Προσαρμογή των Διαφοροποιημένων Υπηρεσιών του Διαδικτύου στο UMTS περιβάλλον Καρδίτση Κυριακή Επιβλέποντες Καθηγητές: κ.Ξυλωμένος Γ. κ. Πολύζος Γ. ΜΠΣ στην Επιστήμη Υπολογιστών Οικονομικό Πανεπιστήμιο Αθηνών Αθήνα, Ιούνιος 2005

2 Σκοπός της εργασίας Εξασφάλιση ποιότητας υπηρεσίας στο UMTS  βάσει των χαρακτηριστικών που προβλέπει το πρότυπο  με χρήση των Διαφοροποιημένων Υπηρεσιών Προσαρμογή των Διαφοροποιημένων Υπηρεσιών στο UMTS περιβάλλον πάνω στην υπάρχουσα αρχιτεκτονική με τις δεδομένες διαδικασίες ανάθεσης πόρων Μελέτη των κυριότερων προτάσεων απεικόνισης του UMTS QoS σε ένα σχήμα Διαφοροποιημένων υπηρεσιών

3 UMTS και ποιότητα υπηρεσίας

4 Υποσύστημα διαχείρισης ποιότητας υπηρεσίας του UMTS σε επίπεδο χρήστη

5 Τάξεις και παράμετροι ποιότητας υπηρεσίας στο UMTS Τάξεις ποιότητας υπηρεσίας  Conversational class  Streaming class  Interactive class  Background class Παράμετροι ποιότητας υπηρεσίας

6 Παράμετροι ποιότητας υπηρεσίας για κάθε τάξη

7 Policy – based αρχιτεκτονική QoS Είναι ένας τρόπος να διαχωριστεί η εκάστοτε επιθυμητή πολιτική ποιότητας υπηρεσίας από την εκάστοτε υλοποίηση Οι παροχείς δικτυακών υπηρεσιών συνάπτουν συμβόλαια → κάθε παροχέας μεταφράζει τα συμβόλαια σε ένα σύνολο από κανόνες που περιγράφουν τους απαιτούμενους πόρους του δικτύου Στο UMTS: PEP → GGSN PDP → PCF → P-CSCF που εξυπηρετεί το UE

8 Διαφοροποιημένες Υπηρεσίες (εισαγωγικά) Υπηρεσίες Διαδικτύου: απρόβλεπτες και χαμηλής ποιότητας Κυριότεροι μηχανισμοί παροχής ποιότητας υπηρεσίας  Ενοποιημένες Υπηρεσίες (Integrated Services / RSVP) υπηρεσίες με εγγυημένο ρυθμό μετάδοσης δέσμευση πόρων για κάθε ροή κίνησης → προβλήματα επεκτασιμότητας  Διαφοροποιημένες Υπηρεσίες (Differentiated Services) διαχειρίζονται σύνολα ροών κι όχι διακριτές ροές μοντέλο επεκτάσιμο και προσαρμόσιμο στην υπάρχουσα υποδομή των δικτύων IP  Μηχανισμός MPLS

9 Διαφοροποιημένες Υπηρεσίες (βασικές έννοιες) (1/4) Η κίνηση διαιρείται σε ομάδες – τάξεις προώθησης Βασικές έννοιες: υπηρεσία και τάξη προώθησης Οι υπηρεσίες καθορίζονται με τη μορφή συμβολαίων (Service Level Agreement – SLA )  συνάπτονται ανάμεσα σε χρήστη και παροχέα  ή μεταξύ γειτονικών DS τομέων Το Traffic Conditioning Agreement (TCA) περιγράφει:  πώς θα γίνεται η κατηγοριοποίηση των ροών,  πώς θα μαρκάρονται τα πακέτα,  πώς θα μεταχειρίζονται τα πακέτα που ξεπερνούν τα όρια του συμβολαίου

10 Διαφοροποιημένες Υπηρεσίες (βασικές έννοιες) (2/4) DS πεδίο

11 Διαφοροποιημένες Υπηρεσίες (βασικές έννοιες) (3/4) Λειτουργίες συνοριακών δρομολογητών  Τraffic classification and conditioning Οντότητες: 1.Διαχωριστής κίνησης (classifier) 2.Μηχανισμός μαρκαρίσματος (marker) 3.Μετρητής (meter) 4.Μηχανισμός μορφοποίησης (shaper) 5.Μηχανισμός απόρριψης (dropper)

12 Διαφοροποιημένες Υπηρεσίες (βασικές έννοιες) (4/4) PHB : εξωτερικά παρατηρούμενη συμπεριφορά (forwarding treatment), σε ένα συγκεκριμένο κόμβο του δικτύου Κάθε PHB αντιπροσωπεύεται από έξι δυφία του πεδίου DS → Differentiated Services CodePoint (DSCP) Όταν υπάρχουν περισσότερες από μια PHB σε έναν DS τομές πρέπει να καθοριστεί η αλληλεπίδραση ανάμεσά τους. Κυριότερα είδη PHB:  Πρωτεύουσα Υπηρεσία (Expedited Forwarding)  Διασφαλισμένη Υπηρεσία (Assured Forwarding)  Διδύφια Διαφοροποιημένη Υπηρεσία (Two – bit Differentiated Service)

Βασικές Διαφοροποιημένες Υπηρεσίες Πρωτεύουσα Υπηρεσία (Expedited Forwarding)  Ιδεατή μισθωμένη γραμμή (ATM CBR)  Στόχος: παροχή υπηρεσίας με ελάχιστη καθυστέρηση, χαμηλό αριθμό λαθών και χαμηλό jitter  Ορισμός ελάχιστου ρυθμού μετάδοσης → οσοσδήποτε κι αν είναι ο φόρτος του δικτύου  Μέγιστος ρυθμός μετάδοσης από τον πρώτο δρομολογητή → για να μη «λιμοκτονήσουν» οι άλλες ροές  Τα επιπλέον πακέτα απορρίπτονται ή καθυστερούνται Διασφαλισμένη Υπηρεσία (Assured Forwarding)  Δεν εγγυάται δεδομένο εύρος ζώνης, αλλά... αξιόπιστη μετάδοση με όσο γίνεται υψηλότερη προτεραιότητα  4 ανεξάρτητες τάξεις 3 επίπεδα προτεραιότητας σε κάθε τάξη Τάξη Προτεραιότητα Τάξη 1Τάξη 2Τάξη 3Τάξη 4 Υψηλή προτεραιότητα Μεσαία προτεραιότητα Χαμηλή προτεραιότητα

14 Πρώτη προσέγγιση (1/2)  Αντιστοίχιση τάξεων ποιότητας υπηρεσίας σε τάξεις DiffServ  Conversational → EF  Streaming → AF4  Interactive → AF3  Background → AF2 ή AF1 ή best – effort  Αλγόριθμος χρονοπρογραμματισμού  Απόλυτη προτεραιότητα στις τάξεις Conversational και Streaming  WFQ ανάμεσα στις υπόλοιπες τάξεις  Traffic profile: διπλός αλγόριθμος token-bucket → ταυτόχρονος έλεγχος μέγιστου και εγγυημένου ρυθμού μετάδοσης  Conversational και Streaming → FIFO drop tail  Interactive και Background → token bucket και RED

15 Πρώτη προσέγγιση (2/2) Πλεονεκτήματα Πλεονεκτήματα Υλοποιήσιμος αλγόριθμος χρονοπρογραμματισμού Διαχωρισμός τάξεων Interactive και Background Προφανής αντιστοίχιση τάξεων ποιότητας υπηρεσίας με τάξεις κίνησης Μειονεκτήματα Μειονεκτήματα Δεν διαχωρίζονται οι τάξεις Conversational και Streaming όταν η τάξη Conversational περιλαμβάνει ροές που συνδυάζουν video και ήχο π.χ video telephony Αυθαίρετος καθορισμός βαρών στον αλγόριθμο WFQ Δεν υπάρχει συγκριτική μελέτη αλγορίθμων χρονοπρογραμματισμού

16 Δεύτερη προσέγγιση (1/3)  Αντιστοίχιση τάξεων ποιότητας υπηρεσίας σε τάξεις DiffServ  Μηχανισμοί δρομολόγησης και διαμόρφωσης της κίνησης  Μηχανισμός απόρριψης  Για ροές πραγματικού χρόνου = 2 πρώτες τάξεις → απόλυτος μηχανισμός απόρριψης  Για ροές μη πραγματικού χρόνου → αλγόριθμος RED με κοινή μνήμη Για κάθε πακέτο της τάξης I που φτάνει Υπολόγισε το μέσο μέγεθος ουράς avg Υπολόγισε το μέσο μέγεθος της ουράς i avg(i) Αν το ελάχιστο μέγεθος της ουράς i ≤ avg(i) και avg < μέγιστο μέγεθος ουράς τότε Υπολόγισε την πιθανότητα απόρριψης p a και μάρκαρε το πακέτο με αυτήν διαφορετικά αν το μέγιστο μέγεθος ουράς i ≤ avg μάρκαρε κατάλληλα το πακέτο δείχνοντας ότι θα απορριφθεί

17 Δεύτερη προσέγγιση (2/3)  Μετρητής - Για τις ροές πραγματικού χρόνου → μηχανισμός απόρριψης - Για τις υπόλοιπες ροές → τεχνική εκτίμησης ρυθμού κίνησης μετακινούμενου παραθύρου - Δύο μετρητές: μία σταθερά χρόνου και η συχνότητα που πραγματοποιείται η εκτίμηση - Σε κάθε άφιξη πακέτου πραγματοποιείται μια μέτρηση και αποφασίζεται αν αυτό ανήκει ή όχι σε μια συμμορφούμενη ροή - Η σταθερά χρόνου καθορίζει το χρονικό διάστημα που μεσολαβεί από τη στιγμή που αλλάζει ο ρυθμός κίνησης μέχρις ότου μεταβληθεί ο εκτιμώμενος ρυθμός

18 Δεύτερη προσέγγιση (3/3) Μεταβάλλοντας το ρυθμό της τάξης Streaming δεν επηρεάζονται σημαντικά οι υπόλοιπες ροές και διατηρείται η διαφοροποίηση στην ποιότητα υπηρεσίας καθεμιάς Ρυθμός απώλειας πακέτων σχεδόν ανύπαρκτος για την τάξη Conversational και πολύ μικρός για την τάξη Streaming Πλεονέκτημα: οι περιορισμοί καθυστέρησης είναι ανεξάρτητοι από το παρεχόμενο εύρος ζώνης Δεν παρουσιάζεται πως επιτυγχάνεται η διαφοροποίηση ανάμεσα στις τάξεις Interactive και Background

19 Τρίτη προσέγγιση (1/3)  Δυναμικά συμβόλαια κίνησης ανάμεσα στο χρήστη και στον παροχέα λόγω έλλειψης των πόρων του δικτύου Αρχιτεκτονική CADENUS  Διαχωρίζει τη λειτουργικότητα σε τρία τμήματα: Διαμεσολαβητή πρόσβασης (access mediator) Διαμεσολαβητή παροχής της υπηρεσίας (service mediator) Διαμεσολαβητή δέσμευσης πόρων (resource mediator)

20 Τρίτη προσέγγιση (2/3) Αντιστοίχιση τάξεων κίνησης με τάξεις ποιότητας υπηρεσίας μία τάξη DiffServ σε μια τάξη του UMTSμία τάξη DiffServ σε μια τάξη του UMTS πολλές τάξεις DiffServ σε μια τάξη του UMTS πολλές τάξεις DiffServ σε μια τάξη του UMTS

21 Τρίτη προσέγγιση (3/3) Βασίζεται στην policy - based αρχιτεκτονική Δεν παρουσιάζει συγκεκριμένους μηχανισμούς εφαρμογής των Διαφοροποιημένων Υπηρεσιών, παρά μόνο μια διαφοροποίηση της policy – based αρχιτεκτονικής Η ύπαρξη δυναμικών συμβολαίων κίνησης είναι μη επιθυμητή Συγκριτική μελέτη αλγορίθμων χρονοπρογραμματισμού, αλλά...δεν περιλαμβάνει μετρήσεις

22 Τέταρτη προσέγγιση (1/3) Μηχανισμός MPLS  Χρησιμοποιείται ο μηχανισμός MPLS για δρομολόγηση στο δίκτυο κορμού (CN) και η τεχνολογία διαφοροποιημένων υπηρεσιών για την προώθηση των πακέτων (packet forwarding).  Δημιουργούνται LSPs διαφορετικής χωρητικότητας ανάμεσα στους κόμβους SGSN και GGSN Μηχανισμός Διαφοροποιημένων Υπηρεσιών Conversational → EF Streaming → AF11, AF12, AF13 Interactive → AF21, AF22, AF23 Background → best-effort

23 Τέταρτη προσέγγιση (2/3) Αλληλεπίδραση της προτεινόμενης υλοποίησης με τη σηματοδοσία PDP Αλληλεπίδραση της προτεινόμενης υλοποίησης με τη σηματοδοσία PDP

24 Τέταρτη προσέγγιση (3/3) Προτείνει τη χρήση του μηχανισμού Διαφοροποιημένων Υπηρεσιών, αλλά... δεν προτείνει συγκεκριμένους μηχανισμούς υλοποίησης Θεωρεί μόνο μία αντιστοίχιση ανάμεσα στις τάξεις ποιότητας υπηρεσίας και τις τάξεις κίνησης, την οποία δεν τεκμηριώνει με βάση τις απαιτήσεις σε καθυστέρηση και προτεραιότητα των τάξεων αυτών

25 Πέμπτη προσέγγιση (1/2) Επιτρέπει το διαχωρισμό ροών video και ήχου Προκαθορισμένη υλοποίηση xρονοπρογραμματισμού ανάμεσα στις ροές Conversational και Streaming Προτεινόμενη υλοποίηση xρονοπρογραμματισμού ανάμεσα στις ροές Conversational και Streaming

26 Πέμπτη προσέγγιση (2/2) Με βάση τις μετρήσεις διαπιστώθηκε ότι είναι αδύνατη η ταυτόχρονη βελτίωση της καθυστέρησης των ροών ήχου και video telephony Η διακύμανση της καθυστέρησης μειώνεται στο ένα τρίτο της τιμή που έχει με βάση την προκαθορισμένη αρχιτεκτονική, όταν στην προτεινόμενη αρχιτεκτονική δοθεί μεγαλύτερο βάρος στη ροή ήχου Η προτεινόμενη αρχιτεκτονική οδηγεί σε σημαντική βελτίωση του διαχωρισμού και της παρεχόμενης ποιότητας υπηρεσίας ανάμεσα στις ροές ήχου, video και video telephony

27 Συμπεράσματα (1/2) Συγκριτικά οι προτάσεις που μελετήθηκαν - παρουσιάζουν παρόμοια αντιστοίχιση των τάξεων ποιότητας υπηρεσίας με τις τάξεις κίνησης - διαφοροποιούνται στο μηχανισμό χρονοπρογραμματισμού που χρησιμοποιούν... οι περισσότερες προτείνουν ένα συγκεκριμένο μηχανισμό χωρίς να παρουσιάζουν μια συγκριτική μελέτη των αποτελεσμάτων που προκύπτουν από τη χρήση διαφορετικών αλγορίθμων - οι μετρήσεις δεν έχουν γίνει σε πραγματική κίνηση, αλλά με χρήση πειραματικών δεδομένων

28 Συμπεράσματα (2/2) Δεν υπάρχει κάποια προτεινόμενη υλοποίηση που να καλύπτει όλες τις προδιαγραφές Απαιτείται η προτυποποίηση περισσότερων τάξεων κίνησης Διαφοροποιημένων Υπηρεσιών, για να διαφοροποιηθεί η τάξη Streaming του δικτύου UMTS Οι περισσότερες λύσεις ασχολούνται με την απαραίτητη υποδομή στο δίκτυο κορμού για να παρασχεθεί η ζητούμενη ποιότητα υπηρεσίας και για το λόγο αυτό απαιτούν πρόσθετες λύσεις στο Radio Access Network (RAN) Απαιτείται συμφωνία DSCP μεταξύ των παροχέων