Qo s redes inalambricas

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Calidad de Servicio en Redes Inalámbricas

Roberto Carlos Hincapié, [email protected] Pontificia Bolivariana

Medellín

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AGENDA

• El concepto de la multiplexación

• Calidad de Servicio QoS• Mecanismos de Calidad de

Servicio• Tecnologías inalámbricas

y sus mecanismos de Calidad de Servicio

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AGENDA





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Multiplexación

“Es la combinación de dos o más canales de información en un solo medio de transmisión usando un dispositivo llamado multiplexor”. WikipediaLa multiplexación estadística permite reducir la cantidad de recursos en proporción a la cantidad de recursos utilizados.

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Multiplexación

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Multiplexación

Multiplexación de Circuitos:– El recurso es asignado a un usuario le

pertenece solamente al usuario. Esta pertenencia existe hasta cuando termina la conexión.

Multiplexación de Paquetes: – El recurso es compartido entre varios

usuarios. Varios usuarios (o aplicaciones) transmiten sobre el mismo circuito por turnos.

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Multiplexación

Multiplexación de Circuitos:

Imagen tomada de: http://www.citap.com/documents/tcp-ip/tcpip009.htm

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Multiplexación

Multiplexación de Circuitos:Los usuarios se modelan de forma exponencialLos recursos son la cantidad de líneas troncalesLa garantía es la probabilidad de hacer una llamada extremo a extremo en la red.

PBX

PBX

PBX

Central

Central

Central

PBX

Modelo ErlangB

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Multiplexación

Multiplexación de Circuitos:Los servicios de voz, son orientados a llamadas y a conversaciones con operadoras.

PBX

PBX

PBX

Central

Central

Central

PBX

Modelo ErlangB

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Multiplexación

Multiplexación de Paquetes:

Imagen tomada de: http://www.citap.com/documents/tcp-ip/tcpip009.htm

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Multiplexación

Multiplexación de Paquetes:Los enlaces son compartidos por varios usuarios y por varias aplicaciones de un usuario

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Multiplexación

Multiplexación de Paquetes:Las aplicaciones son heterogéneas y los requerimientos son diversos. Así mismo, las conexiones no son exponenciales.

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Multiplexación

Se requiere definir un conjunto de mecanismos para garantizar el correcto funcionamiento de la red y el cumplimiento de los requisitos de las aplicaciones.

Estos mecanismos favorecen que los usuarios perciban un buen servicio de parte de la red.

Estos mecanismos definen la llamada Calidad de servicio o QoS.

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AGENDA





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Calidad de Servicio (QoS)

Quality of Service (QoS) refers to the capability of a network to provide better service to selected network traffic over various technologies, including Frame Relay, Asynchronous Transfer Mode (ATM), Ethernet and 802.1 networks, SONET, and IP-routed networks that may use any or all of these underlying technologies. The primary goal of QoS is to provide priority including dedicated bandwidth, controlled jitter and latency (required by some real-time and interactive traffic), and improved loss characteristics. Also important is making sure that providing priority for one or more flows does not make other flows fail.

http://www.cisco.com/en/US/docs/internetworking/technology/handbook/QoS.html

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QoS o Calidad de Servicio (Quality of Service, en inglés) son las tecnologías que garantizan la transmisión de cierta cantidad de datos en un tiempo dado (throughput). Calidad de servicio es la capacidad de dar un buen servicio. Es especialmente importante para ciertas aplicaciones tales como la transmisión de vídeo o voz.

http://es.wikipedia.org/wiki/Calidad_de_Servicio

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QoS se refiere a la capacidad de la red de proveer un mejor servicio a cierto tráfico de la red sobre diferentes tecnologías. El principal objetivo de la QoS es proveer prioridad, incluyendo ancho de banda dedicado, jitter y retardo controlados y características de pérdidas de información mejoradas.

Una característica importante es proveer prioridad sin afectar considerablemente el desempeño de las demás transmisiones en la red.

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No se conoce la forma como los usuarios acceden a los servicios. Puede presentarse un alto número de usuarios simultáneos solicitando los recursos.

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La información que requieren transmitir los usuarios es aleatoria. No se conoce previamente la cantidad de información solicitada.

http://www.websiteoptimization.com/speed/tweak/average-web-page/

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La incertidumbre respecto al canal de radio es el problema fundamental de la QoS en sistemas inalámbricos.

http://www.awe-communications.com/Services/images/HongKong3D_large.jpg

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La calidad de la señal recibida por el usuario es determinante en la forma como se recibe la información. Un usuario con desvanecimiento, puede perder completamente la comunicación. http://sss-mag.com/indoor.html

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La disponibilidad de recursos depende de dos cosas:

– Disponibilidad de recursos en una red primaria – El operador puede modificar la asignación de recursos de la red.

– Disponibilidad de recursos debido a condiciones del enlace – selectividad en frecuencia.

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Las aplicaciones y servicios tienen diferentes requerimientos y formatos de datos que hacen complejo el problema. La información se puede clasificar en uno de los tres grupos siguientes:

– Comunicaciones interactivas de audio o video

– Transferencia de información para almacenamiento temporal

– Transferencia de audio o video para su reproducción.

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En la tabla siguiente, se presenta un conjunto de requerimientos para redes tipo Wimax.

Comunicaciones interactivas de audio o videoTransferencia de información para almacenamiento temporalTransferencia de audio o video para su reproducción.

http://www.wimaxforum.org/technology/downloads/Mobile_WiMAX_Part1_Overview_and_Performance.pdf

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Comunicaciones interactivas audio-video

– Fuentes ON-OFF: Representan el audio con supresión de silencios. Se requieren pequeños paquetes para evitar el retardo de acumular paquetes de tamaño grande.

– Requiere garantías de retardos (respuesta en tiempo real). Dependiendo del codificador, pueden soportar capacidad variable

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Comunicaciones interactivas audio-video– Fuentes de Video, codificación MPEG: El video es

codificado por medio de marcos o frames. La información se basa en tramas de información completa y tramas de predicción de la imagen. Esto causa que la tasa generada sea variable en el tiempo.

Broadband network Traffic: performance evaluation and design of broadband multiservice networks

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Lo anterior causa que la tasa generada sea variable en el tiempo.

Broadband network Traffic: performance evaluation and design of broadband multiservice networks

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Los modelos de transferencia de datos para almacenamiento temporal representan los tráficos de aplicaciones Web, Telnet, etc. La tasa de transmisión es flexible y adaptable a la capacidad disponible de la red. El tráfico es de ráfagas

http://lit.jinr.ru/LCTA/txt/Reports_probl_net/images/mrtg1.gif

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La transferencia de audio y video para su reproducción:

– No requiere una respuesta en tiempo real. Puede soportar retardos.

– Un buffer de reproducción es necesario para suavizar la reproducción (Packet delay variation)

– Este tipo de datos considera las opciones de pausar, parar, continuar, adelantar, etc.

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Para poder clasificar estas aplicaciones, se definen categorías de flujos para representar cada una de estas aplicaciones.

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El retardo se refiere al tiempo que transcurre entre la llegada de un paquete para ser transmitido y la transmisión o recepción final del paquete.

– En la cola: tiempo que demora el paquete desde que llega a la cola hasta que es transmitido.

– Extremo a extremo: desde que se genera el paquete en el origen hasta que es recibido en el destino

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Retardo en cola

Retardo extremo a extremo

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El retardo afecta las comunicaciones interactivas principalmente. El retardo debe limitarse para poder interactuar con el destino.

La variación del retardo es perjudicial para aplicaciones de reproducción de contenidos multimedia.

http://www.redhat.com/docs/en-US/JBoss_Communications_Platform/1.2.1/html-single/Media_Server/index.html

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Las pérdidas se refiere a la pérdida de información por:

– Bloqueo por no encontrar recursos disponibles (multiplexación de circuitos)

– Pérdida de paquetes por llenado de la cola (overflow – multiplexación de paquetes)

– Pérdida de secuencia de los paquetes, donde los paquetes llegan fuera del orden requerido.

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La equidad o fairness es un concepto subjetivo que se refiere a la asignación equitativa de recursos. La asignación no debe privilegiar a ciertos usuarios sobre otros. No existe un criterio absoluto respecto a lo que es una asignación equitativa. Un ejemplo es una asignación proporcional a la demanda.

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AGENDA





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Para garantizar la QoS, se requieren ciertos mecanismos de control, que garanticen el desempeño de la red.

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Mecanismos de QoS

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Connection Admission Control

Este mecanismo de control determina si la conexión de un nuevo usuario puede ser aceptada con garantías de calidad de servicio y sin afectar las garantías a los flujos existentes. Puede funcionar de acuerdo a:

– La tasa de transmisión pico– La envolvente de la tasa de transmisión– En la repartición equitativa de la tasa de

transmisión

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Connection Admission Control

La tasa de transmisión pico: – Se refiere a que todos los flujos transmitiendo a

la mayor tasa posible puedan ser transmitidos.

La envolvente de la tasa de transmisión:– La envolvente se refiere a una tasa promedio

por flujo que garantice su funcionamiento correcto.

En la repartición equitativa de la tasa de transmisión:

– En este caso, la capacidad se reparte entre los flujos existentes. Si pueden funcionar bien, el flujo se acepta.

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Buffer Management

Se refiere a la organización de los paquetes que llegan a la cola antes de ser transmitidos. Los algoritmos que realizan este proceso se llaman schedulers o planificadores. Entre diferentes tipos de planificadores están:

– FIFO– Prioridad– Weighted Fair Queue– Generalized processor sharing– DiffServ-IntServ

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Buffer Management

FIFO: – No es realmente un mecanismo de control. No

logra mejorar el desempeño. Los paquetes son atendidos en el orden que llegan.

Prioridad:– Da prioridad a ciertos flujos sobre otros. Siempre

que haya paquetes prioritarios, son atendidos por delante de los paquetes no prioritarios.

Weighted Fair Queue: – Son colas con prioridad, pero la prioridad cambia

dinámicamente de acuerdo con el tiempo esperado de transmisión de los paquetes. Existe un peso para dar mayor prioridad a ciertos paquetes que a otros.

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Buffer Management

Generalized processor sharing:– Es un algoritmo genérico de repartir la capacidad

de un recurso entre varias colas que requieren utilizarlo. La capacidad es repartida considerando la información como un fluido.

DiffServ-IntServ– Son los modelos planteados para el control de

QoS sobre Internet. Diff-serv se basa en la división de los datos en categorías y su procesamiento en cada cola intermedia. Int-serv se refiere a la capacidad de reservar recursos extremo a extremo en la red.

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AGENDA





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Redes 802.11e

Las redes inalámbricas WiFi no cuentan con mecanismos de QoS. No existe forma de garantizar los recursos ni retardos para la información de los usuarios. El acceso es en forma aleatoria.

Tomado de: http://www.acm.org/crossroads/xrds9-4/gfx/wireless-evolution1.gif

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Redes 802.11e

El estándar 802.11e agrega mecanismos de QoS al estandar 802.11. Los mecanismos se basan en dos aspectos:

– La clasificación de los datos en 4 categorías: Background (AC_BK), Best Effort (AC_BE), Video (AC_VI) y Voice (AC_VO).

– La priorización por medio de modificación de los parámetros de acceso al medio de acuerdo con la prioridad: Los paquetes de voz tienen un tiempo de espera menor respecto a los paquetes tipo Background.

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Redes 802.11e

Al momento de terminar una transmisión, los paquetes de voz tienen mas probabilidad de acceder al medio en el instante siguiente. Los paquetes de voz tienen que esperar un tiempo menor para acceder al medio que los paquetes de baja prioridad.

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Wimax 802.16

Wimax define categorías para la clasificación de la información. No define el tipo de planificador y deja esto a los fabricantes de equipos. Define detalladamente las tramas y los encabezados para controlar la solicitud y la asignación de capacidad a los diferentes tipos de flujos

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Wimax 802.16

Service Abbrev DefinitionTypical Applications

Unsolicited Grant Service

UGS Real-time data streams comprising fixed-size data packets issued at periodic intervals

T1/E1 transport

Extended Real-time Polling Service

ertPS Real-time service flows that generate variable-sized data packets on a periodic basis

VoIP

Real-time Polling Service

rtPS Real-time data streams comprising variable-sized data packets that are issued at periodic intervals

MPEG Video

Non-real-time Polling Service

nrtPS Delay-tolerant data streams comprising variable-sized data packets for which a minimum data rate is required

FTP with guaranteed minimum throughput

Best Effort BE Data streams for which no minimum service level is required and therefore may be handled on a space-available basis

HTTP

Tomado de: http://en.wikipedia.org/wiki/IEEE_802.16#QoS

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Wimax 802.16

En UGS (flujo garantizado), se negocia la capacidad constante en el momento de la conexión. En ertPS y rtPS, el planificador pregunta a los flujos por la capacidad necesaria periódicamente. En nrtPS, el planificador pregunta con menor frecuencia y permite el acceso aleatorio de los usuarios. En BE, el usuario accede aleatoriamente al recurso.

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Wimax 802.16

Wimax también utiliza el control de admisión como mecanismo de control. Al ingresar un usuario se negocia un flujo con ciertas garantías. Ese flujo recibe un identificador CID.

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Wimax 802.16

Wimax también utiliza el control de admisión como mecanismo de control. Al ingresar un usuario se negocia un flujo con ciertas garantías. Ese flujo recibe un identificador CID.

Tomado de: An Alternative QoS Architecture for the IEEE 802.16 Standard

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Wireless Mesh Networks I

En el caso de las redes enmalladas, el problema es garantizar la calidad para la comunicación extremo a extremo en un ambiente multi-saltos. QoS Routing in Wireless Mesh Networks with Cognitive Radios

http://linuxislife.wordpress.com/2007/09/12/deploying-wirelessmesh/

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Se propuso una modificación del algoritmo DSR, solicitando que en la petición de las rutas, se calculara la factibilidad de la ruta desde el punto de vista de capacidad.

http://www.cse.wustl.edu/~jain/cis788-99/ftp/adhoc_routing/fig4.gif

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El problema es encontrar una ruta extremo a extremo, que pueda dar la capacidad necesaria al flujo que debe ser transmitido. El modelo se basa en un control de admisión de conexiones, basado en tasa pico. El problema no es trivial, pues encontrar una ruta con restricciones de capacidad es un problema muy complejo.

A B C D

1 2 3 4 5Ch1Ch2

Cha

nnel

s

Time Slots1 2 3 4 5

Ch1Ch2

Cha

nnel

s

Time Slots1 2 3 4 5

Ch1Ch2

Cha

nnel

s

Time Slots

Free transmission block

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Wireless Mesh Networks II

En otro problema, la idea es repartir los recursos de forma proporcional a la demanda de los usuarios. El modelo aplicado corresponde al “Lexicographical Max-Min Bandwidth Allocation Model”. La asignación equitativa evita que uno de los flujos reciba mas capacidad que otros flujos. La complejidad del problema radica en asignar rutas para los flujos y determinar capacidad para los mismosJoint Routing and Scheduling in Cognitive Radio Wireless Mesh Networks

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Wireless Mesh Networks II

El mecanismo de QoS no es el control de admisión. Todos los flujos son admitidos. El mecanismo es una asignación equitativa de la capacidad existente en la red.

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Wireless Mesh Networks III

Un tercer caso, corresponde a cuando los recursos disponibles cambian súbitamente y los usuarios deben encontrar nuevas asignaciones de capacidad. Esto se conoce como “Spectrum handoff”. El modelo pertenece a las redes cognitivas, donde los usuarios secundarios utilizan frecuencias no utilizadas por los llamados usuarios primarios. El proceso requiere encontrar nuevas rutas y asignaciones de capacidad de varios flujos simultáneamente.

Efficient Recovery Algorithms for Wireless Mesh Networks with Cognitive Radios

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Cuando un usuario primario utiliza una frecuencia que no estaba siendo usada, los usuarios secundarios deben cambiar a otra frecuencia disponible. Durante el tiempo de cambio, se soporta una disminución en la QoS llamada SoftQoS.

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El problema debe resolver la reasignación de capacidad de manera proporcional para recuperar los flujos que han fallado.

NodeA

NodeB

NodeC

NodeD

Flow kFailed flow fk

Link-flow pair (e,k)Failed Flow fe,k

R0e,k={e}

Link e

NodeE

Link e1

Link e2

R1e,k={e1,e2}

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El procedimiento se desarrolla de manera local, asignando costos a los enlaces que han fallado y resolviendo secuencialmente ordenando los enlaces por medio del costo definido. El problema no utiliza control de admisión, debido a que los flujos ya se encuentran admitidos. Busca hacer una asignación equitativa de la capacidad restante entre los flujos afectados.

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Channel State Information Schedulers

Cuando se tienen varios usuarios móviles, se puede aprovechar mejor la capacidad del canal, asignando la capacidad de acuerdo con la calidad de los canales. Durante un desvanecimiento de un usuario, se entrega la capacidad a otro usuario que tenga un mejor canal. En otro momento, el usuario que sufría de desvanecimiento recibe mayor capacidad como compensación.

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Los terminales gastan un token cuando transmiten. Si no transmiten, acumulan el token. Un enlace con un canal en mal estado acumula muchos tokens.

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El control de QoS es basado en un esquema de prioridad que cambia dinámicamente en el tiempo. La equidad del mecanismo se logra si los usuarios tienen en el largo plazo, un nivel promedio de canal similar. En caso contrario, los nodos que tienen el peor canal, siempre tendrán prioridad para acceder a los recursos.

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Conclusiones

– Los mecanismos de calidad de servicio modifican el comportamiento de la red, para poder asignar recursos que mejoren el desempeño con ciertas garantías.

– Las métricas de QoS dependen de las aplicaciones, la disponibilidad de los recursos y del comportamiento de los usuarios.

– Finalmente, todo el proceso se da en condiciones de incertidumbre, por lo que las decisiones no garantizan instantáneamente un mejor desempeño. Si lo hacen en el largo plazo.

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