Aula Anterior

1. Aula Anterior • Diferentes tipos de Aplicações • Aplicações Elásticas (ftp, email etc...) • Aplicações Tempo Real • Aplicações de Tempo Real • Aplicações multimedia (audio, vídeo, etc...) • Aplicações ponto-ponto/multi-ponto • Dois tipos de Aplicações T.R. : Adaptativas vs Rígidas • Suportes Protocolares • Sobre cenários best-effort inadequação do TCP e UDP • Necessidade de procedimentos adaptativos • Protocolo RTP (Real Time Protocol) Sistemas Telemáticos - Aplicações Adaptativas/Rígidas e Reservas de Recursos na Internet

2. Aula Anterior (cont.) • Protocolo RTP • unicast/multicast • Canais RTP + RTCP (informação de controlo) • Mecanismos de Controlo adoptados pelas Aplicações • atrasos • variação dos atrasos (jitter) • Buffers de amortecimento • Estratégias de reprodução de informação • Adaptação às perdas de pacotes • Algoritmos para cenários multicast (ponderação de estados) • Sincronização dados sobre canais RTP Sistemas Telemáticos - Aplicações Adaptativas/Rígidas e Reservas de Recursos na Internet

3. Requisitos das Aplicações • Aplicações Elásticas (ftp, email, etc...) • Largura de banda ++ • Para algumas limites nos atrasos • Aplicações Tempo-Real (Adaptativas) • Proliferam cada vez mais nos ambientes computacionais (IP) • Audio, Vídeo, Vídeo-Conferência - aplicações usuais para os utilizadores finais • Largura de banda (apesar das compressões, adaptações,...) • Limites aceitáveis para atrasos, variações de atrasos, etc. isto porque.... Sistemas Telemáticos - Aplicações Adaptativas/Rígidas e Reservas de Recursos na Internet

4. Requisitos das Aplicações • Processos adaptativos são limitados • Em situações de saturação da infra-estrutura torna-se impossível a utilização deste tipo de aplicações • Existem aplicações não se enquadram na perspectiva adaptativa e tolerante • Redes IP - Infra-estrutura inicialmente concebida para a comutação de pacotes e que agora enfrenta o desafio dos requisitos das novas aplicações. • Necessidade de introduzir novas funcionalidades que satisfaçam as aplicações/utilizadores Sistemas Telemáticos - Aplicações Adaptativas/Rígidas e Reservas de Recursos na Internet

5. Qualidade de Serviço (QoS) • QoS - conjunto de parâmetros segundo os quais a aplicação poderá ter um desempenho aceitável. • Largura de Banda ( X Kbytes/seg) • Atraso máximo fim-a-fim • Variação de atrasos limitada (jitter limitado) • etc... • A aplicação quer uma Qualidade de Serviço Guarantida pela infra-estrutura de comunicação utilizada. • Protocolos adequados à garantia de QoS requerida pelas aplicações Sistemas Telemáticos - Aplicações Adaptativas/Rígidas e Reservas de Recursos na Internet

6. Redes IP Tradicionais • Adequadas à comutação de dados • Não foram projectadas para serem utilizadas massivamente por aplicações com requisitos estritos de QoS • Protocolo IP não estava projectado objectivamente para esses requisitos • Comutadores utilizados (routers) não tinham preocupações com requisitos de QoS orientados às aplicações • Em termos gerais um infra-estrutura best-effort Sistemas Telemáticos - Aplicações Adaptativas/Rígidas e Reservas de Recursos na Internet

7. Infra-estrutura best-effort • Cenário muito simplificado: L4 Router IP fila de espera L1 L3 L2 • Capacidade de processamento • Memória, buffers internos • Técnicas de gestão dos buffers Características: Sistemas Telemáticos - Aplicações Adaptativas/Rígidas e Reservas de Recursos na Internet

8. Infra-estrutura best-effort • Num cenário IP best-effort • Comutadores não atendem às necessidades particulares de cada aplicação (stream de pacotes IP) • Tratamento é igual para todos os pacotes IP (salvo algumas excepções implementadas pelos fabricantes e previstas nos protocolos..., protocolos prioritários..., mecanismos de priorização de tráfego etc...) • Em situações de congestão os pacotes são eliminados independentemente do tipo de dados que transportam. • Aplicações elásticas podem recuperar através de protocolos fiáveis (TCP) • Aplicações de Tempo Real perdem informação que dificilmente poderá ser útil após recuperação. Sistemas Telemáticos - Aplicações Adaptativas/Rígidas e Reservas de Recursos na Internet

9. Situações de Congestão Router buffer cheio L1 L3 Pacotes de aplic. T.R. Pacotes gerados por ftp L2 • Situação de congestão: capacidade de output de pacotes não acompanha os ritmos de chegada ao router. • Proceder à eliminação de pacotes que chegam ao router (independentemente...) Como conseguir tratamento diferenciado de tráfego na infra- -estrutura e diferentes níveis de QoS ? Sistemas Telemáticos - Aplicações Adaptativas/Rígidas e Reservas de Recursos na Internet

10. QoS Garantido • Protocolos de setup da infra-estrutura • Definem o tipo de QoS desejado pelas aplicações • Comunicam o tipo de tráfego e o QoS aos elementos de comutação da infra-estrutura • IP - RSVP (Resource Reservation Protocol) • Elementos de comutação habilitados a cumprir esses requisitos • Técnicas de processamento de pacotes que guarantam um determinado nível de serviço para determinados pacotes • Domínio da matemática, estatística, e de diversos métodos de gestão de tráfego Sistemas Telemáticos - Aplicações Adaptativas/Rígidas e Reservas de Recursos na Internet

11. QoS Garantido • Exemplo simplificado (router) com múltiplas filas de espera: Router R1 R2 L3 Data L1 Pacotes de aplic. T.R. Pacotes gerados por ftp L2 • Priorizar pacotes de tempo-real para as filas de espera • Garantir que se processa x pacotes/tempo numa dada fila de espera Sistemas Telemáticos - Aplicações Adaptativas/Rígidas e Reservas de Recursos na Internet

12. RSVP (Resource Reservation Protocol) • Protocolos de sinalização de reserva de recursos projectado para as redes IP • Informar os elementos (routers) da infra-estrutura de um determinado QoS garantido aos pacotes gerados por uma determinada aplicação • Apto para comunicações unicast ou multicast • Processo iniciado pelos receptores de informação • Engloba uma série de mensagens emitidas pelos emissores e pelos receptores • Processo de reservas é independente do processo de routing • Soft State - poderão existir alterações dinâmicas às reservas efectuadas (mensagens de actualização, time-outs, etc...) Sistemas Telemáticos - Aplicações Adaptativas/Rígidas e Reservas de Recursos na Internet

13. Modelo de serviço RSVP • Fazer reservas para fluxos de dados simplex. • O recpetor decide quando fazer reservas • Mensagens de controlo em datagramas IP (proto #46). • Mensagens PATH/RESV enviadas para refrescarem o estado periodicamente. • Um passo: • Pedidos não satisfeitos devolvem uma mensagem de erro- O Rx deve tentar de novo • Não há confirmação fim a fim para sucesso. Sistemas Telemáticos - Aplicações Adaptativas/Rígidas e Reservas de Recursos na Internet

14. Soft State • Os encaminhadores mantêm o estado de reserva. • Mensagens refrescam o estado • Estados não refrescados são removidos automaticamente • Alternativa: Hard state • Não há mensagens periódicas de refrescamento. • Há garantia que o estado é mantido até ser explicitamente removido. • Porque pode ser um problema? Sistemas Telemáticos - Aplicações Adaptativas/Rígidas e Reservas de Recursos na Internet

15. Soft State (cont) • Propriedades • Adapta-se a mudanças em rotas, emissores e recpetores. • Recupera de falhas • Filosofia: a reserva é uma optimização. Sistemas Telemáticos - Aplicações Adaptativas/Rígidas e Reservas de Recursos na Internet

16. RSVP (cont.) • Duas mensagens fundamentais: • Path- Descreve o tráfego que vai ser gerado pelo emissor; gerada pelo emissor; transmitida até aos receptores (passando pelos routers e armazenando o end. nó anterior) • Resv- Geradas pelos receptores; especifica o QoS pretendido para um conjunto de pacotes gerados pelo emissor; terá que passar por todos os routers no caminho entre o emissor e receptor • endereço do emissor • endereço do destino (por exemplo um grupo multicast) • parâmetros de QoS pretendidos (atrasos, variações, perdas...) • filter - indica o tipo de dados a que se pretende atribuir o QoS especificado (protocolos, portas,...) Sistemas Telemáticos - Aplicações Adaptativas/Rígidas e Reservas de Recursos na Internet

17. Arquitectura do RSVP (router) Policy Control Routing Protocol RSVP Daemon Admission Control Data Packet Classifier Packet Scheduler • Antes de se efectuar a reserva o RSVPD comunica com 2 módulos: • Admission Control - Verifica se o router tem recursos suficientes para satisfazer o pedido • Policy Control - determina se a entidade responsável pelo pedido está ou não autorizada a fazê-lo • Se algum destes módulos não autorizar - mensagem de erro • Se estes dois módulos autorizarem Sistemas Telemáticos - Aplicações Adaptativas/Rígidas e Reservas de Recursos na Internet

18. Arquitectura do RSVP (cont.) • Actualização de parâmetros nos módulos: • packet classifier - classifica o pacote para um determinado processamento; calcula a rota; QoS necessário etc... • packet scheduler - processo de forwarding do pacote; alocar tempo de CPU, buffers, etc. • Ambientes multicast • Conjunto de routers que reservam recursos para pedidos de n receptores • Em alguns pontos da árvore multicast os routers poderão fazer o merging de pedidos feitos por diferentes receptores • Actualização de estado consoante entrada/abandono dos receptores no grupo multicast Sistemas Telemáticos - Aplicações Adaptativas/Rígidas e Reservas de Recursos na Internet

19. RSVP (multicast) Mensagens RSVP E E path resv resv path resv path resv resv path path necessário guardar o caminho inverso R R R R R R E - Emissor R - Receptor ponto de junção de pedidos mensagens path mensagens Resv para o emissor E Sistemas Telemáticos - Aplicações Adaptativas/Rígidas e Reservas de Recursos na Internet

20. Estilos de Reserva • 3 Estilos • Wildcard/Sem filtro – Não especifica um emissor particular no grupo • Filtro fixo – o emissor é especificado para a reserva. • Conferência Video • Filtro dinâmico – emisores válidos podem variar com o tempo. • Conferência Audio Sistemas Telemáticos - Aplicações Adaptativas/Rígidas e Reservas de Recursos na Internet

21. Estilos de Reservas (cont.) • Um pedido de reservas inclui uma série de opções: • Identificação de emissores: • wildcard - pedido de reserva para aplicar a todos os emissores • explicit - pedido de reservas para aplicar a uma determinada lista de emissores • Forma processamento de reservas entre os emissores: • distinct - reserva independente para cada emissor • shared - reserva partilhada entre todos os emissores Sistemas Telemáticos - Aplicações Adaptativas/Rígidas e Reservas de Recursos na Internet

22. Estilos de Reservas (cont.) Reservation Distinct Shared Sender Selection Fixed-Filter (FF) Explicit Shared-Explicit (SE) Wildcard-Filter (WF) (not defined) Wildcard • Exemplo de Vídeo-Conferência, que tipos de reservas ? • SE ou WF para o canal audio (2*débito da codificação) • FF para o canal vídeo (n*débito da codificação) Sistemas Telemáticos - Aplicações Adaptativas/Rígidas e Reservas de Recursos na Internet

23. Exemplos de Reservas (a) (c) (S1) (R1) Router (b) (d) (R2) (S2,S3) (R3) Exemplo de Reserva do tipo WF SEND RESERVE RECEIVE WF( * {4B}) <(a) (c) * {4B}) (c) < WF( * {4B}) * {3B}) (d) < WF( * {3B}) < WF( * {2B}) WF( * {4B}) <(b) (d) Sistemas Telemáticos - Aplicações Adaptativas/Rígidas e Reservas de Recursos na Internet

24. Exemplos de Reservas (cont.) (a) (c) (S1) (R1) Router (b) (d) (R2) (S2,S3) (R3) Exemplo de Reserva do tipo FF SEND RESERVE RECEIVE FF(S1{4B}) <(a) (c) S1{4B}) (c) < FF(S1{4B},S2{5B}) S2{5B}) (d) S1{3B}) (d) < FF(S1{3B},S3{B}) < FF(S1{B}) FF(S2{5B},S3{B}) <(b) S3{B}) Sistemas Telemáticos - Aplicações Adaptativas/Rígidas e Reservas de Recursos na Internet

25. Anomalias no RSVP • Designadas por Killer reservation problems • P1 (KR-I) • Existe uma reserva Q0 • Tentativa de uma segunda reserva Q1> Q0 • Rejeição em encaminhador intermédio • Não deve resultar no bloquear de Q0 • Solução: manter as reservas anteriores, quando o módulo de admissão negar determinada reserva. Sistemas Telemáticos - Aplicações Adaptativas/Rígidas e Reservas de Recursos na Internet

26. Anomalias no RSVP • P2 (KR-II) • Tentativa de reserva persistente Q1 é negada • Persistência: apesar de negado, o receptor persiste na tentativa de a obter. • Se houver novo pedido Q0 não deve ser negado (se houver recursos) • Não deve ser feita junção • Solução: A mensagem de erro ResErr estabelece um novo estado nos encaminhadores por onde passou o pedido. Este estado altera o procedimento de junção, permitindo que reservas inferiores possam ser aceites. • A Reserva Q1 permanece em estado bloqueado Sistemas Telemáticos - Aplicações Adaptativas/Rígidas e Reservas de Recursos na Internet

27. Anomalias no RSVP • Uma reserva negada num nó de comutação • Origina um estado de bloqueado nesse nó mas as reservas dos nós inferiores continuam activas • Não será desnecessário? • O rx está interessado em descobrir a disponibilidade de recursos ao longo uma rota ou no máximo nº de nós nessa rota • Poder-se-ia prejudicar a resposta em situações transitórias Sistemas Telemáticos - Aplicações Adaptativas/Rígidas e Reservas de Recursos na Internet

28. API para o RSVP • Os mecanismos de reservas de recursos alteram alguns conceitos inerentes à programação em rede (sockets, etc.) • Necessidade de elaborar librarias que incorporem os mecanismos definidos pelo RSVP • Permitir ao programador manipular pedidos de QoS aos routers da infra-estrutura. Host Router libraria rsvp cliente aplicação Servidor Rsvp Servidor Rsvp User mensagens rsvp Kernel pipe unix dados dados dados classifier scheduler classifier scheduler Sistemas Telemáticos - Aplicações Adaptativas/Rígidas e Reservas de Recursos na Internet

29. Reserva de Recursos • Não é consensual !!! • Vantagens/Desvantagens (elevada informação de estado nos nós) • Altera o cenário normal de distribuição de recursos pelos utilizadores/aplicações • Se levada a extermos poderá bloquear acessos ao serviços de rede por parte das aplicações • Dúvidas quanto ao tipo de utilização desta técnica (usar em interligação de infra-estruturas de redes, extender a tecnologia até ao utilizador) • Reservar/pagar ? • Técnicas intermédias de diferenciação de tráfego • prioridades • codificação hierárquica • ..... Sistemas Telemáticos - Aplicações Adaptativas/Rígidas e Reservas de Recursos na Internet

30. Divergências • É possível construir aplicações inteligentes que se adaptam às condições da rede (playout buffers, codificações adaptativas, codificação hierárquica, mecanismos de prioridades, etc.) • No entanto, em qq uma delas não se tem à priori a certeza de que tipo de condições elas vão enfrentar. Para tal é necessário garantias de QoS • Devemos garantir QoS num futuro próximo na infra-estrutura da Internet • Esta filosofia é desnecessária e devemos unicamente fornecer + largura de banda e continuar a desenvolver aplicações adaptativas, e alguns mecanismos de diferenciação do tráfego. Sistemas Telemáticos - Aplicações Adaptativas/Rígidas e Reservas de Recursos na Internet

31. Mecanismos alternativos (ao rsvp) • Atribuir diferentes prioridade de processamento a diferentes protocolos, portas protocolares, etc... • Utilizar codificações hierárquicas da informação a transmitir • Apostar nas técnicas de codificação/compressão de informação • Utilizar informação do cabeçalho IP para o router dar um tratamento preferêncial a determinados pacotes. • flow label do IPv6 • TOS (type of Service IPv4 e análogo do IPv6) • Differentiated Services - Grupo IETF que tenta normalizar a interpretação do TOS (IPv4) e Traffic Class (IPv6) por forma aos routers realizarem um tratamento diferenciado para diferentes pacotes IP Sistemas Telemáticos - Aplicações Adaptativas/Rígidas e Reservas de Recursos na Internet

32. Codificação Hierárquica • Por exemplo: O emissor envia em grupos multicast distintos diferentes codificações dos media • vantagens: dados de uma codificação só chegam a uma determinada rede se existir alguem interessado • desvantagens: condições da infraestrutura afectam por igual todas as sessões; período probatório poderá prejudicar outros receptores alta qualidade média qualidade R E qualidade básica R grupos multicast diferentes R Sistemas Telemáticos - Aplicações Adaptativas/Rígidas e Reservas de Recursos na Internet

33. Cod. Hierárquica + Prioridades • Por exemplo: Dados são emitidos na mesma sessão indicando quais os mais/menos prioritários (opções do IP). Em caso de congestão routers eliminam os menos prioritários • vantagens: • Em caso de congestão a informação básica terá + hipóteses de alcançar os receptores • Permite à aplicação definir quais as codificações +/- importantes em termos de serviço básico/médio/alta qualidade, etc.... • Em situações de congestão os pacotes - prioritários são eliminados não prejud. assim a informação básica • desvantagens: • Existem situações em que existe informação redundante na infra-estrutura • <próximo acetato> Sistemas Telemáticos - Aplicações Adaptativas/Rígidas e Reservas de Recursos na Internet

34. Priorização de Tráfego • Por vezes é necessário algum feedback para não estar a ser desperdiçada largura de banda. ligação de alto débito ligação débito médio X ligação baixo débito alta média baixa média baixa baixa E R Y • Camadas alta e média são redundantes e prejudicam outo tráfego • Necessidade de alguma comunicação fim-a-fim entre E/R para optimizar o processo Sistemas Telemáticos - Aplicações Adaptativas/Rígidas e Reservas de Recursos na Internet