04.02 Escalonamento. Redes de Serviços e Comunicações Multimédia RSCM/ISEL-DEETC-SRC/2004 1

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1 04.02 Escalonamento Redes de Serviços e Comunicações Multimédia RSCM/ISEL-DEETC-SRC/2004 1

2 Definição A disposição de um conjunto de tarefas no tempo de forma a que todas sejam cumpridas a atempadamente. Suporte de restrições entre tarefas Tenta minimizar o custo Classificação de sistemas Sistemas preemptivos Permite interrupções Sistemas não preemptivos Uma rede é por natureza não preemptiva RSCM/ISEL-DEETC-SRC/2004 2

3 Algoritmos teóricos First Come First Served Ordenado por ordem de chegada Highest Priority Ordenado por prioridades Rate Monotonic Actividades periódicas, a com o período maior recebe a prioridade mais alta Earliest Deadline First Quem tiver o limite mais próximo tem maior prioridade Minimum Laxity First Actividade com o menor tempo para execução antes do prazo recebe a prioridade mais elevada Round Robin Circula por todas as actividades repartindo o recurso por igual RSCM/ISEL-DEETC-SRC/2004 3

4 Necessidades em Redes RSCM/ISEL-DEETC-SRC/2004 4

5 Funcionamento tradicional de uma rede Comutação Todos os datagramas são tratados como pacotes individuais Não existe reconhecimento de fluxos Não existe noção de ligação Encaminhamento Por datagrama, usa uma tabela de encaminhamento Não examina qual o tipo de tráfego Padrões de tráfego Não existe protecção dos pacotes de determinado fluxo Um fluxo afecta todos os outros que partilhem parte da rede RSCM/ISEL-DEETC-SRC/2004 5

6 Cenário em Redes Fluxos de dados Scheduler Recurso Partilhado Scheduler Um para cada recurso activo Determina a ordem pela qual são servidos os pedidos Uso de algoritmo de escalonamento Actualmente é um esquema FCFS First Come First Served Assume uma prioridade equivalente para todos os pacotes RSCM/ISEL-DEETC-SRC/2004 6

7 Escalonamento FCFS Pacotes colocados em fila de espera na ordem que chegam Não existe diferenciação de pacotes Não existe a noção de fluxos de pacotes Cada vez que um pacote chega é servido assim que possível O recurso partilhado nunca está livre desde que haja pacotes para serem servidos É impossível atribuir um atraso mais baixo a todos os fluxos do que aquele que eles obteriam com um algoritmo FCFS RSCM/ISEL-DEETC-SRC/2004 7

8 Suporte à QoS Quality of Service QoS Qualidade de serviço Oferecer garantias de serviço Atraso Largura de banda Jitter Fiabilidade (BER baixo) Permitir dar prioridade a determinados fluxos Uso de classes RSCM/ISEL-DEETC-SRC/2004 8

9 Procedimentos Especificação do QoS Requisitos de uma determinada aplicação e garantias dadas pelo sistema Tanto a aplicação como o sistema necessitam de conhecer o serviço oferecido pelo mecanismo de QoS Cálculo de QoS Controlo de Admissão Funções para calcular as garantias dadas pelo QoS RSCM/ISEL-DEETC-SRC/2004 9

10 Perguntas Como modificar o comportamento do escalonador nos encaminhadores de forma a suportar QoS? Quais as alternativas ao FCFS? Como lidar com situações de congestão? RSCM/ISEL-DEETC-SRC/

11 Escalonamento num encaminhador Linhas de entrada sem buffers Classificadores de pacotes baseadas em politicas Fila de saída Tabelas de encaminhamento Matriz de comutação Buffers de saída Escalonador Escolhe qual a fila de espera que é escolhida a seguir Politicas de encaminhamento Como classificar pacotes Limitações no encaminhamento Política de encaminhamento Classificador de pacotes Tabelas de encaminhamento Matriz de comutação Escalonador Buffers de saída RSCM/ISEL-DEETC-SRC/

12 Requisitos do escalonamento RSCM/ISEL-DEETC-SRC/

13 O escalonamento ideal Fácil de implementar Garantir a equidade Limites do desempenho Permite uma fácil decisão do controlo de admissão Decide se determinado fluxo pode ser permitido RSCM/ISEL-DEETC-SRC/

14 Req. Nº 1 Facilidade de implementação O escalonador tem de fazer decisões a cada micro segundo Implementado em poucas instruções ou hardware O processamento exigido por cada pacote deve crescer proporcionalmente com o número de ligações activas. Preferencialmente devia crescer abaixo desta linha. RSCM/ISEL-DEETC-SRC/

15 Req. Nº 2 Equidade Cada ligação não deve obter mais recurso do que aquele que pediu O excesso, se existir, é partilhado de igual forma por todos Transferir metade do excesso Necessidade não satisfeita A B C A B C RSCM/ISEL-DEETC-SRC/

16 Req. Nº 2 Equidade (2) Ser justo é bom! Fornece alguma protecção Fluxos com mais débito não conseguem ultrapassar os outros Atingir a justiça é um objectivo global, mas o escalonamento élocal A justiça global poderá nunca ser atingida RSCM/ISEL-DEETC-SRC/

17 Req. Nº 3 Limites do desempenho O que é? Uma maneira de obter determinado nível de serviço Pode ser Determinístico Estatístico Parâmetros comuns Largura de banda Atraso Variação do atraso (jitter) Perdas RSCM/ISEL-DEETC-SRC/

18 Req. Nº 4 Controlo de admissão Controlo de admissão precisa de fornecer qualidade de serviço Recursos sobrecarregados não conseguem garantir a performance necessária Escolha do algoritmo de escalonamento afecta a complexidade do algoritmo de controlo de admissão RSCM/ISEL-DEETC-SRC/

19 Escolhas fundamentais RSCM/ISEL-DEETC-SRC/

20 Escolhas no desenho do mecanismo Número de níveis de prioridades Utilização permanente do recurso Grau de agregação Garantias de serviço em determinado nível RSCM/ISEL-DEETC-SRC/

21 1 Prioridade O pacote de determinada prioridade é apenas servido se não existirem pacotes de prioridade mais alta. O nível mais alto obtém o atraso mais baixo Normalmente as prioridades são atribuídas a classes de atraso Risco de uma fila de espera de baixa prioridade nunca ser servida. Mensagens urgentes de baixa largura de banda Tempo Real Outras RSCM/ISEL-DEETC-SRC/

22 2 Utilização permanente do recurso Escalonamento de utilização permanente O recurso partilhado nunca fica idle quando tem pacotes à espera Sem utilização permanente Pode ficar idle mesmo com pacotes à espera Permite o alisamento do fluxo de dados Não servir o pacote assim que chega Esperar até um pacote se tornar elegível para transmissão Reduz o jitter do atraso RSCM/ISEL-DEETC-SRC/

23 2 Escalonadores sem utilização permanente Vantagens Torna o tráfego mais previsível Fluxo controlado Elimina bursts Reduz o tamanho das filas de espera da saída Desvantagens Aumenta o atraso médio Não é relevante para aplicações de streamming Desperdiça largura de banda Implementação complexa Pode necessitar de sincronização de relógio nos encaminhadores RSCM/ISEL-DEETC-SRC/

24 3 Grau de agregação Granularidade Por fluxo? Por utilizador? Por origem/destino? Solução: Definir classes, membros de determinada classe têm os mesmos requisitos Sem protecção dentro da mesma classe RSCM/ISEL-DEETC-SRC/

25 4 Garantias de serviço em determinado nível Por ordem de chegada (FCFS) Sem protecção contra esgotamento de largura de banda Sem garantia de atrasos Por marcação de tráfego Através da escolha é possível prevenir contra o esgotamento da largura de banda e dar garantias do atraso de determinado fluxo de dados RSCM/ISEL-DEETC-SRC/

26 Escalonamento de ligações Best Effort RSCM/ISEL-DEETC-SRC/

27 GPS Generalized Processor Sharing Justiça atingida através do algoritmo Generalized Processor Sharing (GPS) Visitar todas as filas de espera que não estão vazias em cada turno Servir unidades infinitesimais de cada uma Não é implementável em redes! Não é positivas servir unidades infinitesimais, a unidade mínima é um pacote Usar outros algoritmos para imitar o GPS Nenhum outro algoritmo consegue ser tão justo como o GPS Quando um pacote é servido, todos os outros têm de esperar RSCM/ISEL-DEETC-SRC/

28 WRR Weighted Round Robin Tentativa mais próxima ao GPS Servir um pacote de cada fila de espera que não esteja vazia em cada turno Ter em conta os pesos Injusto se os pacotes tiverem dimensões variáveis. Pesos diferentes, tamanho de pacote fixo. Servir mais de um pacote por visita, tendo em conta os pesos Não representa o cenário actual Pesos diferentes, tamanho de pacote variável. Usar o tamanho médio do pacote Preciso de saber o tamanho médio antecipadamente Pode-se tornar bastante injusto: Fluxos com pesos muito baixos Muitos fluxos de dados RSCM/ISEL-DEETC-SRC/

29 WFQ Weighted Fair Queueing Lida melhor com a variação do tamanho de pacotes e pesos Ideia: Encontrar o tempo de chegada, à outra ponta da ligação, de determinado pacote se tivesse sido usado TDM ao nível do bit Baseado no tempo de chegada do ultimo pacote enviado Servir os pacotes por ordem da chegada ao destino Limitações: Tem de colocar um timestamp à chegada de um pacote a uma fila de espera e tem de calcular o tempo ideal de partida para satisfazer a chegada Outro algoritmo idêntico: Packet-by-Packet Generalized Processor Sharing (PGPS) RSCM/ISEL-DEETC-SRC/

30 Gestão das filas de espera RSCM/ISEL-DEETC-SRC/

31 Motivação Todos os pacotes que não conseguem ser servidos imediatamente são colocados em buffers Escalonamento Que fila de espera deve ser seleccionada Que pacote deve ser transmitido de cada fila Gestão de filas de espera Garantir que existem buffers disponíveis: gestão de memória Organizar os pacotes dentro das filas de espera Deitar pacotes fora quando a fila de espera fica cheia Controlo de congestão RSCM/ISEL-DEETC-SRC/

32 Motivação (2) Congestão Fontes que estão a ultrapassar limites Instabilidades no encaminhamento Falha da rede A congestão pode atingir vários fluxos Descartar pacotes Deitar fora pacotes recém chegados até que a fila de espera fique livre? Aceitar novos pacotes, deitar fora os existentes? Nas ligações best-effort é normal existir perdas de pacotes RSCM/ISEL-DEETC-SRC/

33 Classificação das técnicas Grau de agregação Grau de descriminação na escolha do pacote a ser deitado fora Classificar pacotes selectivamente Prioridades na escolha Como escolher? Todos os equipamentos marcam pacotes através de um bit (DE/CLP) Deitar fora todos os pacotes que pertençam ao mesmo fluxo de dados (ex.: AAL5) Deitar fora os pacotes das origens mais próximas Porque usaram menos recursos Não é possível fazer na Internet visto que o TTL diminui Pró activo ou reactivo Escolha do pacote a deitar fora RSCM/ISEL-DEETC-SRC/

34 Pró activo ou reactivo Descarte pró activo descartar pacotes mesmo que ainda exista espaço nas filas de espera Sinalizar os endpoints para reduzir o tráfego Fontes que cooperem conseguem obter atrasos menores Fontes que não cooperem obtêm perdas de pacotes elevadas Descarte aleatório pró activo Deitar pacotes que cheguem com uma probabilidade fixa se a fila de espera exceder determinado limite Fontes não cooperantes podem conseguir enviar mais pacotes RSCM/ISEL-DEETC-SRC/

35 RED Random Early Detection Usa a ocupação média da fila de espera como parâmetro para uma função aleatória Decide se activa os mecanismos anti-congestão ou não Funcionamento Para uma ocupação abaixo de um limite mínimo, minth, os pacotes passam sem serem alterados (probabilidade de serem descartados zero) Acima de minth, a probabilidade de um pacote ser descartado cresce linearmente até uma probabilidade máxima, max p, atingida para uma ocupação máxima de max th Numa ocupação maior ou igual a max th, os pacotes são descartados RSCM/ISEL-DEETC-SRC/

36 RED Funcionamento Descartar tudo 1de descarte max p Probabilidade Aumenta linearmente 0 min th max th 100% Ocupação Média Nunca descartar RSCM/ISEL-DEETC-SRC/

37 WRED Weighted Random Early Drop Idêntico ao RED mas agora com diferentes comportamentos para a mesma fila de espera 1de descarte Pacotes marcados max p Probabilidade Pacotes normais 0 min2 th min1 th max2 th max1 th 100% Ocupação Média RSCM/ISEL-DEETC-SRC/

38 Classificação em redes IP RSCM/ISEL-DEETC-SRC/

39 Multifield Classification Type of Service (IPv4) / Traffic Class (IPv6) Precedência TOS 0 Differentiated Services Field 1000 Minimizar Atraso 0100 Maximizar débito TOS= 0010 Maximizar Fiabilidade 0001 Minimizar Custo 0000 Serviço Normal DSCP CU RSCM/ISEL-DEETC-SRC/

40 Como classificar os pacotes(2)? Endereço Origem/Destino Protocolo (Layer 4) TCP/UDP Porto Origem/Destino (Layer 4) Tipo de dados (Layer 7) Flow Label (IPv6) Evita ter de procurar nas extensões de cabeçalho RSCM/ISEL-DEETC-SRC/

41 QoS no nível 2 CoS Class of Service Usado nas tramas 802.1Qp 3 bits podem ser mapeados no ToS do IP User Priority CFI 802.1p VLAN ID 12 Bit RSCM/ISEL-DEETC-SRC/

42 Exemplo Práticos RSCM/ISEL-DEETC-SRC/

43 QoS no Cisco Catalyst 6000 Escalonamento: Fila e limite seleccionado com base no CoS recebido. Pode ser configurado o mapeamento como de confiança ou pode ser reescrito se não o for. Aplicação de politicas via ACLs Acções: Marcar Descartar Baseado em: Byte rate Burst (Token Bucket) O escalonamento e limites das filas são escolhidos com base no CoS através de um mapeamento configurável A remorção das filas de espera usa WRR entre duas filas Adaptive Base Rate RX Fila ARB Fila Prioritária Porta de Entrada Politica Classificar Motor de Encaminhamento Reescrita Fila 1 Fila 2 Fila Prioritária WRR ARB TX O encapsulamento de entrada pode ser 802.1Q, 802.1p, ISL ou nenhum Classificação baseada no DSCP Classificação MultiField baseada em Porto de confiança Informação Layer 2 c/ ACL Informação Layer 3 c/ ACL Informação Layer 4 c/ ACL Classificação BA (Beaviour Aggregate) Confiar no CoS/Precedências IP/IP DSCP c/acl Reescreve o ToS do IP e CoS do 802.1p / ISL Cada fila tem tamanho e limites configuráveis, algumas têm WRED Porta de Saída A saída pode ser encapsulada em 802.1Q / ISL ou em nada RSCM/ISEL-DEETC-SRC/