Andrea BIANCO. QoS IN INTERNET - 1. Le basi per fornire QoS

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1 QoS nella rete Internet Andrea BIANCO QoS IN INTERNET - 1 Le basi per fornire QoS Esistono alcuni principi indispensabili per poter fornire QoS Sono criteri euristici di buon senso (anche se molto spesso negati!), ma non dimostrabili Sono chiamati principi o postulati QoS IN INTERNET - 2

2 Primo Postulato Classificazione dei pacchetti (ai bordi della rete) Consente agli apparati di distinguere tra diversi clienti o classi di traffico Permette di definire diversi livelli di QoS per flussi classificati in modo diverso Consente una tariffazione differenziata QoS IN INTERNET - 3 Classificazione Avviene ai bordi della rete Può essere fatta dagli host oppure da speciali dispositivi nei router di ingresso Basata su: indirizzi applicazioni servizi utenti contenuto QoS IN INTERNET - 4

3 Secondo Postulato Verificabilità dei contratti di traffico Permette al fornitore di servizi di evitare frodi Consente all utente di controllare se il servizio ricevuto è conforme alle aspettative QoS IN INTERNET - 5 Verificabilita` Richiede un profilo di traffico descrivibile Necessita di un algoritmo di misura delle caratteristiche del traffico: il Token Bucket Algorithm Speciali dispositivi per la sagomatura (shaping) e il contollo (policing) del traffico implementano TBA QoS IN INTERNET - 6

4 Token Bucket dalla sorgente token generati a tasso costante ogni T secondi alla rete QoS IN INTERNET - 7 Terzo Postulato Isolamento dei diversi flussi Separa il traffico proveniente da applicazioni diverse Permette un trattamento differenziato della QoS in funzione della classe di traffico Consente la coesistenza di priorità diverse all interno della rete QoS IN INTERNET - 8

5 Isolamento dei flussi Funzione da implementare nei router Possibili algoritmi di accodamento: Trunking (inefficiente) Weighted Round Robin (WRR) Weighted Fair Queueing (WFQ) QoS IN INTERNET - 9 Quarto Postulato Controllo di accesso (CAC) Una nuova chiamata deve essere accettata dalla rete solo se: 1) puo` ricevere il servizio richiesto con la qualita` richiesta con elevata probabilita` 2) non danneggia la QoS delle chiamate gia` accettate 3) non porta la rete in instabilita` QoS IN INTERNET - 10

6 Controllo di accesso (CAC) Segnalazione delle risorse disponibili Segnalazione del servizio richiesto Algoritmi per la valutazione della QoS attesa Apparati che implementano in modo organico queste tre funzioni QoS IN INTERNET - 11 Quinto Postulato Elevato uso delle risorse. Motivazioni: mantiene basso il costo dei servizi mantiene alto il guadagno del fornitore fattore abilitante per l introduzione di servizi ad alto valore aggiunto Per ottenerlo Multiplazione statistica QoS descritta in modo statistico Algoritmi di inoltro dei pacchetti work conserving (WFQ, RR, WRR, PQ, CPQ) Non tutti concordano su questo aspetto QoS IN INTERNET - 12

7 Proposte IETF Best-effort Migliorare efficienza con politiche di scarto intelligenti Architetture per QoS Integrated Services RSVP Differentiated Services Bandwidth Brokers Protocolli per supporto multi-media QoS IN INTERNET - 13 Buffer management nei router Il trattamento dei pacchetti nelle code (buffer) dei router ha un effetto determinante sull equità Output link Algoritmo di accettazione Quando un pacchetto arriva da un link di ingresso di un router, l algoritmo determina se il pacchetto può essere accettato QoS IN INTERNET - 14

8 Buffer management nei router Due domande fondamentali Quando scartiamo un pacchetto? Quando il buffer è pieno? ( droptail ) Quando il buffer si sta riempiendo troppo? (AQM) Quale pacchetto dev essere scartato? Il pacchetto che arriva (ma è lui responsabile per la congestione?) Un pacchetto del flusso che ha il maggior numero di pacchetti in coda? (complicato) Il pacchetto in testa alla coda (ha già atteso troppo, probabilmente è già scaduto ha senso se la velocità di svuotamento e riempimento del buffer non è costante) QoS IN INTERNET - 15 Buffer management nei router Obiettivi: controllare la quantità di pacchetti nel buffer per Offrire equità ai flussi best-effort Proteggere da flussi che non rispondono a segnalazioni di congestione Raggiungere una buona utilizzazione del link di uscita QoS IN INTERNET - 16

9 DropTail buffer L algoritmo più ovvio Principio: quando il buffer è pieno, il pacchetto in arrivo viene scartato Vantaggi: Facile da implementare Limita le perdite con buffer di dimensioni elevate Svantaggi: Punisce indiscriminatamente tutti i flussi Non è la soluzione migliore per TCP QoS IN INTERNET - 17 Buffer AQM Con Active Queue Management (AQM) si intendono tutte le tecniche di buffer management che non scartano i pacchetti in modo indiscriminato L esempio più comune è l algoritmo RED (Random Early Detection), ne esistono diverse versioni e varianti QoS IN INTERNET - 18

10 Random Early Detection Implementabile in router con una singola coda logica Si cerca di ottenere una bassa (ma non nulla) occupazione media del buffer Basso ritardo per applicazioni multimedia e TCP Utilizzazione efficiente del link di uscita Approssima una politica equa di scarto di pacchetti Scarta pacchetti in modo TCP friendly TCP reagisce male a perdite in blocco QoS IN INTERNET - 19 Random Early Detection RED è stato proposto da Floyd, Jacobson e il suo uso è raccomandato nell RFC 2309 Implementato in molti router, es. da Cisco Principio: Rilevare la congestione misurando l occupazione media del buffer Scartare un numero sempre maggiore di pacchetti al crescere della congestione Pacchetti scartati anche se il buffer non è pieno QoS IN INTERNET - 20

11 RED: principi di funzionamento Come si misura la congestione? p(x) p max 1 Stima del valore medio x dell occupazione del buffer usando un filtro numerico passa-basso Lo scarto dei pacchetti avviene con probabilità p(x), entro soglie che determinano scarto totale o nullo Min_th Max_th Perché scarto probabilistico? Evita di scartare pacchetti consecutivi di uno stesso flusso punisce statisticamente i flussi più presenti Evita sincronizzazione in flussi TCP x QoS IN INTERNET - 21 RED: Algoritmo Packet arrival : compute average queue occupancy: avg if (avg < min_th) // no congestion accept packet else if (min_th <= avg < max_th ) // near congestion, probabilistic drop calculate probability Pa with probability Pa discard packet else with probability (1-Pa) accept packet else if avg => max_th discard packet QoS IN INTERNET - 22

12 RED: problemi Difficile scelta dei parametri e prestazioni inferiori a droptail (Christiansen et al, SigComm 00) All aumentare dei flussi nel buffer, p oscilla intorno a p max, rendendo RED instabile (Firoiu- Borden, Infocom 00) Introduzione della variante gentle RED p(x) 1 p max 2*Max_th Min_th Max_th x QoS IN INTERNET - 23 RED: problemi RED è essenzialmente un algoritmo di controllo ad anello chiuso Se i flussi sono non-responsive (es, multimedia non adattativo), RED funziona male Anche in presenza di flussi responsive (es, TCP o multimedia adattativi) il filtro passa-basso introduce ritardo aggiuntivo (Hollot et al., Infocom 01) usare valore istantaneo dell occupazione del buffer? QoS IN INTERNET - 24

13 Varianti AQM Varianti di RED: FRED (Ling-Morris, SIGCOMM 97): contabilità dei flussi attivi per punire chi usa più banda BRED (Anjum-Tassiulas, INFOCOM 99): Balanced RED punisce i flussi più presenti nel buffer SRED (Lakshman-Wong, INFOCOM 99): Stabilized RED varia p(x) anche in funzione del numero di flussi attivi DRED (Aweya et al., Computer Networks, 2001) varia p(x) secondo la distanza della coda da una soglia RED-PD (Floyd) BLUE ( QoS IN INTERNET - 25 IntServ Architetture per QoS Integrated Services DiffServ Differentiated Services QoS IN INTERNET - 26

14 Integrated Services Architettura per fornire QoS individuale a ciascun flusso applicativo; i nodi della rete riservano le risorse necessarie al flusso (terzo postulato) Instaurazione delle chiamate tramite segnalazione: ogni applicazione apre una chiamata separata che può essere rifiutata (quarto postulato) IntServ QoS IN INTERNET - 27 Integrated Services Caratterizzazione del traffico tramite le specifiche vettoriali T-spec di ogni flusso Caratterizzazione della QoS richiesta tramite specifiche vettoriali R-spec di ogni flusso Problemi di scalabilita` IntServ QoS IN INTERNET - 28

15 Apertura di una chiamata segnalazione hop-by-hop IntServ QoS IN INTERNET - 29 Caratterizzazione del traffico e richieste di Qos T-spec insieme di parametri che descrivono il traffico che verrà iniettato in rete R-spec insieme di parametri che descrivono la QoS richiesta dal traffico (sempre associata ad una T- spec) T-spec ed R-spec servono ai nodi per stabilire se ci sono abbastanza risorse per la nuova connessione IntServ QoS IN INTERNET - 30

16 Servizio Guaranteed Quality Fornisce un limite superiore assoluto e dimostrabile al ritardo che un pacchetto può esperire in un nodo IntServ no garanzie su ritardi medi e su jitter no perdite per overflow (buffer riservati) Garanzie fornite a pacchetti conformi non conformi diventano best effort Piuttosto complicato, ma l idea di base e` quella emulare in ogni nodo la presenza di dispositivi tipo token buket dedicati ad ogni flusso QoS IN INTERNET - 31 Servizio Controlled Load Fornisce una qualita` di servizio quasi indistinguibile dalla QoS che lo stesso flusso riceverebbe se l elemento di rete fosse scarico Non fornisce garanzie assolute ma solo statistiche su ritardo e perdita Ha come obiettivo soprattutto fornire un servizio migliore a applicazioni real-time sviluppate per reti best-effort IntServ QoS IN INTERNET - 32

17 RSVP Resource ReSerVation Protocol Protocollo di segnalazione per IntServ Fornisce un servizio di trasporto hop-by-hop direttamente su IP per i messaggi di segnalazione Non specifica IntServ protocolli di routing multicast CAC come i nodi prenotano le risorse come i nodi forniscono la QoS richiesta QoS IN INTERNET - 33 RSVP: specifiche di progetto Adatto a sessioni sia unicast sia multicast Supporto per ricevitori eterogenei Protocollo pilotato dai ricevitori: chi riceve le informazioni prenota le risorse e le mantiene durante la comunicazione Adattamento automatico a cambiamenti Basato sul concetto di soft-state : ogni prenotazione deve essere continuamente rinfrescata, altrimenti viene cancellata allo scadere di un contatore IntServ QoS IN INTERNET - 34

18 RSVP: sommario Prenota risorse per un flusso dati per volta E il ricevitore a decidere se prenotare, e quanto prenotare I messaggi di controllo di RSVP (Es., le richieste di prenotazioni) sono propagati come datagram IP Non occorre conferma end-to-end di avvenuta prenotazione (solo di fallimento) QoS IN INTERNET - 35 RSVP: operazioni Esempio: audioconferenza multicast con una sorgente e molteplici ricevitori registrati La sorgente invia messaggi PATH, (quasi) periodicamente, agli indirizzi dei ricevitori T-spec (token rate, token bucket depth, minimum policed size, maximum packet size, peak rate, ) Il ricevitore invia messaggi RESV seguendo il percorso inverso registrato nei messaggi PATH T-spec R-spec tipo di servizio Intserv richiesto F-spec (filtro che caratterizza sottoinsieme di pacchetti per cui si fa prenotazione) QoS IN INTERNET - 36

19 RSVP: operazioni I messaggi RESV, hop per hop, eseguono le prenotazioni di banda richieste dal ricevitore se un router non ha sufficienti risorse, ne informa il ricevitore che ha inviato il RESV se due o più messaggi RESV prenotano dati dalla stessa sorgente sullo stesso link, sono fusi (merging) prima di essere inoltrati a monte verso la sorgente. Algoritmi merging non banali. Alla fine della sessione, sorgente o ricevitore inviano un messaggio TEARDOW QoS IN INTERNET - 37 IntServ QoS IN INTERNET - 38

20 RSVP: merging flusso dati messaggi di prenotazione merged IntServ messaggi di prenotazione QoS IN INTERNET - 39 Il soft state RSVP gestisce i mutamenti di instradamento come se fossero la norma, non l eccezione: in assenza di cambi di percorso, messaggi PATH e RESV periodici rinfrescano lo stato di prenotazione ai nodi intermedi quando si verificano cambiamenti, nuovi messaggi PATH identificano il nuovo cammino e nuovi messaggi RESV seguono stati di prenotazione non rinfrescati scadono Garanzia per tutta durata del flusso solo se routing non cambia QoS IN INTERNET - 40

21 Request For Comments RFC 1633: Architettura generale RFC 2210: RSVP - la segnalazione di IntServ RFC 2211: Servizio Controlled-Load RFC 2212: Servizio Guaranteed Quality RFC 2215: Parametri e configurazioni IntServ QoS IN INTERNET - 41 IntServ: osservazioni Scalabilità pessima Ogni router deve mantenere informazione di stato per flussi di strato 4 elaborazione messaggi RSVP in tutti i router classificazione di tutti i pacchetti per ogni flusso policing/queueing/scheduling per flusso Richiede definizione precisa del traffico difficile per alcune applicazioni QoS IN INTERNET - 42

22 Differentiated Services Architettura di rete più semplice Considera solo flussi aggregati, ovvero classi di traffico (scalabilità) e definisce QoS per classe Fornisce modelli di servizio flessibili e aperti Supporta la QoS senza bisogno di un sistema di segnalazione complesso come RSVP QoS IN INTERNET - 43 Perché Diffserv? Il caso dell ISP In fase di progetto, ISP prende decisioni economiche Di ogni cliente, si conosce il livello di traffico immesso in rete ma non la destinazione Occorrono upgrade di banda e monitoraggio dei link ISP Cust1 Cust3 R2 Backbone R3 Cust5 ISP Cust2 R1 ISP Contratto x Mbps di best-effort R6 BR1 Cust9 BR2 BR3 R5 R4 ISP Cust7 Cust8 QoS IN INTERNET - 44

23 Architettura core-and-edge Struttura differenziata tra i bordi della rete (edge) e la parte interna (core) Le funzioni più complesse sono svolte solo sul bordo della rete La parte interna si concentra su poche funzioni fondamentali DiffServ QoS IN INTERNET - 45 Architettura core-and-edge network edge network core DiffServ network edge QoS IN INTERNET - 46

24 DiffServ: Architettura Rete divisa in due parti Cust2 Cust2 Edge routers ER Cust7 Router interni R ER Diffserv domain A R R BR Border routers Diffserv domain B BR Router interni semplici per funzionare ad alte velocità Funzionalità complesse fornite solo ai nodi di DiffServ bordo (border e edge routers) QoS IN INTERNET - 47 Funzioni di bordo (edge functions) Classificazione dei pacchetti (Primo Postulato) classe di servizio è indicata esplicitamente in ogni pacchetto IP mediante marking fatto da cliente edge router border router Condizionamento del traffico (Secondo Postulato) DiffServ QoS IN INTERNET - 48

25 Funzioni della parte interna (core functions) Commutazione e trasmissione dei pacchetti in base alla sola classe di servizio di appartenenza dei pacchetti (per-hop-behavior) DiffServ QoS IN INTERNET - 49 Classificazione dei pacchetti Si suddivide in due parti: scelta della classe di traffico o behavior aggregate (classification) assegnazione del codice DSCP Differentiated Service Code Point (marking) DiffServ dalla sorgente classification marking alla rete QoS IN INTERNET - 50

26 DiffServ: Packet Marking Si ridefinisce la semantica del byte ToS nell header del pacchetto IP VER HLEN TOS total length Identification F L A G fragment offset TTL protocol header checksum source IP address destination IP address DSCP CU Riservato ad uso Futuro (ECN) DiffServ Code Point Usato per specificare come la Rete deve trattare il pacchetto Default DSCP Significa best-effort QoS IN INTERNET - 51 Condizionamento Il condizionamento del traffico serve a rendere un flusso di pacchetti con un dato DSCP conforme ad un contratto di traffico Si svolge mediante un dispositivo di misura (meter) associata ad un dispositivo di sagomatura (shaper) o scarto (dropper) dei pacchetti DiffServ QoS IN INTERNET - 52

27 Condizionamento classification marking meter shaper alla rete DiffServ classification marking meter confine tra reti dropper alla rete classification marking meter shaper alla rete meter dropper QoS IN INTERNET - 53 Condizionamento Il meter confronta le caratteritiche del flusso rispetto ad un contratto di traffico (traffic profile) (Quarto Postulato) Meter + Shaper o Meter + Dropper dispositivo token bucket DiffServ QoS IN INTERNET - 54

28 Fornitura di servizi DiffServ Cust2 Cust2 ER Service Level Agreement Specifica, per ogni servizio supportato dal Dominio DiffServ la quantità di traffico che Cust2 può inviare in rete (eventualmente specificando la destinazione) La rete dà alcune garanzie - perdita di pacchetti entro un certo periodo - ritardo end-to-end in punti chiave - affidabilità della rete -... R R R ER Diffserv domain A BR Diffserv domain B BR Diffserv Codepoints Il gestore della rete definisce i servizi che vuole offrire e li associa ad uno degli DSCP QoS IN INTERNET - 55 Fornitura di servizi DiffServ Cust2 Cust2 Classification Metering ER Shaping Marking Discarding R R R ER Diffserv domain A BR Diffserv domain B BR ER può ritardare pacchetti di alcuni flussi ER può cambiare DSCP di alcuni pacchetti in base a classificazione e metering ER può scartare alcuni pacchetti in base a classificazione e metering QoS IN INTERNET - 56

29 Fornitura di servizi DiffServ Cust2 Cust2 ER R R R Diffserv domain B BR ER Diffserv domain A BR Ruoli di BR Supporta le stesse funzioni di ER, ma per bande più elevate e traffico inter-dominio. Se necessario, ripete il marking se i domini A e B usano DSCP differenti (problemi di mappatura tra i domini) QoS IN INTERNET - 57 Per-Hop-Behavior (PHB) Insieme di regole coerenti che consentono di inoltrare i pacchetti in modo differenziato solamente in funzione del loro DSCP comportamento differenziato misurabile dall esterno, senza alcuna specifica sui meccanismi interni PHB definiti default (best effort) class selector expedited forwarding DiffServ assured forwarding QoS IN INTERNET - 58

30 Default PHB Servizio base Conforme a tradizionale servizio best-effort in Internet RFC 2474 DSCP = (raccomandato) DiffServ QoS IN INTERNET - 59 Class-Selector PHB Per mantenere compatibilità con gli schemi di IP-precedence implementati nella rete, si definisce un valore del DSCP del tipo xxx000 ove x valga 0 o 1. I codici di tipo xxx000 vengono anche detti Class-Selector Code Points. QoS IN INTERNET - 60

31 Class-Selector PHB Ad esempio, un pacchetto con DSCP= (equivalente ad un valore di 110 negli schemi basati su IP-precedence) avranno un trattamento preferenziale rispetto a pacchetti aventi DSCP= Le caratteristiche degli schemi basati su IPprecedence sono quindi conservate. QoS IN INTERNET - 61 Expedited Forwarding PHB RFC classi: da garantita a besteffort Il tasso di servizio di ogni classe e`>= di un tasso specificato indipendentemente dalle altre classi (isolamento dei flussi) Definizione semplice Ottenibile con algoritmi a bassa complessita`(forse) DiffServ QoS IN INTERNET - 62

32 Expedited Forwarding PHB EF puo essere implementato utilizzando il meccanismo di priority-queueing (PQ) insieme al meccanismo di rate-limiting basandosi sul tipo di classe. EF permette di definire un virtual-leased circuit oppure un servizio di tipo premium Il valore consigliato per il campo DSCP e QoS IN INTERNET - 63 Assured Forwarding PHB RFC classi X 3 priorita` di scarto = 12 DSCP Piu` complesso di EF-PHB Esprime le garanzie di servizio in termini di banda, ritardo, perdite e capacita` di memorizzazione Puo` essere usato come base per costruire servizi con QoS ben definita DiffServ QoS IN INTERNET - 64

33 Assured Forwarding PHB Simile al servizio Controlled Load Service presente nei modelli IntServ. Il traffico può essere suddiviso nelle seguenti classi: Gold: 50% della larghezza di banda allocata. Silver: 30% della larghezza di banda allocata. Bronze: 20% della larghezza di banda allocata. QoS IN INTERNET - 65 Assured Forwarding PHB Si possono inoltre definire quattro classi AF: AF1, AF2, AF3, AF4. Ad ogni classe viene assegnato una quantità specifica di memoria e larghezza di banda ad ogni interfaccia, conformemente alle specifiche SLA. Per ogni classe e possibile specificare tre drop-precedence. QoS IN INTERNET - 66

34 Assured Forwarding PHB Una classe puo essere specificata da un valore DSCP pari a xyzab0 ove xyz puo valere {001,010,011,100} mentre ab corrisponde al valore di drop precedence QoS IN INTERNET - 67 Gestione della rete Speciali entita`chiamate Bandwidth Brockers (BB) scambiano informazioni e gestiscono le risorse definite con i PHB??? DiffServ QoS IN INTERNET - 68

35 Request For Comments RFC 2474: Definizioni e Formati RFC 2475: L architettura di principio RFC 2597: Modelli di Servizio RFC 2598: Modelli di Servizio RFC 2638: Un architettura semplificata DiffServ QoS IN INTERNET - 69 Una possibile soluzione isola IntServ isola IntServ backbone DiffServ IntServ + DiffServ isola IntServ QoS IN INTERNET - 70