QoS dans le réseau. Objectifs. Étapes de la QoS. Chapitre 4 : Ordonnancement et QoS Scheduling

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1 QoS dans le réseau Chapitre 4 : Ordonnancement et QoS Scheduling 2011 RMMQoS-chap4 1 Objectifs Hypothèse : plusieurs flux en compétition dans un switch/routeur même interface de sortie Quelques objectifs possibles : obtenir des garanties pour un flux ex : délai < 100 ms indépendamment autres flux protéger (isoler) un flux des autres répartir les ressources de façon contrôlée équité, priorité, 2011 RMMQoS-chap4 2 Étapes de la QoS flux Mise en forme shaping classifier marquer policer commuter Gestion de file AQM Ordonnancer scheduling Contrôle d admission/ réservation host réseau 2011 RMMQoS-chap4 3 1

2 Ordonnancement N paquets en attente même sortie Buffers (file d attente) choisir lequel envoyer ( = ordre) si sortie libre éventuellement lequel supprimer si buffers plein 2011 RMMQoS-chap4 4 FIFO + drop tail Solution simple : une seule file FIFO si la file est pleine, rejeter paquet arrivant drop tail (ou tail drop) Couramment utilisée pas de protection ni de priorités équité très approximative favorise les flux gourmands => congestion 2011 RMMQoS-chap4 5 Priority Queuing Plusieurs files FIFO : F 1, F 2, de priorités décroissantes A chaque instant si sortie libre prendre file non vide de priorité maximale lui appliquer discipline FIFO Priorités strictes une file n est servie que si les files plus prioritaires sont vides risque de famine si (débit files F 1,, F j ) débit lien file F j+1 jamais servie 2011 RMMQoS-chap4 6 2

3 Priority Queuing (suite) Facile à implémenter Nécessite un classifieur (classifier) Ex : champ ToS (Type of service) entête IPv4 3 bits de précédence (0-5 user 6-7 réseau) Routine (données ordinaires) Prioritaire Immédiat Urgent Très urgent Critique Supervision interconnexion (ex PIM, VRRP, IGMP, OSPF) Supervision réseau 2011 RMMQoS-chap4 7 Priority Queuing (suite) entête ethernet champ CoS (Class of service) Les trames ethernet peuvent contenir un tag Utilisé pour les VLAN (VLAN id) Champ priorité codé sur 3 bits (IEEE 802.1D) Note : Champ Cos de MPLS user_priority Acronym Traffic type 1 BK Background 2 Spare 0 (Default) BE Best Effort 3 EE Excellent Effort 4 CL Controlled Load 5 VI Video, < 100 ms latency and jitter 6 VO Voice, < 10 ms latency and jitter 7 NC Network Control 2011 RMMQoS-chap4 8 Autres critères de classification interface d entrée (favoriser un terminal) entête IP port TCP/UDP ex : telnet prioritaire sur http ou smtp remarque : quid de RTP? adresses DST et SRC (IP ou ethernet) = flux comment configurer? 2011 RMMQoS-chap4 9 3

4 2011 RMMQoS-chap4 10 Ex : ré-ordonnancement des paquets 2011 RMMQoS-chap4 11 Ex : Priority Queuing routeurs cisco 4 priorités haute, moyenne, normale, basse par défaut : normale configuré statiquement Sur switch/routeur 3650 : Possibilité d une file prioritaire 2011 RMMQoS-chap4 12 4

5 Equité Assurer équité/protection entre flux ou classes de flux éventuellement avec des poids différents Qu est-ce qu être équitable équité max-min (max-min fair share) ex en terme de débit on suppose que demandes > disponible 2011 RMMQoS-chap4 13 Equité (suite) Equité Max-Min n flux (ou classes) capacité totale C demandes d 1 d 2 d n d i > C si tous les d i C/n => allouer C/n à chacun sinon allouer d 1 au premier partager récursivement C - d 1 aux n-1 autres flux 2011 RMMQoS-chap4 14 Exemple 4 demandes (flux) 1, 11, 17,19 (total 48) capacité 40 Allocation : 1, 11, 14, 14 Remarque : allocation proportionnelle de 40/48 de la demande favoriserait les demandes importantes : 0.83, 9.16, 14.16, risque de sur estimer les demandes 2011 RMMQoS-chap4 15 5

6 Round Robin Round Robin = Tour de rôle (tourniquet) Idée : une FIFO par classe servir un paquet par FIFO à tour de rôle simple poids différents des différentes classes? adapter équité max-min» multiplier une source par son poids» pendant un tour servir cette FIFO n fois» => Weighted Round Robin (Tour de rôle pondéré) pas équitable :» paquets de tailles différentes? 2011 RMMQoS-chap4 16 ex : Custom Queuing routeurs cisco 17 FIFO dont 1 pour signalisation chaque file a un poids classification par protocole, interface d entrée, configuration statique Weighted Round Robin (WRR) 2011 RMMQoS-chap4 17 Weighted Fair Queuing (WFQ) Equité en présence de poids différents de paquets de taille différente problème ne se pose pas avec ATM idée du Fair Queuing simuler le cas où paquets divisés en parties très petites par exemple par bits on envoie un bit de chaque file active à chaque tour ( simule un envoi en parallèle à un débit plus faible) 2011 RMMQoS-chap4 18 6

7 WFQ théorie 2011 RMMQoS-chap4 19 FQ : pratique calculer finish time des paquets temps où un paquet aurait été envoyé avec «méthode théorique» par bit envoyer dans l ordre des finish time => arrivent même instant que théorie pendant un «tour» on «consomme» un bit par file non vide ( = active) durée réelle d un tour = nombre de files actives 2011 RMMQoS-chap4 20 Algorithme FQ Variable NT = numéro de tour, initialement 0 Temps (initialement 0) 1 unité = envoi 1 bit, initial. 0 chaque paquet a un Numéro de Fin NF NF d une file = NF du dernier paquet Paquet arrive dans file vide =>NF(paquet) := NT + taille(paquet) Paquet arrive dans file active => NF(paquet) := NF(File) + taille paquet Paquets servis dans l ordre de leurs NF ex æquo => arbitraire 2011 RMMQoS-chap4 21 7

8 Exemple FQ 3 files A, B et C temps 0, paquets P1, P2, P3 de tailles 2, 6, 6 dans A,B,C au temps 7, paquets P4, P5 de tailles 2 dans files A et B NF(P1) =2, NF(P2) = NF(P3) = 6 temps 0, NT=0 : envoyer P1 temps 2, NT = 2/3 : envoyer P2, A devient inactive temps 6, NT = 2/3 + 2 (4 bits 2 files) temps 7, NT vaut 2/ /2 (1 bit 2 files) = 3,16 => NF(P4) = 3,16+ 2 = 5,16 (vide) NF(P5) = 8 (non vide) temps 8, NT = 3+1/6 + 1/3 = 3,5, P2 est fini envoyer P4 temps 10 NT = 3,5 + 2/3, P4 fini, envoyer P3 (A vide) temps 16 NT = 3,5 + 2/3 + 3 P3 fini, envoyer P5 (C vide) temps 18, NT = 6,5 + 2/3 + 2, P5 fini 2011 RMMQoS-chap4 22 Ex : WFQ routeurs cisco WFQ par flux (sur certains routeurs) files créées dynamiquement détection flux actifs poids affectés via le champ précédence IP poids proportionnel à précédence +1 possibilité de réservation via protocole RSVP 2011 RMMQoS-chap4 23 Combien y a-t-il de flux? Exemple d une trace de 15 minutes connexion Osiris-Renater (interface giga) débit moyen environ Mb/s au total environ flux TCP, 76 M paquets, 60 Go graphe suivant : flux découpé en microflux si silence d une seconde 2011 RMMQoS-chap4 24 8

9 2011 RMMQoS-chap RMMQoS-chap4 26 Ordonnancement Un bon ordonnancement est facile à implémenter et rapide à 10 Gb/s : 100 ns pour décider? proportionnel au nombre de classes/flux? équitable fournit des bornes (garanties) permet un contrôle d admission facile 2011 RMMQoS-chap4 27 9

10 Contrôle d admission Garanties de QoS pour un flux => réseau ne peut accepter toutes demandes Phase initiale de contrôle admission vérification ressources disponibles par rapport demandes flux => en général réservation Peu adapté à un mode sans connexion RSVP (voir architecture intserv) 2011 RMMQoS-chap4 28 Ordonnancement Agrégation de flux => classes moins de files pas de protection dans une classe? 2011 RMMQoS-chap4 29 Garanties de QoS avec WFQ Peut-on avoir des garanties sur un flux traversant n ordonnanceurs WFQ par flux? Débit garanti débit sur un lien au moins D/n (sans poids) ou poids(file)*d / poids si WFQ globalement min des débits sur chaque lien 2011 RMMQoS-chap

11 Garanties de QoS avec WFQ Délai garanti? Délais se décomposent : 1. Délais de propagation (indépendant trafic) 2. Délais dûs aux paquets précédents du même flux/ classe 3. Délais dûs aux paquets des autres flux/classe Même sur réseau peu chargé Gigue due aux autres flux 2011 RMMQoS-chap4 31 Garanties de QoS avec WFQ Délai garanti? possible seulement si émetteur limité Sinon nombre arbitraire paquet dans file d attente => délai arbitraire (ou perte) émission contrôlée par un leaky bucket (seau à fuite) débit ρ et de capacité (rafale) σ Principe leaky bucket (version par bit) : réserve (seau) de σ jetons maximum Nouveaux jetons arrivent à raison de ρ par seconde Un paquet de L bits ne peut être émis que s il y a au moins L jetons (qu il consomme) sinon il attend Propriété : Emetteur ne peut transmettre plus de σ + t ρ bits pendant temps t 2011 RMMQoS-chap4 32 Garanties délai WFQ (suite) P = taille plus grand paquet de tous les flux P idem pour ce flux g(k) = bande passante allouée au flux sur le k ième WFQ g = min g(k) > ρ (réservation > débit émis) r(k) = débit du k ième lien (donc g(k) < r(k) ) (débit lien > réservation ) Délai max σ/g + P /g(k) + P/r(k) + T prop délai burst émission attente total virtuelle paquet sur file k autres flux Min 0 P /r(k) 0 T prop 2011 RMMQoS-chap

12 Garanties WFQ (suite) Conclusions : Plus on alloue de BP (g) par rapport débit émission (ρ), plus délai D est faible => surallocation Plus les paquets sont petits plus délai max D faible Nécessite shaping et/ou policing en entrée Plus il y a de sauts plus c est difficile et plus la borne est statistiquement surestimée 2011 RMMQoS-chap4 34 Exemple Route de 20 sauts P = 10Kb P/r(k) = 0,2ms (liens giga) à 200 ms (liens à 1Mb/s) Si sortie occupée quand paquet arrive Téléphonie avec P = 128 octets, 64Kb/s réservés P /g(k) = 320 ms (160 ms si 128 Kb/s réservés) 2011 RMMQoS-chap4 35 Gestion des rejets Paquet arrive dans une file pleine rejeter un paquet (drop) => Active Queue Management (AQM) si couche transport adaptative retransmet (TCP) adapte débit après un retard (TCP) drop sert d indicateur à l émetteur problème si application non adaptative Ex : flux RTP vidéo en streaming Perte non compensée, débit non réduit 2011 RMMQoS-chap

13 Rejets (2) Drop tail (ou tail drop) rejet paquet arrivant file pleine très simple, très implémenté mais indication tardive (pour TCP) congestion déjà là réaction après un RTT => risque pertes multiples variante : WTD (weighted Tail Drop) à voir sur cisco 3560 seuils de remplissage différents pour n classes 2011 RMMQoS-chap4 37 RED RED : Random Early Discard Pour sources réactives aux pertes (TCP) paquets rejetés aléatoirement avant file pleine => 1 source ralentit avant congestion statistiquement toutes sources réactives ralentissent 2011 RMMQoS-chap4 38 Rejet : RED En pratique définir seuil remplissage file S (ex 50%) Calcul remplissage en moyenne pondérée MP MP = (1-a) MP + a Remplissage_courant (ex a = 0,002) si file assez remplie MP > S rejeter nouveau paquet avec probabilité proportionnelle à MP : P = Pmax * (MP -S ) / (MaxS -S) Probabilité rejet 1 Pmax S MaxS Longueur moyenne file d attente 2011 RMMQoS-chap

14 Rejet : RED RED : Donne bons résultats avec TCP petites rafales non pénalisées flux gourmands pénalisés (ou ralentissent : TCP) Implanté dans certains routeurs Assez peu utilisé en pratique Variante WRED: Weighted RED (cisco) le seuil est différent par précédence IP Très nombreuses variantes proposées 2011 RMMQoS-chap4 40 Rejet (3) Si plusieurs files indépendantes (pool buffers indépendants) => appliquer politique à chaque file utilisent même pool de buffer limitation globale somme des files rejet file moins prioritaire ou rejet file plus longue 2011 RMMQoS-chap4 41 Rejet (4) rejeter paquet déjà en file premier (émetteur «prévenu» plus vite) aléatoire (plus difficile à implémenter) dernier 2011 RMMQoS-chap

15 Policing et Shaping Indépendamment de la charge limiter le débit à un seuil fixé nécessaire pour les garanties de délai shaping : mise en forme faire attendre les paquets en trop lissage des pics de trafic utilisé en sortie (hôte, réseau, ) seau à jeton débit + taille rafale (= buffer) suppose que l application émettrice peut attendre 2011 RMMQoS-chap4 43 Contrôle de conformité Policing utilisé en entrée (de domaine avec QoS) vérifier si trafic conforme trafic non conforme jeté ou marqué (ex : diminuer sa priorité) Algorithme : seau à fuite (leaky bucket) débit fuite, taille rafales acceptées 2011 RMMQoS-chap4 44 Classification Permet ensuite appliquer politique marquage, policing, ordonnancement, rejet basée sur interface d entrée champs spécifiques à la QoS ethernet avec tag : champ Cos 3 bits IP : champ ToS 8 bits (3 bits de précédence) ou 8 bits de DSCP (Differentiated Service Code Point) si architecture Diffserv autres champs adresses Mac, IP, protocole, port 2011 RMMQoS-chap

16 Classification et marquage classification sur entêtes coûteuse => faite à l entrée du domaine QoS peut être ensuite marquée dans paquet : champ CoS ou DSCP inspection rapide dans les autres switchs/ routeurs 2011 RMMQoS-chap4 46 Chaîne traitement paquet marquer attente shaper classifier marquer policer commuter AQM attente shaper scheduler marquer attente 1 Classifier trame en entrée 2 marquer en fonction trame trame et port d entrée 3 policer => champ classe DSCP ou ToS 4 commuter si classe a un débit limité 5 AQM même excédent envoyer mettre classe dans trame : file = même vers sortie QoS sortie 6 Shaper utilise éventuellement (éventuel) supprimé table commutation ou déclassé 7 scheduler/ordonnanceur si file soumise ethernet jeter ce à paquet / shaping IP (drop tail) parmi peut limite nécessiter débit/rafale files jeter d attentes paquet buffers prêtes file d entrée (RED) choisir indépendamment paquet à envoyer autres files RR, PQ, WFQ, shaper 2011 RMMQoS-chap

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