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Encaminhamento com QoS Sistemas Telemáticos LESI Grupo de Comunicações por Computador.

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Apresentação em tema: "Encaminhamento com QoS Sistemas Telemáticos LESI Grupo de Comunicações por Computador."— Transcrição da apresentação:

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2 Encaminhamento com QoS Sistemas Telemáticos LESI Grupo de Comunicações por Computador

3 Materiais utilizados Tema é ainda objecto de I&D Artigo Survey of QoS de Pragyansmita Paul and S. V. Raghavan Adaptação e simplificação de apresentação dos mesmos autores

4 Sumário Vantagens da Qualidade de Serviço (QoS) QoS Fim-a-Fim Encaminhamento com QoS Questões em aberto no Encaminhamento com QoS Algoritmos propostos (classificados com métricas) Um-para-um SimplesDualMúltiplo Grupo SimplesDualMúltiplo

5 QoS A um conjunto de métricas e restrições que são usadas para especificar os requisitos das aplicações e que devem ser satisfeitas pela rede de suporte durante a transmissão de dados. As métricas de QoS são: Largura de Banda Atrasos Variação nos atrasos (Jitter) Perda de Pacotes (Fiabilidade) Número de saltos, Qualidade Áudio/Vídeo, etc.

6 QoS Fim-a-Fim É necessária para: Disponibilizar garantias sólidas necesárias pelas actuais aplicações com temporização crítica e com necessidades intensivas de largura de banda. Prevenir a deterioração do desempenho da rede devido a aplicações mal comportadas. Para optimizar o desempenho todas as camadas da pilha de protocolos devem suportar o QoS a disponibilizar à aplicação de rede a ser executada.

7 QoS na Pilha de Protocolos Aplicação ??? Transporte ??? Rede ??? Ligação Lógica ??? Meio Físico

8 QoS na Pilha de Protocolos Aplicação Diferentes Classificações e Escalonamento dos pedidos Transporte Aceitação/rejeição dos pedidos de conexão Rede Selecção de Percursos de forma a satisfazer os requisitos das aplicações Ligação Lógica Comunicação de Dados de forma satisfazer os requisitos das camadas superiores Meio Físico

9 Sequência de acções para disponibilizar a QoS fim-a-fim Fim da Transferência dos dados? Fim da transferência dos dados Sim Não A Selecção do Percurso e transferência dos dados (Encaminhamento com QoS) Tradução e negociação do QoS Pedido de QoS por um host Pedido aceite? Não Sim A

10 Encaminhamento com QoS Controlo de Admissão Actualização da informação de estado Reserva de Recursos (opcional) Armazenamento e Escalonamento de pacotes B B Busca na tabela de encaminhamento Gestão de Recursos Fim da Transferência dos dados? Fim da Transferência de Dados Sim C Não C

11 Negociação de QoS e Controlo de Admissão A negociação começa quando o sistema final envia o seu pedido de QoS O módulo de controlo de admissão verifica se o pedido deve ser aceite ou rejeitado Factores de decisão: LB residual, Nº Tx em curso Se a aceitação levar à degradação de desempenho, o pedido é rejeitado Alternativa: reencaminhamento das aplicações existentes Renegociação do QoS

12 Negociação de QoS e Controlo de Admissão(2) O sistema final (end-host) pode fazer o controlo de admissão –Faz o probe do nível de congestão –Admite o fluxo se o nível for baixo Experiências: –Menor degradação de desempenho se o controlo de admissão for feito pelos sistemas finais em alternativa a ser feito pelos encaminhadores

13 Reserva de Recursos Uma vez aceite o pedido –é escolhido o percurso para transmissão de dados com base em uma ou mais métricas Necessária para satisfazer restrições de QoS da aplicação Duas alternativas –Fazer parte do estabelecimento do percurso –Ser um processo separado

14 Armazenamento e Escalonamento dos Pacotes Pacote recém-chegado ao encaminhador –É transferido para a interface de saída e armazenado num buffer –É descartado Objectivo:Minimizar o descarte de pacotes Algoritmos de gestão de filas Algoritmos de escalonamento de pacotes

15 Algoritmos de Escalonamento Fair Queueing (FQ) –1 fila por fluxo (informação de estado por fluxo) Stochastic Fair Queueing (SFQ) –Menor nº de filas que FQ, uso de função de hash Core Stateless Fair Queueing (CSFQ) –2 classes de encaminhadores: De fonteira –mantêm informação de estado por fluxo –Estimam débito de chegada por fluxo (passam aos interiores) Interiores »Em situação de congestão, descartam pacotes aleatóriamente com base nessa estimação

16 Algoritmos de Gestão de Filas RED (Random Early Detection) & RIO CHOKe (CHOose and Keep for responsive flows) –Considerar o buffer como uma amostra estatística do tráfego –Em situação de congestão, na chegada de pacote Escolhe um pacote do buffer aleatoriamente –Se for do mesmo fluxo, descarta os dois –Senão: o do buffer fica intacto e o chegado é aceite em função do nível de congestão

17 Lookup da Tabela de Encaminhamento Maior gargalo do processo de expedição dos pacotes –Mais crítica com tecnologias de alta velocidade –Unificação simples (tries) –Unificação mais longa (PATRICIA) Multi-Protocol Label Switching (MPLS) –Etiqueta de comprimento fixo –Cada pacote tem uma etiqueta –Etiqueta usada para busca na tabela

18 Gestão de Recursos Necessária para gerir a dinâmica das conexões estabelecidas Reserva estática de recursos –GR necessária para verificar utilização eficiente de recursos Reserva dinâmica?? Quando não há reserva de recursos –Assegurar uma partilha adequada entre as conexões e que as exigências de cada fluxo são limitadas –Quando cada serviço recipiente recebe o mínimo de QoS, considera-se adequada

19 Fluxos BE num QoS Router Para além dos fluxos com QoS, as aplicações BE devem ser geridas de forma apropriada. Exemplo de trabalho nesse sentido –Restrição de LB para fluxos com QoS Usa informação imprecisa para o estado de fluxos –MaxMin Fair Routing para fluxos BE Maximiza a LB para fluxos que recebem menor LB entre todos –Escalonamento hierárquico com WFQ para alocação de LB

20 Selecção do Percurso – Métricas e Restrições Métrica w1w1 w2w2 w3w3 Percurso P Multiplicativa w = w 1. w 2. w 3 Aditiva w = w 1 + w 2 + w 3 Côncava w = max{w 1, w 2, w 3 }

21 Selecção do Percurso – Métricas e Restrições Métricas Simples Dual Múltiplas Simples: Custo, Largura de Banda, Atraso Dual: Custo e Atraso;LB e Atraso; LB e Custo Múltiplas:...

22 Selecção do Percurso – Métricas e Restrições Como transformar uma métrica multiplicativa em aditiva? –w1.w2.w3 => log(w1)+log(w2)+log(w3) Como transformar uma métrica dual (múltipla) numa métrica simples? –(w1,w2) => w´= w1+k w2 Como transformar uma métrica com valor real ou inteiro não limitado numa com valor inteiro limitado? – w w= w* x/c

23 Selecção de Percurso – ME vs. QoS PercursoMétrica 1Métrica 2 F-B37 F-D-B55 F-E-D-C-B76 Percurso escolhido min. salto/custo Percurso Escolhido ? D E F A B C [1,2] B [1,4] [1,1] A [3,7] [1,4] [4,1] [2,2] C E [3,1] D F

24 Selecção de Percurso – ME vs. QoS Em contextos BE é mais fácil descobrir o PMC Em contextos com QoS –É necessário considerar um conjunto de métricas cada aresta do grafo tem mais que uma métrica associada –A escolha do PMC depende de Regra de composição de métricas Prioridade/Peso atribuídos a cada métrica

25 Selecção de Percurso no Encaminhamento com QOS Wang e Crowcroft provaram que encontrar um percurso sujeito a duas ou mais restrições independentes (aditivas e/ou multiplicativas) é um problema NP-Completo.

26 Selecção de Percurso no encaminhamento com QoS – Resultados interessantes Quando o número de métricas consideradas é infinito, é suficiente calcular o percurso de menor número de saltos, sem se ter que considerar distribuição dos pesos das métricas independentes. (resultado com interesse teórico) Podem existir classes de grafos nos quais o encaminhamento com QoS não é NP- Completo. (Referência: P. Van Mieghem, F. A. Kuipers, On the Complexity of QoS Routing, na Computer Communications.).

27 Classificação de Algoritmos/Protocolos Unicast SimplesMúltiploDual Multicast Simples MúltiploDual Múltiplas Múltipla Bandwidth Delay Custo +Atraso Largura de banda + atraso Qq 2 métricas aditivas Custo Atraso Métrica não aditiva Custo + Atraso Atraso + Jitter Largura de banda Atraso

28 Encaminhamento unicast Restrição de Largura de Banda Filtragem da Topologia Algoritmo de Guerin Orda N1N1 N3N3 N4N4 N2N2 N5N LB > 2 N1N1 N3N3 N4N4 N2N2 N5N N1N1 N3N3 N4N4 N2N2 N5N Maximizar Probablidade (LB Residual > 2) N1N1 N3N3 N4N4 N2N2 N5N5 N1N1 N3N3 N4N4 N2N2 N5N5 N1N1 N3N3 N4N4 N2N2 N5N N1N1 N3N3 N4N4 N2N N5N5 N5N5 N1N1 N3N3 N4N4 N2N2 -log (0.1) Problema aditivo

29 Classificação de Algoritmos/Protocolos Unicast SimplesMúltiploDual Multicast Simples MúltiploDual Múltipla Custo Atraso Métrica não aditiva Custo + Atraso Atraso + Jitter Múltiplas LB Atraso Custo+Atraso LB + Atraso Qualquer 2 métricas aditivas

30 Encaminhamento Unicast com QoS Restrições de Atraso e Largura de Banda Algoritmo de Wang Crowcroft N1N1 N3N3 N4N4 N2N2 N5N LB > 2 Elimina todas as ligações com largura de banda inferior à requerida. A seguir, encontra o percurso mais curto relativamente ao atraso no grafo modificado usando o algoritmo de Djikstra. N1N1 N3N3 N4N4 N2N2 N5N LB > 2 N1N1 N3N3 N4N4 N2N2 N5N N1N1 N3N3 N4N4 N2N2 N5N

31 Percurso mais curto com o Algoritmo de Djikstra Dado um grafo ponderado G=(V,E), e um par de vértices v s e v d V qual é o percurso mais curto de v s para v d ? Isto é qual é o percurso com a mínima soma dos pesos das arestas?

32 Abordagem básica PMC de A para H = PMC de A para B + PMC from B to H. PMC de A para H = PMC de A para C + PMC from C to H. PMC de A para H = PMC de A para v i + PMC from v i to H; v i. A B E F H15 A B E G H14 A C E F H16 A C E G H15 A D E F H26 A D E G H25 A B D CE F G H

33 Algoritmo de Dijkstra para PMCs Síntese: Manter uma estrutura de dados com a lista de nós e pesos dos percursos para esses nós Usar infinito para representar um no conjunto S de nós para os quais não tenha sido calculado um percurso Em cada iteração, encontrar um nó em S, calcular o percurso para esse nó e apagá-lo de S

34 Algoritmo de Dijkstra para PMCs S = {0} /* Actual MST */ for i = 0 to n D[i] = M[0][i] /* Shortest path length from 0 to i */ end for for i = 1 to n-1 find the smallest D[v] such that v S S = S {v} for all vertices u S if (D[u] > D[v] + M[v][u]) then D[u] = D[v] + M[v][u] end if end for

35 Algoritmo de Dijkstra A B D CE F G H A B D CE F G H S = {A} S = {A,C} Custo do Percurso mais curto de A para v i através de S ABCDEFGH --216???? ABCDEFGH 2164???

36 Algoritmo de Dijkstra(2) A B D CE F G H A B D CE F G H S = {A,C,B,E} S = {A,C,B} ABCDEFGH ??? ABCDEFGH ? Custo do Percurso mais curto de A para v i atavés de S

37 Algoritmo de Dijkstra(3) A B D CE F G H A B D CE F G H S = {A,C,B,E,D,G} S = {A,C,B,E,D} ABCDEFGH ? ABCDEFGH Custo do Percurso mais curto de A para v i atavés de S

38 Algoritmo de Dijkstra (4) A B D CE F G H A B D CE F G H S = {A,C,B,E,D,G,F,H} S = {A,C,B,E,D,G,F} ABCDEFGH ABCDEFGH Custo do Percurso mais curto de A para v i atavés de S

39 Algoritmo de Dijkstra: Exemplo ??? ??

40 Classificação de Algoritmos/Protocolos Unicast SimplesMúltiploDual Multicast Simples MúltiploDual Múltiplas Custo Atraso Métrica não aditiva Custo + Atraso Atraso + Jitter Múltiplas LB Atraso Custo +Atraso LB + Atraso Quaisquer 2 métricas aditivas

41 Encaminhamento Unicast com QoS Restrições de quaisquer duas métricas aditivas Combinação de métricas ponderadas de Jaffe propõe a minimização duma combinação linear de pesos w 1 + dw 2 onde d=1 ou d= (c 1 /c 2 ). A última obtém melhores resultados que a primeira. Foi proposta uma estratégia de procura binária para escolher o peso. N1N1 N3N3 N4N4 N2N2 N5N5 [w 1,15,w 2,15 ] [w 1,54,w 2,54 ] [w 1,12,w 2,12 ] [w 1,23,w 2,23 ] [w 1,24,w 2,24 ] [w 1,53,w 2,53 ] w = w 1 + d w 2 N1N1 N3N3 N4N4 N2N2 N5N5 w 15 w 12 w 23 w 54 w 53 w 24

42 Classificação de Algoritmos/Protocolos Unicast SimplesMúltiploDual Multicast Simples MúltiploDual Múltiplas Custo Atraso Métrica não aditiva Custo + Atraso Atraso + Jitter LB Atraso Custo +Atraso LB + Atraso Quaisquer 2 métricas aditivas Múltiplas

43 Árvore de Steiner Seja G=(V, E) um grafo indirecto com um número finito de vértices V e um conjunto de arestas E, e uma função de custo que atribui a cada aresta um valor de custo real e positivo. Dado um subconjunto S dos vértices de V, o problema de Steiner é encontrar um subgrafo G´ conexo e acíclico de G (árvore), G' =(V', E'), que contém todos os vértices em S, de tal forma que o custo de todas arestas em E' é mínimo. Os vértices em S são designados por especiais.

44 Árvore geradora mínima No caso particular de todos os nós da topologia fazerem parte do grupo (ou seja quando S=V), o problema é mais simples e resolve-se calculando a árvore geradora mínima: –Algoritmo de Prim –Algoritmo de Kruskall –…

45 Algoritmo de Prim Começa por seleccionar um qualquer vértice (não importa qual), adicionando-o à solução. Depois, iterativamente, escolhe-se a aresta de menor custo, com ligação a vértices da solução, que não forma ciclos e junta-se à solução: O={1} (raiz da árvore). P={2,...,n} Enquanto (P <> Vazio) Escolher aresta K(i,j) de menor custo, com i pertencente a O e j pertencente a P Fazer O = O U {k} Fazer P = P \ {k} –Demo:

46 Algoritmo de Kruskall Selecciona a aresta de menor custo. Iterativamente adiciona sempre a aresta de menor custo ainda não seleccionada que não forme ciclos: A1=0,A2=A Enquanto (|A1| < n-1 arestas) && A2=0 fazer Escolher aresta a(i,j) de A2 de menor custo A2=A2-{a(i,j)} Se vértices V(i) e V(j) não pertencem à mesma árvore: Juntar as árvores de V(i) e V(j) numa única árvore. –Demo:

47 Encaminhamento Multicast com QoS Restrições de custo Uma árvore que alcança todos membros do grupo e minimiza o custo total da árvore partilhada. Encontrar essa árvore é um problema NP-Completo. Algoritmo de Kou, Markowsky e Berman (KMB) Criar um grafo conexo onde as arestas sejam as distâncias mais curtas entre os membros do grupo. O algoritmo de Prim calcula a a árvore de menor custo deste grafo conexo. As arestas do grafo conexo são posteriormente substituídas pelos percursos mais curtos originais para obter a árvore de Steiner. N1N1 N3N3 N4N4 N2N2 N5N

48 Abordagens para QoS Abordagem com informação de estado, com informação por fluxo. Abordagem sem informação de estado e portanto mais escalável Serviço fim-a-fim garantido por fluxo. Necessidade de reserva de recursos. Diferenciação de serviço mais grossa. Nós de fronteira classificam os pacotes enquanto os nós interiores os processam de acordo com a classificação. Serviços Integrados Serviços Diferenciados

49 Eficácia do Encaminhamento com QoS Embora o encaminhamento com QoS aumente a computação em cada nó, armazenamento de estado e custo de comunicação, tem a vantagem de aumentar a utilidade da rede e permitir uma degração graciosa do desempenho. A presença de mecanismos com QoS assegura que mesmo as aplicações mais convencionais e cujo QoS sempre foi esquecido obtenham um melhor desempenho do serviço de rede.. O encaminhamento com QoS é mais eficaz quando há desajustamento entre o tráfego e a capacidade da rede e existem rotas alternativas com menor carga..

50 Questões em aberto (1) Necessidade de protocolos para encaminhamento com QoS e técnicas de negociação de QoS normalizados Mecanismos eficientes para evitar percursos com congestão, atrasos altos de propagação e instabilidade no processo de selecção de percursos.

51 Questões em aberto(2) A imprecisão na informação de estado precisa de ser manipulada de forma apropriada. Ao mesmo tempo que se maximiza o número de fluxos com QoS, deve-se procurar optimizar o desempenho e tempo de resposta ao tráfego best-effort. Necessidade dum algoritmo/protocolo de QoS genérico que use por exemplo uma única métrica representativa de todas as outras com um mínimo de perda de informação.

52 Resumo da Aula Encaminhamento com QoS Algoritmos e protocolos propostos para encaminhamento com QoS em ambientes unicast e multicast. Benefícios de desenvolvimento de encaminhamento com QoS na interligação de redes actualmente. Questões em aberto no encaminhamento com QoS


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