La qualità di servizio nelle reti a pacchetto Mario Baldi Politecnico di Torino mario.baldi@polito.it staff.polito.it/mario.baldi 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 della Pubblica Istruzione e al Ministero dell Università e Ricerca Scientifica e Tecnologica, 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 - 1 M. Baldi: see page 2 Multimedia&QoS - 2 M. Baldi: see page 2 Argomenti della lezione! Applicazioni multimediali " Requisiti e impatto sulle reti a pacchetto! Tecniche per la qualità di servizio " Accodamento " Controllo dell accesso Applicazioni multimediali nelle reti a pacchetto Multimedia&QoS - 3 M. Baldi: see page 2 Multimedia&QoS - 4 M. Baldi: see page 2
Cosa è la multimedialità? Utilizzo contemporaneo di vari media Testo Suoni Immagini Video La codifica dei media Campionamento e quantizzazione Degrado della qualità Impercettibile Codifica campioni Possibilità di riproduzione senza degrado della qualità Multimedia&QoS - 5 M. Baldi: see page 2 Multimedia&QoS - 6 M. Baldi: see page 2 Compressione Codifica delle immagini Eliminazione di ridondanza! Spaziale! Temporale! Eventuale perdita di informazione " Degrado della qualità JPEG JPEG2000 GIF TIFF Multimedia&QoS - 7 M. Baldi: see page 2 Multimedia&QoS - 8 M. Baldi: see page 2
Codifica del video MPEG1 " Bassa qualità " 1.5 Mb/s MPEG2 " Alta qualità (DVD) " 3.6 Mb/s Codifica del video MPEG4 " Codifica e compressione basata su identificazione di oggetti H.261 " Videoconferenza " Bassa qualità " Banda limitata Multimedia&QoS - 9 M. Baldi: see page 2 Multimedia&QoS - 10 M. Baldi: see page 2 Codifica della voce PCM (64 Kb/s 56 Kb/s) GSM (13 Kb/s) G.729 (8 Kb/s) Codifica audio AVI MP3 (MPEG layer 3 - audio) " 128 Kb/s o 112 Kb/s " Qualità tipo CD G723.3 (6.4 Kb/s e 5.3 Kb/s) Multimedia&QoS - 11 M. Baldi: see page 2 Multimedia&QoS - 12 M. Baldi: see page 2
Codifica audio MP3 " Particolarmente robusto " Qualsiasi frammento può essere riprodotto indipendentemente dagli altri " Adatto a Internet Standard di codifica: quale scegliere? La scelta della codifica dipende da! Capacità elaborative dei terminali! Disponibilità di risorse di rete Multimedia&QoS - 13 M. Baldi: see page 2 Multimedia&QoS - 14 M. Baldi: see page 2 Standard di codifica: quale scegliere? La scelta della codifica dipende da! Tipo di applicazione " Live (real-time) " Store&retrieve Applicazioni multimediali in rete! World Wide Web! Distribuzione video! Video on Demand! Telefonia! Radio! Servizio di jukebox Multimedia&QoS - 15 M. Baldi: see page 2 Multimedia&QoS - 16 M. Baldi: see page 2
Applicazioni multimediali in rete Applicazioni multimediali in rete! Teleconferenza! Giochi distribuiti interattivi! Apprendimento a distanza (distance learning)! Realtà virtuale Anche un solo media, ma Caratteristiche diverse dalle applicazioni tradizionali Multimedia&QoS - 17 M. Baldi: see page 2 Multimedia&QoS - 18 M. Baldi: see page 2 Caratteristiche rilevanti: streaming! Flusso continuo di dati! Il profilo del flusso generato deve essere uguale a quello da riprodurre " Continuous playout Caratteristiche rilevanti: interattività! Con un altra persona! Con un sistema! Tempi di risposta brevi! Molto diverso dalle applicazioni tradizionali Multimedia&QoS - 19 M. Baldi: see page 2 Multimedia&QoS - 20 M. Baldi: see page 2
Caratteristiche rilevanti! Larga banda trasmissiva! Comunicazioni di gruppo (group multicast) " Comunicazioni molti a molti Requisiti sulla rete Multimedia&QoS - 21 M. Baldi: see page 2 Multimedia&QoS - 22 M. Baldi: see page 2 Streaming Interattività! Perdite limitate " Molte applicazioni sono relativamente tolleranti alle perdite! Ritardi bassi " Dialogo: sotto 100 ~ 150 ms one way! Ritardi costanti Rete Multimedia&QoS - 23 M. Baldi: see page 2 Multimedia&QoS - 24 M. Baldi: see page 2
Larga banda trasmissiva Comunicazioni di gruppo Elevata disponibilità di risorse! Capacità trasmissiva! Memoria nei nodi (buffer)! Potenza elaborativa (routing, ecc)! Commutazione! Servizi di trasmissione multicast " IP multicasting " MBone! Server con funzionalità di reflector o multiconference unit L avanzamento tecnologico aiuta Multimedia&QoS - 25 M. Baldi: see page 2 Multimedia&QoS - 26 M. Baldi: see page 2 Il ritardo, che problema!! Il ritardo, qual è il problema? Le applicazioni multimediali sono dette anche applicazioni real-time Varia a seconda del carico istantaneo sui nodi Multimedia&QoS - 27 M. Baldi: see page 2 Multimedia&QoS - 28 M. Baldi: see page 2
Contromisure nelle stazioni Compensazione delle variazioni di ritardo Replay buffer Dimensione fissa per applicazioni non interattive Adattativo per applicazioni interattive 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 - 29 M. Baldi: see page 2 Multimedia&QoS - 30 M. Baldi: see page 2 Contromisure nelle stazioni Adattamento alle condizioni della rete Diminuire traffico generato quando la qualità della sessione diminuisce Strumenti A tutto c è un limite Multimedia&QoS - 31 M. Baldi: see page 2 Multimedia&QoS - 32 M. Baldi: see page 2
Comunicazione! Informazioni temporali " RTP - Real-time Transport Protocol " Time stamp! Stato della comunicazione " RTCP - RTP Control Protocol Codifica adattativa (adaptive coding)! Granularità di quantizzazione! Parametri della compressione! Feedback " Per esempio RTCP Multimedia&QoS - 33 M. Baldi: see page 2 Multimedia&QoS - 34 M. Baldi: see page 2 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 Soluzioni nella rete! Classificazione del traffico! Sofisticati algoritmi di accodamento " WFQ, RR, WRR, CBQ! Micro-controllo del traffico in ingresso alla rete (pacchetto) " Shaping/policing Multimedia&QoS - 35 M. Baldi: see page 2 Multimedia&QoS - 36 M. Baldi: see page 2
Contromisure nella rete 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)! 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 - 37 M. Baldi: see page 2 Multimedia&QoS - 38 M. Baldi: see page 2 Contromisure nella rete 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 - 39 M. Baldi: see page 2 Multimedia&QoS - 40 M. Baldi: see page 2
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) Tecniche per il supporto della qualità di servizio Accodamento Multimedia&QoS - 41 M. Baldi: see page 2 Multimedia&QoS - 42 M. Baldi: see page 2 Accodamento semplice FIFO (First In First Out) Multiplazione statistica Coda TX A C B A C Switch A C B C A Trasmettitore Multimedia&QoS - 43 M. Baldi: see page 2 Multimedia&QoS - 44 M. Baldi: see page 2
Code multiple e scheduling Algoritmi di scheduling! Priority Queuing TX! Round Robin " Weighted Round Robin! Class Based Queuing (CBQ)! Weighted Fair Queuing (WFQ)! Deadline queuing (non work-conserving) Multimedia&QoS - 45 M. Baldi: see page 2 Multimedia&QoS - 46 M. Baldi: see page 2 Classificazione Identificazione dei pacchetti cui garantire qualità ovvero In quale coda inserire ogni pacchetto Classificazione Basata su varie informazioni nell intestazione IP (quintupla) Indirizzo IP destinazione Indirizzo IP mittente Protocollo di trasporto Porta mittente Porta destinazione Multimedia&QoS - 47 M. Baldi: see page 2 Multimedia&QoS - 48 M. Baldi: see page 2
Classificazione Algoritmi complicati Realizzazioni hardware ASIC: Application Specific Integrated Circuit CAM: Content Addressable Memory 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 - 49 M. Baldi: see page 2 Multimedia&QoS - 50 M. Baldi: see page 2 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 Accodamento e commutazione Code in ingresso (input queuing) Controllo distribuito (complicato) Virtual output queuing Code nella matrice di commutazione (distributed queuing) Multimedia&QoS - 51 M. Baldi: see page 2 Multimedia&QoS - 52 M. Baldi: see page 2
Siamo a posto? A A C B C Switch AB C B A C A C A B C A Tecniche per il supporto della qualità di servizio Controllo dell accesso Multimedia&QoS - 53 M. Baldi: see page 2 Multimedia&QoS - 54 M. Baldi: see page 2 Controllo sull accettazione delle chiamate Call admission control (CAC)! Segnalazione " Descrizione traffico generato " Descrizione servizio voluto " Esempi: RSVP e UNI ATM! Prenotazione risorse 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 - 55 M. Baldi: see page 2 Multimedia&QoS - 56 M. Baldi: see page 2
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 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 - 57 M. Baldi: see page 2 Multimedia&QoS - 58 M. Baldi: see page 2 Network engineering Traffic engineering Network engineering Traffic engineering! Continuo controllo dello stato della rete! Eventuale cambiamento del dimensionamento e direttrici di traffico! Bassa efficienza nell uso delle risorse! Semplicità e scalabilità Multimedia&QoS - 59 M. Baldi: see page 2 Multimedia&QoS - 60 M. Baldi: see page 2
Policing e shaping Assicurarsi che il traffico in ingresso alla rete sia come ci si aspetta Token bucket Leaky Bucket Leaky bucket I pacchetti non conformi sono! Ritardati! Scartati Token bucket! Mandati a bassa priorità (eventualmente best effort) TX TX Multimedia&QoS - 61 M. Baldi: see page 2 Multimedia&QoS - 62 M. Baldi: see page 2 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 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 - 63 M. Baldi: see page 2 Multimedia&QoS - 64 M. Baldi: see page 2
COPS (Common Open Policy Service) Distribuzione automatica di policy! Apparati prelevano policy da server! Server invia policy agli apparati Multimedia&QoS - 65 M. Baldi: see page 2