Departamento de Ciência da Computação - UFF Multicast e QoS Comunicação Multicast Comunicação Multicast e Provisão de QoS para Aplicações Multimídia Profa. Débora Christina Muchaluat Saade debora@midiacom.uff.br Garantia de QoS Mecanismos de escalonamento e policiamento QoS em Redes IP Serviços Integrados e Diferenciados 1 2 Comunicação Multicast Comunicação de grupo corresponde à troca de dados de diferentes mídias entre múltiplas entidades. unidades de dados idênticas de um ou mais transmissores devem ser transmitidas para um grupo de receptores. Casos particulares Unicast pode ser definido como um caso particular de multicast, onde existe apenas um transmissor e um receptor, caracterizando assim uma comunicação ponto-a-ponto. Transmissão por difusão (broadcast) é um outro caso particular, quando temos uma transmissão para todos os participantes do sistema Serviço Multicast Transmissor não precisa ser membro do grupo (grupo aberto <> grupo fechado) 3 4 Comunicação Multicast A arquitetura genérica de um serviço de multicast pode ser dividida em duas partes: gerenciamento de grupo gerenciamento de grupo diz respeito a todas as ações relacionadas a composição do grupo manipulação de informações sobre os seus participantes e o controle sobre a entrada e saída de participantes ao grupo. construção de uma infraestrutura de distribuição. relacionada à forma de coordenação de recursos de forma a tentar minimizar as replicações desnecessárias de mensagens. Protocolos de roteamento são responsáveis por grande parte desse trabalho Gerenciamento de grupo Um grupo é definido como um subconjunto de usuários para o qual é possível a transmissão de mensagens várias entidades são representadas por nome e endereço únicos Endereço multicast A existência de um grupo é independente de haver troca de informação 5 6 1
Gerenciamento de Grupos 8 Distribuído: Informações e controle dos grupos estão distribuídos pelo sistemas de comunicação Ex.: IGMP IP Multicast Centralizado: Existe a figura de um gerenciador de grupo centralizado, que controla todas as atividades de gerenciamento do grupo Ex.: MARS IPOA Primitivas: Criação - Create Destruição - Destroy Adesão - Join Abandono - Leave Transmissão Multicast Resolução de Endereços Construção da infraestrutura de distribuição e roteamento 9 Resolução de Endereços Transmissão Multicast Realiza o mapeamento entre um endereço de nível N para um ou mais endereços de nível N-1 Mapeamento direto Protocolo de resolução Exemplo de Resolução de Endereços Mapeamento Direto Ex.: tradução de endereço IP multicast (Classe D) para endereço MAC (Ethernet) Endereço MAC multicast Começa com 01:00:5E Últimos 23 bits do endereço IP são mapeados no endereço MAC 10 11 Mapeamento IP multicast => MAC Modelo de Serviço IP Multicast 32 endereços IP multicast diferentes mapeiam para o mesmo endereço MAC multicast Fonte receptor (G A ) Gerenciamento de Grupo de grupo Inter-redes Protocolo de de Roteamento roteamento IGMP receptor (G A ) IGMP Gerenciamento de Grupo de grupo receptor (G B ) receptor (G B ) receptor (G A ) 12 13 2
Roteamento Multicast Roteamento Multicast Problema de Roteamento Multicast G=(V,E) V conjunto de vértices E conjunto de enlaces M subconjunto de V Inclui fontes e receptores do grupo multicast Problema: construir uma, ou várias, topologias de interconexão, árvores, que incluem todos os nós em M Árvore por fonte (source-based tree) Árvore compartilhada (shared tree) Árvore geradora Nenhum pacote redundante recebido por nenhum nó Nós encaminham cópias somente ao longo da árvore geradora F c A E B D (a) Broadcast iniciado em A G F c A E B D (b) Broadcast iniciado em D G 18 19 Meta 20 Achar uma árvore (ou árvores) conectando todos os roteadores com membros locais do grupo multicast Árvore Roteamento Multicast Nem todos os caminhos entre roteadores são usados Baseada na fonte Árvore distinta de cada fonte para receptores Compartilhada Mesma árvore usada por todos os membros do grupo Algumas Soluções Árvores de cobertura (spanning trees) Algoritmo de inundação Árvores RPF (Reverse Path Forwarding) Árvores centradas 22 Árvores Centradas Árvores Centradas Construída a partir de um nó central (core) Compartilhada por diversas fontes Diversas fontes utilizam o mesmo nó central Pedidos de conexão são enviados ao nó central Fonte receptor receptor receptor 28 29 3
Protocolos de Roteamento Protocolos de Roteamento Árvore de distribuição multicast Por Fonte Compartilhadas Nó central Inundação-e-poda Mecanismos de construção Inundação-e-poda Inscrição explícita dados (S,G) poda (S,G) 30 31 Protocolos de Roteamento Protocolos de Roteamento Inscrição explícita ponto central Inscrição explícita fonte dados (*,G) registro (S,RP) inscrição (*,G) dados (S,G) inscrição (S,G) 32 33 Roteamento Multicast Intradomínio DVMRP (Distance Vector Multicast Routing Protocol) Primeiro protocolo utilizado no MBone Backbone experimental para tráfego multicast Início dos anos 90 MOSPF (Multicast Open Shortest Path First) CBT (Core-Based Trees) PIM (Protocol Independent Multicast) PIM-DM (PIM Dense-Mode) PIM-SM (PIM Sparse Mode) Roteamento Multicast Interdomínio Border Gateway Multicast Protocol (BGMP) RFC 3913 Projeto semelhante ao BGP Anuncio as rotas que me interessam anunciar Sou a raiz dos grupos que me pertencem 34 35 4
Qualidade de Serviço Qualidade de Serviço Objetivo: Garantia de QoS fim-a-fim QoS pode ser definida como o conjunto das características (qualitativas e quantitativas) de processamento e comunicação suportadas por um serviço, que permite a provisão da funcionalidade desejada por usuários do ambiente. Essa funcionalidade pode ser entendida como a capacidade de processamento e comunicação para os dados de uma determinada mídia, por exemplo. Qualidade de Serviço (QoS) é um requisito da(s) aplicação(ões) para a qual exige-se que determinados parâmetros (retardos, vazão, perdas,...) estejam dentro de limites bem definidos (valor mínimo, valor máximo). 44 45 Parametrização de Serviços Informações sobre o comportamento dos fluxos dos usuários e da infraestrutura existente no ambiente podem ser estruturadas através do uso de parâmetros de caracterização do serviço. Parâmetros de desempenho do fornecedor retardo de transmissão instantâneo Parâmetros de caracterização de carga vazão máxima Parâmetros de especificação da QoS retardo de transmissão máximo Parâmetros de QoS Parâmetros mais comuns: Vazão (banda) retardo (latência) Retardo de propagação Velocidade de transmissão Tempo de processamento nos equipamentos Jitter Taxa de perdas, taxa de erros Disponibilidade 55 56 Variação de retardo jitter Garantia de QoS Modelo simples usado como exemplo: Efeito do jitter Enlace de 1,5 Mbps Fila de interface de saída de R1 57 58 5
Princípios para Garantias de QoS Considere uma aplicação de áudio a 1 Mbps e uma aplicação FTP compartilhando um enlace de 1.5 Mbps. rajadas de tráfego FTP podem congestionar o roteador e fazer com que pacotes de aúdio sejam perdidos. deseja-se dar prioridade ao aúdio sobre o FTP PRINCÍPIO 1: Marcação dos pacotes é necessária para o roteador distinguir entre diferentes classes; assim como novas regras de roteamento para tratar os pacotes de forma diferenciada Princípios para Garantias de QoS Considere uma aplicação de áudio a 1 Mbps e uma aplicação FTP de alta prioridade compartilhando um enlace de 1.5 Mbps. Pacotes FTP têm prioridade sobre os de áudio PRINCÍPIO 1 (modificado): Classificação dos pacotes é necessária para o roteador distinguir entre diferentes classes; assim como novas regras de roteamento para tratar os pacotes de forma diferenciada 59 60 Princípios para Garantia de QoS Considere uma aplicação de áudio mal comportada e uma aplicação FTP compartilhando um enlace de 1.5 Mbps. aúdio envia pacotes numa taxa superior a 1 Mbps anteriormente assumida; Tráfego FTP não será atendido PRINCÍPIO 2: fornecer proteção (isolamento) para uma classe em relação às demais Exige mecanismos de policiamento para assegurar que as fontes atendem aos seus requisitos de banda passante. Classificação e policiamento precisam ser feitos nas bordas da rede (sistema final ou roteador de borda): classificação de pacotes e policiamento Princípios para Garantia de QoS Alternativa à marcação e policiamento: alocar uma porção da taxa de transmissão a cada fluxo de aplicação; pode produzir um uso ineficiente da banda se um dos fluxos não usa toda a sua alocação PRINCÍPIO 3: Embora fornecendo isolamento, é necessário usar os recursos da forma mais eficiente possível marcação de pacotes enlace lógico de 1 Mbps enlace lógico de 0,5 Mbps 61 62 Princípios para Garantia de QoS Considere duas aplicações de áudio a 1 Mbps Não deve ser aceito tráfego além da capacidade do enlace PRINCÍPIO 4: É necessário um Controle de Admissão; a aplicação declara a necessidade do seu fluxo, a rede pode aceitar ou bloquear a chamada se a necessidade não puder ser satisfeita Resumo QoS para aplicações em redes classificação de pacotes Isolamento: escalonamento e policiamento dos fluxos alta eficiência de utilização Controle de admissão 63 64 6
Mecanismos de Escalonamento Escalonamento: a escolha do próximo pacote para transmissão num enlace pode ser feita de acordo com várias regras: FIFO Filas com Prioridade Round Robin Weighted Fair Queuing (fila justa ponderada) Mecanismos de Escalonamento FIFO (first-in-first-out) ou FCFS (first-come-firstserved): na ordem de chegada na fila pacotes que chegam são enfileirados no buffer ou, caso o buffer esteja cheio, são descartados, ou uma política de descarte é usada para determinar qual pacote descartar entre aquele que chega e aqueles que já estão na fila chegadas partidas fila (área de espera) enlace (servidor) 65 66 Mecanismos de Escalonamento 67 Filas com Prioridade: classes têm diferentes prioridades; classes podem depender de marcação explícita ou de outras informações no cabeçalho, tais como, o endereço de origem ou de destino, número de portas, etc. Transmite um pacote da prioridade mais alta que esteja presente na fila Exemplo de versão não-preemptiva chegadas classificação fila de alta prioridade (área de espera) fila de baixa prioridade (área de espera) enlace (servidor) partidas chegadas pacotes no servidor partidas tempo tempo Mecanismos de Escalonamento 68 Round Robin: percorre as classes presentes na fila, servindo um pacote de cada classe que tem pelo menos um representante na fila chegadas pacote em serviço partidas tempo tempo Weighted Fair Queuing (fila justa ponderada): é uma forma generalizada de Round Robin na qual se tenta prover a cada classe um volume diferenciado de serviço num dado período de tempo classificador de chegadas Mecanismos de Escalonamento enlace partidas Mecanismos de Policiamento Três critérios: Taxa Média Limite da taxa média por intervalo de tempo o aspecto crucial é o tamanho do intervalo de tempo (100 pacotes por segundo ou 6000 pacotes por minuto??) Período relativamente longo Taxa de Pico ex. 6000 pacotes por minuto na média e 1500 pacotes por segundo de pico Tamanho da Rajada número máximo de pacotes enviados consecutivamente, isto é, num curto período de tempo 69 70 7
Mecanismos de Policiamento Mecanismo Leaky Bucket / Token Bucket (balde de permissões), oferece um meio de limitar a entrada dentro de um tamanho de rajada e uma taxa média especificados. r tokens/seg balde pode conter até b tokens Mecanismos de Policiamento Balde pode armazenar b tokens; tokens são gerados numa taxa de r token/seg exceto se o balde está cheio. Num intervalo de tempo t, o número de pacotes que são admitidos é menor ou igual a (rt + b). Token bucket e WFQ podem ser combinados para prover um limite superior ao retardo. pacotes espera token para a rede 71 72 Mecanismos de Policiamento Token bucket e WFQ podem ser combinados para prover um limite superior ao retardo. R = taxa de transmissão no enlace R x w i / ( w j ) = taxa da fila i Retardo máximo da fila i = b i / (R x w i / ( w j )) Qualidade de Serviço na Internet Situação atual Internet de hoje fornece um serviço do tipo melhor esforço tráfego é tratado tão rápido quanto possível não há garantias temporais ou limites de erro Clientes exigem mais Internet é hoje uma infraestrutura comercial fornecimento de qualidade de serviço está sendo considerada cada vez mais um requisito essencial qualidade + serviço = capacidade para diferenciar entre tráfego ou tipos de serviço, de forma que o sistema possa tratar uma ou mais classes de tráfego diferentemente de outras 73 74 Qualidade de Serviço na Internet Trabalhos da IETF relacionados com garantias de QoS IETF tem proposto vários modelos de serviço e mecanismos para satisfazer a necessidade de QoS na Internet proporcionando um melhor controle sobre o tráfego na Internet na forma de priorização de certas aplicações (com certas restrições temporais) em detrimento do restante (tráfego essencialmente melhor esforço) Entre estes trabalhos estão: IntServ - modelo de Serviços Integrados DiffServ - modelo de Serviços Diferenciados Serviços Integrados Serviços Integrados (IntServ) IntServ é baseado na reserva de recursos aplicações devem primeiro configurar caminhos e reservar recursos antes dos dados serem transmitidos Circuito Virtual!! 75 76 8
Serviços Integrados (IntServ) Serviços Integrados (IntServ) alta granularidade na reserva de recursos, realizada por fluxos individuais. Roteadores devem ser capazes de reservar recursos para fornecerem QoS especial para fluxos de pacotes específicos do usuário estados específicos dos fluxos devem ser mantidos pelos roteadores Serviços Integrados (IntServ) Identificação de um fluxo versão 4 do IP (IPv4), pela concatenação dos seguintes campos, presentes no cabeçalho dos pacotes: endereços IP de origem e destino, tipo do protocolo de transporte e portas de origem e destino. Acrescenta-se a esses campos o identificador da sessão de QoS. versão 6 do protocolo IP (IPv6) introduziu o campo flow label, identificando os fluxos de forma mais eficiente, pela simples leitura do endereço do transmissor juntamente com o campo flow label. 77 78 Admissão de Chamadas A sessão deve primeiramente caracterizar o tráfego que ela enviará através da rede e solicitar seus requisitos T-spec: define as características de tráfego R-spec: define a QoS sendo solicitada Um protocolo de sinalização transporta a R-spec e a T- spec aos roteadores onde a reserva deve ser pedida RSVP Resource reservation Protocol Admissão de Chamadas Roteadores realizam o controle de admissão com base nas suas R-spec e T-spec e com base nos recursos correntemente alocados nos roteadores para outras chamadas. 1. Pedido: especifica - tráfego (Tspec) - garantia (Rspec) 3. Resposta: o pedido pode ou não ser atendido 79 2. Elemento considera - recursos não reservados - recursos solicitados 80 Serviços Integrados (IntServ) Classes de Serviço Propostas Serviço Melhor Esforço Serviço Garantido projetada para aplicações de tempo real críticas que são muito sensíveis ao retardo e a sua variação garantia de retardo máximo fim-a-fim, sem perda de pacotes Caracterização do tráfego (Tspec) + especificação da QoS (Rspec) Serviço de Carga Controlada projetada para as aplicações IP de hoje que se comportam bem quando a rede não está carregada Retardo baixo, próximo ao oferecido por um serviço de melhor-esforço em uma infraestrutura de rede controlada (sem congestionamento). Caracterização do tráfego (Tspec) Serviços Integrados (IntServ) Problemas da Arquitetura Serviços Integrados Montante de informações de estado aumenta proporcionalmente ao número de fluxos causa uma sobrecarga de armazenamento e processamento nos roteadores (arquitetura não é escalável) Requisitos nos roteadores são altos todos os roteadores devem implementar RSVP, controle de admissão, classificação e escalonamento de pacotes 82 85 9
Origem Serviços Diferenciados (DiffServ) Surgiu devido as dificuldades de implementar e utilizar Serviços Integrados/RSVP Princípio Agregação de fluxos em classes de serviço Pacotes são marcados diferentemente para criar várias classes de pacotes pacotes de diferentes classes recebem diferentes serviços Serviços Diferenciados (DiffServ) Classificação dos pacotes pode ser feita de 2 formas: baseada em vários campos do cabeçalho dos pacotes endereços de origem e destino, tipo e porta do protocolo de transporte, etc chamada classificação MF (Multi Field) baseada simplesmente, no campo DS, sendo, neste caso, denominada de classificação BA (Behavior Aggregate). campo TOS (Type Of Service) do cabeçalho do pacote IPv4 ou campo Class do cabeçalho do pacote IPv6 setado pelo roteador de entrada do domínio diffserv ou pelo usuário 86 87 Serviços Diferenciados (DiffServ) Serviços Diferenciados (DiffServ) Roteador de borda Classificação Roteador central encaminhamento roteador central: envio 88 roteador de borda: classificação, policiamento O modelo diffserv não padroniza serviços, especificando apenas comportamentos de encaminhamento ou PHBs (Per Hop Behaviors). Um PHB descreve como será realizado o encaminhamento dos pacotes pertencentes a uma mesma classe em cada roteador: EF (Expedited Forwarding) recomendável ao fornecimento de serviços com baixo retardo e variação, taxa de erros controlada e largura de banda assegurada. AF (Assured Forwarding) permite a implementação de serviços com diferentes níveis de garantia de QoS, como os serviços probabilísticos, por exemplo. Serviços olímpicos Ouro, Prata e Bronze 89 Serviços Diferenciados (DiffServ) Diferenças dos Serviços Integrados: Há apenas um número limitado de tipos de serviço indicados no campo DS conjunto de informações de estado é proporcional apenas ao número de classes e não proporcional ao número de fluxos Serviços Diferenciados é mais escalável do que Serviços Integrados Operações de classificação, marcação e policiamento são apenas necessárias nas fronteiras das redes funções simples no interior da rede Não define classes de serviço, ao invés disso fornece componentes funcionais com os quais as classes de serviço podem ser construídas Serviços Integrados sobre Diferenciados intserv nas redes de acesso melhor razão utilização dos recursos / custo obtida com a reserva por fluxo característica desse modelo maior número atual de aplicações adaptadas a algum mecanismo de solicitação de serviços intserv, normalmente empregando uma das diversas APIs existentes no mercado diffserv nos provedores de backbone Razões de escalabilidade 97 98 10