche diverse dalle applicazioni tradizionali Multimedia&QoS_i - 18 M. Baldi: see page 2

19 Caratteristiche rilevanti: streaming Flusso continuo di dati Il profilo del flusso generato deve essere uguale a quello da riprodurre Continuous playout Molto diverso dalle applicazioni tradizionali Multimedia&QoS_i - 19 M. Baldi: see page 2

20 Caratteristiche rilevanti: interattività Con un altra persona Con un sistema Tempi di risposta brevi Multimedia&QoS_i - 20 M. Baldi: see page 2

21 Caratteristiche rilevanti Larga banda trasmissiva Comunicazioni di gruppo (group multicast) Comunicazioni molti a molti Multimedia&QoS_i - 21 M. Baldi: see page 2

22 Requisiti sulla rete Multimedia&QoS_i - 22 M. Baldi: see page 2

23 Streaming Perdite limitate Molte applicazioni sono relativamente tolleranti alle perdite Ritardi costanti Rete Multimedia&QoS_i - 23 M. Baldi: see page 2

24 Interattività Ritardi bassi Dialogo: sotto 100 ~ 150 ms one way Multimedia&QoS_i - 24 M. Baldi: see page 2

25 Larga banda trasmissiva Elevata disponibilità di risorse Capacità trasmissiva Memoria nei nodi (buffer) Potenza elaborativa (routing, ecc) Commutazione L avanzamento tecnologico aiuta Multimedia&QoS_i - 25 M. Baldi: see page 2

26 Comunicazioni di gruppo Servizi di trasmissione multicast IP multicasting MBone Server con funzionalità di reflector o multiconference unit Multimedia&QoS_i - 26 M. Baldi: see page 2

27 Il ritardo, che problema!! Le applicazioni multimediali sono dette anche applicazioni real-time Multimedia&QoS_i - 27 M. Baldi: see page 2

28 Il ritardo, qual è il problema? Varia a seconda del carico istantaneo sui nodi Multimedia&QoS_i - 28 M. Baldi: see page 2

29 Contromisure nelle stazioni Compensazione delle variazioni di ritardo Replay buffer Dimensione fissa per applicazioni non interattive Adattativo per applicazioni interattive Multimedia&QoS_i - 29 M. Baldi: see page 2

30 Contromisure nelle stazioni L unico modo per compensare le variazioni è conformare tutti a chi ha subito ritardo massimo Aumento del ritardo end-to-end Critico per interattività (telefonia, conferenza,giochi, realtà virtuale) Multimedia&QoS_i - 30 M. Baldi: see page 2

31 Contromisure nelle stazioni Adattamento alle condizioni della rete Diminuire traffico generato quando la qualità della sessione diminuisce A tutto c è un limite Multimedia&QoS_i - 31 M. Baldi: see page 2

32 Strumenti Multimedia&QoS_i - 32 M. Baldi: see page 2

33 Comunicazione Informazioni temporali RTP - Real-time Transport Protocol Time stamp Stato della comunicazione RTCP - RTP Control Protocol Multimedia&QoS_i - 33 M. Baldi: see page 2

34 Codifica adattativa (adaptive coding) Granularità di quantizzazione Parametri della compressione Feedback Per esempio RTCP Multimedia&QoS_i - 34 M. Baldi: see page 2

35 Codifica a livelli (layered coding) Layer base Trasmesso a più alta priorità Eventualmente risorse riservate Layer aggiuntivi che aumentano la qualità Trasmessi a bassa priorità Eventualmente best-effort Multimedia&QoS_i - 35 M. Baldi: see page 2

36 Contromisure nella rete Classificazione del traffico Sofisticati algoritmi di scheduling WFQ, RR, WRR, CBQ Micro-controllo del traffico in ingresso alla rete (pacchetto) Shaping/policing Multimedia&QoS_i - 36 M. Baldi: see page 2

37 Contromisure nella rete Macro-controllo del traffico in ingresso alla rete (chiamata) Segnalazione con prenotazione di risorse RSVP Resource reservation Protocol (IP) UNI User Network Interface (ATM) Multimedia&QoS_i - 37 M. Baldi: see page 2

38 Contromisure nella rete Macro-controllo a priori Network engineering Dimensionamento della rete rispetto al traffico previsto Limite sul numero di utenti Traffic engineering Distribuzione controllata del traffico Multimedia&QoS_i - 38 M. Baldi: see page 2

39 Contromisure nella rete Multimedia&QoS_i - 39 M. Baldi: see page 2

40 Problemi collaterali UDP a livello trasporto RTP UDP IP I requisiti real-time normalmente sono incompatibili con i tempi di ri-trasmissione del TCP Anche se un pacchetto corrotto arriva, sarà inutile perché ha impiegato troppo tempo Multimedia&QoS_i - 40 M. Baldi: see page 2

41 Applicazioni non altruiste TCP si adatta alle condizioni di traffico, UDP le ignora Applicazioni multimediali possono penalizzare le altre Soprattutto quelle che usano TCP, che è cortese Segregazione delle applicazioni e policing (bandwidth shaper) Multimedia&QoS_i - 41 M. Baldi: see page 2

42 Tecniche per il supporto della qualità di servizio Accodamento Multimedia&QoS_i - 42 M. Baldi: see page 2

43 Accodamento semplice FIFO (First In First Out) Coda TX Trasmettitore Multimedia&QoS_i - 43 M. Baldi: see page 2

44 Multiplazione statistica A A C B C Switch A C B C A Multimedia&QoS_i - 44 M. Baldi: see page 2

45 Code multiple e scheduling TX Multimedia&QoS_i - 45 M. Baldi: see page 2

46 Algoritmi di scheduling Priority Queuing Round Robin Weighted Round Robin Class Based Queuing (CBQ) Weighted Fair Queuing (WFQ) Deadline queuing (non work-conserving) Multimedia&QoS_i - 46 M. Baldi: see page 2

47 Classificazione Identificazione dei pacchetti cui garantire qualità ovvero In quale coda inserire ogni pacchetto Multimedia&QoS_i - 47 M. Baldi: see page 2

48 Classificazione Basata su varie informazioni nell intestazione IP (quintupla) Indirizzo IP destinazione Indirizzo IP mittente Protocollo di trasporto Porta mittente Porta destinazione Multimedia&QoS_i - 48 M. Baldi: see page 2

49 Classificazione Algoritmi complicati Realizzazioni hardware ASIC: Application Specific Integrated Circuit CAM: Content Addressable Memory Multimedia&QoS_i - 49 M. Baldi: see page 2

50 Accodamento e commutazione Code in uscita (output queuing) La soluzione più semplice Però La capacità di commutazione è una risorsa limitata Non è detto che i pacchetti possano essere commutati appena arrivano Multimedia&QoS_i - 50 M. Baldi: see page 2

51 Capacità di commutazione Commutazione immediata sempre richiede speed-up La switching fabric (matrice di commutazione) opera a velocità maggiore degli ingressi Particolarmente problematico ad alta velocità Multimedia&QoS_i - 51 M. Baldi: see page 2

52 Accodamento e commutazione Code in ingresso (input queuing) Controllo distribuito (complicato) Virtual output queuing Code nella matrice di commutazione (distributed queuing) Multimedia&QoS_i - 52 M. Baldi: see page 2

53 Siamo a posto? A A C B C Switch AB C B A C A C A B C A Multimedia&QoS_i - 53 M. Baldi: see page 2

54 Tecniche per il supporto della qualità di servizio Controllo dell accesso Multimedia&QoS_i - 54 M. Baldi: see page 2

55 Controllo sull accettazione delle chiamate Call admission control (CAC) Segnalazione Descrizione traffico generato Descrizione servizio voluto Esempi: RSVP e UNI ATM Prenotazione risorse Multimedia&QoS_i - 55 M. Baldi: see page 2

56 QoS routing Trovare un percorso con le risorse necessarie Protocolli di routing distribuiscono informazioni sull occupazione delle risorse in tempo reale Informazioni molto dinamiche Multimedia&QoS_i - 56 M. Baldi: see page 2

57 QoS routing Decisione di routing è basata su informazioni di occupazione Non solo su topologia Instabilità con trasferimento dati non connesso Esempio: PNNI (private network node interface) in ATM Cranckback Multimedia&QoS_i - 57 M. Baldi: see page 2

58 Network engineering Traffic engineering Azioni preventive Dimensionamento della rete per il caso peggiore (o quasi) Statistiche sugli utenti Determinazione delle direttrici di traffico Distribuzione del traffico Multimedia&QoS_i - 58 M. Baldi: see page 2

59 Network engineering Traffic engineering Continuo controllo dello stato della rete Eventuale cambiamento del dimensionamento e direttrici di traffico Multimedia&QoS_i - 59 M. Baldi: see page 2

60 Network engineering Traffic engineering Bassa efficienza nell uso delle risorse Semplicità e scalabilità Multimedia&QoS_i - 60 M. Baldi: see page 2

61 Policing e shaping Assicurarsi che il traffico in ingresso alla rete sia come ci si aspetta Token bucket Leaky Bucket TX Multimedia&QoS_i - 61 M. Baldi: see page 2

62 Leaky bucket I pacchetti non conformi sono Ritardati Scartati Token bucket Mandati a bassa priorità (eventualmente best effort) TX Multimedia&QoS_i - 62 M. Baldi: see page 2

63 Policy (politica) Stabilisce aspetti generali di funzionamento di una rete Determina aspetti specifici del funzionamento di un apparato Tipo di accodamento Regole per accettazione chiamate Parametri leaky bucket Multimedia&QoS_i - 63 M. Baldi: see page 2

64 Flessibilità: policy management Una policy può dipendere da Tipo di traffico Ora del giorno Evitare di dover configurare ogni apparato di rete e cambiare la configurazione Multimedia&QoS_i - 64 M. Baldi: see page 2

65 COPS (Common Open Policy Service) Distribuzione automatica di policy Apparati prelevano policy da server Server invia policy agli apparati Multimedia&QoS_i - 65 M. Baldi: see page 2