Gestão de Recursos em Redes com Suporte de Qualidade de Serviço

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1 Univeridade de Aveiro Departamento de Electrónica e Telecomunicaçõe, 2003 Suana Iabel Barreto de Miranda Sargento Getão de Recuro em Rede com Suporte de Qualidade de Serviço Tee apreentada à Univeri dade de Aveiro para cumprimento do requiito neceário à obtenção do grau de Doutor em Engenharia Electrotécnica, realizada ob a orientação científica do Prof. Dr. Rui Valada, Profeor Aociado do Departamento de Electrónica e Telecomunicaçõe da Univeridade de Aveiro

2 o júri Preidente Prof. Doutor António Manuel Melo de Soua Pereira Profeor Catedrático da Univeridade de Aveiro por delegação do Reitor da Univeridade de Aveiro Prof. Doutor Carlo Alberto de Carvalho Belo Profeor Aociado do Intituto Superior Técnico da Univeridade Técnica de Liboa Prof. Doutor Fernando Pedro Lope Boavida Fernande Profeor Aociado da Faculdade de Ciência e Tecnologia da Univeridade de Coimbra Prof. Doutor Rui Jorge Morai Tomaz Valada Profeor Aociado da Univeridade de Aveiro (Orientador) Prof. Doutor Alexandre Júlio Teixeira do Santo Profeor Aociado da Univeridade do Minho Prof. Doutor Amaro Fernande de Soua Profeor Auxiliar da Univeridade de Aveiro

3 agradecimento Ao Prof. Rui Valada pela oportunidade que me deu e pela condiçõe que me proporcionou para a realização dete trabalho. Agradeço todo o conhecimento que me tranmitiu e o acompanhamento nete etudo. Ao Prof. Amaro de Soua pela diponibilidade e apoio na primeira fae dete trabalho. Ao Engº Teixeira de Soua pela permanente diponibilidade, acompanhamento e tranmião de conhecimento eenciai na elaboração de uma parte do trabalho apreentado. Ao Departamento de Electrónica e Telecomunicaçõe e ao Intituto de Telecomunicaçõe, pólo de Aveiro, pela condiçõe que me permitiram concretizar ete trabalho. À Fundação para a Ciência e Tecnologia pela bola de invetigação científica do programa PRAXIS que uufruí. Agradeço também o apoio financeiro extra que me concedeu no decorrer do meu etágio no EUA. À PTInovação pela poibilidade concedida de participar em projecto de invetigação, importante no deenvolvimento do trabalho. A todo o meu colega do Grupo de Sitema de Banda Larga e do Intituto de Telecomunicaçõe, pelo excelente ambiente de trabalho que me proporcionaram. Um agradecimento epecial ao Engº Paulo Salvador pelo apoio e ajuda que me concedeu. Ao Prof. Edward Knightly e à peoa que fizeram e que fazem parte do grupo de rede da Univeridade de Rice (Houton, EUA), pela experiência que me proporcionaram, pelo contante apoio, e pelo conhecimento que me tranmitiram, empre com uma grande amizade. A todo o meu grande amigo pela paciência que empre manifetaram quando, na parte mai difícei do trabalho, não lhe pude dar o apoio eperado. Ao meu Pai, irmã e familiare, pela contante motivação, paciência, apoio e carinho. Ao Victor pela ua ajuda contante a todo o nívei, pelo eu carinho, paciência e amor incondicionai.

4 reumo Eta Tee aborda a problemática da getão de recuro em rede ATM (Aynchronou Tranfer Mode) e IP (Internet Protocol) com uporte de QdS (Qualidade de Serviço). A tecnologia ATM e IP permitem, hoje em dia, integrar diferente tipo de erviço numa mema infra -etrutura de rede. No entanto, a diveridade do erviço a uportar e do eu requiito, coloca grande deafio ao nível da getão de recuro, a qual e pretende o mai eficiente poível. A Tee etá dividida em dua parte. A primeira parte da Tee foca a getão de recuro em rede de aceo ATM e IP com uporte de QdS. É dada inicialmente uma perpectiva hitórica da evolução da rede de aceo. No que diz repeito à rede de aceo ATM, ão propota etratégia de getão de recuro com bae em VP (Virtual Path) e ão definida metodologia de dimenionamento que têm em conta requiito de QdS tanto ao nível da chamada como da célula. A etratégia de getão de recuro coniderada permitem etabelecer compromio entre a utilização de recuro e a carga de inalização. No que diz repeito à rede de aceo IP, é propota uma nova arquitectura de rede, que contitui uma evolução face à rede de aceo tradicionai ao permitir uma maior partilha de recuro. Eta arquitectura permite diferenciação de QdS e uporte de aplicaçõe multimédia. Em particular é propota uma olução que inclui o uporte integrado de tecnologia recentemente introduzida para iniciar e configurar eõe multimédia, gerir a política de QdS incluindo a funcionalidade de AAA (Authentication, Authorization and Accounting), e reervar recuro. Na egunda parte da Tee é feita uma abordagem de doi mecanimo para controle de admião de fluxo ecalávei: mecanimo de probing e mecanimo baeado em agregação de reerva individuai. Ambo o mecanimo permitem que a getão de recuro eja feita em neceidade de manutenção do etado do fluxo activo em cada elemento de rede. O mecanimo de probing etima o nível de QdS da rede, atravé da inerção de fluxo de tete, por forma a decidir e um novo fluxo pode ou não er aceite. É propoto um novo mecanimo de probing, denominado de -probing, que permite minimizar o problema do roubo de recuro que afecta o probing imple quando ete é utilizado em itema com múltipla clae de erviço. São deenvolvido modelo analítico e ão efectuado etudo de imulação para analiar o problema do roubo de recuro e o factore que influenciam a etimativa do rácio de perda efectuada pelo fluxo de probing e de -probing. Verificou-e que o mecanimo de -probing permite obter imultaneamente uma utilização elevada do recuro e a diferenciação do erviço em roubo de recuro. O reultado obtido com ete mecanimo foram também validado atravé do deenvolvimento de um protótipo laboratorial. No mecanimo baeado em agregação de reerva individuai, o elemento do núcleo da rede mantêm apena o etado de agregado de fluxo (e não de fluxo individuai), endo a largura de banda do agregado ajutada de forma dinâmica. São deenvolvido modelo analítico e ão efectuado etudo de imulação para analiar o compromio entre a carga de inalização e a utilização de recuro. Ete etudo motram que a hierarquização da rede, ou eja, a ua divião em área mai pequena, e a configuração de agregado entre o router fronteira da área, por opoição a agregado extremo-a-extremo entre o router fronteira do domínio, permitem atingir uma utilização de recuro próxima da utilização com inalização fluxo -a-fluxo, ma com uma carga de inalização ignificativamente inferior.

5 abtract Thi Thei addree the problem of reource management in ATM (Aynchronou Tranfer Mode) and IP (Internet Protocol) network with QoS (Quality of Service) upport. ATM and IP technologie allow, nowaday, the integration of different type of ervice in the ame network infratructure. However, the variety of ervice and their requirement, involve big challenge at the reource management level, which need to be a efficient a poible. Thi Thei i divided in two part. The firt part of the Thei addree the reource management of ATM and IP acce network with QoS upport. It i preented an hitorical perpective of the acce network evolution. In term of ATM acce network, reource management trategie baed on VP (Virtual Path) are propoed, and dimenioning methodologie are defined, which take into account the QoS requirement at the call and cell level. The conidered reource management trategie allow the etablihment of trade-off between the reource utilization and the ignaling load. In term of IP acce network, it i propoed a new network architecture that repreent an evolution of the legacy acce network, allowing a larger reource haring. Thi architecture allow QoS differentiation and upport for multimedia application. More pecifically, it i propoed a olution that include the integrated upport of recently introduced technologie to etablih and configure multimedia eion, manage the QoS policie including AAA (Authentication, Authorization and Accounting) function, and reerve network reource. In the econd part of the Thei, two calable call admiion control mechanim are addreed: probing mechanim and mechanim baed on the aggregation of individual reervation. Both mechanim allow reource management without the maintenance of the per-flow tate in each network element. The probing mechanim etimate the network QoS level, through the inertion of probe flow, to decide if a new flow can be accepted or not. A new probing mechanim i propoed, denoted by -probing, which minimize the reource tealing problem that exit in the imple probing mechanim when it i applied to a ytem with multiple ervice clae. Analytical model are developed and imulation tudie are performed to analyze the reource tealing problem and to determine the influencing factor on the etimation of the lo ratio performed by the probing and -probing flow. The -probing mechanim obtain, imultaneouly, a high reource utilization and ervice differentiation without reource tealing. The reult obtained with thi mechanim were alo validated through the development of a probing tet-bed. In the mechanim baed on the aggregation of individual reervation, the core network element only need to maintain the tate of the flow aggregate (intead of individual flow), and the aggregate bandwidth i dynamically adjuted. Analytical model are defined and imulation tudie are performed to analyze the trade -off between ignaling load and reource utilization. Thee tudie how that the hierarquization of the network, that i, it partition in maller area, and the configuration of aggregate between area border router, a oppoed to end-toend aggregate between domain border router, reache an utilization cloe to the one of per-flow ignaling with a ignaling load ignificantly maller.

6 índice Capítulo Introdução.... Etrutura da Tee Enquadramento do trabalho Principai contribuiçõe...7 Capítulo 2 ATM e Qualidade de Serviço Conceito báico Modelo de referência Célula ATM Funcionalidade do VP e VC Suporte de QdS Parâmetro de QdS e clae de erviço Parâmetro de caracterização do tráfego Tranferência ATM Controle de tráfego e congetionamento Vantagen e devantagen do ATM...20 Capítulo 3 Qualidade de Serviço em Rede IP Controle de admião de fluxo Controle do nível de congetão da rede Algoritmo de ecalonamento Ordem de chegada Forma etrita Forma rotativa Aproximação do itema de fluído Tempo pré-definido Arquitectura para a Internet com uporte de QdS Integração de erviço Diferenciação de erviço Solução integrada IntServ/DiffServ...48

7 3.4.4 Nova arquitectura e mecanimo de controle de admião, atribuição e getão de recuro...49 Capítulo 4 Rede de Aceo Modelo de negócio Evolução da rede de aceo Rede de aceo tradicionai Rede de aceo ADSL Rede de aceo FITL com tecnologia de tranporte ATM Rede de ditribuição CATV O futuro da rede de aceo...73 Capítulo 5 Dimenionamento de Rede de Aceo ATM Arquitectura da rede de aceo Caracterização do erviço Etratégia de getão de recuro Dimenionamento ao nível da chamada Modelo do tráfego oferecido Etratégia I - VP entre cada ONU e um comutador ATM no exterior Etratégia II - VP entre cada ONU e a OLT Etratégia III - VP entre cada par de ONU Dimenionamento ao nível da célula Dimenionamento da ligaçõe Cao de etudo Parametrização do erviço Reultado do dimenionamento Concluõe...4 Capítulo 6 Rede de Aceo IP com Suporte de QdS Elemento e interface fíica de uma rede de aceo IP com recuro partilhado Endereçamento e encaminhamento Reutilização do PPP na rede de aceo Seõe PPP iniciada no terminal Seõe PPP iniciada no NT Análie da oluçõe de reutilização do PPP na rede de aceo Rede de aceo IP com uporte de QdS...28

8 6.4. Reerva de recuro (RSVP e extenõe do RSVP) Ecalonamento de pacote SIP Endereçamento SIP e elecção de um ISP Suporte de QdS e egurança com SIP COPS e ervidore de AAA Sumário da principai caracterítica da rede de aceo Exemplo de fluxo de menagen na rede de aceo Concluõe e trabalho futuro...44 Capítulo 7 Mecanimo de Probing Mecanimo de probing e o roubo de recuro Mecanimo de -probing Modelo teórico baeado numa ditribuição binomial Modelo teórico baeado em cadeia de Markov FIFO Fair queuing Limitadore de taxa CBQ Reultado numérico e de imulação Etudo numérico e de imulação ao nível do fluxo Etudo de imulação ao nível do pacote Concluõe e trabalho futuro...99 Capítulo 8 Etudo Experimental do Mecanimo de Probing Arquitectura do itema experimental Módulo gerador de tráfego Módulo de probing Cenário experimental Reultado experimentai e dicuão Experiência com uma clae Experiência com dua clae e tráfego oferecido contante Experiência com dua clae e tráfego oferecido variável no tempo Concluõe e trabalho futuro...22 Capítulo 9 Agregação em Domínio Hierárquico

9 9. Modelo do itema Modelo de carga por fluxo Modelo de carga por agregado Reultado numérico e imulaçõe Modelo de carga por fluxo Modelo de carga por agregado Reultado com agregado de tráfego real Concluõe e trabalho futuro Capítulo 0 Concluõe Principai concluõe Sugetõe para trabalho futuro Anexo A Método de Cálculo de Probabilidade de Bloqueio A. Knapack etocático A.2 Método directo de Knapack aplicado a múltiplo erviço A.3 Algoritmo de convolução baeado no Knapack etocático num itema de erviço único A.4 Aproximação de carga reduzida num itema de erviço único A.5 Aproximação de carga reduzida de Knapack num itema multi-erviço Lita de Acrónimo Gloário Referência

10 CAPÍTULO INTRODUÇÃO Na última década a rede de telecomunicaçõe têm vindo a ofrer modificaçõe muito profunda. A evolução da tecnologia de tranmião, do equipamento terminai, da técnica de proceamento do inai de áudio e de vídeo, entre outro, ucita o contante deenvolvimento de nova aplicaçõe e também de inúmera oportunidade de negócio. O novo erviço e aplicaçõe ão gradualmente mai exigente, apreentando caracterítica e requiito de tranmião muito divero. Além dio, com o aparecimento do erviço multimédia, que integram vário tipo de fluxo de tráfego, cada um com o eu requiito particulare, torna-e neceário dar um tratamento adequado a cada fluxo. O diferente requiito ão quantificado por parâmetro de Qualidade de Serviço (QdS). Por QdS entende-e a capacidade de a rede fornecer recuro a erviço e/ou cliente de forma diferenciada, de acordo com o eu requiito. A diveridade de erviço exitente hoje em dia motiva a convergência para uma rede de telecomunicaçõe que uporte qualquer tipo de erviço (rede integradora), e que imultaneamente eja capaz de aegurar o tratamento mai adequado a cada um (rede diferenciadora). A primeira tecnologia que permitiu imultaneamente integrar todo o erviço na mema infra -etrutura e atribuir-lhe uma QdS diferenciada de acordo com o repectivo requiito foi o ATM (Aynchronou Tranfer Mode). A tecnologia ATM,

11 Getão de Recuro em Rede com Suporte de Qualidade de Serviço deenvolvida para dar uporte à RDIS-BL (Rede Digital com Integração de Serviço de Banda Larga), cumpre o requiito exigido por eta para implementação de uma rede de telecomunicaçõe multi-erviço, devido ao débito elevado que lhe etão aociado, ao uporte de QdS diferenciada e à capacidade de getão da ligaçõe. Na tecnologia ATM, a informação digitalizada proveniente do vário tipo de erviço é tranportada em pequeno pacote denominado de célula. O ATM permite uportar erviço dede a emulação de circuito até ao tranporte de dado em requiito de QdS. Exitem vária vantagen na rede baeada em ATM. A primeira vantagem óbvia é o facto de poder integrar numa mema infra -etrutura de rede uma grande variedade de aplicaçõe com requiito de QdS diferente e com tráfego heterogéneo. Além dio, o ATM permite o uporte de comunicação multicat e getão da QdS extremo-a-extremo, apreentando portanto, uma grande veratilidade. O facto da tecnologia ATM er orientada à ligação favorece a exitência de toda a vantagen decrita anteriormente, ma acarreta conigo uma devantagem coniderável: torna o ATM demaiado complexo devido à neceidade de utilização de procedimento de inalização e de getão para o etabelecimento da ligaçõe. Além deta devantagem, o pequeno comprimento de cada pacote (53 byte com 5 byte de cabeçalho) faz com que a percentagem da informação não útil (overhead) tranportada eja elevada. Finalmente, com o creciment o exponencial da Internet a que e tem aitido no último ano, epera-e que em pouco tempo o tráfego IP (Internet Protocol) eja dominante. Por eta razõe, ete protocolo tem vindo a ganhar preponderância como tecnologia de tranporte na rede de telecomunicaçõe. Epera-e que com o IP, alguma da complexidade acima referida eja minorada. O IP é também baeado em pacote, ma de comprimento variável (até um máximo de 65,536 byte no cao do IPv4 e teoricamente ilimitado no cao do IPv6). No entanto, o IP nativamente não uporta qualquer mecanimo de diferenciação de erviço e de uporte de QdS. Por eta razõe, ele tem vindo a er dotado de mecanimo no entido de permitir o uporte de uma QdS diferenciada. Algun dete mecanimo limitam a quantidade de tráfego na rede para impedir o congetionamento da mema, enquanto outro permitem diferenciar entre o divero tipo de erviço. Ete mecanimo incluem: (i) o controle de admião, que bloqueia um pedido de utilização da rede, cao não exitam recuro uficiente; (ii) o controle do nível de congetão da rede, que limita a taxa máxima à qual ão enviado o pacote, e é reponável pelo decarte de algun pacote e a rede e 2

12 Introdução encontrar em ituação de congetionamento e; (iii) o ecalonamento do pacote, que define a ordem pela qual ão ervido em cada nó da rede. Com o objectivo de dotar a rede IP de uporte e diferenciação de QdS foram definida pelo Internet Engineering Tak Force (IETF) [IETF-int] dua arquitectura: a arquitectura de Integração de Serviço (IntServ) e a de Diferenciação de Serviço (DiffServ). A arquitectura IntServ garante uma QdS diferenciada para cada erviço atravé da reerva de recuro efectuada individualmente para cada fluxo de tráfego com bae em controle de admião. A arquitectura DiffServ ua uma combinação de mecanimo de diferenciação entre conjunto de erviço com requiito de QdS emelhante (clae de erviço), de atribuição de recuro a cada clae de erviço, e de policiamento (limitação) da informação que é tranmitida em cada clae. A arquitectura IntServ permite um uporte eficiente de QdS diferenciada. No entanto, eta arquitectura apreenta alguma devantagen relacionada com a neceidade de efectuar um proceamento de admião e de reerva de recuro, por cada fluxo de tráfego, em todo o elemento da rede (router) que e encontram no percuro do fluxo. Dete modo, o elemento da rede neceitam de manter informação actualizada relativa a todo o fluxo activo. Eta funcionalidade ão muito difícei de implementar numa rede de elevado débito, poi neceitam de elemento com uma elevada capacidade de proceamento e armazenamento. A arquitectura DiffServ não apreenta ete problema, uma vez que trata agregado de fluxo e não fluxo individuai. No entanto, devido a eta mema caracterítica, o fluxo activo pertencente a uma mema clae podem degradar mutuamente a repectiva QdS. Ete problema não exite na arquitectura IntServ porque ão efectuada reerva de recuro para cada fluxo de tráfego. Com o objectivo de aproveitar o melhor da dua arquitectura, têm ido propota nova arquitectura e mecanimo que tentam imultaneamente garantir QdS a cada fluxo individual e diminuir o requiito de proceamento e armazenamento de informação do elemento da rede. Neta Tee ão abordado divero apecto da getão de recuro em rede ATM e IP com uporte de QdS. A Tee contém dua parte principai. A primeira parte etá relacionada com a problemática de getão de recuro em rede de aceo ATM e IP com uporte de QdS. Ao nível da rede de aceo ATM, ão propota etratégia de getão de recuro, e metodologia de dimenionamento da rede, tendo em conta requiito de QdS tanto ao nível da chamada como da célula. Ao nível da rede de aceo IP, é propota uma 3

13 Getão de Recuro em Rede com Suporte de Qualidade de Serviço nova arquitectura para rede de aceo com uporte de QdS diferenciada e erviço multimédia. A egunda parte da Tee incide em doi mecanimo de controle de admião ecalávei (que minimizam o proceamento e o etado armazenado no elemento da rede). O primeiro mecanimo, denominado de probing, determina o nível de QdS da rede, atravé da inerção de fluxo de tete, para decidir e um novo fluxo pode ou não er aceite. O egundo mecanimo é baeado em agregação de reerva individuai e determina e exitem ou não recuro diponívei na rede para aceitar um novo fluxo, com bae na informação de reerva de agregado. Ambo o mecanimo permitem uma getão de recuro com uporte de QdS diferenciada, minimizando a carga de inalização no elemento da rede.. Etrutura da Tee Eta Tee etá organizada da eguinte forma: o capítulo 2 a 4 ão introdutório e fazem o levantamento do etado-da-arte do diferente problema endereçado na Tee; o capítulo 5 a 9 decrevem o trabalho original efectuado no âmbito da Tee. O capítulo 2 decreve o apecto mai importante da tecnologia ATM, que ervem de bae ao etudo efectuado em rede de aceo ATM no capítulo 5. Primeiro, ão decrito o conceito báico do ATM, a célula ATM, o equema de endereçamento e a contrução de rede lógica. De eguida, ão apreentada a caracterítica do ATM que lhe permitem uportar QdS. Em primeiro lugar, ão decrita a clae de erviço uportada pelo ATM e o parâmetro de QdS que a definem. Depoi, ão referido o parâmetro de caracterização do tráfego que definem a fonte de tráfego relacionada com um determinado erviço. Finalmente, ão apreentado o mecanimo de controle de tráfego e de congetionamento, ou eja, a getão do recuro da rede com bae em VP (Virtual Path), a limitação do número de chamada activa atravé de mecanimo de CAC (Call Admiion Control), e o controle do tráfego enviado pelo utilizador atravé de mecanimo de UPC (Uage Parameter Control). Ete capítulo termina com uma pequena decrição da principai vantagen e devantagen da tecnologia ATM. O capítulo 3 dicute a problemática do uporte de QdS em rede IP. A primeira parte concentra-e na decrição do divero mecanimo que permitem dotar o IP de uporte de diferenciação de QdS. Seguidamente, ão apreentada a dua arquitectura definida pelo IETF para o efeito, IntServ e DiffServ, o eu modelo de erviço, o eu bloco 4

14 Introdução contituinte, e a principai vantagen e devantagen de cada arquitectura. É apreentada também uma outra arquitectura que conidera a exitência de IntServ na rede de aceo e DiffServ na rede do núcleo, endo o recuro deta última gerido centralmente por Bandwidth Broker. Finalmente, ão decrita alguma arquitectura e mecanimo de getão de recuro e uporte de QdS que tentam etabelecer compromio entre a arquitectura IntServ e DiffServ. O capítulo 4 aborda a rede de aceo e a ua evolução, dede a rede de aceo de circuito comutado à rede de aceo IP. Neta perpectiva de evolução é feita uma análie da rede de aceo tradicionai, baeada em comutação de circuito, da rede de aceo ADSL (Aymmetrical Digital Subcriber Line), da rede de aceo baeada em fibra com tecnologia ATM, da rede de CATV (Community Antenna TeleViion) e rede de aceo IP. Ete capítulo termina com uma pequena introdução ao trabalho efectuado obre rede de aceo no capítulo 6. O capítulo 5 endereça o dimenionamento de rede de aceo ATM com múltipla clae de erviço. Primeiro, é apreentada a arquitectura geral da rede de aceo, o eu elemento contituinte e a interface fíica. De eguida, é apreentada uma tipificação do erviço uportado pela rede de aceo multi-erviço de banda larga. São propota trê etratégia de getão de recuro que repreentam diferente compromio entre a eficiência na utilização do recuro e o cuto do elemento de rede. São também apreentada propota de metodologia de dimenionamento para cada etratégia definida, que conideram o requiito de QdS ao nível da chamada e da célula. Finalmente, ão feito etudo comparativo que incluem a avaliação da diferente etratégia de getão de recuro, de diferente método de atribuição de largura de banda (ao PBR - Peak Bit Rate - e atravé de largura de banda efectiva), e de diferente ditribuiçõe epaciai do utilizadore na rede de aceo. No capítulo 6 é apreentada uma propota de uma nova arquitectura para rede de aceo baeada em IP. Primeiro, ão definido o elemento da rede e a interface fíica de ligação entre o memo. De eguida, é apreentada uma forma de reutilização do PPP (Point-to-Point Protocol) na rede de aceo com recuro partilhado. Depoi, é apreentada a propota de uma rede de aceo IP que permite uportar QdS diferenciada e aplicaçõe multimédia. O protocolo e tecnologia ecolhido para o efeito incluem o SIP (Seion Initiation Protocol) para iniciar e configurar uma eão, o COPS (Common Open 5

15 Getão de Recuro em Rede com Suporte de Qualidade de Serviço Policy Service) para gerir a política de QdS incluindo a funcionalidade de AAA (Authentication, Authorization and Accounting), e o RSVP (reource ReSerVation Protocol) para reervar o recuro da rede. Como parte integrante da propota, ão determinado o protocolo e tecnologia a uportar em cada elemento de rede. O capítulo 7 apreenta uma propota de um mecanimo de controle de admião baeado na invetigação do etado de congetionamento da rede (probing), que minimiza o problema do roubo de recuro que afecta itema com múltipla clae de erviço. Primeiro, é feita uma apreentação do mecanimo de probing, endo dicutido algun do problema dete mecanimo, incluindo o problema do roubo de recuro. Depoi, apreenta-e a propota de um novo mecanimo de probing que permite minimizar ete problema do roubo de recuro, que e deignou por -probing. É apreentado um primeiro modelo teórico baeado numa ditribuição binomial para etudar o factore que influenciam a etimativa do rácio de perda efectuada pelo fluxo de probing. De eguida, é apreentado um egundo modelo baeado em cadeia de Markov que permite etudar o problema do roubo de recuro em rede multi-erviço. Logo apó, ão efectuado etudo numérico e de imulação para avaliar o deempenho do mecanimo de probing e de - probing, e determinar a caracterítica que o fluxo de probing e de -probing neceitam de pouir para detectar a violaçõe de QdS na vária clae de erviço definida. No capítulo 8 é decrito um etudo experimental do mecanimo de probing que paou pelo deenvolvimento de um protótipo laboratorial. Primeiro, é apreentada a arquitectura do protótipo e ão dicutida a opçõe tomada na concepção do memo. De eguida ão decrito o módulo deenvolvido para permitir a introdução de mecanimo de probing numa rede real: um módulo de geração de tráfego e um módulo de probing que implementa o proceo de probing e de -probing. Finalmente, ão decrito o tete efectuado e é feita uma análie comparativa do reultado experimentai e de imulação. No capítulo 9 é apreentado um etudo de deempenho de uma rede que uporta agregação de reerva de recuro individuai. Conideram-e doi tipo de itema: um domínio plano (uma única área) com agregação extremo-a-extremo, e um domínio hierarquizado (dividido em área) com agregação extremo-a-extremo no interior de cada área. Inicialmente, é feita uma abordagem da problemática da inalização e do etabelecimento de reerva para fluxo individuai e para agregado de fluxo. São deenvolvido doi modelo para comparar o doi tipo de itema. No primeiro modelo, 6

16 Introdução denominado de modelo de carga por fluxo, a carga oferecida é detalhada ao nível do fluxo. O egundo modelo, denominado de modelo de carga por agregado, conidera que o tráfego oferecido tem uma largura de banda agregada média que é variável no tempo. São efectuado etudo numérico e de imulação para comparar o doi tipo de itema ao nível da carga de inalização, da utilização do recuro e da probabilidade de bloqueio do fluxo. Ete etudo ão também complementado com etudo de imulação que utilizam medida de tráfego real. Finalmente, a concluõe principai do trabalho decrito neta Tee ão apreentada no capítulo 0. São também apreentada a propota de trabalho futuro..2 Enquadramento do trabalho O trabalho deenvolvido neta Tee foi parcialmente enquadrado em vário projecto: Dimenionamento de rede de aceo ATM enquadrado no projecto europeu do programa ACTS BBL (BroadBand Loop) (AC0038). Rede de aceo IP com uporte de QdS enquadrado no projecto DIMIP (DIMenionamento de rede de aceo IPng) e GESACESSO (Getão de rede de aceo IP) do Intituto de Telecomunicaçõe (financiado ambo pela Portugal Telecom Inovação). Mecanimo de probing iniciado na Univeridade de Rice em Houton, no EUA, e continuado no âmbito do projecto TELEMAT (Engenharia de Tráfego para Rede DiffServ/MPLS) do Intituto de Telecomunicaçõe (financiado pela Portugal Telecom Inovação), e do projecto europeu P2 do EURESCOM NEW DIMENSIONS (NEtWork DIMENSIONing based on modeling of internet traffic). Agregação em domínio hierárquico enquadrado no projecto TELEMAT e NEW DIMENSIONS..3 Principai contribuiçõe Propota de etratégia de getão de recuro baeada em VP, e da correpondente metodologia de dimenionamento, para rede de aceo ATM. 7

17 Getão de Recuro em Rede com Suporte de Qualidade de Serviço Propota de uma nova arquitectura para rede de aceo baeada em IP com uporte de QdS diferenciada e de erviço multimédia. Definição do mecanimo e tecnologia a uportar em cada elemento de rede. Propota de um novo mecanimo de probing, deignado por -probing, que permite atenuar o problema do roubo de recuro que afecta itema com múltipla clae de erviço. Determinação da caracterítica do fluxo de probing e de -probing que permitem imultaneamente obter diferenciação na QdS e minimizar o problema do roubo de recuro. Validação experimental do deempenho dete mecanimo atravé da implementação de um protótipo laboratorial. Propota de modelo teórico para analiar o deempenho da agregação de fluxo em domínio plano e domínio hierarquizado. Etudo do compromio exitente entre carga de inalização e utilização de recuro. 8

18 CAPÍTULO 2 ATM E QUALIDADE DE SERVIÇO A tecnologia ATM (Aynchronou Tranfer Mode) permite a implementação de uma rede multi-erviço com uporte de QdS (Qualidade de Serviço), devido ao débito elevado que lhe etão aociado, ao uporte de QdS diferenciada e à capacidade de getão da ligaçõe. O ATM é eencialmente um modo de tranporte baeado em comutação de pacote que ua pacote pequeno com comprimento fixo. A tecnologia ATM permite uportar erviço dede a emulação de circuito até ao tranporte de dado em requiito de QdS. 2. Conceito báico O ATM é um modo de tranferência orientado à ligação que permite tranportar todo o tipo de erviço obre uma mema rede fíica. O facto de er orientado à ligação ignifica que apena pode haver tranferência de informação entre doi terminai apó e ter etabelecido uma ligação virtual entre ele atravé de procedimento de inalização e/ou getão. Na tecnologia ATM a informação de cada fluxo de tráfego é inerida em pacote pequeno de comprimento fixo, 53 octeto, denominado de célula. O facto de o pacote terem comprimento fixo implifica ignificativamente o mecanimo de incronimo de pacote e permite uma comutação rápida do memo. Cada célula é enviada para a rede 9

19 Getão de Recuro em Rede com Suporte de Qualidade de Serviço apó ter ido completamente preenchida, endo tranmitida ao ritmo máximo permitido pela capacidade da ligaçõe. A célula ão multiplexada na rede fíica atravé de multiplexagem aíncrona no tempo, ou eja, a partilha do recuro da rede entre a vária chamada activa é feita no tempo, e não é neceariamente atribuída uma largura de banda fixa de tranmião a cada chamada. Aim, cada fonte de tráfego aociada a cada chamada pode tranmitir a um ritmo variável dede que a capacidade da ligaçõe atraveada não eja excedida, e pode uar a largura de banda que não etá a er utilizada por outra fonte de tráfego activa. Além dio, como cada fonte pode uar a largura de banda que não etá a er uada por outra, uma ligação fíica pode uportar vária fonte de ritmo variável memo que a oma do ritmo de pico de cada fonte eja uperior à ua capacidade. Ete proceo de aproveitamento do recuro numa rede de pacote é denominado de multiplexagem etatítica. Atravé da multiplexagem etatítica da célula ATM é poível diminuir ignificativamente a largura de banda neceária para uportar um conjunto de fonte de tráfego. 2.2 Modelo de referência A decrição da funcionalidade do ATM baeia-e no modelo de referência protocolar da RDIS-BL (Rede Digital com Integração de Serviço de Banda Larga) definido pela recomendação I.32 [ITU-T9, ITU-T95]. O modelo de referência da tecnologia ATM é ilutrado na Figura 2-. Plano de Getão Plano de Controle Camada Superiore Camada de Adaptação ao ATM Camada ATM Plano de Controle Camada Superiore Getão da Camada Getão do Plano Camada Fíica Figura 2- : Modelo de referência protocolar da RDIS -BL (norma I.32 ITU-T). 0

20 ATM e Qualidade de Serviço A trê camada inferiore (fíica, ATM e de adaptação) correpondem à dua camada inferiore (fíica e da ligação lógica) do modelo OSI (Open Sytem Interconnection). No equipamento terminal, a informação do plano do utilizador é mapeada de camada protocolare uperiore para a camada de adaptação do ATM (AAL ATM Adaptation Layer). Eta camada é reponável por aegurar a caracterítica do erviço quando ete ão tranportado em ATM. É a camada AAL que executa a funçõe epecífica referente a cada tipo de erviço, que egmenta a informação, e que envia à camada ATM a informação que erá colocada no campo de informação de 48 octeto da célula ATM, e a informação relevante para formar o cabeçalho de cada célula. Exitem vário tipo de AAL [ITU-T93c, ITU-T93d], definida para diferente tipo de erviço. A camada ATM é comum a todo o erviço e é reponável pelo erviço de tranporte da célula. Eta camada realiza a multiplexagem e demultiplexagem da célula da divera chamada activa, gera e extrai o cabeçalho da célula, controla o fluxo de informação, e no comutadore facilita o proceo de encaminhamento atravé da tranlação do valore de identificador de caminho virtual (VPI - Virtual Path Identifier) e de identificador de canal virtual (VCI - Virtual Channel Identifier) decrito de eguida. Eta última função permite uportar QdS ao nível da camada ATM. A camada fíica define a caracterítica eléctrica e a interface da rede, garantindo independência entre a camada ATM e o tipo de tranporte fíico. Ete modelo de referência etá também etruturado em 3 plano: getão, controle e utilizador. A camada decrita anteriormente pertencem ao plano de utilizador, que tem como alguma da ua reponabilidade a tranferência do dado do utilizador e o eu controle ao nível do fluxo, e a recuperação de erro do cabeçalho. O plano do controle é reponável pelo controle da ligaçõe e chamada atravé de procedimento de inalização. O plano de getão coordena a getão de recuro do itema. 2.3 Célula ATM Foi já referido anteriormente que uma célula ATM tem um comprimento fixo de 53 octeto, em que o 5 primeiro pertencem ao cabeçalho e o 48 eguinte tranportam informação de dado. O cabeçalho apreenta uma etrutura diferente (Figura 2-2) no doi tipo de interface de uma rede ATM: UNI (Uer to Network Interface), entre o

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