RSM-Provision QoS-0809

1. Redes e Servizos Multimedia
Curso 2008/09
Tema 2
Provisión de calidade de servizo (QoS)
Exposición do problema

2. Tipos de tráfico
Atendendo basicamente aos requisitos QoS podemos distin uir:
QoS, distinguir:
 Tráfico elástico:
 Flexible en canto a requisitos de BW, adáptanse ás condiciones da rede.
Son bastante tolerantes a retardos, pero non a perdas
retardos
 Corresponde ás aplicacións de datos tradicionais que usan tipicamente TCP
e, polo tanto, os seus mecanismos reactivos de control de conxestión
 Dous tipos de aplicacións:
p p
• Transferencia masiva: FTP, aplicacións P2P, etc.
• Transaccionais (moitas preguntas e respostas relativamente curtas): Web,
acceso a BBDD, etc.
 Tráfico inelástico (ou de tempo real):
 Pouco flexibles en canto a requisitos de BW, necesitando un mínimo para
traballar axe tadamente. Son relat vamente tolerantes a perdas pero moi
axeitadamente. relativamente mo
pouco a retardos
 Corresponde a aplicacións de tempo real, tipicamente multimedia, que usan
UDP e técnicas de de disimulo ou FEC para paliar as perdas
 Dous ti s d
D s tipos de aplicacións:
li ió s
• Interactivas (retardo ida-volta crítico, entre 200-400 ms.): Son as
conversacionais (VoIP, videoconferencia) e algúns xogos en rede (de acción, ou
tipo Doom)
• Streaming d audio e/ou vídeo (
de d / íd (retardo ida-volta menos crítico): O fluxo
d d l í ) fl
multimedia só viaxa dende un servidor a un cliente

3. Exposición do problema
 O modelo de servizo extremo a extremo ofrecido por
IP é best-effort (BE)  os paquetes IP son
indistinguibles uns doutros e reciben o mesmo trato
por parte da rede
 Aplicacións tradicionais de Internet (Web FTP, e mail
(Web, FTP e-mail,
Telnet) son orientados a datos, é dicir, tolerantes a
retardos, pero non a perdas (tráfico elástico)
SServicio BE d IP xunto coa fi bilid d extremo a
i i de fiabilidade
extremo de TCP resulta axeitado
 Sen embargo, as novas aplicacións multimedia son de
tempo real, é dicir, tolerantes a perdas pero non a
retardos (os datos posúen un prazo de entrega)
 Necesidade de garantías sobre o servizo, que se
traduce na necesidade de distinguir os paquetes e
darlles tratamentos diferenciados

4. Limitacións do best-effort
Retardo extremo a extremo
 Especialmente crítico en aplicacións interactivas
p p
 Retardos > 400 ms. poden danar a interactividade da
conversación seriamente, polo que normalmente
p
implican descartes no receptor
Variación do retardo (jitter)
 Datos multimedia son xerados a tasa constante e deben
ser reproducidos coa mesma tasa constante 
 Necesidade d eliminar o jitter introducindo un retardo
N d d de l d d d
artificial (búfer), fixo ou adaptativo,
 Compromiso entre o tamaño de búfer de recepción, que
incrementa o retardo, e a tasa de paquetes fora de prazo

5. Escenario aplicación multimedia
r mostras
ou tramas/sg.
TC TD
r mostras
t Desempaquetador
ou tramas/sg. Decodificador
Codificador
Empaquetador
TREDE
TB Búfer
REDE recepción
Tplayout(0) = T’0 = T0 + TC + TREDE + TB + TD
T
T’i = T’ii-1 + 1/r
T 1

6. Discusión no foro
 A vantaxe do tráfico multimedia é a súa
tolerancia ás perdas
 Estas perdas poderían eliminarse con TCP, pero
¿ca es
¿cales son os inconvenientes?
ncon en entes?
 As intervencións no foro serán puntuadas con ata 1
punto na parte teórica, nota que será publicada
antes do exame teórico.

7. Redes e Servizos Multimedia
Curso 2008/09
Tema 2
Provisión de calidade de servizo (QoS)
ó
O contrato de servizo e os
principios d provisión d Q S
i i i da i ió de QoS

8. A provisión de QoS
 Unha arquitectura de provisión de QoS permite
 distinguir paquetes e
 tratalos de xeito distinto
 A provisión de QoS implica o establecemento
dun contrato entre un usuario (final ou ISP) e a
rede,
rede que inclúe
 un acordo sobre o patrón de tráfico Traffic
Conditioning Agreement (TCA)
 un acordo sobre a QoS que recibirá do usuario 
Service Level Agreement (SLA)
 O incumplimento do TCA por parte do usuario
supón unha rotura de contrato e libera ao
operador da súa obriga de cumprir o SLA

9. Principios da provisión de QoS
I. Para cada fluxo, as fontes declaran o seu patrón de
tráfico e os requisitos de QoS
q Q
II. A clasificación e marcado permiten a un router
distinguir paquetes
III As fontes deben conformar (shape) ou regular o seu
III.
patrón de tráfico ao declarado e a rede ten que
monitorizar (police) o seu cumprimento
IV. As clases de tráfico deben illarse para evitar
l d áf d b ll
interferencias nas QoS, pero isto debe facerse
mediante un uso o máis eficiente posible dos
p
recursos da rede (BW e búferes)  Mecanismos de
planificación/asignación de recursos
V. Necesítase un mecanismo de control de admisión:
V
Admitir ou rexeitar un fluxo se a QoS solicitada non
pode ser satisfeita sen comprometer a doutros
fluxos xa aceptados
aceptados.

10. Diagrama de bloques funcional
A provisión de QoS nos routers dunha rede IP consta das seguintes fases:
 No acceso á rede:
 Distinción de paquetes:
• Clasificación: Agrupar paquetes segundo algún criterio ou regra
• Marcado: Código na cabeceira que identifica un fluxo ou clase
• Monitorización de tráfico: medición e marcado adicional
 No núcleo da rede:
 Tratamento diferenciado para cumprir SLA:
• planificación de recursos: búfer e BW
 Na saída da rede:
 Re ulación de tráfic para cumprir TCA
Regulación tráfico
Clasificación Marcado Monitorización Router
R t IP
de paquetes de paquetes de tráfico
Regulación
de tráfico
Active Queue
Planificación
Management
g
BW
(AQM)

11. Redes e Servizos Multimedia
Curso 2008/09
Tema 2
Provisión de calidade de servizo (QoS)
ó
Regulación e Monitorización
(Sh i and P li i )
Shaping d Policing)

12. Regulación de Tráfico (Traffic Shaping)
Quero cumprir
Eu vixío que se
co TCA, polo tanto
regularei o meu cumpre o TCA
tráfico
Regulador
Datos Datos regulados
reais
Rede
 A regulación (conformación) do tráfico é realizada polo
usuario para asegurar que o tráfico inxectado á rede é
conforme ao patrón declarado no SLA
 A regulación é un mecanismo activo que altera (suaviza)
o tráfico introducido
 Empréganse reguladores de tipo Leaky Bucket (cubo
con goteo)

13. Leaky Bucket
 No caso máis simple, o
tráfico dun fluxo
Tráfico
T áfi sen
almacénase nun búfer regular
(bucket) de tamaño C bytes, Descarte se
do que se extrae a tasa bucket cheo
constante ρ bytes/seg.
 Cando o bucket se enche o
enche, Bucket con
exceso de tráfico é capacidade
para C bytes
descartado
 ¿Inconveniente?
 Pode servir para regular Tráfico
Tasa cte.
conformado
f d
fluxos de tasa constante, pero (regulado)
ρ bytes/sg.
non serve claramente para os
de tasa variable

14. Token Bucket (I) Tasa cte.
ρ testigos/sg.
Bucket con Descarta testigos
capacidade para
p p se bucket cheo
C testigos
Paquete de
lonxitude L bytes
Espera por Elimina
L testigos L testigos Rede
Tasa máxima
á
R bytes/sg.
 Para permitir maior flexibilidade para o tráfico de tasa variable,
t distinto, denominado T k
emprégase un regulador lixeiramente di ti t d
é l d li i i d Token
Bucket, que regula a tasa media ρ, permitindo ráfagas de tamaño C
 Cada paquete debe obter do bucket tantos testigos como a súa
p q g
lonxitude (en bytes) para poder ser transmitido
 Os testigos son xerados a unha tasa constante ρ testigos/seg. e
acumúlanse no bucket hasta un máximo de C testigos

15. celdas/sg.
Token Bucket (e II)
R
Afórranse A
C = TMÁX.(R-ρ ) A = min (C, ρ.T)
testigos
ρ
TMÁX.ρ
t
TMÁX T
Bucket cheo
 A mellora aportada por Token Bucket é que permite “aforrar” testigos,
cando a tasa de tráfico está por debaixo de ρ, para poder ser usados
cando esta tasa se atope por riba
 EXERCICIO: Calcular a duración máxima dunha ráfaga a tasa de pico R
TMÁX = C/(R - ρ)

16. Monitorización (Policing)  Marcadores
 No acceso á rede, debe verificarse se se cumple o TCA, función que se
denomina monitorización ou vixilancia (policing).
 A monitorización dun fluxo implica realizar medidas para verificar a
p p
súa conformidade co TCA
ú
 En función das medidas e a conformidade co TCA, asígnaselles aos
p q
paquetes unha marca adicional, tipicamente denominadas cores. Por
p
isto, fálase habitualmente de marcadores ou algoritmos de marcado
á
 É habitual o uso de tres cores (verde/vermella /amarela) para indicar
o nivel de conformidade dun fluxo con patrón declarado:
p
 O tráfico conforme márcase verde
 O tráfico claramente non conforme márcase vermello, e habitualmente é
descartado na fonte ou antes de chegar ó destino
 O t áfi non conforme “
tráfico f “por pouco” márcase amarelo, e pode ser:
” á l d
• Conformado, é dicir, retardado para que cumpra o TCA
• Marcado cunha prioridade inferior ao conforme (verde)

17. Monitorización (Policing)  Marcadores
Este usuario non está
cumprindo o contrato.
¿Cal debe ser a multa?
Prioridade
• DEIXAR PASAR, RETARDAR
• MARCAR BAIXA PRIORIDADE
MARCAR
Monitorización • DESCARTAR
C 0
H B H A H B L A H
Paquete Prioridade baixa: E caso de conxestión, a
En ó
descartado C rede pode descartar máis tarde os paquetes
marcados de baixa prioridade
Dado que o patrón de tráfico se especifica segundo o Token Bucket co
que é regulado este, parece lóxico que a monitorización e marcaxe na
rede se base no mesmo Token Bucket

18. Redes e Servizos Multimedia
Curso 2008/09
Tema 2
Provisión de calidade de servizo (QoS)
ó
Illamento de clases de tráfico:
Planificación de búfer e BW

19. Planificación de búfer (AQM)
 Os mecanismos de planificación de búfer reciben
tamén o nome de mecanismos de xestión activa de cola
(Active Queue Management - AQM)
 En ausencia dun mecanismo AQM nun router IP, todos
os p
s paquetes que chegan a un búf cheo son
t s h n n búfer h s n
descartados de xeito indiscriminado, mecanismo que
se denomina tail drop  Sincronización global en TCP
 S l ió d
Solución: descarte no i di i i d
t indiscriminado
 O mecanismo AQM máis amplamente usado é
Q p RED
(Random Early Drop), baseado en
 Descarte aleatorio de paquetes (para evitar a sincronización
global en TCP)
 Tras detección adiantada da conxestión (unha vez superado
un límite do tamaño medio da cola)

20. O algoritmo RED
 Funcionamento: Á chegada dun paquete estímase o
tamaño medio Q da cola de saída  Qi+1 = Qi*a + q*(1 – a)
 Se Q < minth  Funcionamento normal: Almacenamento do paquete
 Se minth ≤ Q < maxth  Evitar conxestión: O paquete descártase
cunha probabilidade crecente linealmente con Q:
Pdrop=Pmax*(Q – minth)/(maxth–minth)
P i i
 Se Q  maxth  Conxestión: Descártase o paquete
 O comportamento de RED ven determinado polo conxunto
de parámetros (minth, maxth, Pmax).
 Recoméndase que maxth sexa dous ou tres veces minth.
q
Valores típicos de Pmax atópanse entre 0.01 e 0.2

21. Planificación de BW: GPS
 Estes mecanismos de planificación úsanse para decidir cal será o
próximo paquete a enviar sobre un enlace dado.
 FIFO e PQ (Priority Queueing) non garanten BW mínimo nin equidade
na súa asignación  Disciplinas basadas en GPS (Generalized
Processor Sharing)g
 Dadas N colas con pesos wi para un enlace de capacidade C, GPS
reparte este BW entre todas as colas non baleiras de forma
proporcional ao peso de xeito que en cada instante a tasa de servizo
peso,
para unha cola non baleira i é Ri = C . (wi /k non baleira wk) , garantindo a
cada cola un BW mínimo proporcional ó peso
 GPS é un algoritmo ideal, imposible de implementar, dado que asume
que o servidor pode atender simultaneamente todas as colas non
baleiras (a una tasa de servizo Ri) e q o tráfico é fluído, cando nun
( que ,
sistema realista só se pode atender unha cola cada vez (a tasa máxima
C) e o tráfico consta de paquetes de lonxitude variable.
 Todas as aproximacións prácticas de GPS propostas fan uso dun
reparto circular. WFQ (Weighted Fair Queueing) é a aproximación de
GPS máis amplamente usada

22. Exercicio
 Suposicións nun caso ideal:
p
 Temos un fluxo fluído regulado con Token Bucket
Bucket(C, ρ)
 Este fluxo atravesa N routers
 Todos os routers usan GPS e garanten a este fluxo un BW
mínimo R>ρ
Obter o retardo máximo extremo a extremo

23. TB e GPS (WFQ): Retardo acotado
 Suposicións caso ideal:
 Fluxo fluído regulado con Token Bucket
Bucket(C, ρ)
 Todos os routers usan GPS e garanten a este fluxo un BW R>ρ
 Peor caso: bucket cheo 
Retardo máximo no primeiro router = C/R
 Seguintes routers: Dado que a tasa de saída (R) é
sempre maior que a de entrada (ρ)  Retardo = 0
d d d
Retardo máx. extremo a extremo TMAX ≤ C/R
 Caso real: WFQ e un fluxo con paquetes de tamaño máx.
m (M na rede), H saltos e Rk capacidade en cada enlace
k [Parekh 92]:
C ( H  1)m H M
TMAX   
R R k 1 Rk