ΟΙΚΟΝΟΜΙΚΟ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΑΘΗΝΩΝ ΠΡΟΓΡΑΜΜΑ ΜΕΤΑΠΤΥΧΙΑΚΩΝ ΣΠΟΥΔΩΝ ΣΤΗΝ ΕΠΙΣΤΗΜΗ ΤΩΝ ΥΠΟΛΟΓΙΣΤΩΝ Διπλωματική Εργασία Μεταπτυχιακού Διπλώματος Ειδίκευσης «Παροχή Ποιότητας Υπηρεσίας στο UMTS με τη χρήση Ενοποιημένων Υπηρεσιών» Επιμέλεια Παρουσίασης: Κονταράκη Μαρία Επιβλέπων Καθηγητής: Ξυλωμένος Γεώργιος 2 ος Αξιολογητής: Πολύζος Γεώργιος Αθήνα, Ιούνιος 2005
Περιεχόμενα Τι είναι το σύστημα UMTS Τι είναι το Quality of Service QoS στο UMTS Παράμετροι QoS Αρχιτεκτονική QoS Κατηγορίες QoS Τι είναι το μοντέλο Ενοποιημένων Υπηρεσιών Συνιστώσες, Μειονεκτήματα του μοντέλου Πρωτόκολλο RSVP Πρωτόκολλο Mobile IP Προτεινόμενες Λύσεις Συμπεράσματα
Εισαγωγή Προκλήσεις πολυμεσικών εφαρμογών σε κυψελικό δίκτυο Εγγυημένη παροχή ποιότητας υπηρεσίας Διαχείριση της κινητικότητας των κόμβων Παροχή αδιάλειπτων υπηρεσιών Πολυσύνθετο δίκτυο καλύτερης προσπάθειας
UMTS
Ποιότητα υπηρεσίας από-ακρο-σε-άκρο Σκοπός του QoS Εξυπηρέτηση των εισερχόμενων ροών (ήχος, φωνή, βίντεο, δεδομένα) Μέγιστη εκμετάλλευση των υπάρχοντων πόρων Εξυπηρέτηση όσο γίνεται περισσότερων υπηρεσιών
Παράμετροι QoS Latency: Η καθυστέρηση που υπάρχει για να μεταδοθεί ένα πακέτο δεδομένων από τη μία άκρη της συνόδου στην άλλη. Jitter: Η απόκλιση που μπορεί να υπάρχει κατά τη μετάδοση ενός συνόλου πακέτων δεδομένων εντός μίας συγκεκριμένης ροής. Throughput: Η ποσότητα των δεδομένων που μεταδίδεται επιτυχώς από τη μία άκρη στην άλλη στη μονάδα του χρόνου. Packet Loss: Το ποσοστό των πακέτων που χάνονται κατά τη μετάδοσή τους.
Αρχιτεκτονική QoS στο UMTS
Κατηγορίες QoS Conversational class: Κατάλληλη για εφαρμογές πραγματικού χρόνου με περιορισμούς στην καθυστέρηση (π.χ τηλεφωνία) Streaming class: Κατάλληλη για εφαρμογές πραγματικού χρόνου και είναι ανεκτική σε περιορισμένες καθυστερήσεις (π.χ. media streaming) Interactive class: Κατάλληλη για εφαρμογές ερωταποκρίσεων, υπάρχει υψηλή αξιοπιστία, λογική καθυστέρηση (π.χ. web browsing) Background class: Κατάλληλη για εφαρμογές που έχουν σχέση για τη μεταφορά αρχείων, υψηλή αξιοπιστία (π.χ. FTP)
Μοντέλο Integrated Services Εξασφάλιση ποιότητας υπηρεσίας σε ένα PS δίκτυο (internet) Multicast & Unicast Παρέχει QoS από-άκρο-σε-άκρο σε εφαρμογές που μεταδίδονται πάνω από ετερογενή δίκτυα Δίνει τη δυνατότητα σε κάθε εφαρμογή να ζητάει συγκεκριμένη ποιότητα υπηρεσίας Κάθε ροή αντιμετωπίζεται χωριστά Συνιστώσες μοντέλου Χρονοπρογραμματιστής πακέτου (packet scheduler) Κατηγοριοποιητής πακέτων (packet classifier) Έλεγχος αποδοχής (admission control) Πρωτόκολλο RSVP
Πρωτόκολλο RSVP PATH μήνυμα Παράγεται από τον αποστολέα Παρέχει πληροφορίες για τα χαρακτηριστικά της συνόδου Γνωστοποιούνται οι απαιτήσεις κάθε ροής RESV μήνυμα Παράγεται από τον παραλήπτη Μεταφέρει τις ζητούμενες δεσμεύσεις πόρων Οι δρομολογητές απλά μεταφέρουν τα παραπάνω μηνύματα χωρίς να γνωρίζουν το περιεχόμενο τους
Μοντέλο Host / router
Μειονεκτήματα IntServ Πολυπλοκότητα λειτουργίας των δρομολογητών Δεν είναι κλιμακούμενο Όταν ο αριθμός των ροών αυξάνεται Αυξημένη σηματοδοσία Απαιτεί συνεχή διαθεσιμότητα των δρομολογητών Καταστροφή δρομολογητή =>πρόωρος τερματισμός συνόδου Η διαδικασία δέσμευσης των πόρων δεν περιλαμβάνει διαπραγμάτευση Οι πόροι αιτούνται από τη σύνοδο ή εξ’ ολοκλήρου ή όχι Αποτέλεσμα: μία σύνοδος Να μην πραγματοποιηθεί καθόλου ούτε έστω με λιγότερους πόρους Να λάβει περισσότερους πόρους από αυτούς που έπρεπε να λάβει
Μειονεκτήματα του RSVP Δεν μπορεί να ανταπεξέλθει στο UMTS όπου οι κόμβοι κινούνται Η διαδρομή δεν είναι σταθερή σε ένα UMTS δίκτυο Θέματα δρομολόγησης που αντιμετωπίζονται Να βρεθεί διαδρομή η οποία να υποστηρίζει δέσμευση πόρων Να βρεθεί διαδρομή η οποία να διαθέτει επαρκή & μη δεσμευμένη χωρητικότητα για την εισερχόμενη ροή Να βρεθεί τρόπος να αντιμετωπιστεί η απώλεια ενός δρομολογητή ή η αντικατάστασή του
Πρωτόκολλο Mobile IP Τριγωνική Δρομολόγηση
Πρωτόκολλο Mobile IP Βελτιστοποίηση Διαδρομής
QoS στο UMTS – 1 η Προτεινόμενη Λύση Παρουσιάζεται το IST project ARROWS (Advanced Radio Resource Management for Wireless Services) Υλοποίηση του μοντέλου Integrated Services Δέσμευση πόρων με τη χρήση του πρωτοκόλλου RSVP Υπολογισμός καθυστερήσεων με τη βοήθεια νέων οντοτήτων Στόχος Λύσεις διαχείρισης του QoS υποστηρίζοντας το μοντέλο IntServ Παροχή προχωρημένου Radio Resource Management Έλεγχος της IP κυκλοφορίας
Δέσμευση πόρων με τη χρήση RSVP Διαδικασία δέσμευσης των πόρων b => μέγεθος κάδου r => ροή του token bucket p => μέγιστος ρυθμός μετάδοσης M => μέγιστο μέγεθος πακέτου R => δεσμευμένο εύρος ζώνης S => υπολειπόμενο εύρος ζώνης. S = D max - D EE C i => χρόνος που περιμένει το ένα πακέτο στην ουρά αναμονής του δρομολογητή i C tot => το άθροισμα των C i D i => χρόνος μετάδοσης ενός πακέτου από τον δρομολογητή I στον επόμενο D tot => το άθροισμα των D i D EE => η μέγιστη από-άκρο-σε-άκρο καθυστέρηση στο μονοπάτι D EE = (M + C tot ) / R + D tot D max => ο μέγιστος ανεκτός απο-άκρο-σε-άκρο χρόνος καθυστέρησης για την υλοποιούμενη υπηρεσία
Ρυθμιστής κυκλοφορίας Τα πακέτα δεδομένων εισέρχονται με μεταβλητό ρυθμό στο ρυθμιστή κυκλοφορίας Ο ρυθμιστής αρχικά πραγματοποιεί ποσοτικό περιορισμό πακέτων Κάθε πακέτο για να προχωρήσει λαμβάνει ένα token Εν συνεχεία ο ρυθμιστής πραγματοποιεί έλεγχο στη μέγιστη ροή (p) Η ροή δεν μπορεί να ξεπεράσει ένα καθορισμένο άνω φράγμα
QoS Αρχιτεκτονική
Application Αναπαριστά μία διαδικασία client/server & επικοινωνεί μέσω UDP (video streaming,audio-video telephony) ή TCP (www, mail) RSVP Οντότητα υπεύθυνη για το χειρισμό και τη δέσμευση των πόρων πάνω από IP ροές QoS Manager Επιτρέπει σε όλες τις εφαρμογές την πρόσβαση στο πρωτόκολλο RSVP Διαχειρίζεται τις δεσμεύσεις των πόρων (επιλέγει τις κατάλληλες παραμέτρους για τα RESV μηνύματα) Ενεργοποιεί / απενεργοποιεί PDP contexts IP BS Manager Οντότητα υπεύθυνη για την αίτηση της ενεργοποίησης του PDP context (αν δεν έχει ήδη ενεργοποιηθεί) κατά την άφιξη του πρώτου πακέτου IP Traffic Control Κατευθύνει τα πακέτα στο κατάλληλο PDP context Οργανώνει τα πακέτα ανάλογα με την προτεραιότητά τους Διαμορφώνει τη κίνηση ώστε κάθε ροή να είναι σύμφωνη με τις παραμέτρους του PDP context
Λειτουργία του πρωτοκόλλου RSVP Υπολογίζονται οι κατάλληλοι παράμετροι Ο αποστολέας επιλέγει το D max, R Το πρωτόκολλο υπολογίζει τα D EE = D tot, S Οι μετρήσεις των R, S γίνονται στο Primary PDP context Ενώ το Secondary PDP context δεσμεύει τους πόρους των IP ροών
Συμπεράσματα Αρχιτεκτονικής QoS Manager Περιέχει ένα σύνολο από λειτουργίες που διευκολύνουν τη διαχείριση του QoS Επιτρέπει σε εφαρμογές που δεν υποστηρίζουν RSVP να το χρησιμοποιούν (με τη βοήθεια βιβλιοθηκών) Υπεύθυνη για τη δέσμευση πόρων, ενεργοποίηση / απενεργοποίηση PDP contexts, αντιστοίχιση των παραμέτρων (RSVP - UMTS), διαπραγμάτευση των R, S Αξιοποίηση του εύρους ζώνης Η κίνηση αντιμετωπίζεται σε άλλο επίπεδο, επομένως αρκεί το RSVP Υστερεί όταν οι κόμβοι κινούνται
Mobile RSVP – 2 η Προτεινόμενη Λύση Mobile RSVP Υποστηρίζει QoS σε δίκτυο που βασίζεται στο Mobile IP Παρέχει προχωρημένο μηχανισμό για τη δέσμευση των πόρων σε κυψελικό περιβάλλον Προτείνεται ένας αλγόριθμος δυναμικού διαμοιρασμού πόρων για την καλύτερη εκμετάλλευση των πόρων του δικτύου Στόχος Παροχή ποιότητας υπηρεσίας καθ’ όλη τη διάρκεια της σύνδεσης ακόμη και όταν ο κόμβος κινείται από κυψέλη σε κυψέλη
Λειτουργία του Mobile RSVP Mobile RSVP συνεργάζεται με το Mobile IP Το Mobile IP είναι υπεύθυνο για: Τη βελτιστοποίηση της διαδρομής ενός κόμβου Το μονοπάτι που διατρέχει ο κόμβος Το Mobile RSVP Επεκτείνει τις λειτουργίες των μηνυμάτων PATH, RESV Εκτελεί παθητικές δεσμεύσεις Εισάγει δύο νέα μηνύματα (ACTIVATE, UPDATE) Λειτουργίες Mobile RSVP Εγκαθίδρυση Mobile RSVP σύνδεσης Προοδευτική Δέσμευση πόρων Διαχείριση Hand-Overs Δυναμικός Διαμοιρασμός Πόρων
Εγκαθίδρυση Mobile RSVP σύνδεσης Για την αποφυγή δέσμευσης πόρων σε μία τριγωνική δρομολόγηση Προτείνεται ένας τετραμερής χαιρετισμός Γίνεται γνωστή η διεύθυνση του παραλήπτη Ο αποστολέας στέλνει ένα PATH μήνυμα στην care-of address του PATH μήνυμα Ταξιδεύει hop-by-hop μέσω των RSVP δρομολογητών – ανακοινώνει το QoS Ο κινητός κόμβος αναλύει το PATH και παράγει το RESV RESV μήνυμα Διανύει αντίστροφα το μονοπάτι Κάθε δρομολογητής επεξεργάζεται το RSVP μήνυμα Δεσμεύει τους κατάλληλους πόρους
Προοδευτική Δέσμευση πόρων Οι hand-over κλήσεις έχουν την υψηλότερη προτεραιότητα Ο FA στέλνει PATH μηνύματα στους γειτονικούς κόμβους Στόχος: ενημέρωση για το QoS Αντίστοιχα RESV μηνύματα στέλνονται στον FA Εκτελείτε παθητική δέσμευση
Διαδικασία Hand-over Αλλαγή της κατάστασης δέσμευσης των πόρων Από παθητική σε ενεργητική Ο προηγούμενος FA1 στέλνει ένα ACTIVATE μήνυμα στο νέο FA2 Αποδέσμευση των παθητικών δεσμεύσεων των γειτονικών κόμβων του FA1
Δυναμικός Διαμοιρασμός Πόρων (Δ.Δ.Π.) Το Mobile RSVP χωρίζει τις κλήσεις σε τρεις κατηγορίες: Best-effort Guaranteed Active hand-over Στόχος Συντονισμός των παθητικών δεσμεύσεων Θετικά Υπάρχει μικρή πιθανότητα μία ενεργή κλήση να διακοπεί Τα handoffs γίνονται με ομαλό τρόπο Η διαδικασία της παθητικής δέσμευσης περιορίζει την σπατάλη των πόρων Αρνητικά Αρκετή σηματοδοσία Πριν ενεργοποιηθεί μία δέσμευση οι πόροι δεν γίνεται να χρησιμοποιηθούν από handover κλήσεις Αυξάνονται οι πιθανότητες για μπλοκάρισμα κλήσεων
Προσομοίωση Σκοπός ήταν να αναλύσουν: την επίδραση της κυκλοφοριακής συμφόρησης το συνολικό αριθμό των διαθέσιμων πόρων σε μία κυψέλη το χρόνο αποτελεσματικής δέσμευσης καναλιών (με χρήση Δ.Δ.Π.) Στόχος Μείωση της πιθανότητας απόρριψης hand-over κλήσεων Χρησιμοποιήθηκαν τρία είδη πολιτικών για το διαμοιρασμό των πόρων: Δυναμικός διαμοιρασμός πόρων Πλήρης διαίρεση (χωρίς παθητική δέσμευση) Πλήρης διαμοιρασμός (χωρίς παθητική δέσμευση) Συμπεράσματα Επίτευξη του στόχου Αύξηση της συνολικής εκμετάλλευσης των πόρων Σωστή διαχείριση των hand-over κλήσεων Σωστή διαχείριση των best-effort κλήσεων
Προβλήματα Mobile RSVP Η εφαρμοσιμότητά του στην τρέχουσα υποδομή του δικτύου Απαιτούνται δρομολογητές που να γνωρίζουν Mobile RSVP Η κίνηση και των δύο κόμβων Απαιτεί πολύ σηματοδοσία Πολλά μηνύματα ελέγχου Πολυεκπομπή
Συμπεράσματα 1 η λύση: ΘΕΤΙΚΑ Κύριο κλειδί αποτελεί η οντότητα QoS Manager Η κίνηση αντιμετωπίζεται σε χαμηλότερο επίπεδο Αρκεί το πρωτόκολλο RSVP για την δέσμευση των πόρων Ακολουθεί ένα μοντέλο διαχείρισης της κυκλοφορίας μέσω token bucket Δίδεται μεγάλη σημασία στον υπολογισμό μεταβλητών (καθυστερήσεις) – αποτελεσματική διαχείριση πόρων ΑΡΝΗΤΙΚΑ Υστερεί στη διαχείριση της κίνησης Το πρωτόκολλο RSVP δεν μπορεί να ανταπεξέλθει σε κινητούς κόμβους
Συμπεράσματα 2 η Λύση ΘΕΤΙΚΑ Υποστηρίζει QoS σε ένα δίκτυο το οποίο βασίζεται σε Mobile IP Η διαχείριση της κίνησης αντιμετωπίζεται σε επίπεδο IP Ικανοποιητικά αποτελέσματα Διαχειρίζεται ικανοποιητικά την κίνηση των κόμβων ΑΡΝΗΤΙΚΑ Δυσκολίες στην εφαρμοσιμότητα στην τρέχουσα υποδομή Υστερεί στην διαπραγμάτευση των μεταβλητών γιατί δεσμεύει σταθερούς πόρους (συγκεκριμένα κανάλια)