Sieci zorientowane na przepływy FAN

Sieci zorientowane na przepływy FAN dr inż. Jerzy Domżał Akademia Górniczo-Hutnicza w Krakowie, Katedra Telekomunikacji 22 października 2012 r. dr inż. Jerzy Domżał (AGH) Gwarantowanie jakości obsługi w Internecie 22 października 2012 r. 1 / 64

Spis treści 1 Wprowadzenie 2 Flow-Aware Networks 3 Multi-layer FAN 4 Algorytmy sterowania przeciążeniami w FAN 5 Approximate Flow-Aware Networking 6 Podsumowanie dr inż. Jerzy Domżał (AGH) Gwarantowanie jakości obsługi w Internecie 22 października 2012 r. 2 / 64

Wprowadzenie Jakie są metody gwarantowania jakości obsługi w Internecie? Jaka jest zasada działania mechanizmów sterowania dostępem i szeregowania pakietów w sieciach IP? dr inż. Jerzy Domżał (AGH) Gwarantowanie jakości obsługi w Internecie 22 października 2012 r. 4 / 64

Sieci zorientowane na przepływy (FAN) Nowa koncepcja stworzona w celu zapewniania transmisji danych z gwarantowaną jakością obsługi Dwa rodzaje przepływów: Strumieniowe (z priorytetem) Elastyczne Skryta klasyfikacja przepływów (sieci neutralne) Proste reguły obsługi przepływów w ruterach przechowywane są minimalne informacje o przepływach, ważne tylko przez określony czas dr inż. Jerzy Domżał (AGH) Gwarantowanie jakości obsługi w Internecie 22 października 2012 r. 6 / 64

FAN typy przepływów strumieniowe przewidziane głównie do transmisji strumieni dźwiękowych bądź wizyjnych, pakietów aplikacji wymagających transmisji w czasie rzeczywistym zapewniają małe opóźnienia, tolerując jednocześnie niewielkie straty pakietów przepływy o zmiennej szybkości transmisji zastosowanie multipleksacji bezbuforowej elastyczne przewidziane głównie do transmisji danych nie przewidują strat pakietów, tolerując niekiedy nawet duże opóźnienia zapewniają sprawiedliwy podział zasobów nie wykorzystywanych przez przepływy strumieniowe dr inż. Jerzy Domżał (AGH) Gwarantowanie jakości obsługi w Internecie 22 października 2012 r. 7 / 64

Ruter wzajemnie zabezpieczany Dwa podstawowe bloki: Sterowania dostępem Szeregowania pakietów Ruch przychodzący Blok sterowania dostępem Ruter Ruch wychodzący Blok szeregowania pakietów Ruter wzajemnie zabezpieczany dr inż. Jerzy Domżał (AGH) Gwarantowanie jakości obsługi w Internecie 22 października 2012 r. 8 / 64

Ruter wzajemnie zabezpieczany Lista chronionych przepływów Protected flow list Szybkość sprawiedliwa, Obciążenie ruchem priorytetowym Fair rate, Priority load Pakiety napływające Sterowanie dostępem Admission control Ruter IP IP router Szeregowanie PFQ scheduling Pakiety nadawane Ruter wzajemnie zabezpieczany Cross-protect router dr inż. Jerzy Domżał (AGH) Gwarantowanie jakości obsługi w Internecie 22 października 2012 r. 9 / 64

Ruter wzajemnie zabezpieczany Mechanizm wzajemnego zabezpieczania rutera polega na zapewnieniu odpowiedniej (skalowalnej) transmisji w łączu wyjściowym Sprawiedliwe szeregowanie pakietów odpowiadające założonemu w FAN obsługiwaniu 2 klas przepływów nakłada na blok szeregujący wymagania, które rosną wraz ze wzrostem równocześnie obsługiwanych przepływów Sterowanie dostępem przepływów do rutera bez znajomości a-priori ich parametrów wymaga informacji o zajętości łącza Rozmiar listy przepływów chronionych jest ograniczany dzięki sterowaniu dostępem Decyzje dotyczące odrzucenia pakietu na wejściu podejmowane są na podstawie stanu łącza obserwowanego w bloku szeregowania dr inż. Jerzy Domżał (AGH) Gwarantowanie jakości obsługi w Internecie 22 października 2012 r. 10 / 64

Funkcjonalność rutera FAN Dlaczego sterowanie dostępem? W przypadku wystąpienia natłoku zmniejsza się dostępna przepływność przypadająca na jeden przepływ strumienie elastyczne tolerują takie zachowanie rutera, ale przepływy strumieniowe mogą stać się bezużyteczne (nieakceptowalne) Niska przepływność odczuwana przez użytkownika może skutkować zaniechaniem transmisji marnowanie zasobów Całkowite odrzucenie przepływu również może skutkować niezadowoleniem użytkownika Ponowne próby rozpoczęcia transmisji dają jasną odpowiedź o stanie sieci dr inż. Jerzy Domżał (AGH) Gwarantowanie jakości obsługi w Internecie 22 października 2012 r. 11 / 64

Funkcjonalność rutera FAN Blok sterowania dostępem Podejmuje decyzje o akceptacji lub odrzucaniu przepływów Brak kontraktów ruchowych jednym z fundamentów FAN Gdy łącze nie jest przeciążone każdy pakiet jest akceptowany Gdy łącze jest przeciążone akceptowane są jedynie pakiety przepływów, których identyfikatory zapisane są na liście przepływów chronionych PFL (Protected Flow List) dr inż. Jerzy Domżał (AGH) Gwarantowanie jakości obsługi w Internecie 22 października 2012 r. 12 / 64

Funkcjonalność rutera FAN Blok szeregowania pakietów Podstawowe wymagania: Przeciwdziałanie przeciążeniom oraz reakcja na powstały natłok Zapewnienie priorytetyzowania przepływów Nie zapewnia skalowalności stąd m.in. potrzeba zastosowania bloku sterowania dostępem Pakiety są kolejkowane i wybierane do wysłania zgodnie z algorytmem szeregowania: Priority Fair Queuing (PFQ) Priority Deficit Round Robin (PDRR) Okresowo mierzone są wartości dwóch parametrów: fair rate: maksymalna przepływność przepływów (realizowana lub możliwa do zrealizowania) priority load: współczynnik reprezentujący szybkość przychodzących pakietów priorytetowych w odniesieniu do przepustowości łącza dr inż. Jerzy Domżał (AGH) Gwarantowanie jakości obsługi w Internecie 22 października 2012 r. 13 / 64

Priority Fair Queuing PFQ Priority Fair Queuing: Opracowany w oparciu o SFQ (Start-time Fair Queuing) Dodatkową zaletą w stosunku do SFQ jest możliwość transmisji ruchu z priorytetem Skrycie nadaje wysoki priorytet pakietom przepływów, których szybkość transmisji jest mniejsza od fair rate Parametry fair rate oraz priority load mierzone są okresowo, przy czym w pierwszym przypadku okres to setki milisekund, a w drugim kilka milisekund Wykorzystuje kolejkę PIFO dr inż. Jerzy Domżał (AGH) Gwarantowanie jakości obsługi w Internecie 22 października 2012 r. 14 / 64

Parametr priority load Priority load wyznacza się ze wzoru: priority load = (pb(t 2) pb(t 1 )) 8 C(t 2 t 1 ) gdzie pb(t) jest wartością licznika zwiększanego w chwili przybycia pakietu do rutera o jego długość w bajtach, (t 1, t 2 ) jest przedziałem czasu mierzonym w sekundach, w którym dokonywany jest pomiar, C jest szybkością bitową łącza. dr inż. Jerzy Domżał (AGH) Gwarantowanie jakości obsługi w Internecie 22 października 2012 r. 15 / 64

Parametr fair rate Fair rate wyznacza się ze wzoru: fair rate = max{s C, (v(t 2) v(t 1 )) 8} t 2 t 1 gdzie vt(t) jest zmienną virtual time w czasie t oznaczającą początkowy znacznik ostatniego pakietu fikcyjnego przepływu przesyłającego pakiety o długości jednego bajtu pomiędzy pakietami rzeczywistych przepływów w kolejności zgodnej z założeniami algorytmu kolejkowania, (t 1, t 2 ) jest przedziałem czasu mierzonym w sekundach, w którym dokonywany jest pomiar, S oznacza całkowity czas bezczynności w transmisji w czasie tego przedziału czasu, C jest szybkością bitową łącza. dr inż. Jerzy Domżał (AGH) Gwarantowanie jakości obsługi w Internecie 22 października 2012 r. 16 / 64

Priority Fair Queuing Obsługa pakietu Jeśli kolejka nie jest przepełniona i ID przepływu odpowiadającego przychodzącemu pakietowi jest na liście PFL, to uaktualnia się zapisy na liście PFL Jeśli przepływu nie ma na liście, to jego identyfikator jest do niej wpisywany, a pierwszy pakiet obsługiwany jest z priorytetem Pakiety obsługiwane są z priorytetem jeśli ilość danych umieszczonych w kolejce odpowiadająca ich przepływowi jest mniejsza niż MTU Gdy pakiety opuszczają kolejkę, podejmowane są pewne czynności: jeśli kolejka jest pusta, z listy przepływów aktywnych usuwane są wszystkie identyfikatory, jeśli kolejka jest niepusta, uaktualniane są parametry dla obsłużonego przepływu dr inż. Jerzy Domżał (AGH) Gwarantowanie jakości obsługi w Internecie 22 października 2012 r. 17 / 64

Priority Deficit Round Robin PDRR Opracowany w oparciu o algorytm DRR (Deficit Round Robin) Dodatkową zaletą w stosunku do DRR jest możliwość transmisji ruchu z priorytetem Pozwala na rozróżnianie przepływów w oparciu o szybkość transmisji Pakiety przepływów o szybkości mniejszej niż fair rate transmitowane są z wysokim priorytetem z użyciem priorytetowej kolejki dr inż. Jerzy Domżał (AGH) Gwarantowanie jakości obsługi w Internecie 22 października 2012 r. 18 / 64

Priority Deficit Round Robin Obsługa pakietu Gdy pakiet p dociera do bloku szeregowania i bufor jest pełny, to musi być usunięty, Jeśli bufor nie jest pełny i p nie należy do aktywnego przepływu, to pakiet umieszczany jest na końcu kolejki priorytetowej, a identyfikator jego przepływu dodawany jest do AFL (Active Flow List) ByteCount(i) to wskaźnik ilości bajtów w kolejce priorytetowej dla przepływu i Pakiety otrzymują wysoki priorytet, gdy ByteCount(i) Q i (kwant przepływu); w przeciwym przypadku pakiety umieszczane są na końcu przewidzianych dla nich kolejek Takie podejście zapewnia, że przepływy transmitujące z szybkością mniejszą niż kwant na cykl utrzymują niewielkie opóźnienia dr inż. Jerzy Domżał (AGH) Gwarantowanie jakości obsługi w Internecie 22 października 2012 r. 19 / 64

Obsługa pakietu w sieciach FAN Pakiet przychodzący Analizator przepływu ID jest na liście PFL? Nie Tak Zaakceptuj Dodaj ID do PFL Zaakceptuj Blok sterowania dostępem Odrzuć Blok szeregowania Usuń pakiet dr inż. Jerzy Domżał (AGH) Gwarantowanie jakości obsługi w Internecie 22 października 2012 r. 20 / 64

Wskaźnik przeciążenia łącza min fair rate: minimalna dopuszczalna wartość parametru fair rate max priority load: maksymalna dopuszczalna wartość parametru priority load jeśli fair rate < min fair rate lub priority load > max priority load dr inż. Jerzy Domżał (AGH) Gwarantowanie jakości obsługi w Internecie 22 października 2012 r. 21 / 64

Wskaźnik przeciążenia łącza min fair rate: minimalna dopuszczalna wartość parametru fair rate max priority load: maksymalna dopuszczalna wartość parametru priority load jeśli fair rate < min fair rate lub priority load > max priority load ŁĄCZE JEST PRZECIĄŻONE dr inż. Jerzy Domżał (AGH) Gwarantowanie jakości obsługi w Internecie 22 października 2012 r. 21 / 64

FAN zalety Utrzymanie interfejsów użytkowników na dotychczasowym poziomie skomplikowania przy jednoczesnym umożliwieniu korzystania z usług o gwarantowanej jakości PFL (Protected Flow List) w każdym węźle pozwala na ograniczenie roli użytkowników w podejmowaniu decyzji dotyczących transmisji danych przepływów Kompatybilność z usługami korzystającymi z transmisji niegwarantowanej, a także możliwość rozwoju nowych aplikacji Mechanizmy stosowane w FAN pozwalają na swobodę w doborze protokołu transportowego dla usług typu elastycznego Większa efektywność oraz łatwiejsze rozliczanie klientów za korzystanie z sieci dr inż. Jerzy Domżał (AGH) Gwarantowanie jakości obsługi w Internecie 22 października 2012 r. 22 / 64

FAN konieczność dopracowania Ograniczenie na aplikacje użytkowników aplikacje uruchamiane przez użytkowników muszą wysyłać do sieci próbne pakiety w celu zbadania dostępności zasobów; specyfikacja tych pakietów pozostaje w gestii projektantów aplikacji Opracowanie metod działania dla protokołów transportowych innych niż TCP Sposoby realizacji ruterów Utrzymanie jakości transmisji pakietów należących do obsługiwanych przepływów nawet w chwili wystąpienia awarii Efektywne wykorzystanie ograniczonego pasma w przypadku wystąpienia awarii należy zapewnić, by przepływy, których transmisja już się rozpoczęła były obsłużone bez utraty jakości Możliwość transmisji odrzuconych przepływów inną trasą dr inż. Jerzy Domżał (AGH) Gwarantowanie jakości obsługi w Internecie 22 października 2012 r. 23 / 64

FAN sposoby realizacji architektury Sieć o architekturze FAN to sieć złożona z ruterów wyposażonych w mechanizm cross-protect Wymaga wsparcia w sprzęcie wśród producentów Ruter FAN to ruter realizujący przełączanie IP obudowany sprzężonymi blokami szeregowania i sterowania dostępem W istniejących ruterach konieczna modyfikacja bloku szeregowania nie zawsze możliwa Sterowanie dostępem to dodatkowy element, rzadziej występujący w obecnych ruterach odrzucanie pakietów dopiero z kolejek bloku szeregującego Konieczne badania na temat współdziałania FAN z innymi architekturami QoS dr inż. Jerzy Domżał (AGH) Gwarantowanie jakości obsługi w Internecie 22 października 2012 r. 24 / 64

Podsumowanie FAN jest propozycją pozwalającą na transmisję ruchu z gwarantowaniem jakości obsługi i skrytą klasyfikacją przepływów Proste mechanizmy pozwalające na lepsze sterowanie przydziałem dostępnej przepływności Mniejsze koszty utrzymania (również niewielkie koszty inwestycji) Konieczność wprowadzania niewielkich zmian w aktualnie stosowanych aplikacjach (brak konieczności określania parametrów QoS a-priori) Brak klas usług! Pomiar parametrów sieciowych w węzłach brak konieczności ingerencji użytkownika Szansa na szybkie wprowadzenie? dr inż. Jerzy Domżał (AGH) Gwarantowanie jakości obsługi w Internecie 22 października 2012 r. 25 / 64

Po co Multi-layer FAN? FAN został zaproponowany jako rozwiązanie dla warstwy IP, bez możliwości współpracy z niższymi warstwami Zalety: Prostota Brak konieczności implementacji protokołów sygnalizacji Konsekwencje: Brak informacji z inteligentnej warstwy optycznej Przepływy próbujące rozpocząć transmisję w sytuacji natłoku nie są akceptowane dr inż. Jerzy Domżał (AGH) Gwarantowanie jakości obsługi w Internecie 22 października 2012 r. 27 / 64

Koncepcja Multi-layer FAN Gdy pakiet nowego przepływu dociera do węzła MFAN podejmowana jest próba obsługi w warstwie IP Nadmiarowy ruch z warstwy IP (w sytuacji natłoku) może być skierowany bezpośrednio do warstwy optycznej Jedna lub więcej ścieżek w warstwie optycznej jest zestawiana między źródłem a węzłem docelowym Admission control FAN queue Established lightpath Extra optical resources MFAN node dr inż. Jerzy Domżał (AGH) Gwarantowanie jakości obsługi w Internecie 22 października 2012 r. 28 / 64

Algorytm MFAN f n f n ϵ PFL YES PFL db Flow 1 Flow 2... Flow N f n ϵ PFLλ Optical layer IP layer PFLλ db Flow 1 Flow 2... Flow N PL, FR? λ, OQ th? Policy The policy decides where to send incoming flow Access denied MFAN approach dr inż. Jerzy Domżał (AGH) Gwarantowanie jakości obsługi w Internecie 22 października 2012 r. 29 / 64

Polityki MFAN Newest-flow policy przychodzące przepływy, które nie mogą być zaakceptowane w warstwie IP są kierowane bezpośrednio do warstwy optycznej i wniej obsługiwane, pod warunkiem, że zajętość kolejki w warstwie optycznej nie przekracza dopuszczalnego progu OQ th, Most-Active-flow policy przepływ z największą ilością danych w kolejce jest przekierowywany do warstwy optycznej; jedynie przepływy elastyczne podlegają tej procedurze, Oldest-flow policy aktywny przepływ, który rozpoczął transmisje najwcześniej przekierowywany jest do warstwy optycznej; jedynie przepływy elastyczne podlegają tej procedurze. dr inż. Jerzy Domżał (AGH) Gwarantowanie jakości obsługi w Internecie 22 października 2012 r. 30 / 64

Algorytmy sterowania przeciążeniami w FAN MFAN jest dość skomplikowany i może być stosowany jedynie w sytuacji, gdy mamy dostępne odpowiednie zasoby w warstwie optycznej Niemożliwe jest rozpoczęcie transmisji przez przepływ, np. połączenie głosowe (VoIP), gdy łącze jest przeciążone ROZWIĄZANIE: Algorytmy sterowania przeciążeniami: Enhanced Flushing Mechanism (EFM) Remove Active Elastic Flows (RAEF) Remove and Block Active Elastic Flows (RBAEF) Remove and Prioritize in access Active Elastic Flows (RPAEF) Wszystkie powyższe algorytmy są oparte na okresowym częściowym lub całkowitym czyszczeniu zawartości listy PFL dr inż. Jerzy Domżał (AGH) Gwarantowanie jakości obsługi w Internecie 22 października 2012 r. 32 / 64

Operacje na PFL w FAN W przypadku braku przeciążenia łącza identyfikator dowolnego przepływu rozpoczynającego transmisję jest dodawany do PFL ID nowego przepływu przy braku przeciążenia ID_3 elast. ID_2 elast. ID_1 strum. ID_1 elast. PFL BSD BSz Ruter FAN dr inż. Jerzy Domżał (AGH) Gwarantowanie jakości obsługi w Internecie 22 października 2012 r. 33 / 64

Operacje na PFL w FAN W sytuacji przeciążenia łącza identyfikatory nowych przepływów nie mogą być dodane do PFL ID nowego przepływu w sytuacji przeciążenia ID_3 elast. ID_2 elast. ID_1 strum. ID_1 elast. PFL BSD BSz Ruter FAN dr inż. Jerzy Domżał (AGH) Gwarantowanie jakości obsługi w Internecie 22 października 2012 r. 34 / 64

Algorytm EFM W sytuacji przeciążenia łącza identyfikatory przepływów elastycznych są usuwane z PFL ID nowego przepływu w sytuacji przeciążenia ID_3 elast. ID_2 elast. ID_1 strum. ID_1 elast. PFL BSD BSz Ruter FAN z EFM dr inż. Jerzy Domżał (AGH) Gwarantowanie jakości obsługi w Internecie 22 października 2012 r. 35 / 64

Remove Active Elastic Flows Jedynie identyfikatory przepływów elastycznych (aktywnych przez określony przedział czasu) usuwane są z listy w sytuacji wystąpienia natłoku New ID Older than active_time Older than active_time ID_3 elastic ID_2 elastic ID_1 streaming ID_1 elastic RAEF dr inż. Jerzy Domżał (AGH) Gwarantowanie jakości obsługi w Internecie 22 października 2012 r. 36 / 64

Remove and Block Active Elastic Flows Jedynie identyfikatory przepływów elastycznych (aktywnych przez określony przedział czasu) usuwane są z listy w sytuacji wystąpienia natłoku. Następnie zapisywane są one na liście BFL (Blocked Flow List) na krótki okres czasu(blocked time) dr inż. Jerzy Domżał (AGH) Gwarantowanie jakości obsługi w Internecie 22 października 2012 r. 37 / 64

Algorytm RPAEF ID nowego przepływu w sytuacji przeciążenia ID_1 jest w PFL dłużej niż active_time ID_3 elast. ID_2 elast. ID_1 strum. ID_1 elast. PFL PAFL ID_1 elast. BSD BSz ID nowego przepływu w sytuacji braku przeciążenia jest dodawany do PFL, gdy: - lista PAFL jest pusta - ID jest na liście PAFL - z prawd. PRPAEF, jeśli PAFL jest niepusta ID nie ma na liście PAFL? ID_3 elast. ID_2 elast. ID_1 strum. Ruter FAN z RPAEF PFL PAFL ID_1 elast. BSD BSz Ruter FAN z RPAEF dr inż. Jerzy Domżał (AGH) Gwarantowanie jakości obsługi w Internecie 22 października 2012 r. 38 / 64

Analiza symulacyjna Symulator ns-2 w wersji 2.33 Źródła ruchu: ruch elastyczny TCP/FTP; wielkość pakietu = 1000 B; ilość danych do wysłania wyznaczana z rozkładu Pareto; odstępy między rozpoczęciem transmisji przez poszczególne przepływy wyznaczane z rozkładu wykładniczego ruch strumieniowy UDP; szybkość = 80 kb/s; wielkość pakietu = 100 B; odstępy między rozpoczęciem transmisji przez poszczególne przepływy wyznaczane z rozkładu wykładniczego ŹE1 DE1 KE1 ŁE1 ŹEn ŁEn ŁĄCZE FAN KEn DEn ŹS1 ŁS1 R1 R2 KS1 DS1 ŁSm KSm ŹSm DSm dr inż. Jerzy Domżał (AGH) Gwarantowanie jakości obsługi w Internecie 22 października 2012 r. 39 / 64

Analiza symulacyjna c.d. Przepustowość łącza FAN = 100 Mb/s; opóźnienie = 1 ms Interwał pomiaru fair rate = 500 ms; min fair rate = 5 Mb/s Interwał pomiaru priority load = 50 ms; max priority load = 0.7 (70% pojemności łącza) pfl flow timeout = 20 s Czas rozbiegu symulacji = 20 s Wielkość bufora: 1000 pakietów Analiza statystyczna zgodnie z rozkładem t-studenta z 95% przedziałami ufności dr inż. Jerzy Domżał (AGH) Gwarantowanie jakości obsługi w Internecie 22 października 2012 r. 40 / 64

Czas akceptacji przepływów strumieniowych w ruterach Czas akceptacji przepływów strumieniowych [s] 20 15 10 5 0 EFM RAEF RBAEF RPAEF 0 5 10 15 20 25 Parametr mechanizmu sterowania przeciążeniami [s] dr inż. Jerzy Domżał (AGH) Gwarantowanie jakości obsługi w Internecie 22 października 2012 r. 41 / 64

Liczba przepływów na liście PFL Liczba przepływów elastycznych na liście PFL 200 150 100 50 0 EFM RAEF RBAEF RPAEF 0 5 10 15 20 25 Parametr mechanizmu sterowania przeciążeniami [s] dr inż. Jerzy Domżał (AGH) Gwarantowanie jakości obsługi w Internecie 22 października 2012 r. 42 / 64

Czas transmisji przepływów elastycznych Czas transmisji przepływów elastycznych [s] 500 450 400 350 300 250 200 150 EFM RAEF RBAEF RPAEF 100 0 5 10 15 20 25 Parametr mechanizmu sterowania przeciążeniami [s] EFM: y = 108.94 ln x + 611.43 RAEF:y = 10.25x + 464.69 RBAEF:y = 9.05x + 444.11 RPAEF:y = 10.67x + 343.35 dr inż. Jerzy Domżał (AGH) Gwarantowanie jakości obsługi w Internecie 22 października 2012 r. 43 / 64

Streszczenie Podsumowanie wyników symulacyjnych Algorytm / Parametr Wartość parametru [s] FAN z PFQ waiting time [s] Czas transmisji przepływów elastycznych [s] FAN - 73.64±7.84 123.87±16.07 EFM / pfl flushing timer 89.50 51.38±0.16 139.21±7.19 RAEF / active time 33.25 10.32±0.59 145.05±17.35 RBAEF / active time 35.40 12.05±0.56 145.40±19.50 RPAEF / active time 20.57 15.52±0.79 130.12±8.74 FAN z PDRR FAN - 86.29±6.43 125.16±3.69 EFM / pfl flushing timer 119.50 81.98±2.66 125.96±6.39 RAEF / active time 91.45 66.15±1.19 124.33±12.56 RBAEF / active time 76.40 53.60±0.58 128.79±6.70 RPAEF / active time 20.40 13.46±0.82 124.32±2.32 dr inż. Jerzy Domżał (AGH) Gwarantowanie jakości obsługi w Internecie 22 października 2012 r. 44 / 64

Podsumowanie sterowanie przeciążeniami Algorytmy sterowania przeciążeniami usprawniają działanie sieci przez cykliczne czyszczenie zawartości listy PFL dają przepływom strumieniowym możliwość szybkiej akceptacji Wartości parametrów algorytmów sterowania przeciążeniami powinny być dobrane w drodze kompromisu pomiędzy zmniejszeniem czasu oczekiwania na akceptację przez przepływy strumieniowe, a wydłużeniem czasu transmisji przepływów elastycznych Algorytmy sterowania przeciążeniami zachowują się podobnie w każdej z dwóch prezentowanych architektur FAN dr inż. Jerzy Domżał (AGH) Gwarantowanie jakości obsługi w Internecie 22 października 2012 r. 45 / 64

Dlaczego Approximate Flow-Aware Networking? Dwa algorytmy szeregowania dla sieci FAN Priority Fair Queuing (PFQ) Priority Deficit Round Robin (PDRR) PFQ i PDRR są skomplikowane wymagają utrzymywania listy przepływów aktywnych (Active Flow List) W rozwiązaniu AFAN zastosowano mechanizm AFD (Approximate Fair Dropping) używa algorytmu RED (Random Early Detection) w celu sterowania zajętością pamięci zapewnia sprawiedliwą transmisję pakietów należących do przepływów elastycznych (z użyciem osobnej kolejki FIFO) oraz wysoki priorytet dla ruchu strumieniowego (z użyciem osobnej kolejki FIFO) dr inż. Jerzy Domżał (AGH) Gwarantowanie jakości obsługi w Internecie 22 października 2012 r. 47 / 64

Sterowanie dostępem w AFAN Mechanizm sterowania dostępem działa tak samo jak w obu znanych wersjach sieci FAN (z algorytmem PFQ lub PDRR) Różne metody szacowania wartości parametrów fair rate i priority load w bloku szeregowania dr inż. Jerzy Domżał (AGH) Gwarantowanie jakości obsługi w Internecie 22 października 2012 r. 48 / 64

Operacja kolejkowania w AFAN (1) Kolejka strumieniowa TAK Pakiet p Przychodzący pakiet p przepływu F flow_bytes(f) <= Q? NIE Oblicz ABS flow bytes(f ): liczba bajtów przepływu F umieszczona w buforze ABS: średnia zajętość bufora (Approximate Buffer Size) dr inż. Jerzy Domżał (AGH) Gwarantowanie jakości obsługi w Internecie 22 października 2012 r. 49 / 64

Operacja kolejkowania w AFAN (2) { ABS = (1 wq )ABS + w q q jeśli kolejka jest niepusta w q q m ABS = (1 w q ) m ABS jeśli kolejka jest pusta waga kolejki aktualna zajętość bufora liczba pakietów, które mogą być przesłane przez wolne (puste) łącze m jest wyznaczane ze wzoru: m = (time q time)/s time aktualny czas q time moment, od którego bufor pozostaje pusty s czas transmisji pakietu dr inż. Jerzy Domżał (AGH) Gwarantowanie jakości obsługi w Internecie 22 października 2012 r. 50 / 64

Operacja kolejkowania w AFAN (3) max_th min_th Bufor z dwoma progami TAK odrzuć p Kolejka elastyczna Oblicz ABS ABS >= max_th? TAK Pakiet p NIE ABS < min_th? NIE Wylosuj pakiet d z kolejki elastycznej dr inż. Jerzy Domżał (AGH) Gwarantowanie jakości obsługi w Internecie 22 października 2012 r. 51 / 64

Operacja kolejkowania w AFAN (4) Wylosuj pakiet d z kolejki elastycznej TAK d i p reprezentują ten sam przepływ? usuń d odrzuć p z prawdopodobieństwem P2 Kolejka elastyczna NIE Pakiet p Z kolejki elastycznej losowany jest bit, a następnie przyporządkowany jest on odpowiedniemu pakietowi dzięki temu możliwa jest transmisja pakietów o różnej długości dr inż. Jerzy Domżał (AGH) Gwarantowanie jakości obsługi w Internecie 22 października 2012 r. 52 / 64

Operacja wyboru pakietu do wysłania w AFAN Kolejka strumieniowa Kolejka elastyczna Wyślij pakiet Jeśli w kolejce strumieniowej znajdują się pakiety, to są one wysyłane w pierwszej kolejności Jeśli kolejka strumieniowa jest pusta, wysyłane są pakiety z kolejki elastycznej dr inż. Jerzy Domżał (AGH) Gwarantowanie jakości obsługi w Internecie 22 października 2012 r. 53 / 64

Zmiany wartości szybkości sprawiedliwej Odchylenie od min fair rate [%] 0.9 0.8 0.7 0.6 0.5 0.4 Odchylenie od min fair rate FAN z PFQ FAN z PDRR AFAN 100 200 300 400 500 600 700 Liczba przepływów elastycznych dr inż. Jerzy Domżał (AGH) Gwarantowanie jakości obsługi w Internecie 22 października 2012 r. 54 / 64

Liczba przepływów elastycznych na liście PFL Liczba przepływów elastycznych na liście PFL 40 35 30 25 20 Zajętość listy PFL FAN z PFQ FAN z PDRR AFAN 15 100 200 300 400 500 600 700 Liczba przepływów elastycznych aktywnych w tle dr inż. Jerzy Domżał (AGH) Gwarantowanie jakości obsługi w Internecie 22 października 2012 r. 55 / 64

Czas akceptacji przepływów strumieniowych w ruterach Czas akceptacji przepływów strumieniowych [s] 20 15 10 5 0 EFM RAEF RBAEF RPAEF 0 5 10 15 20 25 Parametr mechanizmu sterowania przeciążeniami [s] dr inż. Jerzy Domżał (AGH) Gwarantowanie jakości obsługi w Internecie 22 października 2012 r. 56 / 64

Czas transmisji przepływów elastycznych Czas transmisji przepływów elastycznych [s] 450 400 350 300 250 200 150 EFM RAEF RBAEF RPAEF 100 0 5 10 15 20 25 Parametr mechanizmu sterowania przeciążeniami [s] EFM: y = 86.93 ln x + 499.96 RAEF:y = 126.11 ln x + 553.04 RBAEF:y = 132.69 ln x + 583.63 RPAEF:y = 17.99 ln x + 173.96 dr inż. Jerzy Domżał (AGH) Gwarantowanie jakości obsługi w Internecie 22 października 2012 r. 57 / 64

Streszczenie Czas akceptacji przepływów strumieniowych w ruterach Algorytm / Parametr Wartość parametru [s] AFAN waiting time [s] Czas transmisji przepływów elastycznych [s] FAN - 82.51±8.75 119.21±5.08 EFM / pfl flushing timer 80.21 27.48±2.85 121.45±7.17 RAEF / active time 31.11 13.65±2.86 127.51±11.84 RBAEF / active time 33.15 16.35±2.87 127.55±9.24 RPAEF / active time 20.77 16.01±1.95 119.88±10.22 W rozwiązaniu AFAN z algorytmem RPAEF, gdy active time = 8 s, P RPAEF = 0.03 możliwe jest zapewnienie czasu akceptacji przepływów strumieniowych równego 5.62 ± 0.32 s oraz średniego czasu transmisji przepływów elastycznych równego 135.86 ± 12.82 s (w AFAN = 119.21 ± 5.08 s) dr inż. Jerzy Domżał (AGH) Gwarantowanie jakości obsługi w Internecie 22 października 2012 r. 58 / 64

Podsumowanie AFAN AFAN używa mechanizmu AFD opartego na algorytmie RED AFAN zapewnia skryte różnicowanie przepływów, sprawiedliwość w dostępie do łącza dla przepływów elastycznych i wysoki priorytet dla przepływów strumieniowych Operacje kolejkowania i wyboru pakietu do wysłania są prostsze niż w dwóch znanych architekturach FAN Nie ma potrzeby implementacji listy AFL Oscylacje wokół min fair rate są mniejsze niż w pozostałych architekturach FAN transmisja w AFAN jest bardziej stabilna Algorytmy sterowania przeciążeniami (EFM, RAEF, RBAEF oraz RPAEF) mogą być z powodzeniem stosowane w AFAN Zastosowanie algorytmu RPAEF pozwala na szybką akceptację przepływów strumieniowych przy braku wydłużenia czasu transmisji przez przepływy elastyczne dr inż. Jerzy Domżał (AGH) Gwarantowanie jakości obsługi w Internecie 22 października 2012 r. 59 / 64

Podsumowanie O czym była mowa? FAN MFAN Mechanizmy sterowania przeciążeniami w FAN AFAN dr inż. Jerzy Domżał (AGH) Gwarantowanie jakości obsługi w Internecie 22 października 2012 r. 61 / 64

Ewaluacja Jaka jest zasada działania algorytmu PDRR? Jaka jest metoda działania algorytmu sterowania dostępem w sieciach FAN? W jaki sposób realizowany jest algorytm sprawiedliwości w sieciach FAN? dr inż. Jerzy Domżał (AGH) Gwarantowanie jakości obsługi w Internecie 22 października 2012 r. 62 / 64

Literatura X. Xiao, Technical, Commercial, and Regulatory Challenges of QoS, Morgan Kaufmann Publishers, 2008 M. Welzl. Network Congestion Control. John Wiley & Sons. Ltd, England, 2005 S. Alvarez, QoS in IP/MPLS Networks, Cisco Press, 2006. Rekomendacje ITU-T, dokumenty IETF oraz standardy IEEE Artykuły naukowe nt. sieci FAN dr inż. Jerzy Domżał (AGH) Gwarantowanie jakości obsługi w Internecie 22 października 2012 r. 63 / 64

Dziękuję za uwagę! Pytania? http://kt.agh.edu.pl/ jdomzal/qos/wyklad 7.pdf dr inż. Jerzy Domżał (AGH) Gwarantowanie jakości obsługi w Internecie 22 października 2012 r. 64 / 64