Encaminhamento com QoS

1
Encaminhamento com QoS

• Sistemas Telemáticos
• LESI
• Grupo de Comunicações por Computador

2
Materiais utilizados

• Tema ainda objecto de ID (2 doutoramentos nessa
  área no DI)
• Artigo Survey of QoS de Pragyansmita Paul and
  S. V. Raghavan
• Adaptação e simplificação de apresentação dos
  mesmos autores

3
Sumário

• Vantagens da Qualidade de Serviço (QoS)
• QoS Fim-a-Fim
• Encaminhamento com QoS
• Questões em aberto no Encaminhamento com QoS
• Algoritmos propostos (classificados com métricas)

Um-para-um Um-para-um Um-para-um
Simples Dual Múltiplo
Grupo
Simples Dual Múltiplo
4
QoS

• A um conjunto de métricas e restrições que são
  usadas para especificar os requisitos das
  aplicações e que devem ser satisfeitas pela rede
  de suporte durante a transmissão de dados.
• As métricas de QoS são
• Largura de Banda
• Atrasos
• Variação nos atrasos (Jitter)
• Perda de Pacotes (Fiabilidade)
• Número de saltos, Qualidade Áudio/Vídeo, etc.

5
QoS Fim-a-Fim

• É necessária para
• Disponibilizar garantias sólidas necesárias pelas
  actuais aplicações com temporização crítica e com
  necessidades intensivas de largura de banda.
• Prevenir a deterioração do desempenho da rede
  devido a aplicações mal comportadas.
• Para optimizar o desempenho todas as camadas da
  pilha de protocolos devem suportar o QoS a
  disponibilizar à aplicação de rede a ser
  executada.

6
QoS na Pilha de Protocolos
Aplicação ? ???
Transporte ? ???
Rede ? ???
Ligação Lógica ? ???
Meio Físico ? ???
7
QoS na Pilha de Protocolos
Aplicação ? Diferentes Classificações e Escalonamento dos pedidos
Transporte ? Aceitação/rejeição dos pedidos de conexão
Rede ? Selecção de Percursos de forma a satisfazer os requisitos das aplicações
Ligação Lógica ? Comunicação de Dados de forma satisfazer os requisitos das camadas superiores
Meio Físico ? Comunicação de Dados de forma satisfazer os requisitos das camadas superiores
8
Sequência de acções para disponibilizar a QoS
fim-a-fim
A
Selecção do Percurso e transferência dos dados
(Encaminhamento com QoS)
Fim da Transferência dos dados?
Pedido aceite?
Sim
A
Sim
Fim da transferência dos dados
9
Encaminhamento com QoS
Fim da Transferência dos dados?
Sim
Fim da Transferência de Dados
B
10
Negociação de QoS e Controlo de Admissão

• A negociação começa quando o sistema final envia
  o seu pedido de QoS
• O módulo de controlo de admissão verifica se o
  pedido deve ser aceite ou rejeitado
• Factores de decisão LB residual, Nº Tx em curso
• Se a aceitação levar à degradação de desempenho ,
  o pedido é rejeitado
• Alternativa reencaminhamento das aplicações
  existentes
• Renegociação do QoS

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Negociação de QoS e Controlo de Admissão(2)

• O sistema final (end-host) pode fazer o controlo
  de admissão
• Faz o probe do nível de congestão
• Admite o fluxo se o nível for baixo
• Experiências
• Menor degradação de desempenho se o controlo de
  admissão pelos sistemas finais em alternativa a
  ser feito pelos encaminhadores

12
Reserva de Recursos

• Uma vez aceite o pedido
• é escolhido o percurso para transmissão de dados
  com base em uma ou mais métricas
• Necessária para satisfazer restrições de QoS da
  aplicação
• Duas alternativas
• Fazer parte do estabelecimento do percurso
• Ser um processo separado

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Armazenamento e Escalonamento dos Pacotes

• Pacote recém-chegado ao encaminhador
• É transferido para a interface de saída e
  armazenado num buffer
• É descartado
• ObjectivoMinimizar o descarte de pacotes
• Algoritmos de gestão de filas
• Algoritmos de escalonamento de pacotes

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Algoritmos de Escalonamento

• Fair Queueing (FQ)
• 1 fila por fluxo (informação de estado por fluxo)
• Stochastic Fair Queueing (SFQ)
• Menor nº de filas que FQ, uso de função de hash
• Core Stateless Fair Queueing (CSFQ)
• 2 classes de encaminhadores
• De fonteira
• mantêm informação de estado por fluxo
• Estimam débito de chegada por fluxo (passam aos
  interiores)
• Interiores
• Em situação de congestão, descartam pacotes
  aleatóriamente com base nessa estimação

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Algoritmos de Gestão de Filas

• RED (Random Early Detection) RIO
• CHOKe (CHOose and Keep for responsive flows)
• Considerar o buffer como uma amostra estatística
  do tráfego
• Em situação de congestão, na chegada de pacote
• Escolhe um pacote do buffer aleatoriamente
• Se for do mesmo fluxo, descarta os dois
• Senão o do buffer fica intacto e o chegado é
  aceite em função do nível de congestão

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Lookup da Tabela de Encaminhamento

• Maior gargalo do processo de expedição dos
  pacotes
• Mais crítica com tecnologias de alta velocidade
• Unificação simples (tries)
• Unificação mais longa (PATRICIA)
• Multi-Protocol Label Switching (MPLS)
• Etiqueta de comprimento fixo
• Cada pacote tem uma etiqueta
• Etiqueta usada para busca na tabela

17
Gestão de Recursos

• Necessária para gerir a dinâmica das conexões
  estabelecidas
• Reserva estática de recursos
• GR necessária para verificar utilização eficiente
  de recursos
• Reserva dinâmica??
• Quando não há reserva de recursos
• Assegurar uma partilha adequada entre as conexões
  e que as exigências de cada fluxo é limitado
• Quando cada serviço recipiente recebe o mínimo de
  QoS, considera-se adequada

18
Fluxos BE num QoS Router

• Para além dos fluxos com QoS, as aplicações BE
  devem ser geridas de forma apropriada.
• Exemplo de trabalho nesse sentido
• Restrição de LB para fluxos com QoS
• Usa informação imprecisa para o estado de fluxos
• MaxMin Fair Routing para fluxos BE
• Maximiza a LB para fluxos que recebem menor LB
  entre todos
• Escalonamento hierárquico com WFQ para alocação
  de LB

19
Selecção do Percurso Métricas e Restrições
Métrica
w2
w3
Percurso P
20
Selecção do Percurso Métricas e Restrições
Simples
Métricas
Dual
Múltiplas

• Simples Custo, Largura de Banda, Atraso
• Dual Custo e AtrasoLB e Atraso LB e Custo
• Múltiplas ...

21
Selecção do Percurso Métricas e Restrições

• Como transformar uma métrica multiplicativa em
  aditiva?
• w1.w2.w3 gt log(w1)log(w2)log(w3)
• Como transformar uma métrica dual (múltipla)
  numa métrica simples?
• (w1,w2) gt w w1k w2
• Como transformar uma métrica com valor real ou
  inteiro não limitado numa com valor inteiro
  limitado?
• w lt c gt w w x/c

22
Selecção de Percurso ME vs. QoS
Percurso Escolhido ?
Percurso Métrica 1 Métrica 2
F-B 3 7
F-A-B 5 5
F-E-D-C-B 7 6
23
Selecção de Percurso ME vs. QoS

• Em contextos BE é mais fácil descobrir o PMC
• Em contextos com QoS
• É necessário considerar um conjunto de métricas
• cada aresta do grafo tem mais que uma métrica
  associada
• A escolha do PMC depende de
• Regra de composição de métricas
• Prioridade/Peso atribuídos a cada métrica

24
Selecção de Percurso no Encaminhamento com QOS

• Wang e Crowcroft provaram que encontrar um
  percurso sujeito a duas ou mais restrições
  independentes (aditivas e/ou multiplicativas) é
  um problema NP-Completo.

25
Selecção de Percurso no encaminhamento com QoS
Resultados interessantes

• Quando o número de métricas consideradas é
  infinito, é suficiente calcular o percurso de
  menor número de saltos, sem se ter que
  considerar distribuição dos pesos das métricas
  independentes. (resultado com interesse teórico)
• Podem existir classes de grafos nos quais o
  encaminhamento com QoS não é NP-Completo.
  (Referência P. Van Mieghem, F. A. Kuipers, On
  the Complexity of QoS Routing, na Computer
  Communications.).

26
Classificação de Algoritmos/Protocolos

• Largura de banda

• Atraso

27
Encaminhamento unicast Restrição de Largura de
Banda
Algoritmo de Guerin Orda
Filtragem da Topologia
LB gt 2
Maximizar Probablidade (LB Residual gt 2)
28
Classificação de Algoritmos/Protocolos

• CustoAtraso

• LB Atraso

• Qualquer 2 métricas aditivas

29
Encaminhamento Unicast com QoS Restrições de
Atraso e Largura de Banda
Algoritmo de Wang Crowcroft

• Elimina todas as ligações com largura de banda
  inferior à requerida.
• A seguir, encontra o percurso mais curto
  relativamente ao atraso no grafo modificado
  usando o algoritmo de Djikstra.

LB gt 2
30
Percurso mais curto com o Algoritmo de Djikstra

• Dado um grafo ponderado G(V,E), e um par de
  vértices vs e vd Î V qual é o percurso mais
  curto de vs para vd? Isto é qual é o percurso
  com a mínima soma dos pesos das arestas?

31
Abordagem básica
A B E F H 15 A B E G H 14 A C E F H 16 A C E G
H 15 A D E F H 26 A D E G H 25
1
2
5
7
1
3
A
H
5
6
6
8

• PMC de A para H PMC de A para E PMC de E
  para H
• PMC de A para H PMC de A para B SP from B
  to H.
• PMC de A para H PMC de A para C SP from C
  to H.
• PMC de A para H PMC de A para vi SP from
  vi to H " vi.

32
Algoritmo de Dijkstra para PMCs

• Síntese
• Manter uma estrutura de dados com a lista de nós
  e pesos dos percursos para esses nós
• Usar infinito para representar um no conjunto S
  de nós para os quais não tenha sido calculado um
  percurso
• Em cada iteração, encontrar um nó em S, calcular
  o percurso para esse nó e apagá-lo de S

33
Algoritmo de Dijkstra para PMCs

• Síntese
• Manter uma estrutura de dados com a lista de nós
  e pesos dos percursos para esses nós
• Usar infinito para representar um no conjunto S
  de nós para os quais não tenha sido calculado um
  percurso
• Em cada iteração, encontrar um nó em S, calcular
  o percurso para esse nó e apagá-lo de S

34
Algoritmo de Dijkstra para PMCs

• S 0 / Actual MST /
• for i 0 to n
• Di M0i / Shortest path length from
  0 to i /
• end for
• for i 1 to n-1
• find the smallest Dv such that v ? S
• S S ? v
• for all vertices u ? S
• if (Du gt Dv Mvu) then
• Du Dv Mvu
• end if
• end for
• end for

35
Algoritmo de Dijkstra
Custo do Percurso mais curto de A para vi atavés
de S
1
2
5
7
1
3
A
5
6
6
8
S A
1
2
5
7
1
3
A
C
5
6
6
8
S A,C
36
Algoritmo de Dijkstra(2)
Custo do Percurso mais curto de A para vi atavés
de S
B
1
2
5
A
B
C
D
E
F
G
H
7
1
3
A
C
--
2
1
6
3
?
?
?
5
6
6
8
S A,C,B
B
1
2
5
7
A
B
C
D
E
F
G
H
1
3
A
C
E
--
2
1
6
3
10
8
?
5
6
6
8
S A,C,B,E
37
Algoritmo de Dijkstra(3)
Custo do Percurso mais curto de A para vi atavés
de S
B
1
2
5
7
A
B
C
D
E
F
G
H
1
3
A
C
E
--
2
1
6
3
10
8
?
5
6
6
8
G
S A,C,B,E,D
D
B
1
2
5
A
B
C
D
E
F
G
H
7
1
3
A
C
E
--
2
1
6
3
10
8
14
5
6
6
8
G
S A,C,B,E,D,G
D
38
Algoritmo de Dijkstra (4)
Custo do Percurso mais curto de A para vi atavés
de S
B
1
2
F
5
A
B
C
D
E
F
G
H
7
1
3
A
C
E
--
2
1
6
3
10
8
14
5
6
6
8
G
S A,C,B,E,D,G,F
D
B
1
2
F
5
A
B
C
D
E
F
G
H
7
1
3
A
C
E
H
--
2
1
6
3
10
8
14
5
6
6
8
G
S A,C,B,E,D,G,F,H
D
39
Algoritmo de Dijkstra Exemplo
40
Classificação de Algoritmos/Protocolos

• Custo Atraso

• LB Atraso

• Quaisquer 2 métricas aditivas

41
Encaminhamento Unicast com QoS Restrições de
quaisquer duas métricas aditivas
w w1 d w2

• Combinação de métricas ponderadas de Jaffe propõe
  a minimização duma combinação linear de pesos de
  2 ligações w1 dw2 onde d1 ou d?(c1/c2). A
  última obtém melhores resultados que a primeira.
• Foi proposta uma estratégia de procura binária
  para escolher o peso.

42
Classificação de Algoritmos/Protocolos

• Custo Atraso

• Custo

• LB Atraso

• Atraso

• Quaisquer 2 métricas aditivas

• Métrica não aditiva

43
Problema de Steiner
Seja G(V, E) um grafo indirecto com um número
finito de vértices V e um conjunto de arestas E,
e uma função de custo que atribui a cada aresta
um valor de custo real e positivo. Dado um
subconjunto S dos vértices de V, o problema de
Steiner é encontrar um subgrafo G de G, G' (V',
E'), que contém todos os vértices em S, de tal
forma que o custo de todas arestas em E' é
mínimo. Os vértices em S são designados por
especiais.
44
Encaminhamento Multicast com QoS Restrições de
custo

• Uma árvore que alcansa todos membros do grupo e
  minimiza o custo total da árvore partilhada.
  Encontrar essa árvore é um problema NP-Completo.
• Algoritmo de Kou, Markowsky e Berman (KMB)
• Criar um grafo conexo onde as arestas sejam as
  distâncias mais curtas entre os membros do grupo.
• O algoritmo de Prim calcula a a árvore de menor
  custo deste grafo conexo.
• As arestas do grafo conexo são posteriormente
  substituídas pelos percursos mais curtos
  originais para obter a árvore de Steiner.

45
Abordagens para QoS
Serviços Integrados
Serviços Diferenciados

• Abordagem com informação de estado, com
  informação por fluxo.

• Abordagem sem informação de estado e portanto
  mais escalável

Serviço fim-a-fim grantido por fluxo. Necessidade
de reserva de recursos.
Diferenciação de serviço mais grossa. Nós de
fronteira classificam os pacotes enquanto os nós
interiores os processam de acordo com a
classificação.
46
Eficácia do Encaminhamento com QoS

• Embora o encaminhamento com QoS aumente a
  computação em cada nó, armazenamento de estado e
  custo de comunicação, tem a vantagem de aumentar
  a utilidade da rede e permitir uma degração
  graciosa do desempenho.
• A presença de mecanismos com QoS assegura que
  mesmo as aplicações mais convencionais e cujo QoS
  sempre foi esquecido obtenham um melhor
  desempenho do serviço de rede..
• O encaminhamento com QoS é mais eficaz quando há
  desajustamento entre o tráfego e a capacidade da
  rede e existem rotas alternativas com menor
  carga.
• .

47
Questões em aberto

• Necessidade de protocolos para encaminhamento com
  QoS e técnicas de negociação de QoS normalizados
• Mecanismos eficientes para evitar percursos com
  congestão, atrasos altos de propagação e
  instabilidade no processo de selecção de
  percursos.

(Contd )
48
Questões em aberto(2)

• A imprecisão na informação de estado precisa de
  ser manipulada de forma apropriada.
• Ao mesmo tempo que se maximiza o número de fluxos
  com QoS, deve-se procurar optimizar o desempenho
  e tempo de resposta ao tráfego best-effort.
• Necessidade dum algoritmo/protocolo de QoS
  genérico que use por exemplo uma única métrica
  representativa de todas as outras com um mínimo
  de perda de informação..

49
Resumo da Aula

• Encaminhamento com QoS
• Algoritmos e protocolos propostos para
  encaminhamento com QoS em ambientes unicast e
  multicast.
• Benefícios de desenvolvimento de encaminhamento
  com QoS na interligação de redes actualmente.
• Questões em aberto no encaminhamento com QoS