Sommario. Modello dei Serivizi di Rete oltre besteffort?

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1 QS in Internet 1

2 Smmari Mdell dei Serivizi di Rete ltre besteffrt? Integrated-Service: RSVP Differentiated-Service Dynamic Packet State MPLS (Multi-Prtcl LAbel Switching) 2

3 Ricapitlazine Necessità di diversi mdelli di servizi di rete? alcune applicazini nn peran bene cn il mdell IP best-effrt nn può cntrllare il tass di perdita nn può cntrllare il ritard di pacchett nn è pssibile prteggersi da altre sessini cn richieste di banda eccessive Applicazini diverse hann richieste di servizi spess mlt diverse ftp: rate-adaptive audi nn cmpress: bass ritard e perdita, velcità cstante MPEG vide: bass ritard e perdita, alta variabilità del rate gichi interattivi: bass ritard e perdita, bassa variabilità del rate Può un mdell di servizi Internet sddisfare i requisiti di applicazini csi diverse? 3

4 Livell di Trasprt per applicazini Real-Time Diverse idee per miglirare la trasmissine real-time su reti best-effrt jitter: bufferizzazine e playut adattiv perdite: frward errr crrectin (FEC) prtclli: RTP, RTCP, RTSP, H.323, Servizi Real-Time cmunque impredicibili Cnclusine: gestire la trasmissine real-time sl al livell di trasprt nn sufficiente pssibile eccezine: banda illimitata deve cmunque gestire ritardi di accdament ptenzialmente elevati 4

5 Apprcci a Livell di Rete per Applicazini Real-Time Csa può essere fatt a livell di rete per miglirare le prestazini di appl. Real-Time? Si desideran sluzini che sddisfan i requisiti delle applicazini semplici da implementare nei ruters necessitan di pche infrmazini di stat necessitan di risrse di cmputazine limitate 5

6 QS in Reti IP Gruppi di lavr IETF prpngn miglire QS in reti IP (ltre best effrt) per frnire qualita di servizi Lavr in prgress include RSVP, Differentiated Services, e Integrated Services 6

7 Principi per garantire QS Cnsidera una applicazine audi a 1Mbps e un applicaz. FTP che cndividn link da 1.5 Mbps. bursts di FTP pssn cngestinare la rete e causare perdita di pacchetti audi: dare pririta a audi PRINCIPIO 1: Marcare i pacchetti (Marking) per permettere ai ruter di distinguere fra classi di servizi (e avere nuvi ruter che l faccian) 7

8 Principi per garantire QS (cnt.) PRINCIPIO 2: prteggi un applicazine da altre applicazini Anche applicazini real time pssn usare piu banda (es. applicazine audi prenta 1 Mbps e manda a 3Mbps) Intrdurre meccanismi che assicurin di utilizzare la banda richiesta (Plicing) Marking e Plicing devn essere fatti ai brdi della rete (edges): 8

9 Principi per garantire QS (cnt.) Alternativa a Marking e Plicing: allca e garantisci la banda a gni applicazine; us inefficiente della banda PRINCIPIO 3: Mentre separi le applicazini utilizza le risrse efficientemente 9

10 Principi per garantire QS (cnt.) Il traffic nn pu superare la capacita di banda! PRINCIPIO 4: Utilizzare plitica di ammissine di chiamata (Call Admissin): un applicazine dichiara ci che serve e pu essere accettata rifiutata (se nn c e abbastanza banda) 10

11 Plitiche di Scheduling Scheduling: criteri di scelta dei pacchetti da spedire; FIFO: in rdine di arriv alla cda; pacchetti trvan buffer pien sn scartati Plitica di esclusine... se nn c'è spazi in cda: a) scartare b) sstituire 11

12 Plitiche di Scheduling (cnt.) Pririty Queuing: pacchetti hann diverse pririta Ci sn piu cde (una per ciascuna classe di pririta Trasmetti prima pacchetti di pririta piu alta (trasmetti quelli a più bassa prirità sl quand la cda a pri. alta è vuta) 12

13 Plitiche di Scheduling (cnt.) Rund Rbin: esamina cde cn mdalita rund rbin... equ tra le cde FIFO: 123 Rund Rbin:

14 Prirità ed Equità... cmprmess FIFO PRIO R.R

15 Plitiche di Scheduling (cnt.) Weighted Fair Queuing: generalizza rund rbin frnend un servizi differenziat ad gni classe per un dat perid di temp w i R i =R w j 15

16 Meccanismi di Plicing Tre criteri per valutare le risrse assegnate: Fluss medi (average Rate): num. di pacchetti in un intervall di temp relativamente lung (100 pacchetti al sec pacchetti al min) Fluss massim (Peak Rate): massim rate su qualunque intervall di temp Dimensine Burst (burst=raffica): Durata dei picchi 16

17 Media, Picc e Burst Tutti hann la stessa media, ma burst e picc divers 17

18 Caratteristiche del traffic 18

19 Tken Bucket 19

20 Meccanismi di Plicing (cnt.). 20

21 r tken/sec b=1 I pcks/sec Se I < r c è sempre un gettne It Se I > r dev attendere un gettne rt 21

22 r tken/sec b=1 rt 22

23 r tken/sec b b+rt 23

24 Tken Bucket 24

25 Tken bucket Se b+rt>pt pt Se b+rt<pt b+rt 25

26 Meccanismi di Plicing (cnt.) In un intervall di temp di durata t il numer di pacchetti ammessi è al max (r t + b). Tken bucket e WFQ pssn essere cmbinati. 26

27 Strumenti di Base Marcatura dei pacchetti per distinguere applicazini appartenenti a classi diverse: us del camp TS (Type f Service) Classificazine dei pacchetti per distingure tra flussi diversi, i.e. utenti e/ applicazini che ricevn divers trattament ai ruters Operazini di marcatura e classificazine eseguiti all estremità della rete sul terminale. Islament dei flussi: previene un fluss di prevalere sugli altri. Meccanismi di srveglianza, ex: Tken Bucket Islament lgic cn riservazine delle risrse destinate ai singli flussi Mentre si islan i flussi si desidera cmunque assegnare ad un fluss la banda mmentaneamente inutilizzata Call Admissin: nn sempre pssibile accmdare tutti i flussi che richiedn risrse 27

28 Leaky Bucket + WFQ Cnsideriam n flussi reglati leaky bucket cn parametri: b i, r i, i=1,..,n Meccanism di registrazine WFQ: banda ttale: R prirità w i per fluss i Fluss i servit cn tass Ri Quale è il massim ritard di un pacchett del fluss i? Pacchett del burst iniziale ha massim ritard: bi/ri Massim ritard di un pacchett nn del burst? dipende da r i 28

29 Apprcci Per applicazini cn requisiti di QS, due pzini pssibili call-admissin: applicazine specifica i requisiti alla rete (rate, buffer) rete determina se vi è dispnibilità di risrse per l applicazine appl. accettata se vi sn risrse dispnibili, rifiutata altrimenti applicazini adattative - si adeguan alle cndizini di rete rete può dare un trattament preferenziale a determinati flussi (senza garanzia) se la banda dispnibile si riduce, mdifica la cdifica utilizz di pprtunità per buffering, caching, prefetching accrgimenti per tllerare perdite mderate (FEC, cdifiche tlleranti alle perdite) 29

30 Prblemi Call Admissin Ogni ruter deve essere capace di garantire la dispnibilità delle risrse può richiedere un ampia attività di segnalazine Cme deve essere specificata la garanzia bit-rate cstante? (CBR) leaky-bucket? richiede implementazine di meccanismi di srveglianza (verificare che i flussi sian cnfrmi a ciò che richiedn) cmplicat, infrmazini di stat pesanti flussi pssn essere rifiutati Applicazini Adattative Quant si deve adattare un applicazine? Se nn si può adattare abbastanza, deve interrmpersi (quindi rifiutata) servizi sarann men predicibili 30

31 Cnfrnt degli Apprcci Prpsti Nme Descrizine QS cmplessit à Int-Serv Architettura per la riservazine di risrse SI alta RSVP Prtcll di Riservazine SI alta Diff-Serv Architettura a Prirità NO bassa MPLS Architettura labelswitching (stabiliment di circuit) In futur?? 31

32 Integrated Services Un architettura per frnire QS garantita in reti IP per sessini individuali si basa sulla riservazine delle risrse; ruters devn mantenere infrmazini di stat (Circuiti Virtuali?), registrare le risrse assegnate e decidere su questa base a riguard di nuve richieste di cnnessine. 32

33 Integrated Services: Classi QS garantita frnisce una garanzia rigida sul ritard di accdament ai ruters; intesa per applicazini cn vincli real-time stretti che sn altamente sensibili al valre attes ed alla varianza del ritard end-t-end tken buket --> ritard bi/ri (Ri>ri) Caric Cntrllat frnisce QS simile a quella frnita da internet quand nn cngestinata intesa per applicazini real-time che peran bene nelle reti IP dierne quand nn cngestinate Una percentual mlt alta dei pacchetti passa attravers i riter senza essere scartata e cn ritardi minimi 33

34 Call Admissin per QS garantita La sessine deve prima dichiarare i sui requisiti di QS e caratterizzare il traffic che sarà immess nella rete R-spec: definisce la QS richiesta rate che deve essere riservat dal ruter per il fluss ritard end-t-end per hp T-spec: definisce le caratteristiche del traffic leaky bucket + peak rate, dimensine del pacchett Un prtcll di segnalazine è necessari per trasprtare R-spec and T-spec ai ruters RSVP è il principale candidat per tale prtcll di segnalazine 34

35 Call Admissin Call Admissin: ruters ammetterann le chiamate sulla base delle R-spec and T-spec indicate e sulla base delle risrse crrentemente allcate ad altre chiamate ai ruters. 35

36 T-Spec Definisce le caratt. del traffic in termini di leaky bucket (r = rate, b = bucket size) peak rate (p = velcità di riempiment del bucket) max segment size (M) min segment size (m) Traffic deve rimanere al di stt di M + min(pt, rt+b-m) per tutti i tempi T M bits permessi per il pacchett crrente (pkt arrival) M + pt: nn può ricevere più di un pacchett ltre al tass di peak rate nn deve andare ltre la capacità rt+b di leaky bucket 36

37 R-Spec Definisce le richieste minime desiderate da un fluss R: banda richiesta S: temp di slack permess (indica la differenza tra il ritard desiderat dalla srgente ed il ritard effettivamente ttenut tramite l'assegnazine della banda R) In ciascun element di rete vengn assegnati ad un fluss una banda R (bps) ed un buffer B (byte) Ogni element di rete in base ai parametri di Rspec e Tspec calcla la dimensine di B in md da ridurre le perdite ed i ritardi 37

38 R-Spec Definisce le richieste minime desiderate da un fluss R: rate richiest dalla srgente S: termine di crrezine mdificati dal ruter (R in, S in ) valri ingress (R ut, S ut ) valri uscita S in S ut = max temp trascrs nel ruter Se il ruter allca una dimensine di buffer B al fluss e prcessa i pacchetti ad un rate R allra R ut = min(r in, R ) S ut = S in B/R Fluss accettat sl se le seguenti cndizini valgn R R (rate bund) B b bund) (bucket S ut > 0 (delay bund) 38

39 Call Admissin per Caric Cntrllat Un paradigma più flessibile nn garantisce cntr le perdite ed il ritard li rende però men prbabili sl T-Spec è usat i ruters nn ammettn più caric di quell che pssn gestire su lunghi rizznti temprali brevi rizznti temprali nn sn prtetti (a causa della mancanza di R-Spec) In cnfrnt alla QS-garantita cn plitiche di Call Admissin plitiche di ammissine più flessibili garanzie più lasche dipende dall abilità dell applicazine di adattarsi a bassi tassi di perdita gestire ritardi variabili / jitter 39

40 RSVP Int-Serv specifica sl il framewrk per la riservazine delle risrse di rete Occrre un prtcll usat dai ruters per trasprtare le infrmazine sulla riservazine delle risrse Resurce Reservatin Prtcl è il prtcll usat per trasprtare e crdinare le infrmazini di setup delle chiamate (e.g., T-SPEC, R- SPEC) prgettat per adattarsi anche a riservazine multicast ricevitre prende l iniziativa (più facile per multicast) frnisce supprt per unire flussi destinati ad un receiver da srgenti multiple in un singl grupp di multicast 40

41 RSVP: rientat al ricevente srgente 3Mbps cdifica stratificata 3Mbps S->D: messaggi di cammin banda cdifica cammin in upstream D->S: prentazine banda 3Mbps 100Kbps 20Kbps 3Mbps 100Kbps 41

42 Cst di Int-Serv / RSVP Int-Serv / RSVP riservan risrse garantite per un fluss ammess in rete Richiede precise specifiche per i flussi ammessi se specifiche svra-dimensinate, risrse inutilizzate se specifiche stt-dimensinate, risrse sarann insufficienti ed i requisiti nn sddisfatti Prblema: spess difficile per le applicazini specificare esattamente i requisiti pssn variare nel temp (leaky-bucket trpp restrittiv) pssn essere nn nti all inizi della sessine e.g., sessini interattive, gichi distribuiti 42

43 Prblemi cn Int-Serv / Admissin Cntrl Larga quantità di messaggi segnalazine ruters devn cmunicare i requisiti di riservazine riservazine viene svlta sessine per sessine Attività di srveglianza? grande quantità di inf di stat caric addizinale di prcessament / cmplessità ai ruters Segnalazine e srveglianza aumentan cn il numer di flussi attivi Ruters nel cre della rete gestiscn traffic di migliaia di flussi Apprcci Int-Serv nn è scalabile! 43

44 Differentiated Services Intes per rispndere alle difficlta di Intserv e RSVP; Scalabilità: mantenere l stat ai ruters in reti ad alta velcità è difficile a causa del grande numer di flussi Mdell di Servizi Flessibile: Intserv ha sl due classi, si desidera frnire più classi di servizi; ex: distinzini relative di servizi (Platinum, Gld, Silver, ) Segnalazine più semplice: (rispett RSVP) mlte applicazini ed utenti pssn desiderare di specificare una nzine più qualitativa di QS 44

45 Apprcci: Differentiated Services Sl semplici funzini nel cre della rete, e funzini relativamente cmplesse ai ruter di periferia ai terminali Nn definisce classi di servizi, invece frnisce cmpnenti funzinali cn cui le classi di servizi pssn essere cstruite End hst End hst cre ruters edge ruters 45

46 Funzinalità degli Edge Ruter Agli hst abilitati DS ppure al prim ruter abilitat DS Classificazine: i ndi di periferia marcan i pacchetti in accrd alle regle di classificazine da essere specificate (manualmente da amministratre, ppure da un prtcll ancra nn definit) Cndizinament del Traffic: nd di periferia può ritardare e quindi inviare ppure può scartare un pacchett 46

47 Funzinalità del Cre Instradament: in accrd al Per-Hp- Behavir (PHB) specificat per la particlare classe di pacchett; Un PHB definit sl dalla marcatura della classe i ruters nel cre necessitan sl di mantenere un stat per gni classe Grande Vantaggi: Niente stat per-sessine, infrmazini di stat mantenute dai cre ruters plitiche di srveglianza nel cre facili da mantenere (se gli edge-ruters sn affidabili) Grande Svantaggi: nn si pssn avere garanzie rigrse 47

48 Riservazine in Diff-Serv La riservazine in Diff-Serv viene realizzata cn granularità mlt maggire di Int-Serv edge-ruters riservan un prfil per tutte le sessini ad una data destinazine il prfil viene rinegziat su un rizznte temprale mlt più lung (ex: girni) le sessini negzian sl cn l estremità per adeguarsi ad un dat prfil Cnfrnt cn Int-Serv gni sessine deve negziare un prfil cn gni ruter sul cammin negziazini sn cncluse al rate a cui inizia la sessine 48

49 Classificazine e Cndizinament Pacchett è marcat nel camp Type f Service (TOS) di IPv4, e Traffic Class in IPv6 6 bits usati per Differentiated Service Cde Pint (DSCP) per determinare il PHB che riceverà il pacchett 2 bits nn usati 49

50 Classificazine e Cndizinament all estremità Può essere desiderabile limitare il rate di iniezine del traffic nella rete di alcune classi; l utente dichiara il prfil del traffic (ex: rate and burst size); traffic è mnitrat e plasmat se nn cnfrme 50

51 Instradament: Per Hp Behaviur- PHB PHB cnsiste di una differenza sservabile (misurabile) nelle prestazini fferte dalla plitica di instradament di un nd diff-serv PHB nn specifica cme raggiungere un determinat cmprtament nelle plitiche di inltr Esempi: Classe A ttiene x% della banda sul link di uscita in intervalli di temp di una data lunghezza Pacchetti della classe A lascian il ruter prima dei pacchetti della classe B 51

52 Instradament (PHB) Sl due PHBs attualmente cnsiderati: Expedited Frwarding (EF): il rate di inltr dei pacchetti di una classe è uguale maggire ad un dat rate specificat (link lgic cn rate minim) Assured Frwarding (AF): 4 classi, gnuna garantita cn una minima quantità di banda e buffering; gnuna cn tre differenti categrie di preferenza di abbandn 52

53 Mdelli di cda per EF Pacchetti delle diverse classi entran la stessa cda servizi negat dp che la cda raggiunge una certa sglia e.g., 3 classi: verde (prirità più alta), giall (media), rss (prirità più bassa) yellw rejectin-pint red rejectin-pint 53

54 Mdelli di Cda per AF Diverse cde per pacchetti di diverse classi Pacchetti di prirità inferire serviti sl quand nessun pacchett di prirità maggire nel sistema 54

55 Vantaggi di AF Cnfrnt di AF e EF classi a prirità maggire cmpletamente nn cndizinate dalle classi a prirità inferiri Svantaggi di AF traffic ad alta prirità nn può usare buffer del traffic a prirità inferire, anche quand vi è dispnibilità se una sessine invia pacchetti sia ad alta che a bassa prirità, l rdinament dei pacchetti è difficile da determinare 55

56 Prblematiche in Diff-Serv AF e EF nn sn ancra al livell di standardizzazine ma al livell di ricerca Affitt di linee virtuali e servizi in classe Olympic stt discussine Impatt dell attraversament di ASs e ruters nn Abilitati DS Diff-Serv nn mantiene infrmazini di stat nel cre, ma nn frnisce garanzie mlt rbuste E pssibile ttenere entrambi i requisiti: niente infrmazini di stat cn garanzie rbuste? 56

57 Int-Serv: Riepilg mdell frte per QS: riservazine larga quantità di infrmazini di stat prcess di riservazine di cmplessità ntevle Diff-Serv: mdell deble per QS: classificazine nessun inf di stat per-flw nel cre bassa cmplessità Nessun apprcci è cmpletamente sddisfacente Vi sn altre alternative al di furi di IP? 57

58 MPLS Multiprtcl Label Switching frnisce un mdell di instradament / inltr alternativ ad IP può ptenzialmente essere usat per riservare risrse e sddisfare requisiti di QS l architettura per quest scp ancra nn è stata stabilita 58

59 Prblemi cn IP ruting Lent (IP table lkup ad gni pass) Nessuna scelta nel cammin a destinazine (deve essere il cammin più breve) Nn può ffrire garanzie di QS: sessine è cstretta al multiplexing cn i pacchetti di altri flussi 59

60 MPLS Prblema: IP switching nn è l strument più efficiente per la cmunicazine nelle reti layer 2 header layer 3 header data Rimuvi header di Layer 2 Lngest matching prefix lkup New Layer 2 header Netwrk (3) Link (2) Physical (1) Lngest matching prefix lkup è csts grande database di prefissi lunghezza-variabile, cnfrnt bit-per-bit prefissi pssn essere lunghi (32 bits) 60

61 Tag-Switching Per i cammini usati più cmunemente, si aggiunge un tag speciale, che permette di identificare rapidamente l interfaccia di destinazine layer 2 header layer 3 header data può essere dispst in vari lughi per essere cmpatibile cn diverse tecnlgie link e netwrk layer dentr l header del layer 2 in un header separat tra il layer 2 ed il 3 (shim) cme parte dell header di livell 3 pssibile lcazine del tag tag è un breve identificatre usat sl se vi è un match esatt (al cntari di lngest matching prefix) 61

62 Tag switching cnt d Lkup cn piccli tag è mlt più velce spess facile da realizzare in hardware spess è necessari cinvlgere layer 3 layer 2 header layer 3 header data Netwrk (3) Link (2) Physical (1) 62

63 Virtual Circuit cn MPLS Può stabilire rute fissate (alternative) cn etichette L L L L src dest Nta: può aggregare flussi cn stessa etichetta Può realizzare etichettatura lung il cammin (i.e., ruter può stabilire un etichetta) 63

64 Quale è la miglire sluzine? IntServ ha pers Trppe infrmazini di stat e cmplessità nel prtcll di segnalazine incapace si quantificare in md accurat le necessità dell applicazine in md semplice e cnveniente DiffServ sta perdend Nn char quale tip di servizi un fluss ttiene se cmpra una classe premium Csa accade ai flussi che nn appartengn alla classe premium MPLS: ancra mlt interesse, ma nn è chiar csa realmente cambia? Vincitre attuale: svra-dimensinament!! Bandwidth è pc cstsa ISPs frniscn abbastanza banda da sddisfare le necessità delle applicazini 64

65 E il svra-dimensinament la rispsta? Prblema: i punti di cllegament tra ISPs parte del traffic deve attraversare diversi ISPs il traffic attravera i peering pint tra ISPs ISPs nn sn incentivati per fare apparire migliri gli altri ISPs, quindi nn svra-dimensinan ai peering pint Sluzini: ISPs duplican i buffer e il cntenut all intern del lr dmini Csa fare cn cntenuti che cambian dinamicamente? Vi sarà sembra abbastanza banda? Quale sarà la prssima applicazine killer? 65