Introduction à la qualité de service dans les réseaux

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1 Introduction à la qualité de service dans les réseaux Une «vue» sur l Internet Des millions de machines connectées : hosts, end-systems PCs stations, serveurs PDAs téléphones, toasters exécutant des applications en réseau des liaisons fibre, cuivre, radio, satellite débit, bande passante routeurs: acheminement des paquets routeur station serveur mobile local ISP regional ISP Cœur du réseau 1

2 Le service orienté connexion Objectif: transférer des données entre systèmes terminaux! handshaking: préparation du transfert Hello, protocol Transfert TCP - Transmission Control Protocol TCP service [RFC 793] Transfert du flux de données fiable et ordonné Gestion des pertes et erreurs par accusés deréception et retransmissions Contrôle de flux : récepteur/émetteur Contrôle de congestion: émetteur/réseau Le service sans connexion Objectif: le même! UDP - User Datagram Protocol [RFC 768]: Transfert non sécurisé Pas de contrôle de flux Pas de contrôle de congestion Des applications sur TCP: HTTP, FTP, Telnet, SMTP ( ) Des applications sur UDP: : streaming, téléconférence, DNS, telephonie sur IP 2

3 Le cœur du réseau Des routeurs interconnectés en un réseau maillé Deux modes principaux de commutation circuit switching packet-switching La commutation de circuit Réservation des ressources de bout en bout bande passante, capacité des commutateurs pas de partage de ressources performances garanties nécessite un établissement du circuit 3

4 TDMA and TDMA FDMA Exemple: 4 utilisateurs fréquence TDMA temps fréquence temps La commutation de paquets: un multiplexage statistique A 10 Mbs Ethernet multiplexage C B 1.5 Mbs File d attente de sortie D E Les paquets issus de A et B arrivent aléatoirement multiplexage statistique. En TDM chaque station aurait un nombre fixe de slots à sa disposition. 4

5 La commutation de paquets Decoupage du flux entrant en paquets A et B se partagent les resources du réseau chaque paquet utilise la totalité du débit utile les ressources sont utilisées en fonction du besoin Contention pour l usage des ressources : la demande peut excéder l offre congestion: mise en attente des paquets store and forward : Pas de division du débit en slots Pas d allocation fixe de ressources Pas de réservation Circuit vs Paquet Liaison 1 Mbit chaque application : 100 kbps si active active 10% du temps circuit : 10 users N utilisateurs paquet : 35 utilisateurs, probabilité d activité > 10 inférieure à Mbps 5

6 delai = 3L/R L Et le MTU? R R R Exemple: L = 7.5 Mbits R = 1.5 Mbps delai = 15 sec La fragmentation 5000 paquets de 1500 bits 1 msec par lien pipelining: Delai réduit de 15 sec à sec 500 paquets de bits? 6

7 L acheminement dans les réseaux paquets datagrammes : L adresse est portée par chaque paquet les routes peuvent changer pendant la session optimal? Traitement de chaque paquet Circuit virtuel: chaque paquet transporte une étiquette le chemin corespondant à l étiquette est déterminé àl établissement les routeurs doivent maintenir une information d état Une taxinomie Réseaux Commutation de circuits Commutation de paquets FDM TDM Circuits virtuels Datagrammes Mode connecté ou non connecté 7

8 Pertes et retard? Mise en file d attente dans les tampons Taux d arrivée vs débit liaison de sortie et taux de service Transmission (delai) A B Attente (delai) Tampons libres sinon perte Les quatre causes du retard (1) 1. Traitement: contrôle d erreur recherche dans les tables 2. attente dépend de la congestion au niveau roiuteur et/ou liaison A transmission propagation B traitement attente 8

9 Les quatre causes du retard (2) 3. Transmission : R=débit (bps) L=longueur paquet (bits) temps de transmission = L/R 4. Propagation : d = longueur de la liaison s = vitesse de propagation sur le medium (~2x10 8 m/sec) délai de propagation = d/s A transmission propagation B traitement attente Le retard sur un nœud d = d + d + d + d nodal proc queue trans prop d proc = processing delay en général qques µ s d queue = queuing delay dépend de la congestion d trans = transmission delay = L/R, d prop = propagation delay de quelques µ s à quelques centaines de ms 9

10 Le temps d attente R=link bandwidth (bps) L=packet length (bits) a=average packet arrival rate Intensité du traffic = La/R Exemple : le cas Internet IP offre un service de type "best effort" TCP garantit la fiabilité et le séquencement TCP pratique un contrôle de congestion réactif Aucune garantie ne peut être apportée pour le transport du trafic temps réel ou multimédia Pour servir ces applications le réseau doit être doté de mécanisme lui permettant de garantir une QOS appropriée 10

11 Les principaux problèmes de la gestion de QOS Contrôle de congestion Contrôle d'admission Réservation de ressources Spécification de la QOS Traduction des objectifs de QOS en paramètres réseau Contrôle des débits et du séquencement Implique la notion de flux Contrôle de congestion Contrôle réactif Congestion puis récupération Récupération par réduction du trafic Admet tous les flux Contrôle de flux par le récepteur Contrôle de débit par fenêtre Pas de réservation de ressource Possibilité d'inondation par un flot Contrôle préventif Essaie d'éviter la congestion Admission du trafic seulement si celui-ci n'est pas cause de congestion Flux et QOS doivent être admissibles Contrôle de débit (baquet percé) associé avec file d'attente (module QOS des routeurs) Contrôle du débit basé sur le flot Réservation de ressource à l'établissement Isolation des files d'attente par flot (WFQ) 11

12 Spécification de la QoS La qualité de service est spécifiée selon les paramètres de l'application MPEG : 30 fps, 100 ms de délai... Pn doit en déduire les paramètre de la QoS 500 pps moyen, 800 pps pic, 100 ms retard, performances garanties... Ressourecs réseau : bande passante, taille trampons, panier de réservation (b,r), poids, pénalité, fonction de coût... Ressources système final : mémoire, délais, threading... Performances globales : débit, utilisation, retard, paramètres d'évaluation... Principles for QOS Guarantees Example: 1MbpsI P phone, FTP share 1.5 Mbps link. bursts of FTP can congest router, cause audio loss want to give priority to audio over FTP Principle 1 packet marking needed for router to distinguish between different classes; and new router policy to treat packets accordingly 12

13 Principles for QOS Guarantees (more) what if applications misbehave (audio sends higher than declared rate) policing: force source adherence to bandwidth allocations marking and policing at network edge: similar to ATM UNI (User Network Interface) Principle 2 provide protection (isolation) for one class from others Principles for QOS Guarantees (more) Allocating fixed (non-sharable) bandwidth to flow: inefficient use of bandwidth if flows doesn t use its allocation Principle 3 While providing isolation, it is desirable to use resources as efficiently as possible 13

14 Principles for QOS Guarantees (more) Basic fact of life: can not support traffic demands beyond link capacity Principle 4 Call Admission: flow declares its needs, network may block call (e.g., busy signal) if it cannot meet needs Classes de trafic Trafic élastique Interactif et transactionnel Transferts de masse Trafic temps réel Garantie de service Prédictif 14

15 Trafic élastique : les problèmes Trains de paquet Variation du temps de transmission (gigue) Exemple Internet S S S S 15

16 Emission du premier paquet FTP A ADSP B Telnet C Trains de paquets FTP A ADSP B Telnet C 16

17 Scheduling And Policing Mechanisms scheduling: choose next packet to send on link FIFO (first in first out) scheduling: send in order of arrival to queue real-world example? discard policy: if packet arrives to full queue: who to discard? Tail drop: drop arriving packet priority: drop/remove on priority basis random: drop/remove randomly Scheduling Policies: more Priority scheduling: transmit highest priority queued packet multiple classes, with different priorities class may depend on marking or other header info, e.g. IP source/dest, port numbers, etc.. Real world example? 17

18 Scheduling Policies: still more round robin scheduling: multiple classes cyclically scan class queues, serving one from each class (if available) real world example? Scheduling Policies: still more Weighted Fair Queuing: generalized Round Robin each class gets weighted amount of service in each cycle real-world example? 18

19 Policing Mechanisms Goal: limit traffic to not exceed declared parameters Three common-used criteria: (Long term) Average Rate: how many pkts can be sent per unit time (in the long run) crucial question: what is the interval length: 100 packets per sec or 6000 packets per min have same average! Peak Rate: e.g., 6000 pkts per min. (ppm) avg.; 1500 ppm peak rate (Max.) Burst Size: max. number of pkts sent consecutively (with no intervening idle) Policing Mechanisms Token Bucket: limit input to specified Burst Size and Average Rate. bucket can hold b tokens tokens generated at rate r token/sec unless bucket full over interval of length t: number of packets admitted less than or equal to (r t + b). 19

20 Policing Mechanisms (more) token bucket, WFQ combine to provide guaranteed upper bound on delay, i.e., QoS guarantee! arriving traffic token rate, r bucket size, b WFQ D = b/r max per-flow rate, R TCP et le contrôle de flux 20

21 RTP Utilisation de UDP port 5004 Reconstruction de la base de temps des flux audio et video Détection des pertes de paquets identification du type de contenu RTP A/V Profile H.261 Video MPEG Video Layered Video PCM Audio LPC Video PVH Video LDCT Video HVQ Video RTP Example Consider sending 64 kbps PCM-encoded voice over RTP. Application collects the encoded data in chunks, e.g., every 20 msec = 160 bytes in a chunk. The audio chunk along with the RTP header form the RTP packet, which is encapsulated into a UDP segment. RTP header indicates type of audio encoding in each packet sender can change encoding during a conference. RTP header also contains sequence numbers and timestamps. 21

22 RTP Packet Header Version Padding Extension Contributing Source Count Marker Payload Format Sequence Number Monotonically Increasing Timestamp Media Specific Synchronization Source Identifier (SSRC) Original Source or Mixer Identifier Contributing Source Identifier (CSRC).... Mixers may combine multiple senders Optional Header Extension Payload type 22

23 Le mélangeur RTP Real-Time Control Protocol (RTCP) Works in conjunction with RTP. Each participant in RTP session periodically transmits RTCP control packets to all other participants. Each RTCP packet contains sender and/or receiver reports report statistics useful to application Statistics include number of packets sent, number of packets lost, interarrival jitter, etc. Feedback can be used to control performance Sender may modify its transmissions based on feedback 23

24 RTCP - Continued - For an RTP session there is typically a single multicast address; all RTP and RTCP packets belonging to the session use the multicast address. - RTP and RTCP packets are distinguished from each other through the use of distinct port numbers. - To limit traffic, each participant reduces his RTCP traffic as the number of conference participants increases. RTCP Packets Receiver report packets: fraction of packets lost, last sequence number, average interarrival jitter. Sender report packets: SSRC of the RTP stream, the current time, the number of packets sent, and the number of bytes sent. Source description packets: address of sender, sender's name, SSRC of associated RTP stream. Provide mapping between the SSRC and the user/host name. 24

25 RTCP Sender Report Header Sender Info V=2 P Reception Report Count Packet Type=SR=200 Length Synchronization Source Identifier (SSRC) of Sender NTP Timestamp, Most Significant Word NTP Timestamp, Least Significant Word RTP Timestamp Sender s Packet Count Maps format specific timestamp to wall clock time. Used to synchronize different media streams. Sender s Octet Count Report Blocks Report Blocks and Profile Specific Extensions Report blocks used in both Sender and Receiver Reports RTCP Reception Report Blocks Synchronization Source Identifier 1 (SSRC_1) Fraction Lost Cumulative Number of Packets Lost Extended Highest Sequence Number Received Interarrival Jitter Last Sender Report (LSR) Delay Since Last Sender Report (DLSR) Synchronization Source Identifier 2 (SSRC_2)... 25

26 RTCP Scalability RTCP Control Traffic (5%) RTP Data Traffic (95%) Receiver messages (75%) Sender messages (25%) Calculé par l applicatif Basé sur une estimation du nombre de participants RTP Méthode Envoi sur temporisation aléatoire Temporisation basée sur le nombre de clients Exemple Receiver Reports contain this information 26

27 Intervalle de retransmission RTCP Fonction du nombre de membres Décompte Entrée dans la table pour chaque source RTP identifiée Source marquée inactive si 5 intervalles sans messages Source description (SDES) certaines informations sont envoyées fréquemment (e.g. name) d autres informations sont envoyées à l initialisation ou à période faible (e.g. address, phone #) Messages RTCP Port 5005 Packet types RR: Receiver Report SR: Sender Report SDES: Source Description BYE: End of Participation APP: Application Specific 27

28 SIP Session Initiation Protocol Comes from IETF SIP long-term vision All telephone calls and video conference calls take place over the Internet People are identified by names or addresses, rather than by phone numbers. You can reach the callee, no matter where the callee roams, no matter what IP device the callee is currently using. SIP Services Setting up a call Provides mechanisms for caller to let callee know she wants to establish a call Provides mechanisms so that caller and callee can agree on media type and encoding. Provides mechanisms to end call. Determine current IP address of callee. Maps mnemonic identifier to current IP address Call management Add new media streams during call Change encoding during call Invite others Transfer and hold calls 28

29 Setting up a call to a known IP address Alice INVITE bob@ c=in IP m=audio RTP/AVP 0 port 5060 port OK c=in IP m=audio RTP/AVP 3 ACK port 5060 Bob Bob's terminal rings Alice s SIP invite message indicates her port number & IP address. Indicates encoding that Alice prefers to receive (PCM ulaw) Bob s 200 OK message indicates his port number, IP address & preferred encoding (GSM) µ Law audio port GSM port SIP messages can be sent over TCP or UDP; here sent over RTP/UDP. time time Default SIP port number is Setting up a call (more) Codec negotiation: Suppose Bob doesn t have PCM ulaw encoder. Bob will instead reply with 606 Not Acceptable Reply and list encoders he can use. Alice can then send a new INVITE message, advertising an appropriate encoder. Rejecting the call Bob can reject with replies busy, gone, payment required, forbidden. Media can be sent over RTP or some other protocol. 29

30 Example of SIP message INVITE SIP/2.0 Via: SIP/2.0/UDP From: To: Call-ID: Content-Type: application/sdp Content-Length: 885 c=in IP m=audio RTP/AVP 0 Notes: HTTP message syntax sdp = session description protocol Call-ID is unique for every call. Here we don t know Bob s IP address. Intermediate SIP servers will be necessary. Alice sends and receives SIP messages using the SIP default port number 506. Alice specifies in Via: header that SIP client sends and receives SIP messages over UDP Name translation and user locataion Caller wants to call callee, but only has callee s name or e- mail address. Need to get IP address of callee s current host: user moves around DHCP protocol user has different IP devices (PC, PDA, car device) Result can be based on: time of day (work, home) caller (don t want boss to call you at home) status of callee (calls sent to voic when callee is already talking to someone) Service provided by SIP servers: SIP registrar server SIP proxy server 30

31 Etat de l art Largement utilisé Constituant de l applicatif (pas de librairie, DLL ) Pas de réservation de ressources fonctionnement de bout en bout Pas de garantie de délai de livraison ni de sécurisation utilisation de UDP En tête minimal de 12 octets charge utile de 24 octets. IETF Integrated Services architecture for providing QOS guarantees in IP networks for individual application sessions resource reservation: routers maintain state info (a la VC) of allocated resources, QoS req s admit/deny new call setup requests: Question: can newly arriving flow be admitted with performance guarantees while not violated QoS guarantees made to already admitted flows? 31

32 Intserv: QoS guarantee scenario Resource reservation call setup, signaling (RSVP) traffic, QoS declaration per-element admission control QoS-sensitive scheduling (e.g., WFQ) request/ reply Call Admission Arriving session must : declare its QOS requirement R-spec: defines the QOS being requested characterize traffic it will send into network T-spec: defines traffic characteristics signaling protocol: needed to carry R-spec and T-spec to routers (where reservation is required) RSVP 32

33 Intserv QoS: Service models [rfc2211, rfc 2212] Guaranteed service: worst case traffic arrival: leaky-bucketpoliced source simple (mathematically provable) bound on delay [Parekh 1992, Cruz 1988] Controlled load service: "a quality of service closely approximating the QoS that same flow would receive from an unloaded network element." arriving traffic token rate, r bucket size, b WFQ D = b/r max per-flow rate, R Définition d un flot The basic stream construct is a directed tree carrying traffic away from a source to all destinations. RFC

34 Définition des flots Même source problème de serveur vs micro Connexion TCP pas d identification dans IP problème des services UDP Paire source/destination favorise les stations multitâches Les données "temps réel" Gigue Bande passante Retard : un retard trop important rend les données inutilisables Taux de perte incohérent avec la qualité recherchée 34

35 Resource Reservation Protocol (RSVP) S'appuie sur IP Datagram transport (UDP) Routage IP (OSPF, BGP-4, Enhanced IGRP, etc.) Routage Multicast (Protocol Independent Multicast) Permet La réservation de bande passante L'échange avec le réseau de politique : Gestion des files d'attente Préférence à l'écartement Principes de RSVP Les récepteurs réservent des ressources adresse de destination, filtre spécifiant les paquets appartenant à la session, spécifications du flot (type de ressource à réserver) Indépendance par rapport au routage les sources envoient des messages de chemin vers la destination : les routeurs sur le chemin adopté noteront la réservation 35

36 Objectifs de RSVP Données multicast ou unicast Réservation de ressources pour les flux de données unidirectionnels "Soft state" dans les routeurs Changements dynamiques de l'appartenance à un groupe Adaptation automatique au changements de routage Support de la plupart des applications Fonctionnement transparent pour les routeurs non RSVP Identification des messages Spécifié par le récepteur (adresse IP unicast ou multicast) Wildcard filters (filtre attrape tout) Sélectionne toutes les sources (mêmes les non actives) Bandwidth du plus grand demandeur ex : audio conférence Fixed filters (filtre fixe) autant de réservations que de sources (ex : tv d entreprise) Dynamic filters (filtre dynamique) Identifie un besoin potentiel Les réservation sont faites au moment de l activation de la source ex : visio conf à 2 caméras et n participants 36

37 Responsabilités de RSVP Réservation de chemin Utilisation des algorithme de file d attente Qualité de service Informer les récepteurs des sources actives Informer les récepteurs de la disponibilité des services demandés Détection du chemin 37

38 Installation de la Réservation Fusion des Réservations 38

39 Architecture d un routeur Routing Routing Protocol Configuration Routing Database Queuing Policy Database Switching Packets In Route Selection Interface 1 Interface N Packet Scheduler Packet Scheduler Packets Out Packets Out RFC 1633: Integrated Services in the Internet Architecture: An Overview 621_114/c2 20 Architecture d un routeur RSVP Routing Flow Request Routing Protocol Admission Control Reservation Protocol Packet Scheduler Routing Database Resource Utilization Queuing Policy Database Switching Packets In Route Selection Interface 1 Packet Scheduler Packets Out Interface N Packet Scheduler Packets Out 621_114/c

40 IETF Differentiated Services Concerns with Intserv: Scalability: signaling, maintaining per-flow router state difficult with large number of flows Flexible Service Models: Intserv has only two classes. Also want qualitative service classes behaves like a wire relative service distinction: Platinum, Gold, Silver Diffserv approach: simple functions in network core, relatively complex functions at edge routers (or hosts) Do t define define service classes, provide functional components to build service classes Diffserv Architecture Edge router: - per-flow traffic management - marks packets as in-profile and out-profile Core router: - per class traffic management - buffering and scheduling based on marking at edge - preference given to in-profile packets - Assured Forwarding b r marking scheduling. 40

41 Edge-router Packet Marking profile: pre-negotiated rate A, bucket size B packet marking at edge based on per-flow profile Rate A B User packets Possible usage of marking: class-based marking: packets of different classes marked differently intra-class marking: conforming portion of flow marked differently than nonconforming one Classification and Conditioning Packet is marked in the Type of Service (TOS) in IPv4, and Traffic Class in IPv6 6 bits used for Differentiated Service Code Point (DSCP) and determine PHB that the packet will receive 2 bits are currently unused 41

42 Classification and Conditioning may be desirable to limit traffic injection rate of some class: user declares traffic profile (eg, rate, burst size) traffic metered, shaped if non-conforming Forwarding (PHB) PHB result in a different observable (measurable) forwarding performance behavior PHB does not specify what mechanisms to use to ensure required PHB performance behavior Examples: Class A gets x% of outgoing link bandwidth over time intervals of a specified length Class A packets leave first before packets from class B 42

43 Forwarding (PHB) PHBs being developed: Expedited Forwarding: pkt departure rate of a class equals or exceeds specified rate logical link with a minimum guaranteed rate Assured Forwarding: 4 classes of traffic each guaranteed minimum amount of bandwidth each with three drop preference partitions 43