Strategie per il controllo di ammissione in reti a servizi differenziati

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ha sempre offerto un solo livello di servizio chiamato "Best Effort" dove tutti i 
pacchetti sono trattati nella rete allo stesso modo senza particolari riguardi per il 
tipo di applicazione trasportata. Una rete Best Effort fornisce connettività senza 
alcun tipo di garanzia: se le risorse di rete sono disponibili il traffico viene 
consegnato, altrimenti viene scartato. In questo modo, ad esempio, può accadere 
che applicazioni, come i file transfer, possano consumare tutte le risorse della rete 
obbligando i router a scartare i pacchetti video di una sessione di 
videoconferenza. Tuttavia, le nuove applicazioni di rete richiedono di essere 
trattate con cura al fine di garantire un buon livello di servizio all'utente finale. 
Pertanto, oltre al livello di servizio Best Effort, diventa necessario definire 
altri modelli di trattamento del traffico che garantiscano i requisiti richiesti dai 
diversi tipi di applicazioni. 
Il termine Qualità del Servizio (QoS - Quality of Service) indica un 
insieme di architetture, protocolli, algoritmi e tecnologie il cui obiettivo è 
permettere alle diverse applicazioni di condividere la stessa infrastruttura 
garantendo i requisiti al fine di offrire all'utente finale un servizio di qualità. Con 
questo significato, il termine QoS non è riferito ad una particolare tecnologia, ma 
coinvolge tutte le esistenti e future tecnologie di rete quali IP, Frame Relay, 
ATM, MPLS, Ethernet, etc. come pure le future reti mobili di terza generazione e 
le nuove reti wireless. La QoS prevede un vasto insieme di tecniche per il 
trattamento del traffico interattivo e multimediale, per la prevenzione e la 
gestione delle congestioni, per l'allocazione ottimale delle risorse trasmissive e 
per la classificazione e la differenziazione del traffico. Infine QoS significa anche 
opportuni criteri di progettazione degli apparati e di ingegnerizzazione dell'intera 
infrastruttura di rete. 
E’ questa la sfida che affronta il progetto “CADENUS”
1
 proponendo una 
propria architettura che s’integra nella maniera più indolore possibile e che limiti 
                                                 
1
 CADENUS (Creation And Deployment of ENd User Services in premium-IP 
networks) è il progetto IST-1999-11017 http://www.cadenus.org 
 9
la sua invasività allo stretto necessario, per evitare di stravolgere la struttura di 
rete che ormai è consolidata da anni e che ha dimostrato di possedere grandi 
pregi. La rete IP, infatti, fonde il suo successo proprio nella sua abilità di operare 
attraverso una qualunque rete e su una qualunque piattaforma. IP lavora bene 
perché è semplice. Il suo disegno deriva dall’approccio end-to-end che mette 
l’intelligenza negli host sorgente e destinazione e lascia il cuore della rete 
inattivo. D’altra parte, però, questa stessa semplicità rappresenta un grosso limite 
poiché IP fornisce solo un servizio di tipo ‘Best-Effort’ . 
L’obiettivo che si pone “CADENUS” è di introdurre un nuovo paradigma, 
differente dall’originale modello best-effort, che possa assicurare la QoS 
appropriata alle esigenze d’ogni applicazione. Precisamente il traguardo sperato è 
quello di definizione di componenti, procedure e processi per l’offerta e la 
negoziazione di servizi di comunicazione avanzata nelle reti Premium IP 
attraverso infrastrutture globali le quali dovrebbero avere un alto grado di 
complessità in termini non solo di scala, ma anche del numero di operatori e 
livelli di eterogeneità tecnologica. Per raggiungere tale obiettivo viene definita 
un’architettura modulare, consistente di uno stack di livelli orizzontali, ognuno 
dei quali percepisce un concetto di qualità del servizio a un livello differente di 
astrazione. 
Lo scopo della tesi è inizialmente quello di individuare un insieme di 
parametri utili ad identificare senza ambiguità diversi livelli di QoS, in maniera 
tale da permettere la contrattazione di precisi livelli di servizio tra gli utenti ed i 
gestori della rete. Successivamente è stata effettuata una fase di studio tesa a 
tradurre un servizio così descritto, in termini quantitativi di risorse di rete 
necessarie alla sua applicazione sulla rete. Data l’aleatorietà connessa ad una serie 
di parametri in gioco, non è sempre possibile operare questa traduzione in 
maniera deterministica. Si è dunque proceduto alla ricerca di una serie di bound 
per queste risorse attraverso l’uso di modelli analitici e statistici. Dei bound 
individuati è stato valutato il livello di effettiva applicabilità in scenari reali ed, 
 10
attraverso l’uso di un ambiente per la simulazione delle reti a commutazione di 
pacchetto, la loro qualità. La parte finale del lavoro è consistita nella definizione 
ed implementazione di un algoritmo per effettuare l’admission control facendo 
uso dei modelli scelti ed alla sua validazione, sempre attraverso simulazioni di 
scenari reali. 
Un’intensa ricerca è stata fatta per individuare dei modelli per la stima di: 
Packet Loss Probability (PLP), Delay, Jitter e Troughput (Cap.3). 
I risultati delle simulazioni sono stati elaborati (attraverso procedure scritte 
in OTCL) per estrarre la PLP, il Delay ed il Jitter effettivamente sperimentato 
dalle sorgenti. Da tali dati è stato possibile quantificare la bontà dell’algoritmo. 
Gli scenari simulati realizzati hanno contemplato un insieme eterogeneo di 
casistiche a complessità crescente. Tra i parametri variabili nelle diverse 
configurazioni ci sono: dimensione del buffer delle code, numero dei nodi della 
rete, topologia, banda disponibile sui link.   
 
 
 
 Capitolo 1 
La QoS (Quality of Service) 
 
1.1 Cos’è la QoS 
 
In questi ultimi anni Internet è diventata una realtà per tutto il mondo. Essa 
è oggi parte integrante e fondamentale di molte aziende e attività lavorative di 
ogni tipo. La crescita di Internet ha portato ad un aumento vertiginoso del traffico 
sulla rete ed alla creazione di nuove applicazioni che possono essere usate su di 
essa. Caratteristica comune a queste ultime è l’alta quantità di banda di cui 
necessitano, e questo ha portato tutte le aziende fornitrici di servizio Internet ad 
affrontare il problema fondamentale che ne deriva, ovvero, l’essere in grado di 
soddisfare con dei livelli di qualità  sufficienti tutte le richieste che arrivano.  
La “QoS in Internet” è uno dei principali temi di ricerca e sviluppo degli 
ultimi anni. 
Per QoS s’intende, la possibilità di fornire delle garanzie sui servizi forniti 
attraverso Internet. In altre parole la QoS rappresenta la capacità da parte della 
rete (applicazione, host, router,link, ecc.) di garantire che i livelli di traffico e i 
servizi richiesti siano soddisfatti. La QoS per esistere richiede sia la cooperazione 
di tutti i livelli
1
 dell'architettura di rete, dal più alto al più basso, che quella di tutti 
gli altri nodi della rete che stanno tra la sorgente e la destinazione delle 
informazioni.  
C'è da ricordare, inoltre, che la QoS non crea ampiezza di banda. Non è 
possibile, infatti, per la rete dare di più di quanto essa disponga. La QoS gestisce 
la distribuzione della banda tra tutte le richieste, oltre che a preoccuparsi di 
assicurare determinati livelli di trasmissione per ogni flusso di dati. Uno dei 
                                                 
1
 Ci riferiamo a modelli di rete a strati (ISO/OSI, TCP/IP). 
 Capitolo 1. La QoS                                                                                          12                           
 
 
 
 
 
compiti della QoS, è anche quello di fare in modo che il traffico relativo a 
richieste best-effort sia soddisfatto e che non rimanga completamente bloccato.  
 
1.2    La situazione attuale 
 
        Adesso la metodologia utilizzata da Internet per lo scambio d’informazioni 
non sfrutta al meglio tutta la sua capacità. Internet, infatti, potrebbe avere una 
grand’ampiezza di banda a sua disposizione, ma purtroppo è molto difficile 
riuscire a sfruttarla poiché non esiste nessun tipo di controllo che permetta di 
trasferire dati in modo efficiente. Come ben noto la politica di Qualità del 
Servizio utilizzata si chiama "best-effort", in altre parole "si fa meglio che si 
può". Nulla è garantito, non esistono aziende che assicurano delle connessioni ad 
Internet affidabili per qualsiasi tipo di dati si possa trasmettere e con dei tempi 
rigidamente fissati (fig 1.1) [3]. 
 
 
 
fig.1.1 IP Network 
 
 Capitolo 1. La QoS                                                                                          13                           
 
 
 
 
 
Tra i motivi fondamentali che hanno portato molte compagnie ad 
affrontare il problema QoS, c'è, infatti, anche la grand’ampiezza di banda 
necessaria per trasmettere i dati utilizzati nei nuovi servizi. Infatti, finché Internet 
era utilizzata per trasmettere informazioni come file, posta semplice, dati per 
connessioni telnet ecc. non esistevano problemi di QoS. Invece, da quando sono 
nati i protocolli e le tecnologie per utilizzare Internet anche come mezzo per 
trasmettere voce e video in tempo reale, il problema della QoS si è fatto sentire. 
Questi tipi di trasmissioni richiedono una grand’ampiezza di banda che non 
sempre è garantita dalla rete e che quindi rende queste trasmissioni inaffidabili, e 
di conseguenza tali sono anche i servizi che si basano su di esse.  
Oltre alle nuove tipologie di trasmissioni, un'altra cosa che ha reso il 
problema della QoS rilevante è il continuo aumento degli utilizzatori di Internet. 
Questo porta, infatti, ad una notevole congestione della rete e quindi, ad un calo 
delle risorse pro-capite disponibili.  
È chiaro che, se le compagnie che offrono servizi ad Internet vogliono 
fornire delle connessioni affidabili devono incominciare a gestire i vari servizi 
offerti sulla rete e le diverse connessioni creando dei contratti specifici che diano 
delle garanzie.  
Internet, allo stato attuale, non offre alcun tipo di garanzia per i servizi che 
supporta, ed ecco il motivo per il quale si affronta il problema della QoS.  
          Da molto tempo si sta cercando di trasportare servizi differenti su di 
un'unica architettura di rete, questi servizi oggi hanno reti dedicate 
(TV,telefono,radio,ecc.), ma queste applicazioni stanno migrando verso l’uso di 
reti  IP
2
. 
                                                 
2
  Un qualunque segnale analogico deve attraversare diverse fasi(es. conversione digitale, 
pacchettizzazione,ecc.) per poter essere trasmesso su Internet.  
 
 
 Capitolo 1. La QoS                                                                                          14                           
 
 
 
 
 
Quando applicazioni differenti, che hanno reti dedicate, devono divenire 
IP-Based, le tecnologie di QoS devono garantire delle prestazioni simili a quelle 
che esse hanno nelle proprie reti. 
 
1.3 Parametri di prestazione 
 
Per garantire la QoS bisogna prevedere servizi differenziati e prestazioni 
assicurate end-to-end per le applicazioni in Internet (fig.1.2). 
Applicazioni differenti possono avere servizi differenti in accordo alle loro 
richieste. 
 
 
 
 
fig.1.2  QoS end to end 
 
 Capitolo 1. La QoS                                                                                          15                           
 
 
 
 
 
 Un gruppo di parametri può essere utilizzato per determinare il livello di 
servizio da offrire o da ricevere. Questi parametri consistono in [1]: 
Network Availability, Bandwidth, Delay, Jitter, Packet loss, Throughput. 
 
Network availability: può avere un effetto significativo sulla QoS.Questo 
parametro è legato ad un (supposto) breve periodo di tempo in cui la rete può 
fornire un servizio con prestazioni impredicibili o indesiderabili.  
Il Network availability tiene conto dell’ affidabilità degli elementi che la 
rete utilizza, ecco perché si hanno dispositivi di rete ridondanti come interfacce, 
processori e alimentatori in router e switch, connessioni. 
Bandwidth: è probabilmente il secondo parametro più significativo, è la 
larghezza di banda che la rete può offrire all’utente. L’allocazione della larghezza 
di banda può essere di due tipi: Available Bandwidth e Guaranteed Bandwidth. 
Nell’available bandwidth gli utenti competono per la banda disponibile, 
essi possono usufruire di più o di meno banda in base all’ammontare del traffico 
sulla rete in un dato tempo. 
Nella guaranteed bandwidth gli operatori di rete offrono un servizio che 
provvede a garantire un minimo ed un picco di banda. Poiché la banda è garantita 
questo servizio ha un prezzo maggiore dell’available bandwidth. 
  Delay: è il tempo che intercorre tra il momento in cui un messaggio viene 
consegnato alla rete, per essere recapitato a destinazione, e il tempo in cui 
effettivamente viene consegnato all’utente destinatario. Se un pacchetto dati può 
arrivare anche dopo diversi secondi, invece, un segnale audio o video di una 
sessione interattiva non può superare i limiti imposti al ritardo di consegna, in 
quanto l’informazione nella sua globalità si degraderebbe eccessivamente. 
Il Delay, che un generico pacchetto subirà, sarà dovuto alla somma dei 
ritardi accumulati su ogni link attraversato. Il ritardo associato ad ogni link, è 
costituito da quattro componenti : 
 Capitolo 1. La QoS                                                                                          16                           
 
 
 
 
 
1. PROCESSING DELAY (RITARDO DI PROCESSAMENTO): tempo che 
trascorre tra quando il pacchetto è correttamente ricevuto al nodo di testa del link 
e quando esso viene assegnato alla coda di trasmissione di un link d’uscita.  
2. QUEUEING DELAY (RITARDO DI CODA): tempo che trascorre tra 
l’istante in cui il pacchetto è assegnato ad una coda per la trasmissione e l’istante 
in cui il pacchetto inizia ad essere trasmesso. 
 Questo ritardo è quello di natura maggiormente statistica, perché dipende 
da tanti fattori che non si riescono a prevedere con precisione. 
3. TRANSMISSION DELAY (RITARDO DI TRASMISSIONE): tempo che 
trascorre tra gli istanti in cui il primo e l’ultimo bit del pacchetto sono spediti. 
4. PROPAGATION DELAY (RITARDO DI PROPAGAZIONE): tempo che 
trascorre tra l’istante in cui l’ultimo bit è spedito dal nodo di testa del link e 
l’istante in cui esso è ricevuto dal nodo di coda del link. Questo tempo dipende 
dalle caratteristiche del mezzo trasmissivo, ed è proporzionale alla distanza che 
separa il sender dal receiver. Tale delay risulta essere molto piccolo salvo nel 
caso delle trasmissioni via satellite. Tipicamente i mezzi di comunicazione 
utilizzati (cavo coassiale) hanno una velocità di propagazione pari circa a 
8
2*10  m/s . 
Jitter: è la misura della variazione del delay tra due pacchetti consecutivi 
per un dato flusso di traffico. In una rete packet-switched il jitter è la distorsione 
dei tempi d’arrivo dei pacchetti comparata ai tempi dei pacchetti della 
trasmissione originale. Questa distorsione danneggia molto il traffico di dati 
multimediali (voce e video). 
Tutte le reti introducono un jitter perché  in ogni nodo di rete i pacchetti 
sperimentano un delay variabile a causa dell’accodamento. Comunque la QoS 
deve garantire un bound per questo parametro. 
 Capitolo 1. La QoS                                                                                          17                           
 
 
 
 
 
 Packet Loss (PLP Packet Loss Probability): indica la quantità, in termini 
percentuali, dei pacchetti persi sui pacchetti totali per un determinato flusso di 
traffico. 
La perdita di un pacchetto si può avere o per errori introdotti dal mezzo 
fisico di trasmissione o per la congestione della rete. La maggior parte delle linee 
di trasmissione hanno un PLP basso legato alla misura del BER (Bit Error Rate), 
però connessioni wireless o via satellite hanno un BER elevato e variabile con le 
condizioni ambientali e geografiche, infatti la nebbia, la pioggia, interferenze RF, 
ostacoli fisici come edifici, montagne ed alberi contribuiscono alla crescita del 
BER e, quindi, del PLP.  
Alcune tecnologie wireless trasmettono informazioni ridondanti per 
contrastare la PLP (codifica dei dati a controllo o a correzione di errore). 
La perdita dei pacchetti può avvenire anche quando la rete è congestionata, 
in tal caso in un’architettura di rete esistono protocolli, come il TCP 
(Transmission Control Protocol), che danno una protezione alla perdita dei 
pacchetti ritrasmettendo i pacchetti che sono stati persi o corrotti dalla rete. 
Quando la rete è fortemente congestionata la perdita dei pacchetti aumenta e si 
incrementa il numero di ritrasmissioni, se la congestione continua le prestazioni 
della rete si abbassano significativamente, perché molta banda è utilizzata per 
ritrasmettere i pacchetti persi. 
Poiché la congestione ha un impatto diretto sul PLP conviene 
implementare meccanismi che riescono ad evitarla. 
Throughput: misura l’efficienza del sistema, e rappresenta il volume del 
traffico che viene smaltito dalla rete nell’unità di tempo: analiticamente esso si 
può quantificare attraverso il rapporto tra il traffico offerto ed il traffico smaltito.  
Esiste un’altra interpretazione (non di interesse prestazionistico) di throughput, 
inteso come volume di traffico offerto alla rete. 
Per quanto riguarda l’efficienza, essa è del 100% quando tutto quello 
 Capitolo 1. La QoS                                                                                          18                           
 
 
 
 
 
immesso nella rete riesce ad essere interamente smaltito. 
 
1.4 Categorie di applicazioni 
        
         In tab.1.1 è illustrata in termini qualitativi la QoS richiesta per alcune 
applicazioni comuni [1]. 
 
 
 
tab.1.1  Prestazioni richieste 
            
     Possiamo ottenere delle categorie di applicazioni  basandoci o sulle 
aspettative dell’utente finale o sulle prestazioni richieste dall’applicazione. 
Alcune applicazioni sono svolte tra utenti (video conferenza, VoIP, ecc.) 
altre tra utente e dispositivo di rete (PC e un server web) ed altre tra dispositivi di 
rete (tra router). In tab 1.2 illustriamo quattro differenti categorie di traffico e per 
ognuna di esse alcuni esempi di applicazioni che ne fanno parte.  
 
 Capitolo 1. La QoS                                                                                          19                           
 
 
 
 
 
 
                       
                                       tab.1.2 Categorie di traffico 
 
 Le applicazioni sono interactive quando due o più persone vi partecipano 
attivamente. I partecipanti si aspettano un servizio real-time dalla rete. 
In questo contesto bisogna assicurare un minimo delay ed una minima 
variazione del delay (jitter) tra chi trasmette e chi riceve. 
Esempi di applicazioni interactive sono VoIP, video conferenza e giochi 
iterattivi. 
Queste applicazioni sono di solito UDP-Based per garantire un delay 
minimo, quindi non si ha nessun controllo sui pacchetti persi, essi non saranno 
ritrasmessi. Comunque la ritrasmissione dei pacchetti persi non reca alcun 
beneficio alle applicazioni interactive che sono time-based, ovvero la consegna 
dei pacchetti deve avvenire nello stesso ordine con cui i pacchetti sono stati 
trasmessi. 
Percui queste applicazioni richiedono anche un PLP contenuto. 
Nella categoria responsive troviamo applicazioni tra utenti e dispositivi di 
rete (server). Un utente può richiedere una rapida risposta ad una richieta fatta ad 
un dispositivo di rete. Queste applicazioni sono simili a quelle real-time e 
richiedono un piccolo delay, piccolo jitter ed un basso PLP; in ogni caso le 
richieste non sono così  stringenti come nel real-time. 
Questa categoria include streaming media ed applicazioni web-based. 
 Capitolo 1. La QoS                                                                                          20                           
 
 
 
 
 
Le applicazioni streaming media includono radio, audio e video broadcast 
su internet. 
Queste applicazioni richiedono delle risposte a determinate segnalazioni 
senza dover aspettare troppo, per esempio mentre un utente vede un video on- 
demand può richiedere la ritrasmissione, la pausa, il rewind o il fast-forward e 
l’applicazione deve reagire simulando un VCR, anche nei tempi di risposta. 
Le applicazioni web-based includono la selezione di un hyperlink per 
saltare ad una nuova pagina web o la richiesta di particolari servizi. 
Queste  applicazioni possono includere anche una transazione finanziaria. 
Le applicazioni responsive possono essere  UDP o TCP-Based. 
Le applicazioni streaming media sono tipicamente UDP-Based, ma 
possono essere anche TCP-Based. Le applicazioni web-Based utilizzano il 
protocollo HTTP (HyperText Transport Protocol) e sono sempre TCP-Based. 
La categoria timely include quelle applicazioni che non richiedono 
prestazioni stringenti, ma solo che vengano effettuate in modo opportuno. 
Esempi di applicazioni per questa categoria sono l’e-mail ed il 
trasferimento file (FTP). 
Esse richiedono un bound sul delay, per esempio se un’e-mail impiega 
pochi minuti per arrivare a destinazione il servizio è accettabile, ma se impiega 
più di 10 minuti non è accettabile. 
Il trasferimento dei file è TCP-Based, il protocollo TCP fa in modo che 
tutti i pacchetti arrivino a destinazione in modo affidabile. 
Quindi le applicazioni di questa categoria richiedono un bound sul delay 
(non stringente), l’effetto del jitter è trascurabile ed il protocollo TCP fa in modo 
che l’applicazione non risenta della perdita dei pacchetti. 
Nella categoria Network control troviamo quelle applicazioni utilizzate per 
il controllo e l’amministrazione della rete. Esempi sono: gestione dei protocolli di 
routing, fatturazioni e misure per QoS.