QoS nella rete Internet

QoS nella rete
Internet
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 nella rete Internet
Andrea BIANCO
[email protected]
http://www.telematica.polito.it/
QoS IN INTERNET - 1
QoS IN INTERNET - 2
Primo Postulato
Classificazione
• Classificazione dei pacchetti (ai bordi della
rete)
• Avviene ai bordi della rete
• Può essere fatta dagli host oppure da
speciali dispositivi nei router di ingresso
• Basata su:
– 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
– indirizzi
– applicazioni
– servizi
– utenti
– contenuto
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Secondo Postulato
Verificabilita`
• Verificabilità dei contratti di traffico
• 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
– Permette al fornitore di servizi di evitare frodi
– Consente all’utente di controllare se il servizio
ricevuto è conforme alle aspettative
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QoS IN INTERNET - 6
Pag. 1
QoS nella rete
Internet
Token Bucket
Terzo Postulato
• Isolamento dei diversi flussi
token generati
a tasso costante
ogni T secondi
dalla
sorgente
– 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
alla
rete
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QoS IN INTERNET - 8
Isolamento dei flussi
Quarto Postulato
• Funzione da implementare nei router
• Possibili algoritmi di accodamento:
• Controllo di accesso (CAC)
– Una nuova chiamata deve essere accettata dalla
rete solo se:
– Trunking (inefficiente)
– Weighted Round Robin (WRR)
– Weighted Fair Queueing (WFQ)
• 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`
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Controllo di accesso (CAC)
Quinto Postulato
• Elevato uso delle risorse. Motivazioni:
• Segnalazione delle risorse disponibili
• Segnalazione del servizio richiesto
• Algoritmi per la valutazione della QoS attesa
– 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
• Apparati che implementano in modo
organico queste tre funzioni
– 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
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QoS IN INTERNET - 12
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QoS nella rete
Internet
Proposte IETF
Buffer management nei router
• Best-effort
• Il trattamento dei pacchetti nelle code (buffer)
dei router ha un effetto determinante
sull’equità
– Migliorare efficienza con politiche di scarto
intelligenti
• Architetture per QoS
– Integrated Services
• RSVP
Output link
– Differentiated Services
• Bandwidth Brokers
• Protocolli per supporto multi-media
Algoritmo di accettazione
Quando un pacchetto arriva da un link di
ingresso di un router, l’algoritmo determina
se il pacchetto può essere accettato
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QoS IN INTERNET - 13
Buffer management nei router
Buffer management nei router
• Due domande fondamentali
• Obiettivi: controllare la quantità di pacchetti
nel buffer per
– Quando scartiamo un pacchetto?
– Offrire equità ai flussi best-effort
– Proteggere da flussi che non rispondono a
segnalazioni di congestione
– Raggiungere una buona utilizzazione del link di
uscita
• 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
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è costante)
QoS IN INTERNET - 16
DropTail buffer
Buffer AQM
• L’algoritmo più ovvio
• Principio: quando il buffer è pieno, il
pacchetto in arrivo viene scartato
• Vantaggi:
• 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),
– Facile da implementare
– Limita le perdite con buffer di dimensioni elevate
– ne esistono diverse versioni e varianti
• Svantaggi:
– Punisce indiscriminatamente tutti i flussi
– Non è la soluzione migliore per TCP
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QoS nella rete
Internet
Random Early Detection
Random Early Detection
• Implementabile in router con una singola
coda logica
• Si cerca di ottenere una bassa (ma non
nulla) occupazione media del buffer
• RED è stato proposto da Floyd, Jacobson e
il suo uso è raccomandato nell’RFC 2309
• Implementato in molti router, es. da Cisco
• Principio:
– Basso ritardo per applicazioni multimedia e TCP
– Utilizzazione efficiente del link di uscita
– 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
• Approssima una politica equa di scarto di
pacchetti
• Scarta pacchetti in modo “TCP friendly”
– TCP reagisce male a perdite in blocco
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RED: principi di funzionamento
RED: Algoritmo
• Come si misura la congestione?
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
– 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
p(x)
• Perché scarto probabilistico?
1
9
pmax
9
Min_th
x
Max_th
9
Evita di scartare pacchetti
consecutivi di uno stesso flusso
“punisce” statisticamente i flussi più
presenti
Evita sincronizzazione in flussi TCP
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QoS IN INTERNET - 22
RED: problemi
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 pmax, rendendo RED instabile (Firoiu-
• 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?
Borden, Infocom’00)
• Introduzione
della variante “gentle RED”
p(x)
1
pmax
2*Max_th
Min_th
Max_th
x
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QoS nella rete
Internet
Varianti AQM
Architetture per QoS
• IntServ
• 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)
– Integrated Services
• DiffServ
– Differentiated Services
• BLUE (http://thefengs.com/wuchang/blue/)
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Integrated Services
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
• 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
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QoS IN INTERNET - 28
Caratterizzazione del traffico e
richieste di Qos
Apertura di una chiamata
• T-spec
– insieme di parametri che descrivono il traffico
che verrà iniettato in rete
segnalazione
hop-by-hop
• R-spec
– insieme di parametri che descrivono la QoS
richiesta dal traffico (sempre associata ad una Tspec)
• T-spec ed R-spec servono ai nodi per
stabilire se ci sono abbastanza risorse per la
nuova connessione
IntServ
IntServ
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QoS IN INTERNET - 30
QoS nella rete
Internet
Servizio “Guaranteed Quality”
Servizio “Controlled Load”
• Fornisce un limite superiore assoluto e
“dimostrabile” al ritardo che un pacchetto può
esperire in un nodo
• 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
– 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
IntServ
flusso
IntServ
QoS IN INTERNET - 31
RSVP
Resource ReSerVation Protocol
RSVP: specifiche di progetto
• Protocollo di segnalazione per IntServ
• Fornisce un servizio di trasporto
hop-by-hop direttamente su IP per i
messaggi di segnalazione
• Non specifica
• 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
– protocolli di routing multicast
– CAC
– come i nodi prenotano le risorse
– come i nodi forniscono la QoS richiesta
IntServ
QoS IN INTERNET - 32
– Basato sul concetto di “soft-state”: ogni
prenotazione deve essere continuamente
rinfrescata, altrimenti viene cancellata allo
scadere di un contatore
IntServ
QoS IN INTERNET - 33
QoS IN INTERNET - 34
RSVP: sommario
RSVP: operazioni
• Esempio: audioconferenza multicast con una
sorgente e molteplici “ricevitori” registrati
• La sorgente invia messaggi PATH, (quasi)
periodicamente, agli indirizzi dei ricevitori
• 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)
– 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
–
–
–
–
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Pag. 6
T-spec
R-spec
tipo di servizio Intserv richiesto
F-spec (filtro che caratterizza sottoinsieme di pacchetti
QoS IN INTERNET - 36
per cui si fa prenotazione)
QoS nella rete
Internet
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
IntServ
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RSVP: merging
flusso
dati
IntServ
QoS IN INTERNET - 38
Il soft state
• RSVP gestisce i mutamenti di instradamento
come se fossero la norma, non l’eccezione:
messaggi
di prenotazione
“merged”
– 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
messaggi
di prenotazione
• Garanzia per tutta durata del flusso solo se
routing non cambia
QoS IN INTERNET - 39
QoS IN INTERNET - 40
Request For Comments
IntServ: osservazioni
• 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
• 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
IntServ
QoS IN INTERNET - 41
QoS IN INTERNET - 42
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QoS nella rete
Internet
Differentiated Services
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
• 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
R2
Cust3
Cust1
R3
Cust5
Backbone
ISP
R1
Cust2
BR2
BR1
ISP
R4
BR3
Contratto
x Mbps di best-effort
ISP
Cust7
R6
Cust9
R5
Cust8
QoS IN INTERNET - 43
QoS IN INTERNET - 44
Architettura core-and-edge
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
network
edge
network
core
DiffServ
QoS IN INTERNET - 45
• Rete divisa in due parti
Router
interni
• Classificazione dei pacchetti
(Primo Postulato)
Border routers
– classe di servizio è indicata esplicitamente in
ogni pacchetto IP mediante marking fatto da
Diffserv domain A
Cust2
ER
R
Diffserv domain B
R
Edge routers
Cust7
R
ER
QoS IN INTERNET - 46
Funzioni di bordo
(edge functions)
DiffServ: Architettura
Cust2
network
edge
• cliente
• edge router
• border router
BR
BR
• Condizionamento del traffico (Secondo
Postulato)
– Router interni semplici per funzionare ad alte
velocità
– Funzionalità complesse fornite solo ai nodi di
bordo (border e edge routers)
DiffServ
DiffServ
QoS IN INTERNET - 47
Pag. 8
QoS IN INTERNET - 48
QoS nella rete
Internet
Funzioni della parte interna
(core functions)
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)
• Commutazione e trasmissione dei pacchetti
in base alla sola classe di servizio di
appartenenza dei pacchetti
– (per-hop-behavior)
dalla
sorgente
alla
rete
classification
DiffServ
QoS IN INTERNET - 49
QoS IN INTERNET - 50
DiffServ: Packet Marking
Condizionamento
• Si ridefinisce la semantica del byte ToS
nell’header del pacchetto IP
VER HLEN
TOS
protocol
• 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
0 1 2 3 4 5 6 7
total length
F
L
A
G
Identification
TTL
DSCP
CU
fragment offset
Riservato ad uso
Futuro (ECN)
header checksum
DiffServ Code Point
Usato per specificare come la
Rete deve trattare il pacchetto
Default DSCP 000000
Significa “best-effort”
source IP address
destination IP address
DiffServ
QoS IN INTERNET - 51
Condizionamento
classification
classification
marking
marking
meter
meter
shaper
• Il meter confronta le caratteritiche del flusso
rispetto ad un contratto di traffico (traffic
profile)
(Quarto Postulato)
classification
marking
meter
shaper
confine tra reti
DiffServ
dropper
alla
rete
QoS IN INTERNET - 52
Condizionamento
Meter + Shaper
o
Meter + Dropper
meter
alla
rete
marking
DiffServ
dropper
alla
rete
DiffServ
QoS IN INTERNET - 53
Pag. 9
dispositivo
token
bucket
QoS IN INTERNET - 54
QoS nella rete
Internet
Fornitura di servizi DiffServ
Fornitura di servizi DiffServ
Cust2
Cust2
Cust2
Diffserv
domain B
ER
R
R
ER
Diffserv domain A
La rete dà alcune garanzie
- perdita di pacchetti entro un certo periodo
- ritardo end-to-end in punti chiave
- affidabilità della rete
- ...
R
R
ER
Diffserv domain A
BR
Shaping
Diffserv Codepoints
Il gestore della rete definisce i
servizi
che vuole offrire e li associa ad
uno degli DSCP
Classification
Marking
Discarding
Metering
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 - 55
QoS IN INTERNET - 56
Per-Hop-Behavior (PHB)
• Insieme di regole coerenti che consentono di
inoltrare i pacchetti in modo differenziato
solamente in funzione del loro DSCP
Cust2
Diffserv
domain B
ER
R
R
ER
Diffserv domain A
– comportamento differenziato misurabile
dall’esterno, senza alcuna specifica sui
meccanismi interni
BR
R
BR
• PHB definiti
– default (best effort)
– class selector
– expedited forwarding
DiffServ
– assured forwarding
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
Default PHB
QoS IN INTERNET - 58
Class-Selector PHB
• Servizio base
• Conforme a tradizionale servizio best-effort
in Internet
• RFC 2474
• DSCP = 000000 (raccomandato)
DiffServ
BR
R
Fornitura di servizi DiffServ
Cust2
Diffserv
domain B
ER
BR
R
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)
Cust2
• 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 - 59
QoS IN INTERNET - 60
Pag. 10
QoS nella rete
Internet
Class-Selector PHB
Expedited Forwarding PHB
• Ad esempio, un pacchetto con
DSCP=110000 (equivalente ad un valore di
110 negli schemi basati su IP-precedence)
avranno un trattamento preferenziale rispetto
a pacchetti aventi DSCP=100000.
• Le caratteristiche degli schemi basati su IPprecedence sono quindi conservate.
• RFC 2598 - 4 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 - 61
Expedited Forwarding PHB
QoS IN INTERNET - 62
Assured 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
• RFC 2597 - 4 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
• Il valore consigliato per il campo DSCP e’
101110.
DiffServ
QoS IN INTERNET - 63
Assured Forwarding PHB
QoS IN INTERNET - 64
Assured Forwarding PHB
• Simile al servizio Controlled Load Service
presente nei modelli IntServ.
• 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.
• 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
QoS IN INTERNET - 66
Pag. 11
QoS nella rete
Internet
Assured Forwarding PHB
Gestione della rete
• Una classe puo’ essere specificata da un
valore DSCP pari a xyzab0
Speciali entita`chiamate
Bandwidth Brockers (BB)
scambiano informazioni e
“gestiscono” le risorse
definite con i PHB
– ove xyz puo’ valere {001,010,011,100}
– mentre ab corrisponde al valore di drop
precedence
?
?
?
DiffServ
QoS IN INTERNET - 67
Request For Comments
•
•
•
•
•
Una possibile soluzione
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 - 68
isola
IntServ
isola
IntServ
IntServ
+
DiffServ
QoS IN INTERNET - 69
Pag. 12
backbone
DiffServ
isola
IntServ
QoS IN INTERNET - 70