Gestione della Qualità del Servizio su Reti IP. Fulvio Risso

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1 Gestione della Qualità del Servizio su Reti IP Fulvio Risso 1

2 IP: caratteristiche (1) Semplice protocollo di tipo Datagram I pacchetti viaggiano su percorsi diversi Out of order delivery Robusto: si adatta a variazioni di traffico, topologia, guasti Adatto al traffico dati (bursty) Offre un servizio non connesso Bandwidth Management difficoltoso riservare e garantire banda rifiutare connessioni (Call Acceptance Control) Meno complesso: non richiede negoziazione né lato utente, né all interno della rete 2

3 Evoluzioni nell uso di Internet (1) Nuovi utenti Incremento degli utilizzatori Problemi di capacità trasmissiva, soprattutto sulle dorsali internazionali Necessità di privilegiare alcuni dati rispetto ad altri Nuove applicazioni Ieri: Telnet, Ftp, Mail, Web Domani: database, multimedialità 3

4 Evoluzioni nell uso di Internet (2) Differenti tipologie di utenti Esigenze diverse Utente privato che sfoglia il web Utente aziendale che aggiorna un database remoto Disponibilità a pagare i servizi a tariffe differenziate Pago di più se mi viene garantito il funzionamento della mia applicazione mission critical 4

5 Evoluzioni nell uso di Internet (3) Requisiti diversi Ieri: basso traffico, modello best-effort, tariffazione flat-rate Domani Importanza di parametri quali banda minima garantita, ritardo massimo, jitter Applicazioni orientate alla connessione Tariffazione a consumo Multimedialità: sopporta perdite di pacchetti 5

6 Qualità del Servizio IP IP IP IP IP IP IP IP IP IP IP IP 6

7 QoS: definizioni (1) QoS non ha una definizione univoca dipende fortemente da cosa gli utenti vogliono che la rete garantisca Caratteristiche della QoS Deve essere in grado di provvedere ad una gestione intelligente della banda in caso di congestione Non ha senso gestire della banda se la rete non ha congestione Cosa vuol dire gestione intelligente dipende da cosa gli utenti intendono per QoS Deve essere in grado di fornire un servizio predicibile indipendentemente dallo stato della rete 7

8 QoS: definizioni (2) Gestione intelligente della banda Utile soprattutto sul traffico dati classico (simil - best effort) per la garanzia di un certo throughput Percentuale relativa di pacchetti scartati dal router tra le varie classi di servizio Garanzia di trasferimento privilegiato per alcune classi Servizio predicibile Utile soprattutto per applicazioni real time che hanno bisogno di conoscere, in linea di massima, il servizio che la rete potrà fornire loro Garanzie sul ritardo massimo Può essere deterministico o statistico Garanzie sulla variabilità del ritardo (jitter) Banda minima garantita 8

9 QoS: definizioni (3) Si tende a trascurare altri aspetti della QoS Disponibilità del servizio Verifica che la rete sia connessa al fornitore di connettività ad esempio per problemi di trasmissione dati quale un accesso wireless Verifica della raggiungibilità delle varie destinazioni Routing affidabile e con tempi di convergenza ridotti Affidabilità degli apparati ridondanza, sostituzione di parti a caldo Efficienza del servizio Verifica della buona connettività verso terzi (es altri backbone) Presenza di adeguati collegamenti internazionali Presenza nei NAP locali 9

10 Internet: nuovi modelli di servizio ISP hanno la necessità di fornire nuovi modelli di servizio a vari utenti Garanzie sul trattamento del traffico immesso Trattamento differenziato di vari tipi di traffico Pagamento differenziato in base al tipo di servizio richiesto TCP e UDP convivono male sullo stesso canale Integrazioni fonia dati Convergenza su singola rete di trasporto Ragioni economiche Integrazione applicazioni software con telefonia (es. whiteboard) 10

11 Meccanismi di gestione della qualità Tre tipologie di metodi Meccanismi end-to-end Due tipi: Quelli che sono in grado di controllare la qualità da un estremo all altro delle connessione Quelli che si adattano in modo da trovare l equilibrio migliore per la gestione della qualità end-to-end Meccanismi lato edge Meccanismi lato core Spesso vanno integrate più tecnologie (es. e2e + edge + core) per ottenere la QoS richiesta 11

12 Qualità e classificazione (1) Classificazione: necessaria per poter dividere il traffico in più categorie con QoS differenziata Metodi maggiormente usati: stateless TOS IP (DiffServ) Session_ID (IntServ): IP src/dst, Transport Protocol, Port src/dst Numerosi problemi di detection Applicativi non su well-known port (es. RTP) Applicativi che fanno uso di well-known port riservate ad altri applicativi (es. Kazaa) Altri metodi (spesso stateful) possono essere estremamente complessi 12

13 Qualità e classificazione (2) Realizzazione Algoritmi software Supporto hardware (TCAM) Problema di identificazione dei campi richiesti (es. TCP/UDP Port in presenza di IPv6 con Extension Header) Dove classificare: core o edge? 13

14 Meccanismi end-to-end (1) Primo tipo: Controllo della qualità Call Acceptance Control meccanismo tra due entità (es un client e la rete) per negoziare (e confermare) una serie di risorse che la rete dovrà mettere a disposizione del client se la negoziazione è andata a buon fine, il client considera questi parametri come garantiti dalla rete Si divide in user to net e net to net 14

15 Meccanismi end-to-end (2) Secondo tipo: autoadattamento per ottenere la qualità migliore possibile Feedback meccanismo per avvertire gli utenti finali del fatto che si sta verificando una congestione Il client può allora prendere le contromisure che ritiene opportune (ad esempio ridurre il rate a cui sta inviando i dati) gestito dal TCP nel momento in cui rileva un pacchetto perso End to End Adjustment meccanismo in grado di modificare il comportamento della sorgente in trasmissione in modo da evitare la congestione gestita dal TCP con il controllo della congestione 15

16 Meccanismi lato edge Shaping Meccanismo implementato lato utente in grado di rendere il traffico in uscita conforme al profilo negoziato con il provider Policing Meccanismo duale allo shaper, implementato lato provider: controlla che il traffico immesso dall utente sia conforme al profilo negoziato In caso di mancato rispetto dei parametri Drop oppure re-classification (es. remarking) 16

17 Leaky Bucket / Token Bucket Token Rate ρ Bucket Length σ Input Traffic Input Link Output traffic 17

18 Schema di principio di un nodo di rete Buffer e scheduler Interfacce di ingresso Interfacce di uscita Matrice di commutazione 18

19 Tipologie di architetture di commutazione Output queuing Semplice da capire Richiede matrici ad altissima velocità (alto speed-up) Non usabile su apparati di fascia alta Input queuing Necessita di controllo distribuito per evitare head-of-line blocking Virtual output queuing Distributed queuing (input/output queuing) Architettura mista; molto complessa Spesso realizzata attraverso un arbitro centrale 19

20 Meccanismi lato core : Scheduling Scheduling Meccanismo per decidere qual è il migliore pacchetto da trasmettere in uscita Necessario quando ci sono più pacchetti in attesa di venire spediti Richiede buffering Esempi: FIFO (First In First Out), Priority Queuing, WFQ (Weighted Fair Queuing), CBQ (Class Based Queuing) Caso migliore Le connessioni immettono pacchetti in tempi diversi 20 Caso peggiore Tutte le connessioni immettono un pacchetto nello stesso istante t

21 Priority Queuing Input Queues Priority Scheduler Output link Lowest Priority Queue 21

22 Round-robin scheduler Molto semplice Ne esistono versione per pacchetto (Packet Round Robin, Nagle 1987) e per bytes Ritardi possono essere elevati Weighted-RR Input Queues Round Robin Scheduler Output link 22

23 General Processor Sharing Input Links Output Link GPS Server Fluid Flow Packets 23

24 Weighed Fair Queuing e GPS Flow 1-50% P 0,1 P 1,1 P 2,1 P 3,1 P 4,1 P 5,1 Flow 2-10% P 0,2 Flow 3-10% P 0,3 Flow 4-10% P 0,4 Flow 5-10% P 0,5 Flow 6-10% P 0,6 0 5 Arrival Time Packet arrivals P 0,1 P 1,1 P 2,1 P 3,1 P 4,1 P 5,1 P 0,1 P 1,1 P 2,1 P 3,1 P 4,1 P 5,1 P 0,2 P 0,2 P 0,3 P 0,3 P 0,4 P 0,4 P 0,5 P 0,5 P 0,6 P 0, Departure Time Departure Time GPS Service Order WFQ Service Order 24

25 Class-Based Queuing Nasce per condividere la banda su uno stesso link fisico Originariamente, cavo transatlantico UK-USA RootClass 100% Agency1 50% Agency2 10% Agency3 10% Agency4 10% Agency5 10% Agency6 10% Real Time 30% Best Effort 20% 25

26 CBQ e politiche di link-sharing Le politiche di link-sharing possono essere anche molto complesse Sia da implementare negli apparati, che da configurare per gli utenti RootClass 100% Bandwidth Bandwidth 100% TCP-1 100% TCP-1 UDP-1 Agency1 30% Agency2 70% 50% UDP-1 50% UDP-2 UDP-2 TCP-1 20% UDP-1 10% TCP-2 50% UDP-2 20% 0 Time 0 Time Bandwidth allocation with fair algorithm Bandwidth allocation with link sharing algorithm 26

27 Discipline non-work conserving Numerose proposte Stop and Go, Earliest-Due-Date First, Jitter-Earliest-Due-Date, Time Driven Priority,... Nessuna ha mai preso piede Le discipline work conserving non sempre sono efficienti dal punto di vista del ritardo Delay Distribution Stop-and-Go FIFO 27 Delay values

28 Meccanismi lato core : Buffering Buffering meccanismo con il quale viene allocata la memoria presente su ogni nodo di commutazione quando non è possibile inoltrare immediatamente il pacchetto sul link di uscita possono esserci più buffers (più code) per ogni link di uscita, a seconda delle esigenze e degli algoritmi di scheduling implementati Il buffer definisce il valore del ritardo massimo nel nodo Session 1 Bounded-delay server Output traffic Session 2 Session 3 Regulator 28

29 Buffering Shared Buffer Input Traffic Scheduler Output Traffic Input Traffic Per-flow Buffer Scheduler Output Traffic 29

30 Meccanismi lato core : Queue Management Algoritmi per la gestione dei pacchetti all interno delle code Decidono che pacchetti scartare nel caso in cui la coda si riempia Algoritmi evoluti (non Drop Tail) utilizzati soprattutto nel caso di scheduling FIFO 30

31 Queue Management Input Traffic Drop Tail Scheduler Output Traffic Input Traffic Random Early Detection Scheduler Threshold Output Traffic Input Traffic RED with IN and OUT bit Scheduler Threshold Output Traffic 31

32 Come si muove la tecnologia Gestione di diverse forme di qualità È sufficiente abbinare in maniera diversa i meccanismi precedenti È possibile realizzare modelli Best Effort (buffer unico, code Drop Tail, schedulers FIFO), oppure altri più evoluti Organismi di standardizzazione Tendono ad specificare il tipo di servizio, così come viene visto dall utente Il come è specificato solamente a grandi linee Es. controllo di ammissione oppure no Ogni costruttore ha spesso più scelte (ad esempio il tipo di scheduler impiegato) 32

33 Architetture proposte Integrated Services (IntServ) Si definisce flusso come un insieme di pacchetti con identici valori di IP Source/Dest, Protocol, Port Source/Dest Ogni flusso è trattato singolarmente dai vari router sul percorso Differentiated Services (DiffServ) Si definisce un aggregato di flussi come l insieme dei flussi (microflows secondo la terminologia DiffServ) che necessitano di una certa classe di servizio Paradigma: offrire un servizio differenziato per aggregati di traffico anziché per singolo flusso 33

34 IntServ Nasce nel 1994 RFC 1633, Integrated Services in the Internet Architecture: an Overview Permette di controllare Banda Ritardo Perdite Caratteristiche Controllo all accesso (Admission control) Qualità flow-based L ottimo è nemico del bene Si basa di un protocollo di riservazione delle risorse RSVP 34

35 Classi di servizio IntServ Definite due classi oltre il Best Effort Controlled Load Garanzia minimale : garantisce che sul percorso ci siano le risorse per trattare la quantità di dati immessa da quel flusso È come se la rete fosse scarica e fosse presente solo quel flusso Non ci sono garanzie (al limite, può essere vista come una garanzia sulla banda disponibile) Guaranteed Service Garanzia avanzata : il percorso deve garantire la capacità a trattare il flusso immesso con una certa banda e un certo ritardo senza perdite di pacchetti (garanzie di banda, ritardo e perdite) La decisione ci sono sufficienti risorse? viene presa in base ai parametri statistici dichiarati dalle altre sorgenti attualmente attive La specifica prevede la possibilità di definire altre classi di servizio 35

36 Architettura IntServ Controllo dei flussi Classificatore Scheduler Gestione dei buffer Controllo di ammissione Prenotazione delle risorse Instradamento Attenzione al reverse path 36

37 Resource ReSerVation Protocol (RSVP) Caratteristiche Protocollo di segnalazione receiver-oriented trasporta dati di controllo del traffico che non vengono però da lui interpretati (per lui sono opachi) gestisce più stili di riserva Gestisce solamente flussi unidirezionali, che possono essere unicast o multicast Si adatta dinamicamente a cambi di route e a cambi di membri (caso multicast) Utilizza soft state nei router E strettamente integrato con i protocolli di routing pur non essendolo egli stesso Funziona anche con router non RSVP-aware Supporta IPv4 e IPv6 37

38 RSVP: informazioni per il funzionamento FilterSpec Indica i pacchetti del flusso Necessario per installare gli opportuni classificatori nei nodi FlowSpec Profilo di traffico generato Servizio richiesto (Guaranteed Service / Controlled Load) Composto da: Rspec (Requested Specification) Rate (si assume fluid model con deviazione pubblicata dal router) Slack (tolleranza rispetto alla richiesta) Tspec (Traffic Specification) Descrizione di un flusso dati in termini di leaky bucket (rate medio/picco, bustiness) 38

39 RSVP: funzionamento (1) Il client segnala al sender la sua volontà di ricevere un flusso a QoS garantita Protocolli esterni a RSVP (IGMP Join per multicast, oppure messaggio di livello applicativo per flussi unicast, etc) Può essere necessario conoscere alcuni dati della sessione (es. SourceAddress, Protocol, Source port) per poter fare la precedente operazione; ad es. può essere usato un messaggio SDP Il server prepara il percorso con messaggi PATH Il messaggio PATH può essere contestuale all inizio dell invio dei dati 39

40 RSVP: funzionamento (2) In caso questi parametri siano accettabili per l utente, questo genera un messaggio di RESV Il messaggio viene propagato verso il sender verificando se le risorse sono disponibili In caso affermativo la prenotazione di risorse diviene effettiva Ogni nodo dovrà agire in modo da rispettare i parametri richiesti da quel flusso I parametri della segnalazione variano a seconda della classe di servizio richiesta I messaggi PATH e RESV vengono rigenerati periodicamente per rinfrescare lo stato della prenotazione 40

41 Messaggi RSVP: PATH Sender Tspec Descrive il traffico generato dalla sorgente ADSPEC QoS che la rete è in grado di fornire La funzione di controllo di accesso di ogni nodo aggiorna il campo prima di inoltrare il messaggio PATH Inoltrati secondo la routing table Indirizzo del Previous Hop per guidare l inoltro dei messaggi RESV 41

42 Messaggi RSVP: RESV Flow Descriptor (FlowSpec + FilterSpec) FlowSpec: QoS desiderata (per programmare lo scheduler) Service Class Receiver Tspec (Traffic Spec) Descrizione del traffico interessato Receiver Rspec (Reserve Spec) Richiesta di QoS FilterSpec: descrizione dei pacchetti che devono ricevere la QoS (programma il classifier) Merging dei FlowSpec (per multicast) Inoltrati sul percorso inverso rispetto ai PATH 42

43 RSVP e instradamento Soft-State permette di recuperare i guasti Route pinning Ignorare i cambiamenti di routing per usare la prenotazione attualmente attiva 43

44 DiffServ (1) Servizi a qualità differenziata in base ad aggregati di traffico Premessa fondamentale Il traffico differenziato rappresenta una piccola precentuale della capacità della rete Nasce a seguito delle discussioni ai margini del meeting IETF di Monaco (1997) K. Nichols, V. Jacobson, and L. Zhang, A Two-bit Differentiated Services Architecture for the Internet Minore granularità rispetto a IntServ 44

45 DiffServ (2) Caratteristiche No garanzie assolute sulla qualità No prenotazione delle risorse No stato per flusso (stato per classe) Scalabilità e semplicità Dimensionamento della rete Network Engineering Traffic Engineering Controllo di accesso ai confini Policing and Shaping Traffic conditioning 45

46 Identificazione delle classi DiffServ DS Field Ex campo ToS (Type of Service) 6 bit per il codepoint 2 bit per ECN (explicit congestion notification) Attualmente non usato in pratica DS codepoint compatibili con i vecchi valori di ToS ToS usava 3 bit Per Hop Behaviour (PHB) Trattamento dei pacchetti nel singolo router Due PHB standard La codifica dei relativi valori del DS Field non è standard (dipende dal gestore della rete e va configurato sui router) Il servizio E2E risulta dalla concatenazione di PHB (PHB remarking) 46

47 Classi di servizio DiffServ Standardizzate due classi di servizio oltre il Best Effort Assured Forwarding Realizza l Olimpic Service (Gold, Bronze, Silver) Expedited Forwarding Realizza il servizio detto Virtual Leased Line (oppure Premium Service) Altre classi di servizio sono su base locale 47

48 Architettura di una rete DiffServ Classification Marking/re-marking Per-class Handling Forwarding DS domain Traffic Conditioning 48

49 Servizi: Assured Forwarding RFC 2597 Diversi drops in diverse classi (BE migliore di BE) Proposto da Clark e Wroklawski (Assured Service) il traffico viene normalmente recapitato a destinazione, fino a quando rimane all'interno del profilo di traffico negoziato con il carrier Si basa sulla previsione statistica dei profili di banda attesa da ogni utente Permette il trasporto di dati eccedenti il profilo purché la rete lo permetta Realizzabile con Weighted RED 49

50 Servizi: Expedited Forwarding RFC 2598 Proposto da Van Jacobson (Premium Service) la banda è riservata in base al traffico di picco negoziato dall'utente, e la rete garantisce con qualità deterministica che il traffico non verrà scartato ed avrà la più alta priorità nelle code dei router low loss, low latency, low jitter, assured bandwidth, end-to-end service Realizzabile con Priority Queuing Controllo di ammissione È un servizio a priorità; bisogna evitare che alcuni utenti vadano in starvation RSVP per riservare banda nella corporate network Bandwidth Broker proposti per la prenotazione interdomain Virtual Leased Line 50

51 DiffServ: gestione della qualità Qualità: viene decisa in fase di contratto (Service Level Agreement) tra ISP e utente Il cliente indica il livello di qualità desiderata marcando ogni pacchetto con uno specifico codice l apposito campo TOS del pacchetto IP Codice: specifica il PHB (Per-hop Behaviour), ossia il livello di servizio che deve essere garantito al pacchetto in ogni nodo della rete del provider Quantità di traffico ammessa: è negoziata tra cliente e ISP (policing profile) ISP controlla che il cliente non richieda una specifica qualità per un numero di dati in eccesso al valore negoziato Parametri Leaky Bucket Non viene garantito il livello di qualità richiesto per i dati in eccesso 51

52 DiffServ: caratteristiche Scalabilità Adatto per reti di grosse dimensioni (e alto traffico) Spostamento della complessità dal core della rete alla periferia (edge nodes) Edge nodes: controllo del traffico immesso, eventuale marcatura Code nodes: forwarding differenziato in base al PHB Edge nodes sono caratterizzati da: minore livello di traffico minore numero di flussi (microflows) 52

53 Verso la QoS: conclusioni È il passo obbligato delle Internet futura Necessario per integrare servizi diversi (fonia) Qualità di recapito dei pacchetti Aspetto importante, ma non l unico Altri aspetti della qualità Affidabilità dei nodi di rete (ridondanza fisica,...) Ridondanza nei percorsi di instradamento Spesso succede di perdere connettività con qualche host Qualità attuale: paragonabile più alla rete cellulare che a quella della telefonia fissa 53