Qualità di Servizio (QoS) in Internet

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1 Marco Listanti Qualità di Servizio (QoS) in Internet

2 QoS in IP: Aspetti Generali (1) Il servizio di trasferimento offerto da Internet è punto-punto, p connectionless, best effort Non è adatto alle applicazioni real time a causa di Inoltre throughput h t non garantito ritardo variabile di attraversamento della rete perdite di pacchetti dovute a congestione Non sono definite procedure di Admission Control e di Policing Le sotto-reti sono fortemente eterogenee in termini di capacità

3 QoS in IP: Aspetti Generali (2) La QoS descrive il livello delle prestazioni di rete che deve essere assicurato per una particolare applicazione La QoS può essere definita in modo Assoluto definizione dei valori che devono essere rispettati da un insieme di parametri prestazionali (es. ritardo massimo, probabilità di perdita di pacchetti, ecc) Relativo definendo le modalità di trattamento di una classe di traffico rispetto alle altre (es. livello di priorità di servizio, livello di priorità di scarto, ecc.) L insieme di regole, assolute e/o relative, che definisce un livello di QoS stabilisce il Service Level Agreement (SLA) che regola il rapporto tra utente e fornitore di servizio

4 QoS in IP: Aspetti Generali (3) Una rete è in grado di garantire un fissato livello di QoS in due modi Overprovisioning Le risorse di rete sono dimensionate in modo che, nelle condizioni peggiori, il carico sia inferiore alla soglia minima necessaria a soddisfare gli SLA concordati con gli utenti Connection Admission i Control (CAC) Il traffico è controllato preventivamente, un flusso sarà accettato solo se le risorse di rete saranno sufficienti a garantire gli SLA concordati con gli utenti Se un flusso è accettato viene virtualmente allocata a questo una porzione di banda (bandwidth allocation)

5 QoS in IP: Aspetti Generali (4) La QoS può essere garantita per flusso, per connessione, per chiamata per aggregati (o classi) di flussi, di connessioni, di chiamate Una classe o aggregato di traffico comprende un insieme di flussi aventi requisiti simili di QoS In una rete IPv4 un flusso è definito dalla 5-pla Source IP address Destination IP address Protocol Header IP Source port number Destination port number Header protocollo di trasporto (TCP/UDP)

6 QoS in IP: Aspetti Generali (5) Una politica di QoS orientata al trattamento dei singoli flussi (per-flow QoS) Assicura prestazioni migliori sia per quanto riguarda i singoli flussi che per quanto riguarda l utilizzazione delle risorse di rete Ha una elevata complessità dovuta ai protocolli di segnalazione e alla necessità di monitorare i singoli flussi di pacchetti in rete Bassa scalabilità Una politica di QoS orientata al trattamento degli aggregati di flussi (aggregate traffic QoS) Fornisce prestazioni non ottimali (efficienza minore) Ha complessità minore Maggiore scalabilità

7 Per-flow QoS: Connection Admission Control All atto dell instaurazione di un flusso, la rete deve rispondere alla seguente domanda La rete è in grado di trattare il flusso entrante in modo da soddisfare i vincoli posti dai parametri do QoS richiesti (throughput, ritardo, jitter, probabilità di perdita)? La rete è un sistema di servizio di cui si deve conoscere le prestazioni in funzione del suo stato corrente Modello di rete Relazione tra i parametri di QoS e il carico di rete Il flusso entrante t rappresenta la perturbazione a cui è sottoposto il sistema Modello statistico del traffico entrante

8 Esempio: Router IP (1) Modello (estremamente) semplificato Traffico entrante λ 0 C Flusso da instaurare λ f Il router è modellato come un buffer a servente singolo Buffer a capacità infinita B = Capacità del servente C bit/s Modello traffico entrante Processo poissoniano con media λ 0 pacchetti/s Lunghezza dei pacchetti distribuita esponenzialmente con media L bit Tempo medio di servizio L/C bit/s Modello flusso f Processo poissoniano con media λ f pacchetti/s Lunghezza dei pacchetti distribuita esponenzialmente con media L bit Modello a coda M/M/1/

9 Esempio Router IP (2) Supponendo che la QoS sia caratterizzata dal parametro ritardo medio, la rete deve rispondere alla seguente domanda Il router è in grado di trattare i pacchetti del nuovo flusso f in modo da garantire per tutti i flussi un ritardo medio non superiore a D f? Relazione tra il ritardo medio e lo stato di rete D0 = C L 1 ρ ( ) ρ 0 = λ 0 L/C carico offerto al sistema (ρ 1) 0

10 Esempio Router IP (3) Se il nuovo flusso fosse accettato, il valor medio del traffico sarebbe λ 1 = λ 0 + λ f D Flusso rifiutato Il nuovo valore di carico sarebbe ρ 1 = ρ 0 + λ f L/C Regola di accettazione D 1 D f Flusso accettato ρ 1 ρ max ρ max = 1-L/CD f Bandwidth allocation In caso di assegnazione, al flusso f viene assegnata una risorsa virtuale (banda) di valore uguale a λ f L (bit/s) D 1 D 0 L/C 0 ρ 0 ρ 1 ρ 1 ρmax 1 Regione di accettazione ρ

11 Esempio Router IP (4) Osservazioni Abbiamo modellato un router come un buffer infinito I router sono molto più complessi I buffer non sono mai infiniti Abbiamo utilizzato traffici poissoniani I traffici reali non sono mai poissoniani Abbiamo usato come parametro di QoS il ritardo medio di attraversamento di una coda Il ritardo medio non è un parametro di QoS significativo In situazioni reali il problema di admission control e della bandwidth allocation è molto complesso

12 Procedure di QoS Le funzioni che sono necessarie per offrire ad un flusso uno specifico livello di QoS sono Definizione delle caratteristiche statistiche del nuovo flusso di traffico entrante Definizione del modello di rete Definizione delle relazioni che legano i parametri di QoS al traffico entrante Definizione della politica di Shaping (sagomatura) Definizione n della politica di Policing (monitoraggio) i

13 Caratterizzazione del traffico I parametri caratteristici di un flusso o di un aggregato g di flussi sono definiti nei seguenti due insiemi di parametri TSpec (Transmission Specification) Definisce i parametri statistici del flusso RSpec (Request Specification) Definisce i parametri di QoS richiesti dal flusso

14 Contratto di Traffico (1) Ogni flusso di pacchetti è caratterizzato da specifici parametri di QoS (RSpec) L utente t comunica alla rete i parametri di QoS (Rspec) le caratteristiche i statistiche i del flusso di pacchetti (TSpec) Il flusso verrà accettato dalla rete se questa è in grado di soddisfare i parametri di QoS richiesti dall utente (Connection Admission Control) In caso di accettazione al flusso vengono assegnate le risorse di rete (banda, buffer) necessari al soddisfacimento dei requisiti di QoS (Resource Allocation)

15 Contratto di Traffico (2) La rete fissa delle regole di conformità per stabilire se il traffico di un flusso è conforme al profilo dichiarato dall utente Verifica dei TSpec La rete effettua la funzione di Policing i Effettua il monitoraggio dei parametri statistici del traffico emesso dall utente nell ambito del flusso Verifica la conformità dei parametri statistici misurati con quelli dichiarati dall utente nel Tspec Se viene rivelata una non conformità mette in atto misure di limitazione del traffico emesso dall utente (scarto di pacchetti, marking, ecc.)

16 Contratto di Traffico (3) Un utente al fine di assicurare che il traffico emesso nell ambito di un flusso sia conforme al profilo definito nel Tspec può eseguire delle funzioni di sagomatura del traffico Traffic Shaping I principi precedenti configurano l esistenza di un contratto di traffico tra utente e rete Traffic Contract

17 Connection Admission Control (CAC)

18 Connection Admission Control (CAC) (1) Definizione ITU-T Rec. I.371 Insieme delle azioni intraprese da una rete durante la fase di set-up di una connessione (flusso, canale virtuale, ecc.) (o durante una fase di ri- negoziazione di una connessione) allo scopo di stabilire se la richiesta di connessione (o la richiesta di ri-allocazione) possa essere accettata Lo scopo della procedura di CAC è quello di assicurare che sul cammino (path) tra sorgente/i e destinazione/i seguito dal flusso attraverso la rete sia assegnata al flusso su ogni link del path una porzione della capacità del link (Bandwidth Assignment) sia assegnata al flusso in ogni router compreso nel path una porzione di buffer (Buffer Assignment) La quantità di banda e di buffer allocata ad un flusso dipende dai requisiti di QoS associati al flusso

19 Connection Admission Control (CAC) (2) Una richiesta di instaurazione di una connessione (flusso) è accettata se su tutti i link del path è possibile allocare una capacità (Bandwidth Assignment) in modo che siano soddisfatti i requisiti di QoS del flusso che si deve instaurare continuano ad essere soddisfatti i requisiti di QoS di tutti i flussi già instaurati su tutti i router del path è possibile allocare la quantità una quantità di buffer (Buffer Assignment) in modo che siano soddisfatti i requisiti di QoS del flusso che si deve instaurare continuano ad essere soddisfatti i requisiti di QoS di tutti i flussi già instaurati

20 Connection Admission Control (CAC) (3) Bandwidth Assignment deterministica (allocazione deterministica) Allocazione per un flusso di una quantità di banda maggiore o uguale a al bit rate massimo raggiunto dal flusso stesso Raggiungimento g deterministico degli obiettivi di QoS Bassa utilizzazione della capacità di rete Bandwidth Assignment statistica (allocazione statistica) Allocazione per un flusso di una quantità di banda compresa tra il bit rate massimo e quello medio del flusso Raggiungimento statistico degli obiettivi di QoS Possibilità di raggiungere un elevata utilizzazione della capacità di rete

21 Multiplazione deterministica e statistica (1) Multiplazione deterministica Al flusso i viene allocata una banda c i (bit/s) maggiore o uguale al valore della sua banda di picco p i (bit/s) (Peak Rate Allocation - PRA) c i p i Si applica sia in reti a circuito che a pacchetto E possibile garantire una perdita di pacchetti nulla e un ritardo massimo garantito L unico parametro prestazionale è la probabilità di rifiuto della richiesta di instaurazione i del flusso

22 Multiplazione deterministica e statistica (2) Multiplazione statistica Al flusso i viene allocata una banda c i (bit/s) minore del valore della sua banda di picco p i (bit/s) e maggiore della sua banda media r i (bit/s) r i < c i < p i Si applica solo a reti a commutazione di pacchetto I parametri di QoS (probabilità bilità di perdita di pacchetto e ritardo) sono garantiti solo statisticamente Per la funzione di allocazione sono necessari i parametri statistici del flusso un modello della rete che metta in relazione il traffico in ingresso con i parametri di QoS

23 Multiplazione statistica: Modelli di analisi Approccio stocastico Metodologia: Teoria delle code Approccio semi-deterministico i i ti Metodologia: Effective Bandwidth Approccio deterministico Metodologia: Network Calculus

24 Queueing Theory Jackson (50 s), Kelly, BCMP (70 s) Analisi dei flussi in code singole ed in reti di code Risultato principale Probabilità limite di occupazione delle code n = (n 1, n 2,, n k ) P(n ) = P(n 1 ) P(n 2 ) P(n k ) (forma prodotto) Limitazioni Modelli semplidi di traffico (es. Traffico poissoniano) Questo approccio è approfondito nel corso di Ingegneria del traffico Inadatta per l analisi dello scheduling

25 Effective Bandwidth Hui, Mitra, Kelly (90s) Descrive con un unico parametro la banda richiesta da un flusso, qualsiasi sia la sua variabilità Può essere applicata per Garanzie di traffico In modo indipendente dalla tipologia di traffico Fornisce un guadagno statistico rispetto all allocazione di picco Limitazioni Inadatta per l analisi dello scheduling Traffic (in 50 byte cells) MPEG-Compressed Video Trace Frame number Peak rate effective bandwidth Mean rate

26 Network Calculus Cruz, Chang, LeBoudec (90 s) Determinazione del caso peggiore (worst case) per i ritardi e l occupazione dei buffer Risultato principale se S 1, S 2 and S 3 descrivono il servizio ad ogni nodo, il servizio offerto dalla rete è dato da S net = S 1 * S 2 * S 3 Sender S 1 S 2 S 3 Receiver Applicazioni Allocazione delle risorse in ambiente IntServ Dimensionamento scheduler Limitazioni Non prevede il caso di perdita di pacchetti Non considera il guadagno di multiplazione statistica Sender S net Receiver Approccio molto conservativo (allocazione pessimistica)

27 Metodologie di analisi Requirements Queueing theory Effective bandwidth Network calculus Tipologie di traffico (self-similar, heavy-tailed) Limitato Si Si (approssimato) Scheduling Limitato No Yes QoS (limiti a pardita, throughput, ritardo) Limitato Perdita, throughput Deterministico Guadagno statistico Si Si No Nessuna metodologia è sempre valida in tutti i casi e per tutte le applicazioni

28 Token Bucket

29 Token Bucket (1) I parametri del TSpec di un flusso sono specificati con riferimento ad un dispositivo denominato Token Bucket Fornisce i parametri per l algoritmo di policing ed è utilizzato anche come sagomatore (shaper) di traffico E caratterizzato da cinque parametri token rate (r) maximum service rate (p) (p > r) bucket size (b) minimum policed unit (m) maximum packet size (M)

30 Token Bucket (2) Token Rate (r byte/s) Il token rate r specifica il rate a lungo termine del flusso (average rate) Traffico entrante Occupazione corrente Packet Buffer r Dimensione bucket (b bytes) Burst Buffer b p Service rate (p byte/s) Flusso uscente Il service rate p specifica il rate massimo del flusso (peak rate) Il buffer size b determina la massima lunghezza di burst concessa alla sorgente I pacchetti di lunghezza inferiore a m sono considerati di lunghezza uguale a m byte Un pacchetto di dimensione superiore a M byte è scartato

31 Token Bucket (modello 1) Modello Fluidico Maschera di emissione di una sorgente Il numero massimo di byte A(T) emessi in un intervallo (t,t+t] t da un Token Bucket di parametri (r,b) è dato da A(T) = b+r. T A(t) b + r. t b Nel modello 1 si trascurano il service rate p e il maximum packet size (M) T t

32 Token Bucket (modello 2) Modello Fluidico Maschera di emissione di una sorgente Il numero massimo di byte A(T) emessi in un intervallo (t,t+t] t da un Token Bucket di parametri (r,p,b) è dato da A(T) = min [ p. T, b+r. T ] A(t) p. t b + r. t b Nel modello 2 si trascura il maximum packet size (M) T t

33 Token Bucket (modello 3) Modello Fluidico Maschera di emissione di una sorgente Il numero massimo di byte A(T) emessi in un intervallo (t,t+t] da un Token Bucket di parametri (M,r,p,b) è dato da A(T) = min [ M+p. T, b+r. T ] A(t) M+p. t b + r. t b M Si ipotizza che il pacchetto di lunghezza massima sia inviato ad un rate infinito T t

34 Token Bucket: confronto modelli Modello 1 Il modello 1 considera la maschera peggiore Il modello 3 è peggiorativo rispetto al modello 2 Tutti i tre modelli sono una sovrastima dell effettivo flusso emesso da una sorgente b + r. t M+p. t A(t) p. t Modello 3 b M Modello 2 T t

35 Token Bucket Modello 2 (b,r,p) Burst massimo emettibile dalla sorgente Modello 3 (M,b,r,p) Burst massimo emettibile dalla sorgente Burst max = p b p r Burst max = M + p ( b M ) p r Profilo o massimo mo ON-OFF OFF = b p r T OFF = T ON, 1,1 r b Profilo o massimo mo ON-OFF OFF b M p r T OFF = T ON, 2 =,2 r b TON a1 = = T + T ON + OFF r p a 2 = T TON + T = r( b M ) b M = a1 pb rm b a M ON OFF 1

36 Token Bucket: modello discreto A(t) b + r. t M+p. t pacchetto 6 pacchetto 7 pacchetto 8 b M pacchetto 5 pacchetto 4 pacchetto 3 pacchetto 2 pacchetto 1 Si suppone che la sorgente emetta pacchetti di lunghezza costante M ad un bit rate di picco uguale a p b sia un multiplo intero di M Qualsiasi modello di token bucket si adotti, la maschera fluidica è un upper bound di qualsiasi caso reale t

37 Funzione n di Policing

38 Policing La funzione di policing ha lo scopo di verificare che il flusso emesso da una sorgente sia conforme al TSpec dichiarato occorre controllare se per ogni pacchetto entrante la sorgente aveva il numero di token necessario per la sua trasmissione ovvero se in un qualsiasi intervallo di tempo la sorgente abbia emesso un numero di bit in eccesso rispetto alla sua maschera di emissione I pacchetti non conformi possono essere Scartati Marcati e trattati in rete come traffico best effort S Token bucket Policer Interfaccia utente-rete Router di accesso

39 Schema di controllo del bit rate medio (r) Per ogni pacchetto di lunghezza L bit il policer esegue le seguenti operazioni i Controlla se nel proprio bucket sono presenti almeno L token In caso positivo accetta il pacchetto e diminuisce di L token il contenuto del bucket In caso negativo scarta il pacchetto e non diminuisce il numero di token Token Rate (r byte/s) Token bucket Token Rate (r byte/s) r Bucket size b r Bucket size b pacchetto S Packet Buffer p Service rate (p byte/s) L bit Interfaccia utente-rete N token suff? no yes Policer Pacchetto accettato Pacchetto scartato

40 Esempio (1) Si consideri un flusso caratterizzato dai seguenti parametri di token bucket b = 8000 bit p = 1000 kbit/s r = 200 kbit/s M = 1000 bit La sorgente mette sempre pacchetti di lunghezza massima (L=M) La sequenza temporale con cui i pacchetti arrivano al primo router che esegue la funzione di policing è la seguente Determinare: i pacchetti conformi e non conformi alla maschera del token bucket Il numero di token residuo al termine della trasmissione del pacchetto 16 N Tempo Pacch. ms

41 Esempio (2) A(t) Parametri dichiarati N Tempo Token Pacchetto T k b = 8000 bit; p = 1000 kbit/s; r = 200 kbit/s Lunghezza dei pacchetti L=1000 bit b+rt Tempo (ms) pt Pacch ms prima arrivo conforme? si 7200 si 6600 si 5800 si 5000 si 4400 si 3600 si 2800 si 2000 si si no no no si no si Token dopo arrivo