ΟΙΚΟΝΟΜΙΚΟ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΑΘΗΝΩΝ ΠΡΟΓΡΑΜΜΑ ΜΕΤΑΠΤΥΧΙΑΚΩΝ ΣΠΟΥΔΩΝ ΣΤΗΝ ΕΠΙΣΤΗΜΗ ΤΩΝ ΥΠΟΛΟΓΙΣΤΩΝ Διπλωματική Εργασία Μεταπτυχιακού Διπλώματος Ειδίκευσης «Παροχή.

Παρουσίαση με θέμα: "ΟΙΚΟΝΟΜΙΚΟ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΑΘΗΝΩΝ ΠΡΟΓΡΑΜΜΑ ΜΕΤΑΠΤΥΧΙΑΚΩΝ ΣΠΟΥΔΩΝ ΣΤΗΝ ΕΠΙΣΤΗΜΗ ΤΩΝ ΥΠΟΛΟΓΙΣΤΩΝ Διπλωματική Εργασία Μεταπτυχιακού Διπλώματος Ειδίκευσης «Παροχή."— Μεταγράφημα παρουσίασης:

1 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

2 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

3 Εισαγωγή Προκλήσεις πολυμεσικών εφαρμογών σε κυψελικό δίκτυο Εγγυημένη παροχή ποιότητας υπηρεσίας Διαχείριση της κινητικότητας των κόμβων Παροχή αδιάλειπτων υπηρεσιών Πολυσύνθετο δίκτυο καλύτερης προσπάθειας

4 UMTS

5 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

6 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.

7 Αρχιτεκτονική QoS στο UMTS

8 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)

9 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

10 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

11 Μοντέλο Host / router

12 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

13 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

14 Πρωτόκολλο Mobile IP Τριγωνική Δρομολόγηση

15 Πρωτόκολλο Mobile IP Βελτιστοποίηση Διαδρομής

16 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

17 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

18 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

19 QoS Αρχιτεκτονική

20 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

21 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

22 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

23 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

24 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

25 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

26 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

27 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

28 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

29 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

30 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

31 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

32 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)